JP3853117B2 - Driving method of liquid crystal microlens - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電圧により集光特性や発散特性の可変制御が可能な光結合器などに使われる液晶マイクロレンズの回復特性を改善する駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまでに、分布屈折率型の平板マイクロレンズ、回折型のマイクロフレネルレンズなど、様々なマイクロレンズが開発されている。これらのマイクロレンズは、ガラスなどの固体材料を用いて作製されるため、レンズとしての特性は固定されており、可変することはできない。
【0003】
レンズとしての特性を可変できるマイクロレンズとしては、光学材料としてネマティック液晶を用いた液晶マイクロレンズが知られている。この液晶マイクロレンズは、レンズ部分となる領域に穴型の開口部を有する穴抜きパターン電極が形成された2枚のガラス基板によりネマティック液晶層が挟まれ、各ガラス基板が互いの電極の穴部が対向するように配置された構成となっている。この液晶マイクロレンズでは、液晶セル内部の穴部に生じる、穴の中心を通る軸すなわち光軸にほぼ対称な不均一電界に沿って液晶分子が配向される。この穴部における液晶分子の配向効果によりほぼ放物線で近似される屈折率分布が生じ、レンズ効果が得られる。液晶セルに加える電圧の変化によって穴部における屈折率分布を制御することができるので、光軸方向に焦点が移動する焦点可変特性が得られる。
【0004】
このようなネマティック液晶を用いた液晶マイクロレンズにおいて、レンズ特性は穴部の直径や液晶層の厚みなどの構造寸法に大きく依存することが知られており、屈折率分布状態が理想的な2乗分布となって良好な光学特性を有する液晶マイクロレンズを得るためには、各電極が円形状または楕円形状の穴型領域を設けられたパターン電極であり、穴部の直径または楕円長軸の長さが1mm以下であり、かつ液晶層の厚みが前記穴部の直径または楕円長軸の長さの1/4倍〜1倍の長さであることが特開平11−109303号に開示されている。
【0005】
また、穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズにおいて、穴部と連続的にスリットを設けて電極を複数部分に分割し、それぞれに独立して電圧を印加することで3次元的に焦点移動を行うことができる液晶マイクロレンズが特開平11−109304号に開示されている。
【0006】
さらに、穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズにおいて、液晶層がネマティック液晶材料と重合硬化可能なモノマーとの複合材料で構成することにより、電圧無印加状態においても所望のレンズ特性を維持できると共に、液晶セルへの印加電圧を制御することでその維持されたレンズ特性を可変することができる液晶マイクロレンズが特開平10−239676号に開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した液晶マイクロレンズのそれぞれには、液晶セルを駆動するための電圧を印加して液晶セルの穴部において液晶分子を不均一電界により再配向させることで所望の屈折率分布が得られるまでに必要な時間すなわち応答時間や,電圧を除去した後液晶セルにおける液晶分子が電界を印加する前の状態に戻ってレンズ効果が消失するまでの時間すなわち回復時間が数秒から数十秒と非常に長いために,液晶マイクロレンズを使用する場合に問題となっている。
【0008】
液晶マイクロレンズにおける応答回復特性を改善する方法としては、液晶セルにあらかじめバイアス電圧を印加する方法が知られているが、回復特性において改善の効果が少ないという問題がある。
【0009】
また、前記特開平10−239676号に開示されている方法と類似の手法により、ネマティック液晶材料に重合硬化可能な液晶性モノマーを溶解した複合材料を用いることで応答回復特性を大幅に改善できることが「MaterialsScience Forum」(Vols.308−311,頁591−596)に記載されているが、液晶マイクロレンズの焦点可変範囲がきわめて狭くなると共に、液晶マイクロレンズとなる穴部が白濁して入射光を散乱することがあり、集光特性が劣化するなどの問題がある。
