JP2021177240A - 光学的特性及び機械的特性を有する光学デバイス - Google Patents

光学的特性及び機械的特性を有する光学デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】センサは風雨等の環境要因の影響を受けやすく、これらは、センサの耐久性及び操作性に損傷、引掻き、又はそれ以外の方法で影響を及ぼし得る。【解決手段】基板２０と、基板２０に施された少なくとも1つのコーティング３０とを含む光学デバイス１０であって、環境に露出した第１の側と露出していない第２の側とを有する光学デバイス１０が開示される。コーティング３０は、デバイスを機械的、光学的、化学的、及び環境的要因から保護することができる。【選択図】図１

Description

本開示は、概して、基板と基板に施されたコーティングとを含む光学デバイスであって
、環境に露出した第１の側と露出していない第２の側とを有する光学デバイスに関する。
本願は、２０１８年１月３０日付けの米国仮出願第６２／６２４，００９号の優先権を
主張し、その開示を参照により本明細書に援用する。
光センサ用の光学デバイスは、半自動運転車両、自動運転車両、及び遠隔操縦車両の登
場により重要性を増しつつある。例えば、車両におけるＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ ｄｅｔ
ｅｃｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）技術の適用への関心が高まっている。しかしなが
ら、光センサ用の光学デバイスの使用は、センサに損傷を与えるか又はセンサの機能に悪
影響を及ぼし得る機械的、光学的、及び環境的要因にセンサが耐えることができるかとい
う懸念をもたらす。例として、センサは風雨等の環境要因の影響を受けやすく、これらは
、センサの耐久性及び操作性に損傷、引掻き、又はそれ以外の方法で影響を及ぼし得る。
一態様では、基板と基板に施されたコーティングとを含む光学デバイスであって、環境
に露出した第１の側と露出していない第２の側とを有する光学デバイスが開示される。
種々の実施形態のさらに他の特徴及び利点は、一部が以下の説明に記載され一部が説明
から明らかとなるか、又は種々の実施形態の実施により会得され得る。種々の実施形態の
目的及び他の利点は、本明細書の説明で特に指摘される要素及び組み合わせにより実現及
び達成されるであろう。
本開示のいくつかの態様及び実施形態は、詳細な説明及び添付図面からさらに十分に理
解することができる。
本発明の一態様による光学デバイスの断面である。 本発明の別の態様による光学デバイスの断面である。 本発明の別の態様による光学デバイスの断面である。 本発明の別の態様による光学デバイスの断面である。 本発明の別の態様による光学デバイスの断面である。 本発明の別の態様による光学デバイスの断面である。
本明細書及び図を通して、同じ参照符号は同じ要素を示す。
上述の概要及び以下の詳細な説明の両方が、例示及び説明のためのものにすぎず、本教
示の種々の実施形態の説明を提供するものであることを理解されたい。各図に示す層／コ
ンポーネントは、特定の図に関して説明されている場合があるが、特定の層／コンポーネ
ントの説明が他の図の同等の層／コンポーネントにも当てはまることを理解されたい。
図１に示すように、広範且つ多様な実施形態において、基板２０と、基板２０に施され
た少なくとも1つのコーティング３０とを含む光学デバイス１０であって、環境に露出し
た第１の側と露出していない第２の側とを有する光学デバイス１０が開示される。「露出
した」第１の側は、光、空気、汚れ、風等の環境に面していることを意味する。「露出し
ていない」第２の側は、環境に面していないことを意味し、窓、センサ（例えば、ＬＩＤ
ＡＲセンサ）、又はレンズ、例えば自立性レンズ、又は複雑な光学系の一部としてのレン
ズ等の別のデバイスに取り付けられることを含み得る。
開示されている光学デバイス１０は、上記に開示したような別のデバイスを機械的、光
学的、化学的、及び環境的要因から保護することができる少なくとも１つのコーティング
３０を含み得る。少なくとも１つのコーティング３０は、少なくとも１つの機能を提供し
