JP2021038974A - 分光画像生成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の照射により撮像対象が受ける影響を低減しつつ、撮像対象の鮮明な分光画像を生成すること。【解決手段】分光画像生成装置は、エネルギーが異なる光子を含む微弱光を出力する光源と、前記光源により出力された光子を反射して撮像対象を透過させ、前記撮像対象を透過した光子を反射し、前記撮像対象により反射された光子を反射し、又は前記光源により出力された光子を前記撮像対象に向けて反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、前記撮像対象を透過した光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行し、又は前記撮像対象により反射された光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する光子検出器と、前記光子検出器が実行した処理の結果を使用して前記撮像対象の分光画像を生成する分光画像生成部と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、分光画像生成装置に関する。
従来から生物科学等の様々な分野において微弱光イメージング技術が利用されている。微弱光イメージング技術は、撮像対象に微弱光を照射して撮像対象の画像を生成するため、光の照射により撮像対象が受けるダメージが少ないという利点を有する。
例えば、微弱光イメージング技術の一例として、特許文献１に開示されている極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムが挙げられる。この極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムは、アッテネータを含む極微弱光源、デジタルマイクロミラーデバイス及び単一光子検出器を備え、分光画像のイメージングに用いられる。
しかし、この極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムは、単一光子検出器が光子のエネルギーを検出するものではないため、撮像対象の鮮明な分光画像を生成し得ないことがある。また、この極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムは、波長が既知である可視光領域の極微弱光を撮像対象に照射し、撮像対象の分光画像を生成することができるものの、撮像対象自体が発光している場合、当該発光を当該分光画像に反映させ得ないことがある。
そこで、本発明は、光の照射により撮像対象が受ける影響を低減しつつ、撮像対象の鮮明な分光画像を生成することができる分光画像生成装置を提供することを課題とする。
本発明の一態様は、エネルギーが異なる光子を含む微弱光を出力する光源と、前記光源により出力された光子を反射して撮像対象を透過させ、前記撮像対象を透過した光子を反射し、前記撮像対象により反射された光子を反射し、又は前記光源により出力された光子を前記撮像対象に向けて反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、前記撮像対象を透過した光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行し、又は前記撮像対象により反射された光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する光子検出器と、前記光子検出器が実行した処理の結果を使用して前記撮像対象の分光画像を生成する分光画像生成部と、を備える分光画像生成装置である。
本発明の一態様は、エネルギーが既知であり互いに異なる光子を含む微弱光を出力する光源と、前記光源により出力された光子を反射して撮像対象を透過させ、前記撮像対象を透過した光子を反射し、前記撮像対象により反射された光子を反射し、又は前記光源により出力された光子を前記撮像対象に向けて反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、前記撮像対象を透過した光子を検出する処理又は前記撮像対象により反射された光子を検出する処理を実行する光子検出器と、前記光子検出器が実行した処理の結果を使用して前記撮像対象の分光画像を生成する分光画像生成部と、を備える分光画像生成装置である。
本発明によれば、光の照射により撮像対象が受ける影響を低減しつつ、撮像対象の鮮明な分光画像を生成することができる。
図１を参照しながら、実施形態に係る分光画像生成装置の一例を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る分光画像生成装置の一例を示す図である。図１に示すように、分光画像生成装置１ａは、光源１１と、ダイクロイックミラー１２と、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）１３ａと、光子検出器１４ａと、光子検出器１５と、分光画像生成部１６とを備える。
光源１１は、エネルギーが異なる光子を含む微弱光を出力する。例えば、光源１１は、エネルギーが互いに異なる光子が含まれている数個から数千個の光子を出力する。ただし、光源１１が出力する光子の数は、所定の観測時間内において、必ずしも数個から数千個に限定されるわけではない。また、光源１１は、エネルギーが互いに異なる光子を出力する。これらの光子は、例えば、単一光子状態又は光子対状態にある光子であってもよい。
