JP4168179B2 - 種々の高さの構造化面を有する光指向性フィルム及び該フィルムから作製された光指向性製品 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般的には光指向性フィルムに関する。特に、本発明は、種々の高さの構造化面を有する光指向性フィルム及び該フィルムから作製された光指向性製品に関する。
背景
何人かの光学ディスプレイの設計者は、光指向性フィルムを使用して、ディスプレイの面にほぼ垂直な方向、即ち「オンアクシス」方向に光学ディルプレイから放出される光の量を増大させようとした。普通に使用される光指向性フィルムの一つは、実質的に平らな面と、線形プリズム配列を備えた対向する構造化面とを有する。オンアクシス光の量を増大させると、所望のオンアクシス輝度を得るのに必要なエネルギー量が減少する。この特質は、光学ディスプレイが電池の電力によって作動する光源を備えている場合、例えば、ラップトップ型コンピュータ、計算器、デジタル腕時計、セル式（cellular）電話機などの場合、特に重要となる。なぜなら、典型的には、光源が、消費される電力の大部分を占めるからである。
また、プリズムが互いにほぼ垂直な方向を向くように二枚の光指向性フィルムシートをそれぞれ隣接させて配置することによって、ディスプレイにほぼ垂直な方向の光量を更に増大させることも公知である。この構成はディスプレイから放出されるオンアクシス光の量を効果的に増大させるが、得られる構造は、所定の条件下でディスプレイの表面域に沿って不均一な光透過を呈することもある。この不均一な光透過は、典型的には、ディスプレイ面上にはっきりと見える輝度の高い点、縞、又は線となって現れる−−この状態は、隣接した光指向性フィルムの接触又はほぼ接触した面の間の光結合によって生じる。ディスプレイの表面域に沿った透過光強度のこうした変動がはっきりと観測されることは、望ましいことではない。
こうした強度の変動は、Minnesota Mining and Manufacturing Company製の輝度増強フィルム（Brightness Enhancement Film）などのように明瞭な「カットオフ」領域を有する光指向性フィルムの場合、特に目立ってくる。このフィルムは、フィルム面に垂直な軸からの角度のずれが特定の範囲内にあるときに、透過光強度の比較的鋭い低下を呈する。この比較的強度の弱い光の角度域は「カットオフ」領域とみなされる。ディスプレイをオンアクシス方向から見た場合、光結合による透過光の量は、フィルムを通過する光の全量と比べて少ない。これとは対照的に、ディスプレイを「カットオフ」領域内の軸に沿って見た場合、光結合による透過光の量は、フィルムを通過する光の全量と比べて比較的多くなる。従って、フィルムのカットオフ領域内の角度域から見た場合に、不均一な光透過が実質的により明瞭に観測されることになる。
フィルムの表面域に沿った光結合の出現を減少させる一つの方法は、拡散板を使用して光を散乱させることである。しかしながら、こうすると、ディスプレイ面に垂直な方向の光の量が減少してしまう。これは、ほとんどの場合に望ましくないと考えられる。
従って、当該技術分野において、製品の光学的性能を犠牲にぜずに、隣接する光指向性フィルム間の望ましからぬ光結合を減少させる光学ディスプレイ用光指向性製品が必要である。また、当該技術分野において、構造化面と隣接面との間の望ましからぬ光結合を制御する光指向性フィルム構成が必要である。
概要
本発明は、第1の面と、プリズム要素の配列を有する対向する構造化面とを備えた光指向性フィルムに対する新規な構成を提供する。好ましい実施態様において、この配列は、少なくとも、基準面上に第1の距離を隔てて配設されたピークを有する複数のプリズム要素を備えた第1のゾーンと、基準面からより短い距離を隔てて配設されたピークを有する複数のプリズム要素を備えた第2のゾーンとを含んでなるプリズムゾーンの繰り返しパターンを具備する。各ゾーンのプリズム要素の高さを調節して、所望の光学性能を有する目的物を得ることができる。この他、それぞれのゾーンの幅を調節することによって、所望の光学性能を有する目的物を得ることもできる。しかしながら、第1のゾーンは幅約200〜300ミクロン未満であることが好ましい。本発明による構成は、第2の光指向性フィルムシートがフィルムの構造化面に隣接して配置された場合、二枚のシートの物理的近接度を正確に制御することによって、目に見える光結合の出現を抑制する。より詳細には、この構成によって、フィルムの第1のゾーンにおいて光結合を集中させ、好ましくは、通常の観察条件下では人間の目には実際上識別不可能な程度に十分に狭い範囲に集中させる。従来技術よりも本発明が顕著に優れている点の一つは、フィルム面に垂直な軸の方向の光の全量を実質的に減少させずに、目に見える光結合が抑制されることである。