【0010】
本発明の目的は、上述の各問題を解決し、レンズの特性を損なうことなく回復特性が優れた液晶マイクロレンズの駆動方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方の基板上に液晶層と接する面側に円形状もしくは楕円形状の穴部を設け、前記穴部と連続的に設けられたスリットにより2分割された穴抜きパターン電極を形成し、該電極と対向する基板の液晶層と接する面側に同じ形状の電極を形成して液晶層を封入した液晶マイクロレンズにおいて、前記対向した電極間に電圧を印加することでレンズ効果を示す状態からレンズ効果を示さない状態とするときに、スリットにより分割された一方の対向している電極間に電圧を印加した状態で他方の対向する電極間に印加する電圧の極性を反転することを特徴とする。
【0012】
このような方法によると、液晶マイクロレンズの光学的特性を損なうことなく、液晶マイクロレンズの回復時間を短縮することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。まず始めに本発明における実施例以外の例としての駆動法について詳細に説明し、次に本発明の実施の形態の順に説明する。
【0014】
図1(a)、(b)には本発明にかかわる液晶マイクロレンズの駆動方法を示している。図1(a)は液晶マイクロレンズの駆動方法として、スリットにより 2 分割された電極間に電圧を印加することで回復特性を改善する駆動方法の例を示している。液晶マイクロレンズ1は、図示しない一対のガラス等の基板にそれぞれ形成された穴抜きパターン分割電極2,3が、図示しないスペーサを介して所定間隔をおいて対向的に配置され、さらにこの対向面(穴抜きパターン分割電極2,3)上に図示しないポリビニルアルコールやポリイミド等の配向膜がそれぞれ形成されている。配向膜には配向処理としてラビングが施されている。両配向膜電極間に液晶層4が設けられた構造である。液晶層4は、ネマティック液晶などの液晶材料(本実施形態ではMerck社製K15を使用)が両配向膜間に封入され、図示しない封止手段により封止されたものである。
【0015】
図1(a)に示すように、穴抜きパターン分割電極2,3は、基板上にパターニング形成されたものであり、そのパターンの形状は円形の穴部5が設けられ、この穴部5と連続的にスリット6が設けられている。この穴部5とスリット6により、穴抜きパターン分割電極2は第1部分2aと第2部分2bとに分割されており、穴抜きパターン電極3は第1部分3aと第2の部分3bとに分割されている。両方の電極2,3にはそれぞれ同一形状かつ同一大きさの穴部5およびスリット6が設けられ、両電極2,3の各穴部5およびスリット6が、それぞれ互いに対向するように、両基板が配置されている。
【0016】
前記に説明した構造の液晶マイクロレンズ1において、電圧を印加していない状態では、すべての液晶分子は液晶層4内で基板に平行に配列したままであり、穴部5の対向位置である円形領域内で屈折率は一様であり屈折率分布が生じないため、集光作用はなくレンズ効果が得られない。
【0017】
これに対し、両基板上に設けた穴抜きパターン電極2,3間に電圧V1を印加した場合は、電極2,3に挟まれた部分の液晶分子は基板に垂直な方向に立ち上がる。それとともに、円形領域のうち電極2,3に近い部分、すなわち円形領域の外周付近の液晶分子も立ち上がるが、円形の中心付近では電界が弱いためほとんど基板に平行なままで立ち上がらない。ここで、円形領域外周部から中心部に向けて電界は連続的に弱くなり(電界が不均一)、液晶分子の立ち上がり角は連続的に小さくなっている。この立ち上がり角に応じて円形領域内において連続的に屈折率が変化するような状態が実現されて、集光効果を示すレンズ効果が得られる。
【0018】
本出願人は、前記構成の液晶マイクロレンズ1を用いて、周波数が1kHzの電圧を印加した場合の円形領域内の干渉縞の状態を観察した。その例として、V1の電圧が2.5Vのときの干渉縞を図2に示している。この干渉縞の分布から光学的位相差(光路差)を求めてマイクロレンズの直径方向の距離に対して示した結果が図3である。ほぼ2乗分布特性(放物線状)となっており、凸レンズの特性を有していることが分かる。液晶マイクロレンズ1に印加する電圧を可変すると、液晶分子の基板に対する傾きの特性が変化する結果として屈折率分布が変わるため干渉縞の本数が変化する。その結果、通常の凸レンズにおいて凸面の形状(曲率)が変化することと等価の意味を有し、焦点距離を変化させることができる。焦点の位置における集光スポットを図4に、ラビング方向やラビングに垂直方向等における集光特性を図5に示した。