また、光源１１は、図１に示すように、レーザ１１１と、チャープ擬似位相整合非線形光学結晶（ＣＱＰＭ−ＮＣ：Chirped Quasi-Phase Matching Nonlinear Optical Crystal）１１２とを備える。レーザ１１１は、レーザ光を出力する。このレーザ光の波長は、例えば、３５５ｎｍ（ナノメートル）である。チャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２は、非線形光学過程によりレーザ光から量子もつれ光子対を生成して出力する非線形光学結晶の一例である。例えば、チャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２は、パラメトリック下方変換（ＰＤＣ： Parametric Down Conversion）によりレーザ１１１が出力したレーザ光から超広帯域量子もつれ光子対Ｐを生成して出力する。超広帯域量子もつれ光子対Ｐは、例えば、短波長赤外領域に含まれる波長１５５０ｎｍを有する光子及び可視光領域に含まれる波長４６０ｎｍを有する光子を含んでいる。また、エネルギー保存則が成立しているため、超広帯域量子もつれ光子対Ｐのエネルギーは、レーザ１１１が出力するレーザ光の光子のエネルギーに等しい。
ダイクロイックミラー１２は、特定の波長を有する光を反射させ、それ以外の波長を有する光を透過させる鏡である。例えば、ダイクロイックミラー１２は、７５０ｎｍ以上の波長を有する光を反射させ、７５０ｎｍ未満の波長を有する光を透過させる鏡である。この場合、ダイクロイックミラー１２は、超広帯域量子もつれ光子対Ｐのうち波長１５５０ｎｍを有する光子を反射させ、波長４６０ｎｍを有する光子を透過させる。なお、ダイクロイックミラー１２の光学的な特性は、光源１１が出力する光子のエネルギーに応じて決定される。
デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、多数の可動式のマイクロミラーをＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）プロセスにより作成された集積回路上に格子状に配列したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。各マイクロミラーは、分光画像生成装置１ａにより生成される分光画像の各画素に相当する。ここで言う分光画像は、可視光領域におけるカラー画像及び赤外画像を含む。
各マイクロミラーは、例えば、一辺が数十μｍ（マイクロメートル）の正方形の鏡面を有しており、各鏡面の裏側に設けられている電極を駆動することにより、当該鏡面をねじれ軸周りに＋１２度又は−１２度傾けることができる。各マイクロミラーは、鏡面が＋１２度傾いている場合、オン状態であり、鏡面が−１２度傾いている場合、オフ状態である。
デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、光源１１により出力された光子をオン状態のマイクロミラーで反射して撮像対象Ｔを透過させる。この光子は、例えば、波長が１５５０ｎｍであり、ダイクロイックミラー１２により反射された光子である。デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、各マイクロミラーのオン状態とオフ状態とを順次切り替えることにより、複数の光子を順次撮像対象Ｔに向けて反射させる。具体的には、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、撮像対象Ｔの分光画像を生成するために必要な時間の間、各マイクロミラーのオン状態とオフ状態とを切り替えながら、光子を一つずつ反射させる。また、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、各タイミングにおける各マイクロミラーの状態を示すマイクロミラー状態データを分光画像生成部１６に送信する。
光子検出器１４ａは、撮像対象Ｔを透過した光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する超伝導転移端センサ（ＴＥＳ：Transition Edge Sensor）である。この超伝導転移端センサは、常伝導状態から超伝導状態に相転移する転移領域に温度が保たれている超伝導物質を有している。また、超伝導転移端センサは、光子を吸収して抵抗値が増加する際に超伝導物質に流れている電流の変化を超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）で検出することにより、光子の入射及び当該光子のエネルギーを検出する。また、光子検出器１４ａは、各タイミングで光子を検出したことを示す第一検出データ及び各光子のエネルギーを示すエネルギーデータを分光画像生成部１６に送信する。
光子検出器１５は、ダイクロイックミラー１２を透過した光子及び当該光子のエネルギーを計測する超伝導転移端センサである。或いは、光子検出器１５は、ダイクロイックミラー１２を透過した光子を検出するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）又は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ：Superconducting Nanowire Single Photon Detector）である。光子検出器１５は、光子検出器１４ａと同様の手段により入射した光子を検出し、当該光子のエネルギーを計測する。また、光子検出器１５は、各タイミングで光子を検出したことを示す第二検出データ及び各光子のエネルギーを示すエネルギーデータを分光画像生成部１６に送信する。
分光画像生成部１６は、光子検出器１４ａが実行した処理の結果を使用して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。具体的には、分光画像生成部１６は、上述したマイクロミラー状態データ、第一検出データ、光子検出器１４ａから受信したエネルギーデータ及び光子検出器１５から受信したエネルギーデータを使用して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。また、分光画像生成部１６は、分光画像を生成する過程で圧縮センシングを利用することにより、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａがマイクロミラーのオン状態とオフ状態とを切り替える回数が少ない場合でも適切な分光画像を生成し得る。