本発明には、本発明に係る少なくとも一枚の光指向性フィルムシートを備えた光指向性製品も含まれる。光指向性製品は、好ましくは、本発明に従って構成されたシートの構造化面に隣接して第2の光指向性フィルムシートを配置し、第1及び第2のシートのプリズム要素が互いに所定の角度を成すように構成することが好ましい。実施にあたり、この所定の角度は、典型的には約70度〜90度の範囲、好ましくは約90度とする。有利には、本発明に従って構成された光指向性製品は、製品の面に垂直な軸の方向の光の量を実質的に減少させることなく、目に見える光結合を抑制する。
本発明の他の利点については、添付の図面を参照しながら、以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
図1は、従来技術による光指向性フィルムの代表的実施態様を示す斜視図である。
図2は、図1に示した光指向性フィルムシート二枚から作製された光指向性製品で、フィルムを互いに隣接させ、それらのプリズム要素が約90度で交わるようにした製品の分解斜視図である。
図3は、種々の高さのプリズム要素を有する本発明の光指向性フィルムの一実施態様を示す断面図である。
図4は、種々の高さのプリズム要素を有する本発明の光指向性フィルムのもう一つの実施態様を示す断面図である。
図5は、本発明の光指向性フィルムのもう一つの実施態様を示す断面図である。
図6は、プリズム要素が異なる高さを有し、それらの底面が異なる面内にある本発明の一実施態様を示す断面図である。
図7は、本発明の光指向性製品を備えた光学ディスプレイの断面図である。
図8は、本発明のフィルムの第2の応用を示す導光装置の断面図である。
詳細な説明
従来技術の光指向性フィルムの代表例を、図1に示す。このフィルム10は好適なポリマー、アクリル、ポリカーボネート、UV硬化アクリレート、又は類似の材料から作製でき、平滑面14とこの平滑面と対向する構造化面12とを備えている。構造化面12には、線形プリズムの配列が平行して配置され、フィルムの長手方向に複数のピーク17及び溝18が形成されている。使用時は、比較的大きな入射角でこのフィルムの平滑面14上に入射した光は、フィルムの平滑面14及び構造化面12で屈折し、フィルムの平滑面に垂直な軸の方向に向けられる。更に、臨界角よりも大きい角度で、構造化面12にあたった光は、プリズム要素16の両側面、即ち面20で内部全反射を起こし、ディスプレイ内部に向けて戻ってくる。このような状況で、反射面により光をリサイクルできる。屈折及び内部全反射が組合わさって、フィルム10は「オンアクシス」方向の光の量を増加させ、「オフアクシス」方向の光の量を減少させる。
先に述べたように、プリズム要素がほぼ90度で交わるように第2の光指向性フィルムシートを第1のシートと隣接させて配置することによって、フィルム面にほぼ垂直な方向の光の量を更に増大させることも公知である。図2では、分解図によって、交差した光指向性フィルムの向きを示している。使用時は、上側のシート10’の下側平滑面14’を、下側のシート10の構造化面12と接触又はほぼ接触させる。
図3〜6は、本発明の原理に係る光指向性フィルムに対する新規な構成を表す代表的実施態様を示している。これらの図面は一定の比率で描かれているわけではなく、特に、構造化面のサイズは例示のためにかなり誇張されていることに注意すべきである。これらの実施態様はそれぞれ、光指向性フィルムそれ自体としても使用できるが、開示されたフィルムを第2の光指向性フィルムシートと交差させて、図2に示す製品と類似した光指向性製品を形成するのが特に有用である。