得る。少なくとも１つのコーティング３０は、光学デバイス１０に複数の機能を提供する
ために１つ又は複数のコーティングを含み得る。さらに、少なくとも１つのコーティング
３０は、基板１０の露出した第１の側及び／又は露出していない第２の側に１つ又は複数
のコーティング３０を含むことにより、光学デバイス１０の各コーティング３０の機能を
最適化することができる。
光学デバイス１０の基板２０は、コーティング可能な任意の材料であり得る。基板２０
の非限定的例としては、プラスチック、合成サファイア、ガラス、合成ダイヤモンド、光
学セラミックス材料、光学品質ポリマー（optical quality polymers）、及びケイ素等の
光学デバイス１０の機能用途に必要な吸収スペクトルを有する透光性基板が挙げられる。
光学品質ポリマーとしては、ポリカーボネート、アクリレート、及び環状オレフィンポリ
マーが挙げられる。化学強化ガラスを含む種々のタイプのガラスを用いることができる。
一態様では、図６に示すように、光学デバイス１００は、複数の基板１１０ａ、１１０
ｂを含み得る。複数の基板１１０ａ、１１０ｂを含むことで、光学デバイス１００及びそ
れが取り付けられるセンサの安全性を高めることができる。さらに、複数の基板１１０ａ
、１１０ｂを光学デバイス１００に含むことで、光学デバイス１００の構造強度及び／又
は可撓性を高めることができる。光学デバイス１００は、２つ以上の基板１１０ａ、１１
０ｂを含み得る。２つ以上の基板１１０ａ、１１０ｂは、２つ以上の基板１１０ａ、１１
０ｂを合わせて固定した積層板であり得る。一態様では、接着剤を２つ以上の基板１１０
ａ、１１０ｂ間に含んで積層板が形成され得る。積層基板は、光学デバイス１００を薄く
し且つ強度を高くすることができる。しかしながら、単一基板又は積層基板の厚さは、光
学デバイス１００に適した基板を選択する際の制限要因ではない。
少なくとも１つの基板１１０ａ、１１０ｂは、同じであっても異なっていてもよい。一
態様では、第１の基板１１０ａは、用途及び場所に応じて、化学強化ガラスから合成サフ
ァイア又はダイヤモンド等の本質的に極めて硬質の耐衝撃性材料までに及ぶ硬質光学材料
から製造され得る。第１の基板１１０ａは、露出した第１の側に機械的機能及び保護機能
を与えるコーティング３０を含み、露出していない第２の側に第２の基板及び／又は光学
機能を与えるコーティング３０を含み得る。第２の基板１１０ｂは、光学デバイス１００
に付加的な保護機能を与えることができる光学コーティングのキャリアとして機能し得る
。
光学デバイス１０、１００で用いられる基板（単数又は複数）２０、１１０ａ、１１０
ｂは、安全性、費用、重量等に基づいて選択され得る。基板２０、１１０ａ、１１ｂの選
択は、光学デバイス１０、１００の形成における変動要素である。特に、基板（単数又は
複数）２０、１１０ａ、１１０ｂの選択により、光学デバイス１０、１００におけるコー
ティング３０の層の順序が変わり得る。
図２〜図５は、本明細書において企図される種々の光学デバイス１０を示す。これらは
例示的なものである。露出した第１の側及び露出していない第２の側のコーティングの順
序は変わり得ることを理解すべきである。さらに、露出した第１の側及び露出していない
第２の側にあるコーティングのタイプは変わり得る。概して、機械的機能又は保護機能を
提供できるコーティング３０は、光学デバイスの露出した第１の側にあり、光学機能を提
供できるコーティングは、光学デバイスの露出していない第２の側にある。図２〜図５の
コーティング３０について以下でより詳細に説明する。
図２に示すように、露出した第１の側の防汚処理を施した反射防止コーティング３０ａ
と、基板２０と、露出していない第２の側の導電性コーティング３０ｂ及びグレア低減（
glare reducing：防眩）コーティング３０ｃとを含む、光学デバイス１０が図示されてい
る。
図３に示すように、露出した第１の側の防汚処理を施した反射防止コーティング３０ａ
と、基板２０と、露出していない第２の側の導電性コーティング３０ｂ、グレア低減コー
ティング３０ｃ、及び反射防止コーティング３０ｅとを含む、光学デバイス１０が図示さ
れている。