分光画像生成部１６は、これら三種類のデータに加えて、上述した第二検出データを使用し、光源１１により出力された超広帯域量子もつれ光子対Ｐ以外の光子に起因するノイズを低減させた分光画像を生成してもよい。すなわち、分光画像生成部１６は、光子検出器１４ａ及び光子検出器１５が同時に光子を検出することにより、超広帯域量子もつれ光子対Ｐではない光子によるノイズを低減させた分光画像を生成してもよい。この場合、光子検出器１５は、少なくとも入射した光子を検出することができればよい。なお、超広帯域量子もつれ光子対Ｐではない光子は、迷光と呼ばれることがある。
また、分光画像生成部１６が有する機能のうちの一部又は全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の回路部（circuitry）を含むハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働により実現されてもよい。プログラムは、事前にＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ等の非一過性の記憶媒体を備える記憶装置に格納されていてもよいし、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の着脱可能な非一過性の記憶媒体に格納されており、当該記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。
以上、実施形態に係る分光画像生成装置１ａについて説明した。分光画像生成装置１ａは、超広帯域量子もつれ光子対Ｐに含まれる光子を反射して撮像対象Ｔを透過させ、当該光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行し、これら二つの処理の結果を使用して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。これにより、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔに照射する光の強度を極限まで低減しつつ、撮像対象Ｔの分光画像を生成することができる。また、分光画像生成装置１ａは、古典光をフィルタで減衰させて光子を出力せず、レーザ１１１及びチャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２を使用して超広帯域量子もつれ光子対Ｐを出力する。これにより、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔに照射する光の強度をフィルタにより十分に低減させることができず、撮像対象Ｔに光の照射による影響を与えてしまう事態を回避することができる。
なお、上述した実施形態では、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａが光源１１により出力された光子を反射して撮像対象Ｔを透過させ、光子検出器１４ａが当該光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する場合を例に挙げたが、これに限定されない。すなわち、図１に示した分光画像生成装置１ａだけではなく、図２に示した分光画像生成装置１ｂでも上述した効果を奏することができる。
図２は、本発明の実施形態に係る分光画像生成装置の一例を示す図である。図２に示した分光画像生成装置１ｂは、撮像対象Ｔを透過した光子のエネルギーを計測して撮像対象Ｔの分光画像を生成する分光画像生成装置１ａと異なり、撮像対象Ｔにより反射された光子のエネルギーを計測して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。図２に示すように、分光画像生成装置１ｂは、光源１１と、ダイクロイックミラー１２と、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂと、光子検出器１４ｂと、光子検出器１５と、分光画像生成部１６とを備える。
デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂは、ダイクロイックミラー１２により反射された後に撮像対象Ｔにより反射された光子を反射する。光子検出器１４ｂは、撮像対象Ｔにより反射された当該光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する。また、分光画像生成装置１ｂの他の構成要素は、分光画像生成装置１ａと同様である。
また、図１を参照しながら説明した実施形態及び図２を参照しながら説明した実施形態では、光源１１がレーザ１１１及びチャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２を備える場合を例に挙げたが、これに限定されない。
例えば、光源１１は、光を出力するスーパーコンティニウム（ＳＣ：Super Continuum）光源又はスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ：Superluminescent Diode）と、当該光を減衰させて上述した微弱光を出力するフィルタとを備えていてもよい。
この場合、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂは、光子の検出及び当該光子のエネルギーの検出が可能な超伝導転移端センサでなければならない。分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、光源１１、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂがこのような構成であっても、光の照射により撮像対象Ｔが受ける影響を低減しつつ、撮像対象Ｔの鮮明な分光画像を生成することができる。また、この場合、分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、光子検出器１４ａにより検出される光子と光子検出器１５により検出される光子との間に検出時刻や波長の相関が無いため、光子検出器１５を省略してよい。