次に図3を参照すると、本発明の光指向性フィルムの一実施態様の一部を表す代表的な断面図が示されている。フィルム30には、第1の面32と、実質的に線形に延在する複数のプリズム要素36を含む対向する構造化面34とが具備されている。各プリズム要素36は、第1の側面38及び第2の側面38’を備え、これらの上辺が交差してピーク、即ち、プリズム要素36の頂点42を規定する。隣接プリズム要素36の側面38，38’の底辺が交差して、プリズム間に線形に延在する溝44を形成する。図3に示した実施態様において、プリズム頂点42によって規定される二面角はほぼ90度であるが、この実施態様及び他の実施態様において、二面角の正確な測定値を所望の光学パラメータに依存して変化させうることは理解されるであろう。70°〜110°の二面角を有するプリズム要素を使用することは、当該技術分野において公知である。
フィルム30の構造化面34は、共通の基準面から異なる距離を隔てて配置されたピークを有するプリズム要素が交互に出現する複数のゾーンを備えたものとして記述することができる。共通の基準面は、任意に選ぶことができる。共通基準面の一つの便利な例は、第1の面32を含む面であり、もう一つの例は、構造化面の最下部の溝の底面によって規定される面であり、これは点線39で示されている。図3に示される実施態様において、低いプリズム要素は幅約50ミクロン、高さが点線39から測って約25ミクロンであり、一方、高いプリズム要素は幅約50ミクロン、高さ約26ミクロンである。重要なことは、高いプリズム要素を含むゾーンの幅が、好ましくは約1ミクロン〜300ミクロンの間になるようにすることである。これとは対照的に、低いプリズム要素を含むゾーンの幅は決定的な要因とはならず、開示された実施態様においては、200ミクロン〜4000ミクロンである。しかしながら、任意の所定の実施態様において、低いプリズム要素のゾーンが少なくとも高いプリズム要素のゾーンの幅を持つことが好ましい。図3に示された製品が単なる例示にすぎず、本発明の範囲を制限するものではないことは、当業者には理解されるであろう。例えば、プリズム要素の高さ又は幅を実用上の限度内で変化させることができる−−即ち、約1ミクロン〜約175ミクロンの範囲で延在する機械精度のプリズムに対して実用的な範囲内で変化させることができる。更に、二面角を変化させたり、プリズムの軸を傾けて所望の光学的効果を達成してもよい。
使用時、第2の光指向性フィルムシートを構造化面34に隣接させて配置する場合、シート30に対する物理的近接度は、高いプリズム要素のピークによって制限される。高いプリズム要素と低いプリズム要素の高さの差を約0.5ミクロン程度まで小さく変化させると、低いプリズム要素のゾーンで生じる望ましからぬ光結合が抑制されることが判明した。従って、種々の高さの構造化面34を利用して隣接面との近接度を物理的に制御すれば、望ましからぬ光結合を起こす可能性のある構造化面34の面積が劇的に減少する。その代わりに、高いプリズム要素を含むゾーン内だけで光結合が発生することになる。
本発明の第2の態様では、第1のゾーンの幅が好ましくは約200〜300ミクロン未満である。通常の観察条件下では、幅約200〜300ミクロン未満の領域で生じる光の強度の小さい変動を人間の目によって識別するのは困難である。従って、第1のゾーンの幅を約200〜300ミクロン未満に減少させると、このゾーンで発生する可能性のある任意の光結合が通常の観察条件下では人間の目には検知されなくなる。
本発明の好ましい実施態様では、プリズム要素の隣接するゾーンの高さを変化させることによって、種々の高さの構造化面を形成したが、線形に延在する方向に沿って一つ以上のプリズム要素の高さを変化させ、共通基準面上に種々の高さで配設されたピークを有するプリズム要素部分を備えたゾーンを交互に出現させることによって、種々の高さの構造化面を形成してもよい。更に、これらの二つの構造体を組み合わせて、両方の次元に沿って比較的高いピーク及び低いピークのゾーンを交互に出現させてなる構造化面を形成することもできる。
図4は図3と類似の本発明の第2の実施態様を示しているが、フィルム50は、単一の高いプリズム要素56を含むゾーンによって分離された比較的低いプリズム要素54のゾーンを備えた構造化面52を有する。図3に示された実施態様とほぼ同じように、高いプリズム要素が構造化面52に対する第2のフィルムシートの物理的近接度を制限し、これによって目に見える浸潤（wet-out）状態の発生する可能性を減少させることができる。人間の目は光指向性フィルム中の面の高さの変化には敏感であり、しかも高いプリズム要素の比較的幅の広いゾーンはフィルム面上に目に見える線として観測されることが判明した。このことはフィルムの光学的性能に大きな影響を与えることはないが、こうした線が特定の商業状況下では望ましくないこともある。高いプリズム要素のゾーンの幅を減少させると、それに応じて、高いプリズム要素によって発生するフィルムの線を人間の目が検知しがたくなる。