【0019】
なお、この実施形態において、穴部の直径は300μm、液晶層4の厚みは100μmであり、スリット6の幅は10μmである。なお、図2、図3および図4、図5から、穴抜きパターン電極を2分割しているスリット6によるレンズ効果への影響は小さいことが分かる。
【0020】
電極2,3の第1部分2a,3aに印加する電圧と第2の部分2b,3bに印加する電圧が異なる場合には、円形領域内で電圧が高い電極部分に近い方が、電圧が低い電極部分に近い方よりも液晶分子の基板に対する立ち上がりの角度が大きくなるため、屈折率分布の中心が円形領域の中心から電圧が低い方にずれてしまう。すなわち、この液晶マイクロレンズを通常の凸レンズとみなして考えると、凸面の中心が円の中心から電圧の低い方にずれた状態となって、焦点の位置が光軸方向と垂直な面内で移動し、円形領域内に入射した光は光軸から偏向して集光する。
【0021】
液晶マイクロレンズ1に印加した電圧を除去すると、液晶分子に対する電界による配向効果が消失するため、配向膜面に施したラビングによる配向効果によって液晶分子はラビングの方向にそって基板に平行に配向した元の状態に戻る。このときに要する時間が回復時間である。通常、回復時間は液晶層4の厚みの2乗に近い特性で長くなるため、液晶ディスプレイなどに使われている液晶パネルの液晶の厚みが数μm程度であるのに対して、液晶層が厚い液晶マイクロレンズでは回復時間が数秒から数十秒と非常に遅くなることが問題である。
【0022】
液晶分子を基板面に平行方向に強制的に配向させる方法として、基板面内方向に電界を印加する手法があり、「Appl.Phys.Lett.」(Vol.26,頁603)、「液晶とその応用(産業図書株式会社)」(頁195)などに記載されている。これは、通常の液晶ディスプレイに使用されている液晶セルでは2枚の電極基板の間に液晶を入れ、電圧を加えて動作させているが、一方の電極を櫛歯形に分割した「三極光ゲート」と呼ばれるものであり、対向する電極間に加える制御電圧と、分割された櫛歯電極の隣どうしの間に加える駆動電圧を互いに独立して加えることで動作させている。なお、同一基板上に設けた電極間に電圧を印加して液晶分子を再配向させることで表示を行う「インプレーンスイッチング」と呼ばれる液晶セルの駆動法も知られている。
【0023】
そこで、図1(a)において、液晶マイクロレンズ1の穴抜きパターン電極2,3間に印加する電圧V1を除去した後、直ちに電極2の第1部分2aと第2部分2bの間、および電極3の第1部分3aと第2部分3bの間にスリット6を介してそれぞれ電圧V2を印加すると、円形領域内で不均一電界により配向していた液晶分子が、電圧V2により生じた基板面に平行方向の電界による配向効果を受け、液晶分子の配向状態は速やかに基板に平行な元の状態になる。ここで、液晶セルが「レンズ効果を示す状態」から電圧を印加していない元の「レンズ効果を示さない状態」に回復するのに要する時間は基板に平行な方向の電界成分の2乗に逆比例する特性を示すことが知られている。基板に平行な電界成分は円形領域内で均一ではないが、前記電圧V2を大きくすると基板に平行な電界成分も増大し、その結果回復時間が大幅に短縮される。ここで、電圧V1,V2の印加および切り替え等はリレー(継電器)もしくは半導体素子によるアナログスイッチを利用することができる。特に高速動作が必要な場合には、アナログスイッチを使用することが望ましい。
【0024】
液晶マイクロレンズ1への印加電圧V1を除去した後直ちに電圧V2を印加したときの焦点における光強度の時間変化すなわち改善された回復特性を図6に示す。ここで、V2の電圧は3Vである。図6から、回復時間がほぼ1秒程度まで短縮されていることが分かる。
【0025】
液晶マイクロレンズ1に電圧V1を印加し、液晶セルがレンズ効果を示している場合の焦点における光強度が10%まで減少する時間を回復時間として、電圧V2を0から80Vまで変化させたときの回復時間のV2電圧依存性を、図7に改善方法1として黒四角で示した。基板に平行方向の電界がない場合、すなわちV2を0Vとした場合に回復時間が約10秒程度であったが、V2を80Vまで大きくすると回復時間は5.5ミリ秒程度まで改善することができた。