なお、スーパーコンティニウム光源は、赤外領域から可視光領域までスーパールミネッセンスダイオードよりも広帯域な光を出力することができるため、広帯域の分光画像、例えば、赤外領域から可視光領域の分光画像が必要な場合には、スーパールミネッセンスダイオードよりも好ましい。
また、上述した光源１１は、エネルギーが既知であり互いに異なる光子を含む微弱光を出力してもよい。具体的には、光源１１は、第一の発光ダイオードと、第二の発光ダイオードと、第一のフィルタと、第二のフィルタとを少なくとも備えていてもよい。ここで、第一の発光ダイオードは、第一のエネルギーを有する第一の光を出力する。第一の光は、例えば、赤色の光である。第二の発光ダイオードは、第一のエネルギーと異なる第二のエネルギーを有する第二の光を出力する。第二の光は、緑色の光である。第一のフィルタは、第一の光を減衰させるフィルタである。第二のフィルタは、第二の光を減衰させるフィルタである。
さらに、この場合、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂは、光子の検出が可能であればよい。したがって、この場合、光子検出器１４ａは、超伝導転移端センサであってもよいし、アバランシェフォトダイオード又は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器であってもよい。アバランシェフォトダイオード及び超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、光子のエネルギーを検出することはできないが、光子の検出が可能な光子検出器である。また、光子検出器１４ａがアバランシェフォトダイオード又は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器である場合、光源１１は、自身が出力した光の波長を示す波長データを分光画像生成部１６に送信する必要がある。
分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、エネルギーが既知であり互いに異なる光子を含む微弱光が光源１１により出力され、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂが光子の検出のみを実行する場合でも、光の照射により撮像対象Ｔが受ける影響を低減しつつ、撮像対象Ｔの鮮明な分光画像を生成することができる。
また、光源１１は、第一の発光ダイオード、第二の発光ダイオード、第一のフィルタ及び第二のフィルタに加えて、少なくとも第三の発光ダイオード及び第三のフィルタを備えていてもよい。第三の発光ダイオードは、第一のエネルギー及び第二のエネルギーと異なる第三のエネルギーを有する第三の光を出力する。第三の光は、例えば、青色の光である。第三のフィルタは、第三の光を減衰させるフィルタである。
また、上述した実施形態では、分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂが光子検出器１５を備える場合を例に挙げたが、これに限定されない。分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、光源１１がレーザ１１１及びチャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２を備える場合であっても光子検出器１５を備えていなくてもよい。
また、分光画像生成装置１ａは、光源１１から光子検出器１４ａまでの光路及び光源１１から光子検出器１５までの光路の少なくとも一方の任意の場所に適宜配置されたレンズ、ミラー等の光学部品を備えていてもよい。同様に、分光画像生成装置１ｂは、光源１１から光子検出器１４ｂまでの光路及び光源１１から光子検出器１５までの光路の少なくとも一方の任意の場所に適宜配置されたレンズ、ミラー等の光学部品を備えていてもよい。これらの光学部品は、撮像対象Ｔの分光画像の生成に使用される。
また、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔを透過した光子を検出する光子検出器１４ａに撮像対象Ｔから放出される蛍光に含まれる光子に対する感度を持たせてもよい。これにより、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔにより吸収された光子により撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子のエネルギーを超伝導転移端センサである光子検出器１４ａにより検出し、分光画像に反映させることができる。この場合、分光画像生成装置１ａは、光子検出器１５として超伝導転移端センサを採用することにより、光子検出器１４ａにより検出された光子が撮像対象Ｔを透過した光子や撮像対象Ｔにより反射された光子であるか撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子であるかを判別することができる。
同様に、分光画像生成装置１ｂは、撮像対象Ｔにより反射された光子を検出する光子検出器１４ｂに撮像対象Ｔから放出される蛍光に含まれる光子に対する感度を持たせてもよい。これにより、分光画像生成装置１ｂは、撮像対象Ｔにより吸収された光子により撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子のエネルギーを超伝導転移端センサである光子検出器１４ｂにより検出し、分光画像に反映させることができる。この場合、分光画像生成装置１ｂは、光子検出器１５として超伝導転移端センサを採用することにより、光子検出器１４ａにより検出された光子が撮像対象Ｔを透過した光子や撮像対象Ｔにより反射された光子であるか撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子であるかを判別することができる。