図5は、本発明の光指向性フィルムの一実施態様を示す代表例であり、プリズム要素がほぼ同じサイズであるが、階段状又はタラップ状パターンの繰り返しとして配置されている。図5に示されたフィルム60には、第1の面62と、複数の実質的に線形のプリズム要素66を備えた対向する構造化面64とが具備されている。各プリズム要素は対向する側面68，68’を有し、これらの側面は上辺で交差してプリズムのピーク70を規定する。対向する側面68，68’によって規定される二面角は、ほぼ90度である。この実施態様では、最も高いプリズムが第1のゾーンとみなされ、隣接するプリズムが第2のゾーンとみなされる。ここでもまた、第1のゾーンは好ましくは約200〜300ミクロンである。先に開示した実施態様と同じように、構造化面64に隣接して配置される第2のフィルムの物理的近接度は、プリズム要素の最も高いピークによって制限され、この最も高いピークは、その面の間で望ましからぬ光結合が発生する可能性を減少させる。
図6は、本発明の光指向性フィルムの更なる実施態様を示している。図6に開示されているフィルム80には、第1の面82と、対向する構造化面84が具備されている。このフィルムは、比較的低いプリズム要素を含む第2のゾーンが種々の高さのプリズム要素を含有することが特徴である。先に開示した実施態様と同じように、図6に示されるフィルムは、隣接した面の物理的近接度を制御することによって第2のゾーンにおける望ましからぬ光結合を抑制する。図6に示された構造化面には、プリズム要素の高さを変化させることによって、フィルム面上に発生した線が人間の目によって認知されにくくするという更なる利点がある。
図7は、本発明の原理に係る光指向性製品を組み込んだディスプレイ100の代表的実施態様を断面図により示している。ディスプレイ100には、ケース112と、光源116と、第1の光指向性フィルムシート118と、第2の光指向性フィルムシート118’と、光ゲート装置126と、実質的に透明なカバーシート128とが具備されている。図7に開示された実施態様において、光源116はエレクトロルミネセンスパネルであるが、他の光源、例えば、ラップトップ型コンピュータで普通に使用されている蛍光バックライト装置やいくつかの計算器で普通に使用されている受動反射ディスプレイも本発明の範囲内であることは、理解されるであろう。更に、図7に開示されている光ゲート装置126は好ましくは液晶装置であるが、他の光ゲート装置も本発明の範囲内にある。
第1の光指向性フィルムシート118は、図3に示した実施態様を利用したものである。図8は一定の比率で描かれているわけではなく、特に、光指向性フィルム118の構造化面のサイズは例示のためにかなり誇張されていることは理解されるであろう。図7に示されているように、光指向性フィルム118の構造化面の高いピークが、第1のシート118に対する第2の光指向性フィルムシート118’の物理的近接度を制御する。先の説明に従って、光結合は比較的高いピークを有するゾーンに集中するが、このゾーンは好ましくは幅約50〜300ミクロンである。
図8は、本発明の光指向性フィルムのもう一つの有用な応用を示している。図8は、普通に使用される光ディスプレイ用導光装置150の略図である。導光装置150には、光源152と、楔形導光板154と、拡散反射板156と、指向性フィルム158とが具備されている。使用時、光源152からの光は導光板154中に導かれる。臨界角よりも大きい角度で導光板154の面にあたった光線は内部全反射を起こし、導光板154に沿って伝搬する。これとは対照的に、臨界角未満の角度で導光板154の面にあたった光線は透過及び屈折を起こす。
導光板154の底面を出た光線は、拡散反射板156により反射され、「再循環」されて使用される。導光板154の上面を出た光線は、液晶装置などの光ゲート手段を通過してディスプレイ上に画像を形成する。