【0026】
次に、図1(b)に本発明の実施形態を示し具体的に説明する。本実施形態では、スリットにより2分割された穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズ1において、一方の対向している電極間に印加していた電圧の極性を反転することを特徴とするものである。すなわち、図1(b)において、穴抜きパターン電極2の第1の部分2aと穴抜きパターン電極3の第1部分3aとの間に印加している電圧V'1の極性を反転することで、回復時間の短縮を行うものである。なお、ここで電圧V1と電圧V'1は同じ振幅(同電圧値)である。
【0027】
電極2の第1部分2aと第2部分2bの間、および電極3の第1部分3aと第2部分3bの間にスリット6を介して実効的に印加される電圧成分V1−V'1は、V'1の極性とV1の極性が同一の場合には0となっており、基板に平行な電圧成分はない。V'1の極性を反転すると、V1−V'1の実効的な値はV1(またはV'1)の値の2倍となり、したがってV1(またはV'1)の値の2倍の電圧がスリットを介して基板に平行に実効的に印加されることになる。すなわち、基板に平行な電界成分が生じることにより、液晶分子は強制的に基板に平行な方向に配向させられ、レンズ効果は急激に消失する。つまり回復時間を短縮させることができる。ここで、V'1の極性を反転させるためにはリレー(継電器)もしくは半導体アナログスイッチ等が利用できる。特に高速動作が必要な場合には、アナログスイッチを使用することが望ましい。
【0028】
本発明による実施形態の場合の回復時間と電圧の関係を図7に方法2として白四角で示してある。ここで、本発明の実施形態の場合には、はじめにV1及びV'1の電圧を2.5V印加しているが、電圧V'1の極性を反転すると同時にV1およびV'1の値を変化させて測定している。本発明の実施形態の場合には、スリットにより 2 分割された電極間に電圧を印加することで回復特性を改善する駆動する方法と比べて基板に平行な電界成分が2倍になるため、回復特性はより改善されることになる。
【0029】
なお、本発明の実施形態においては、スリットで分割されて対となっている穴抜きパターン電極は常に電圧が印加されている状態にあり、円形領域以外の電極部においては液晶分子が基板に垂直な方向に配向しているため、再度V'1の電圧の極性を反転してレンズ特性を示す状態にした場合に、液晶分子が容易に電界方向に再配向することができる。すなわち、応答時間も改善することができるという利点も生じる。
【0030】
【発明の効果】
本発明によると、スリットで分割された同一形状の穴抜きパターン電極を有する液晶マイクロレンズにおいて、一方の対向する電極に印加している電圧の極性を反転することで、液晶マイクロレンズの光学的特性を損なうことなく、回復特性を大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶マイクロレンズの駆動方法の実施形態を示す図である。
【図2】液晶マイクロレンズの干渉像を示す図である。
【図3】液晶マイクロレンズの光学的位相差分布を示す図である。
【図4】液晶マイクロレンズの焦点における集光スポットを示す図である。
【図5】液晶マイクロレンズのラビング方向やラビングに垂直方向等での集光特性を示す図である。
【図6】焦点における光強度の時間変化すなわち改善された回復特性を示す図である。
【図7】本発明による実施形態により液晶マイクロレンズの回復時間特性を改善した結果を示す図である。
【符号の説明】
1 液晶マイクロレンズ
2,3 穴抜きパターン分割電極
2a,3a 第1の部分
2b,3b 第2の部分
4 液晶層
5 穴部
6 スリット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a driving method for improving the recovery characteristics of a liquid crystal microlens used in an optical coupler or the like capable of variably controlling light collecting characteristics and divergence characteristics by voltage.