また、図１を使用した説明では、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａが光源１１により出力された光子を反射して撮像対象Ｔを透過させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。分光画像生成装置１ａは、図１に示したデジタルマイクロミラーデバイス１３ａと撮像対象Ｔとの順序を入れ替え、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａが撮像対象Ｔを透過した光子を反射して光子検出器１４ａに入射させるようにしてもよい。
また、図２を使用した説明では、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂが撮像対象Ｔ
により反射された光子を反射させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。分光画像生成装置１ｂは、図２に示したデジタルマイクロミラーデバイス１３ｂと撮像対象Ｔとの順序を入れ替え、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂが光源１１により出力された光子を撮像対象Ｔに向けて反射するようにしてもよい。また、この場合、撮像対象Ｔにより反射された光子が光子検出器１４ｂに入射するよう、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂの配置及び撮像対象Ｔの配置が調整される。
により反射された光子を反射させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。分光画像生成装置１ｂは、図２に示したデジタルマイクロミラーデバイス１３ｂと撮像対象Ｔとの順序を入れ替え、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂが光源１１により出力された光子を撮像対象Ｔに向けて反射するようにしてもよい。また、この場合、撮像対象Ｔにより反射された光子が光子検出器１４ｂに入射するよう、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂの配置及び撮像対象Ｔの配置が調整される。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、置換及び設計変更の少なくとも一つを加えることができる。また、上述した各実施形態に記載の構成を組み合わせてもよい。
１ａ，１ｂ…分光画像生成装置、１１…光源、１２…ダイクロイックミラー、１３ａ，１３ｂ…デジタルマイクロミラーデバイス、１４ａ，１４ｂ、１５…光子検出器、１６…分光画像生成部
Claims (5)
- エネルギーが異なる光子を含む微弱光を出力する光源と、
前記光源により出力された光子を反射して撮像対象を透過させ、前記撮像対象を透過した光子を反射し、前記撮像対象により反射された光子を反射し、又は前記光源により出力された光子を前記撮像対象に向けて反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、
前記撮像対象を透過した光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行し、又は前記撮像対象により反射された光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する光子検出器と、
前記光子検出器が実行した処理の結果を使用して前記撮像対象の分光画像を生成する分光画像生成部と、
を備える分光画像生成装置。 - 前記光源は、レーザ光を出力するレーザと、非線形光学過程により前記レーザ光から量子もつれ光子対を生成して出力する非線形光学結晶とを含み、
前記光子検出器は、超伝導転移端センサである、
請求項１に記載の分光画像生成装置。 - 前記光源は、光を出力するスーパーコンティニウム光源又はスーパールミネッセンスダイオードと、前記光を減衰させて前記微弱光を出力するフィルタとを含み、
前記光子検出器は、超伝導転移端センサである、
請求項１に記載の分光画像生成装置。 - エネルギーが既知であり互いに異なる光子を含む微弱光を出力する光源と、
前記光源により出力された光子を反射して撮像対象を透過させ、前記撮像対象を透過した光子を反射し、前記撮像対象により反射された光子を反射し、又は前記光源により出力された光子を前記撮像対象に向けて反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、
前記撮像対象を透過した光子を検出する処理又は前記撮像対象により反射された光子を検出する処理を実行する光子検出器と、
前記光子検出器が実行した処理の結果を使用して前記撮像対象の分光画像を生成する分光画像生成部と、
を備える分光画像生成装置。 - 前記光源は、第一のエネルギーを有する第一の光を出力する第一の発光ダイオードと、前記第一のエネルギーと異なる第二のエネルギーを有する第二の光を出力する第二の発光ダイオードと、前記第一の光を減衰させる第一のフィルタと、前記第二の光を減衰させる第二のフィルタとを少なくとも含み、
前記光子検出器は、アバランシェフォトダイオード又は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器である、
請求項４に記載の分光画像生成装置。
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