図8に示すように光指向性フィルムをその構造化面が導光板154に隣接するように配置することにより、導光装置150から放出されるオンアクシス光の量を増加させることは公知である。しかしながら、図1に示されるような従来の光指向性フィルムは、光指向性フィルムの構造化面と導光板154の上面との間で光結合を生じることがある。光指向性フィルム158は、導光板154に対する光指向性フィルム158の構造化面の近接度を制御することによって、目に見える光結合の発生を抑制する。
こうしたフィルムに使用される材料を変化させることはできるが、この材料は実質的に透明で高い光透過率を確保できることが不可欠である。この目的に有用なポリマー材料としては、例えば、公称屈折率がそれぞれ約1.493及び1.586であるアクリルやポリカーボネートが市販されている。他の有用なポリマーとしては、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルなどが挙げられる。特定の材料が特に要求されるわけではないが、屈折率の高い材料が一般的に好ましい。
本発明のフィルムは、種々の方法で製造できる。従来の方法としては、ダイヤモンドバイトなどの精密工具を使用して被削性基体に型を形成し、型押工程又はUV硬化工程を用いて型を複製する方法が挙げられる。製造方法にもよるが、こうしたフィルムは、典型的には厚さが4ミル〜20ミルである。
以下の実施例により、本発明の態様を説明する。
実施例1
この実施例は、周期的に隆起した構造を有する構造化面を備えた光指向性フィルムの光学的性能が、実質的に同じ高さのピークを有する構造化面を備えた光指向性フィルムの光学的性能と類似しているかを調べるために実施した。このことを調べるために、図1に示したような標準的な光指向性フィルムのサンプルシートの光学的性能を、先に説明した幾何学構成の構造化面を有する二つのサンプルの光学的性能と比較した。結果を表1に示す。

最初の実験対象とした構造化面は、図3の柱状パターンに示されているように、61列の低いプリズム要素に隣接して幅約200ミクロンの6個の高いプリズム要素を有するゾーンが連続したものであった。二番目の実験対象とした構造化面は、図4に開示されているものと類似のタラップ状構成であった。最初に、輝度計を使用して、裸のバックライト上の4つの異なる位置でオンアクシス輝度（カンデラ／平方メートル単位）を測定した。その結果を、B1、B2、B3、及びB4と記した欄に示した。次に、光指向性フィルムをバックライト上に置き、輝度計を使用して、同じ4つの位置でオンアクシス輝度を測定した。その結果を、S1、S2、S3、S4と記した欄に示した。オンアクシス輝度の増加の平均を、平均と記した欄にオンアクシス輝度のパーセントとして表した。この手順を各フィルムシートについて数回繰り返した。その結果から、構造化面の幾何学構成の違いによる光学的性能の有意な変化はないことが分かる。
実施例2
この実施例は、二枚の光指向性フィルムシートをそれぞれのプリズム要素がほぼ90度をなすように互いに隣接して配置してなる光指向性製品の光学的性能に及ぼす、周期的に隆起させたプリズム要素を有するミクロ構造化面の効果を調べるために実施した。ここでもまた、標準的な光指向性フィルムを、先に説明した幾何学構成の構造化面を有する二つのサンプルと比較した。最初の実験対象として構造化面は、61列の低いプリズム要素に隣接して幅約200ミクロンの6個の比較的高いプリズム要素を有するゾーンが連続したものであった。二番目の実験対象とした構造化面は、図4に開示されているものと類似のタラップ状構成であった。最初に、輝度計を使用して、裸のバックライト上の5つの異なる位置、即ち、四隅及びライトの中心に対応する位置でオンアクシス輝度（カンデラ／平方メートル単位）を測定した。次に、二枚の交差する標準的な光指向性フィルムシートをバックライト上に置き、同じ5つの点でオンアクシス輝度を測定した。この手順を実験対象とした二枚の構造化面シートについて繰り返した。5つの異なる測定点における輝度の値は、次の通りである。