図４に示すように、露出した第１の側の防汚処理を施した反射防止コーティング３０ａ
と、基板２０と、露出していない第２の側の導電性コーティング３０ｂ、バンドパスフィ
ルタ３０ｄ、及びグレア低減コーティング３０ｃとを含む、光学デバイス１０が図示され
ている。
図５に示すように、露出した第１の側の防汚処理を施した反射防止コーティング３０ａ
と、基板２０と、露出していない第２の側の導電性コーティング３０ｂ、バンドパスフィ
ルタ３０ｄ、グレア低減コーティング３０ｃ、及び反射防止コーティング３０ｅとを含む
、光学デバイス１０が図示されている。
光学デバイス１０は、反射防止コーティング３０ｅ等の基板２０に施されたコーティン
グ３０を含み得る。一態様では、反射防止コーティング３０ｅは、光学デバイス１０の第
１の側にあり得る。図２〜図５に示すように、反射防止コーティング３０は、防汚３０ａ
特性を与えるように処理することもできる。図３及び図６に示すように、別の態様では、
反射防止コーティング３０ｅは、光学デバイス１０の第２の側にあり得る。光学デバイス
１０は、第１の側に防汚処理を施した反射防止コーティング３０ａ、第２の側に反射防止
コーティング３０ｅ（防汚処理なし）を含み得る。
反射防止コーティング３０ｅは、誘電体スタックとすることができ、基板２０との境界
面の光の反射を低減することができる。誘電体スタックを形成するのに適した誘電体とし
ては、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、及びＳｉＯ２等の金属酸化物が挙げられ、これ
らは、可視波長スペクトル域（例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍ）で高い透明度を示すこ
とができる。反射防止コーティング３０ｅは、低屈折率等の第１屈折率を有する複数の第
１誘電体層、例えばＳｉＯ２又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）と、少なくとも高屈折
率等の第２屈折率を有する複数の第２誘電体層とを交互に含むスタックであり得る。高屈
折率材料の非限定的例としては、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チ
タン、酸化ジルコニウム、及びそれらの組み合わせが挙げられる。
反射防止コーティング３０ｅは、ＮｂＴｉＯｘ、ＳｉＯ２等の層のスタックから形成さ
れ得る。一態様では、反射防止コーティング３０ｅは、約５０ｎｍの第１ＮｂＴｉＯｘ層
、約１８ｎｍの第１ＳｉＯ２層、約１６ｎｍの第２ＮｂＴｉＯｘ層、約１０１ｎｍの第２
ＳｉＯ２層の薄膜誘電体スタックであり得る。
光学デバイス１０は、保護剤コーティング等の基板に施されたコーティング３０を含み
得る。保護剤コーティングは、光学デバイスの第１の側にあり得る。光学デバイス１０は
、保護剤コーティングを単独で又は反射防止コーティング３０ｅと組み合わせて含み得る
。一態様では、保護剤コーティングは、基板２０に施された反射防止コーティング３０ｅ
に施される。保護剤コーティング及び反射防止コーティング３０ｅの両方が、光学デバイ
ス１０の第１の側にある。
一態様では、保護剤コーティングは、官能性シランを有するフッ素化アルキルエーテル
ポリマーを含み得る。このような化合物の例は、一般式Ｒｍ−Ｓｉ−Ｘｎ （１）を有し
、式中、Ｒはフッ素化アルキルエーテル繰り返し単位を含み、Ｘは、アルコキシ基、塩化
物、又はアミン基であり得るものとし、ｍ＋ｎ＝４である。例えば、トリメチルシラン基
で官能基化されたポリ（パーフルオロプロピルエーテル）及びシラザン基で官能基化され
たポリ（パーフルオロエチルエーテル）が、２つのこうした化合物である。
保護剤コーティングは、耐久性があり得ると共に、簡易式：ＣＦ３−［ＣＨ（ＣＦ３）
−ＣＨ２−Ｏ−］ｘ−ＣＯＮＣＨ３−（ＣＨ２）３−Ｓｉ−（ＯＣ２Ｈ５）３ （２）を
有する化合物を含み得るものであり、式中、ｘは７〜１１の整数である。この化合物は、
２価の連結基（すなわち、−ＣＯＮＣＨ３−（ＣＨ２）３−）も含み得る。当然ながら、
式（２）に示すものと構造及び機能が同様の化合物を、保護剤コーティングで用いること