[0002]
[Prior art]
Various microlenses such as a distributed refractive index type flat microlens and a diffractive microFresnel lens have been developed so far. Since these microlenses are manufactured using a solid material such as glass, the characteristics as lenses are fixed and cannot be varied.
[0003]
A liquid crystal microlens using a nematic liquid crystal as an optical material is known as a microlens capable of changing the characteristics as a lens. In this liquid crystal microlens, a nematic liquid crystal layer is sandwiched between two glass substrates in which a holed pattern electrode having a hole-shaped opening is formed in a region to be a lens portion, and each glass substrate is a hole portion of each electrode. Are arranged so as to face each other. In this liquid crystal microlens, liquid crystal molecules are aligned along a non-uniform electric field that is substantially symmetric with respect to an axis passing through the center of the hole, that is, an optical axis, generated in a hole in the liquid crystal cell. Due to the alignment effect of the liquid crystal molecules in the hole, a refractive index distribution approximated by a parabola is generated, and a lens effect is obtained. Since the refractive index distribution in the hole can be controlled by changing the voltage applied to the liquid crystal cell, a variable focus characteristic in which the focal point moves in the optical axis direction can be obtained.
[0004]
In such a liquid crystal microlens using nematic liquid crystal, it is known that the lens characteristics greatly depend on the structural dimensions such as the diameter of the hole and the thickness of the liquid crystal layer, and the refractive index distribution state is an ideal square. In order to obtain a liquid crystal microlens having good optical characteristics as a distribution, each electrode is a pattern electrode provided with a circular or elliptical hole-shaped region, and the diameter of the hole or the length of the elliptical long axis Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-109303 discloses that the thickness of the liquid crystal layer is not more than 1 mm and the thickness of the liquid crystal layer is ¼ to 1 times the diameter of the hole or the major axis of the ellipse. Yes.
[0005]
Further, in a liquid crystal microlens having a hole pattern electrode, a slit is provided continuously with a hole to divide the electrode into a plurality of portions, and a voltage is applied to each of them to perform a three-dimensional focal movement. A liquid crystal microlens that can be used is disclosed in JP-A-11-109304.
[0006]
Furthermore, in a liquid crystal microlens having a hole-patterned electrode, the liquid crystal layer is composed of a composite material of a nematic liquid crystal material and a polymerization-curable monomer, so that desired lens characteristics can be maintained even in the absence of voltage application, Japanese Patent Laid-Open No. 10-239676 discloses a liquid crystal microlens that can change the maintained lens characteristics by controlling the voltage applied to the liquid crystal cell.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, a desired refractive index distribution can be obtained for each of the liquid crystal microlenses described above by applying a voltage for driving the liquid crystal cell to reorient the liquid crystal molecules in the holes of the liquid crystal cell by a non-uniform electric field. The time required for the response time, the response time, and the time until the lens effect disappears after the voltage is removed and the liquid crystal molecules in the liquid crystal cell return to the state before applying the electric field, that is, the recovery time is several seconds to several tens of seconds. This is a problem when using a liquid crystal microlens.
[0008]
As a method for improving the response recovery characteristic in the liquid crystal microlens, a method of applying a bias voltage to the liquid crystal cell in advance is known. However, there is a problem that the improvement effect is small in the recovery characteristic.
[0009]
In addition, the response recovery characteristics can be greatly improved by using a composite material in which a liquid crystal monomer capable of being polymerized and cured is used in a nematic liquid crystal material by a method similar to the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-239676. Although described in “Materials Science Forum” (Vols. 308-311, pages 591-596), the focus variable range of the liquid crystal microlens becomes extremely narrow, and the hole that becomes the liquid crystal microlens becomes clouded to cause incident light. There are problems such as scattering and deterioration of the light collecting characteristics.