また、これらのサンプルを用いて、実験対象とした構造化面が浸潤に及ぼす影響を評価した。交差したフィルムシートをガラスプレートの間に置き、シートの面全体に一様な圧力を加えた。次に、ガラスプレートをライトボックス上に置き、フィルムを分析して浸潤パターンを調べた。従来の実施結果と一致して、図1に対応する標準的な光指向性フィルムの浸潤パターンは、フィルム面全体にわたり比較的高強度を有するランダム領域として現れた。しかしながら、実験対象とした面の浸潤パターンは、比較的高いプリズムのゾーンと一致する非常にわずかな線として現れた。こうしたゾーンの幅を減少させることによって、通常の観察条件下では、浸潤パターンが人間の目には識別できなくなるものと予測される。

Claims (6)

1. 第１の面と；
   該第１の面に対向し、かつプリズム要素の配列を有する構造化面であって、しかも各プリズム要素は、ピーク位置で交わる対向する面を有し、該配列は、少なくとも、
   構造化面と第１の面との間に設けられた基準面から第１の距離を隔てて配設された第１の二面角を規定するピークを有する第１のプリズム要素の少なくとも一部分を含む幅約３００ミクロン未満の第１のゾーンと、
   該第１のゾーンに隣接し、かつ該基準面から該第１の距離よりも少なくとも０．５ミクロン短い第２の距離を隔てて配設された第１の二面角に実質的に等しい第２の二面角を規定するピークを有する第２のプリズム要素の少なくとも一部分を含む幅２００〜４０００ミクロンの第２のゾーンと、
   を備えたプリズムゾーンの繰り返しパターンを有する該構造化面と；
   を含んでなる光指向性フィルム。
2. 前記第１の距離が１ミクロン〜175ミクロンである請求項１に記載の光指向性フィルム。
3. 前記第２の距離が前記第１の距離の約33％〜95％である請求項１に記載の光指向性フィルム。
4. 光結合が主に前記第１のゾーンで生じる請求項１に記載の光指向性フィルム。
5. 第１の面と該第１の面に対向する構造化面とを有する第１の光指向性フィルムシートであって、しかも該構造化面は第１の主軸に沿って配向したプリズム要素の線形配列を有し、該配列は、少なくとも、構造化面と第１の面との間に設けられた基準面から第１の距離を隔てて配設された第１の二面角を規定するピークを有する第１のプリズム要素の少なくとも一部分を含む幅約３００ミクロン未満の第１のゾーンと、該第１のゾーンに隣接し、かつ該基準面から該第１の距離よりも少なくとも０．５ミクロン短い第２の距離を隔てて配設された第１の二面角に実質的に等しい第２の二面角を規定するピークを有する第２のプリズム要素の少なくとも一部分を含む幅２００〜４０００ミクロンの第２のゾーンと、を備えたプリズムゾーンの繰り返しパターンを有する該第１の光指向性フィルムシートと、
   該第１の光指向性フィルムシートに近接して配設された第１の面を備え、かつ第２の主軸に沿って配向したプリズム要素の線形配列を有する、該第１の面に対向する構造化面を備えた第２の光指向性フィルムシートと、
   を含み、しかも、
   該第１の主軸が所定の角度範囲内で該第２の主軸と交差しており、該第１の光指向性フィルムシートと第２の光指向性フィルムシートの間の光結合が主として該第１のゾーン内で生じることを特徴とする光指向性製品。
6. 光源と；
   視野スクリーンと；
   該光源から該視野スクリーンへ光を導くための光伝送手段であって、しかも該光伝送手段は少なくとも第１の光指向性フィルムシートを備え、該フィルムは第１の面と、該第１の面に対向し、かつプリズム要素の配列を有する構造化面とを備え、各プリズム要素は、ピーク位置で交わる対向する面を有し、該配列は、少なくとも、
   構造化面と第１の面との間に設けられた基準面から第１の距離を隔てて配設された第１の二面角を規定するピークを有する第１のプリズム要素の少なくとも一部分を含む幅約３００ミクロン未満の第１のゾーンと、
   該第１のゾーンに隣接し、かつ該基準面から該第１の距離よりも少なくとも０．５ミクロン短い第２の距離を隔てて配設された第１の二面角に実質的に等しい第２の二面角を規定するピークを有する第２のプリズム要素の少なくとも一部分を含む幅２００〜４０００ミクロンの第２のゾーンと、
   を備えたプリズムゾーンの繰り返しパターンを有する該光伝送手段と；
   を含んでなり、該第１の光指向フィルムシートの構造化面が平面に隣接して配置された場合に光結合が主に該第１のゾーン内で生じることを特徴とする光学ディスプレイ。

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