もできる。特に、市販の化合物であるＮ−メチル−Ｎ−（−トリエトキシプロピル）−２
−［α−ヘプタフルオロプロポキシ｛ポリ（オキシ（トリフルオロメチル）−１，２−エ
タンジイル）｝テトラフルオロプロピオンアミドを、保護剤コーティングで用いることが
できる。
保護剤コーティングを施す方法は、コーティング化合物を含有する液体、溶液、又はゲ
ル状担体に表面を浸漬する、前者を後者に流す、前者で後者を拭く、且つ／又は前者を後
者に吹き付ける等のウェット技法、及びコーティング化合物を表面に（大気圧で又は真空
下で）蒸着する等のドライ技法を含み得る。
図２〜図５に示すように、光学デバイス１０は、導電性コーティング３０ｂ等の基板２
０に施されたコーティング３０を含み得る。導電性コーティング３０ｂは、光学デバイス
１０の第２の側にあり得る。導電性コーティング３０ｂは、撥汚、撥水、及び防塵表面と
して働く低表面エネルギー処理であり得る。このコーティング３０ｂは、０．０８未満等
の低い摩擦係数を有し得る。このように、導電性コーティング３０ｂは、光学デバイス１
０の研磨媒体による損傷の受けやすさを低減することができる。
導電性コーティング３０ｂとしては、酸化スズ（ＩＴＯ）、ナノ粒子系透明複合材、及
び他の一般的に用いられる光学的に透明な導体が挙げられる。一態様では、導電性コーテ
ィング３０ｂは、約８５０ｎｍ〜約２０００ｎｍ等のＬＩＤＡＲセンサの動作波長で透明
であり得る。
導電性コーティング３０ｂは、発熱体として働いて約３０℃から８０℃へのように光学
デバイス１０の温度を上昇させることができる。発熱体としてこのコーティング３０ｂを
含む光学デバイス１０を用いて、センサが取り付けられた窓が曇るリスクの排除及び／又
は低減、結露のリスクの排除及び／又は低減、及び光学デバイス１０の露出した第１の側
の撥汚性の向上のうち少なくとも１つを行うことができる。
さらに、この導電性コーティング３０ｂは、撥水及び汚染物質防除効率を高めることに
より、基板の第１の側の外側反射防止コーティング３０の疎水性及び疎油性を高めること
ができる。
導電性コーティング３０ｂは、堅牢な表面を作るのに十分な機械的耐久性がない場合が
ある。この理由から、導電性コーティング３０ｂは、第２の側、すなわち光学デバイスの
うちセンサに面している側に施されるべきである。
光学デバイス１０は、グレア低減コーティング３０ｃ等の基板２０に施されたコーティ
ング３０を含み得る。図２〜図５に示すように、グレア低減コーティング３０ｃは、光学
デバイス１０の露出していない第２の側にあり得る。グレア低減コーティング３０ｃ及び
導電性コーティング３０ｂの両方が、光学デバイス１０の露出していない第２の側にあり
得る。一態様では、グレア低減コーティング３０ｃは、基板２０に施された導電性コーテ
ィング３０ｂに施すことができる。
グレア低減コーティング３０ｃの一例は、四分の一波長光学位相子（retarder）と組み
合わせた直線偏光子を含む円偏光子の多層構造であり得る。波長位相子は、そこを通過す
る光の偏光状態又は位相を変える（遅らせる）複屈折材料である。波長位相子は、進相（
異常）及び遅相（常）軸を有する。偏光が波長位相子を通過する際、進相軸を通過する光
は、遅相軸よりも速く波長位相子を通過する。四分の一波長位相子の場合、波長板は、偏
光成分の一方（ｘ又はｙ）の速度に他方の偏光成分から四分の一波長の位相遅れを生じさ
せる。四分の一波長位相子を通過する偏光は、こうして円偏光される。グレア低減コーテ
ィング３０ｃは、光学デバイス１０により保護されたセンサの動作波長でグレアを低減及
び／又は排除することができる。グレア低減コーティング３０ｃは、信号光の偏光状態の
解析を可能にすることもできる。
光学デバイス１０は、バンドパスフィルタ３０ｄ等の基板２０に施されたコーティング
３０を含み得る。図４及び図５に示すように、バンドパスフィルタ３０ｄは、光学デバイ
ス１０の露出していない第２の側にあり得る。バンドパスフィルタ３０ｄは、グレア低減
コーティング３０ｃに施すことができ、グレア低減コーティング３０ｃは、基板２０に施
された導電性コーティング３０ｂに施すことができる。一態様では、バンドパスフィルタ
３０ｄ、グレア低減コーティング３０ｃ、及び導電性コーティング３０ｂの全てが、光学