[0010]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a driving method of a liquid crystal microlens having excellent recovery characteristics without impairing the characteristics of the lens.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention , a circular or elliptical hole is provided on one substrate in contact with the liquid crystal layer, and a holed pattern electrode divided into two by slits provided continuously with the hole is formed. In a liquid crystal microlens in which an electrode having the same shape is formed on the side of the substrate facing the liquid crystal layer facing the electrode and the liquid crystal layer is sealed , the lens effect is exhibited by applying a voltage between the opposed electrodes When the lens effect is not exhibited, the polarity of the voltage applied between the other opposing electrodes is reversed while the voltage is applied between the one opposing electrodes divided by the slit. And
[001 2 ]
According to such a method, the recovery time of the liquid crystal microlens can be shortened without impairing the optical characteristics of the liquid crystal microlens.
[001 3 ]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a driving method as an example other than the examples in the present invention will be described in detail, and then described in the order of the embodiments of the present invention.
[0014]
1A and 1B show a method for driving a liquid crystal microlens according to the present invention. FIG. 1A shows an example of a driving method for improving a recovery characteristic by applying a voltage between two electrodes divided by a slit as a driving method of a liquid crystal microlens. In the
[0015]
As shown in FIG. 1A, the hole
[0016]
In the
[0017]
On the other hand, when the voltage V1 is applied between the punched
[0018]
The present applicant observed the state of interference fringes in a circular region when a voltage having a frequency of 1 kHz was applied using the
[0019]
In this embodiment, the diameter of the hole is 300 μm, the thickness of the
[0020]
When the voltage applied to the first portions 2a and 3a of the
[0021]
When the voltage applied to the
[0022]
As a method for forcibly aligning liquid crystal molecules in a direction parallel to the substrate surface, there is a method of applying an electric field in the in-plane direction of the substrate, “Appl. Phys. Lett.” (Vol. 26, page 603), “Liquid crystal and Its application (Industry Books Co., Ltd.) "(page 195). This is because in a liquid crystal cell used in a normal liquid crystal display, a liquid crystal is inserted between two electrode substrates and operated by applying a voltage, but one electrode is divided into a comb-like shape. The control voltage applied between the opposing electrodes and the drive voltage applied between the adjacent comb electrodes are operated independently of each other. In addition, a driving method of a liquid crystal cell called “in-plane switching” in which display is performed by applying a voltage between electrodes provided on the same substrate to reorient liquid crystal molecules is also known.
[0023]
Therefore, in FIG. 1A, after removing the voltage V1 applied between the
[0024]
FIG. 6 shows the temporal change of the light intensity at the focal point, that is, the improved recovery characteristic when the voltage V2 is applied immediately after the voltage V1 applied to the
[0025]
When the voltage V1 is applied to the
[0026]
Next, an embodiment of the present invention is shown in FIG. In the present embodiment, in the
[0027]
The voltage component V1-V′1 that is effectively applied through the
[0028]
The relationship between the recovery time and the voltage in the case of the embodiment according to the present invention is shown as a white square as
[0029]
In the embodiment of the present invention, the punched pattern electrodes divided by the slits are paired with a voltage, and the liquid crystal molecules are perpendicular to the substrate in the electrode portions other than the circular region. Therefore, when the polarity of the voltage of V′1 is reversed again to show the lens characteristics, the liquid crystal molecules can be easily reoriented in the electric field direction. That is, there is an advantage that the response time can be improved.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, by reversing the polarity of the voltage applied Oite to the liquid crystal microlens having a punching pattern electrodes of the same shape which is divided by the slit, at one of the opposing electrodes, the liquid crystal microlens optical The recovery characteristics can be greatly improved without impairing the physical characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a method for driving a liquid crystal microlens of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an interference image of a liquid crystal microlens.
FIG. 3 is a diagram showing an optical phase difference distribution of a liquid crystal microlens.
FIG. 4 is a diagram showing a condensing spot at the focal point of a liquid crystal microlens.
FIG. 5 is a diagram showing light collection characteristics in a rubbing direction of the liquid crystal microlens and in a direction perpendicular to the rubbing.
FIG. 6 is a diagram showing temporal change of light intensity at the focal point, that is, improved recovery characteristics.
FIG. 7 is a diagram illustrating a result of improving a recovery time characteristic of a liquid crystal microlens according to an embodiment of the present invention .
[Explanation of symbols]
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