デバイス１０の露出していない第２の側にあり得る。一態様では、グレア低減コーティン
グ３０ｃは、基板２０に施された導電性コーティング３０ｂに施すことができる。
バンドパスフィルタ３０ｄは、誘電体低屈折率及び高屈折率材料のフルスタックにより
実現され得る。各層は、所望のフィルタの波長で四分の一波長（ＱＷ）の厚さとして成膜
され得る。単層のみからなり得る各部分反射鏡を、四分の一波長スタック（ＱＷＳ）と呼
ぶ。フィルタの帯域幅は、構造中の四分の一波長スタックの反射率の関数である。通過帯
域の中心波長は、スペーサ誘電体材料の厚さにより決まる。四分の一及び／又は半波長層
に用いられる誘電体材料は、１．３〜４．０を超える範囲の屈折率を有する。例えば、適
当な材料には、フッ化マグネシウム（１．３８）、フッ化トリウム（１．４７）、クライ
オライト（１．３５）、二酸化ケイ素（１．４６）、酸化アルミニウム（１．６３）、酸
化ハフニウム（１．８５）、五酸化タンタル（２．０５）、酸化ニオブ（２．１９）、硫
化亜鉛（２．２７）、酸化チタン（２．３７）、ケイ素（３．５）、ゲルマニウム（４．
０）、及びテルル化鉛（５．０）がある。他の誘電体材料も同様の役割を果たす。それに
加えて、完全誘電体バンドパスフィルタ３０ｄは、反射防止特性も兼ね備えることができ
る。
一態様では、バンドパスフィルタ３０ｄは、必要な吸光度又は誘電体構造及び高分子構
造の組み合わせをもたらすのに適した染料混合物を含有する高分子コーティングであり得
る。
バンドパスフィルタ３０ｄは、センサが動作する光の波長を通過させることができると
共に他の全ての波長を排除することができる。例えば、バンドパスフィルタ３０ｄは、約
４００ｎｍ〜約８５０ｎｍ等の可視及び近紫外スペクトル域の波長を遮断することができ
ると共に約８５０ｎｍを超える波長を透過することができる。このように、バンドパスフ
ィルタ３０ｄは、光学デバイス１０に取り付けられたセンサに達する不所望の放射線を低
減及び／又は排除することができる。
光学デバイス１０は、別のデバイスに取り付けられて光学系を形成することができる。
他方のデバイスは、窓、センサ（例えば、ＬＩＤＡＲセンサ）、又はレンズ、例えば自立
性光学レンズ、又はレンズであり得る。光学デバイス１０は、従来の成膜プロセスを用い
て他方のデバイスに取り付けることができる。
光学デバイス１０を作製する方法も開示される。光学デバイス１０は、半導体プロセス
を用いて形成することができる。
光学系を作製する方法も開示される。光学デバイス１０を従来の成膜プロセスにより別
のデバイスに取り付けて、光学系を形成することができる。
上述した説明から、本教示をさまざまな形態で実施できることが当業者には理解され得
る。したがって、これらの教示を特定の実施形態及びその例に関連して説明したが、本教
示の真の範囲をそれに限定すべきではない。本明細書中の教示の範囲から逸脱せずに、種
々の変更及び修正を行うことができる。
この範囲開示は、広義に解釈されるものとする。本開示は、本明細書に開示されたデバ
イス、活動、及び機械的作用を達成するための等価物、手段、システム、及び方法を開示
するためのものである。開示された各デバイス、製品、方法、手段、機械要素、又は機構
について、本開示は、本明細書に開示された多くの態様、機構、及びデバイスを実施する
等価物、手段、システム、及び方法を同じくその開示に包含し且つ教示することが意図さ
れる。さらに、本開示は、コーティング及びその多くの態様、特徴、及び要素に関する。
このようなデバイスの使用及び動作は動的なものとすることができ、本開示は、デバイス
及び／又は製品の使用の等価物、手段、システム、及び方法、並びに本明細書に開示され
た動作及び機能の説明及び趣旨と一致したその多くの態様を包含することが意図される。
本願の特許請求の範囲も同様に、広義に解釈されるものとする。
本明細書中の発明の多くの実施形態での説明は、例示的なものにすぎず、したがって、
本発明の要旨から逸脱しない変形形態は、本発明の範囲内にあることが意図される。この
ような変形形態は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱するものとみなされないものとする。

Claims (20)

  1. 基板と、
    前記基板に施されたコーティングと
    を備えた光学デバイスであって、環境に露出した第１の側と露出していない第２の側とを
    有する光学デバイス。
  2. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、前記基板は、プラスチック、合成サファイア
    、ガラス、及び合成ダイヤモンドを含む光学デバイス。
  3. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、該光学デバイスは、２つ以上の基板を含む光
    学デバイス。
  4. 請求項３に記載の光学デバイスにおいて、前記２つ以上の基板は、積層板である光学デ
    バイス。
  5. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、前記コーティングは、反射防止コーティング
    である光学デバイス。
  6. 請求項５に記載の光学デバイスにおいて、前記反射防止コーティングは、該光学デバイ
    スの前記第１の側にある光学デバイス。
  7. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、前記コーティングは、保護剤コーティングで
    ある光学デバイス。
  8. 請求項７に記載の光学デバイスにおいて、前記保護剤コーティングは、前記基板に施さ
    れた前記反射防止コーティングに施される光学デバイス。
  9. 請求項７に記載の光学デバイスにおいて、前記保護剤コーティング及び反射防止コーテ
    ィングの両方が、該光学デバイスの前記第１の側にある光学デバイス。
  10. 請求項７に記載の光学デバイスにおいて、前記保護剤コーティングは、該光学デバイス
    の前記第１の側にある光学デバイス。
  11. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、前記コーティングは、該光学デバイスの前記
    第２の側にある導電性コーティングである光学デバイス。
  12. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、前記コーティングは、グレア低減コーティン
    グである光学デバイス。
  13. 請求項１２に記載の光学デバイスにおいて、前記グレア低減コーティングは、前記基板
    に施された導電性コーティングに施される光学デバイス。
  14. 請求項１２に記載の光学デバイスにおいて、前記グレア低減コーティング及び導電性コ
    ーティングの両方が、該光学デバイスの前記第２の側にある光学デバイス。
  15. 請求項１２に記載の光学デバイスにおいて、前記グレア低減コーティングは、該光学デ
    バイスの前記第２の側にある光学デバイス。
  16. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、前記コーティングは、バンドパスフィルタで
    ある光学デバイス。
  17. 請求項１６に記載の光学デバイスにおいて、前記バンドパスフィルタは、前記基板に施
    された導電性コーティングに施されたグレア低減コーティングに施される光学デバイス。
  18. 請求項１６に記載の光学デバイスにおいて、前記バンドパスフィルタ、前記グレア低減
    コーティング、及び前記導電性コーティングの全てが、該光学コーティングの前記第２の
    側にある光学デバイス。
  19. 請求項１６に記載の光学デバイスにおいて、前記バンドパスフィルタは、該光学デバイ
    スの前記第２の側にある光学デバイス。
  20. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、前記コーティングは、前記基板の前記第１の
    側の光学コーティングであり、ＡＲコーティング、保護剤コーティング、バンドパスフィ
    ルタコーティング、及びそれらの組み合わせを含む光学コーティング。
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