JP5052952B2 - マイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロールの外周面にマイクロレンズ成形面を形成したマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法、および、製造装置に関する。

光を集光、拡散、反射、回折などで制御する分野、たとえば、液晶ディスプレイ、光結合光学素子、画像入力装置などの分野において、マイクロレンズアレイが用いられている。
マイクロレンズアレイは、外径が概ね１０〜３００μｍ程のほぼ円形状、深さが０．６〜５０μｍの凹レンズあるいは凸レンズなどの微小単位レンズを面状に配列したもので、通常、各レンズは、中心を軸対称とした球面や非球面形状で設計されることが多い。

従来、マイクロレンズアレイを製造する方法として、特許文献１に開示されたドリリング方式が知られている。
このドリリング方式は、回転駆動装置によって回転されるダイヤモンド工具に対して、基板を三次元方向へ移動可能に配置し、まず、基板をダイヤモンド工具に接近させて１つマイクロレンズ成形用キャビティを形成したのち、基板をダイヤモンド工具から離間させ、続いて、基板を所定方向へ移動させて位置決めしたのち、この位置で基板をダイヤモンド工具に接近させて次のマイクロレンズ成形用キャビティを形成し、これを繰り返して、基板の表面に複数のマイクロレンズ成形用キャビティを形成する方法である。

また、他の方法として、非特許文献１に開示されたロール切削加工方法が知られている。
このロール切削加工方法は、ロールをそのロールの軸を中心として回転させるとともに、先端が円弧状のダイヤモンド工具をロールに対して高速で進退させて、ロールの外周面に凹状のレンズ成形面を順次形成し、ロール１回転分の加工が終了したのち、ダイヤモンド工具をロールの軸方向へ移動（通常、レンズ１個分の間隔移動）させて位置決めし、この位置において、上述した動作を繰り返すことにより、ロールの外周面にレンズ成形面を形成する方法である。

特開２００２−１４４３４８号公報 ２００７年度精密工学会春期大会学術講演会講演論文集の 「ダイヤモンド切削による微小レンズアレイ金型の超精密加工」 （平成１９年３月１日発行）

上述した特許文献１に開示されたドリリング方式では、１つのレンズ成形面を加工するのに１秒前後の時間がかかる。そのため、マイクロレンズパターン光学シート全体に数十ミクロンサイズの密集したパターン加工を行おうとすれば、長大な加工日数を必要としてしまう。

また、非特許文献１に開示されたロール切削加工方法では、レンズパターンの配列精度は、レンズパターンを加工する位置の制御方法によって影響される。非特許文献１に開示された方法の場合、ロールの回転位置を外部の位置センサで認識し、この位置センサの信号をトリガーとしてダイヤモンド工具を進退させているため、位置センサの感度やトリガー信号の伝達速度の誤差などによって、ダイヤモンド工具が進退するタイミングにばらつきが発生し、レンズパターンの加工位置がばらつくという課題がある。

また、この方法では、ロール１回転分のレンズパターン加工を終えた後にダイヤモンド工具の進退動作を一旦停止すると同時に、ダイヤモンド工具をロールの軸方向へレンズ１個分移動させたのち、位置センサの信号に応じて再びロール１回転分のレンズパターン加工を行う。この一連の動作を繰り返す方法であるため、レンズパターン加工をロール全体に渡って行う場合、レンズパターン加工の停止およびダイヤモンド工具の移動時間が非加工時間となるため、作業効率が悪いという課題がある。

本発明の目的は、このような課題を解消し、簡単な構成で能率的に高精度なマイクロレンズパターンを形成することができるマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法は、シートに複数のマイクロレンズを転写成形するために用いられるマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法であって、ロール素材をそのロール素材の軸を中心に回転させるロール回転工程と、先端刃先形状が円弧状の工具を前記ロール素材の軸方向へ移動させる工具移動工程と、前記工具を前記ロール素材に対して一定周期で進退させる工具進退工程とを備え、前記ロール回転工程、前記工具移動工程、および、前記工具進退工程を制御しながら、複数のマイクロレンズ成形面を、前記ロール素材の外周面に前記ロール素材の軸を中心軸とする１条の螺旋に沿って一定ピッチ間隔で切削加工することを特徴とする。

この構成によれば、ロール回転工程、工具移動工程、および、工具進退工程を同期して制御することにより、複数のマイクロレンズ成形面を、ロール素材の外周面にロール素材の軸を中心軸とする１条の螺旋に沿って一定ピッチ間隔で連続して切削加工することができる。
従って、背景技術で挙げたロール切削加工方法のように、位置センサやトリガー伝達機構などを必要としないため、位置センサの感度やトリガー伝達速度の誤差などに起因するレンズパターンの加工位置のばらつきが発生しない。そのため、高精度なレンズパターン加工が可能である。加えて、レンズパターン加工を中断して工具を移動させる必要がないため、加工時間を短縮できる。

本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法において、前記ロール素材の外周面に沿った前記螺旋２回転あたり前記螺旋が前記ロール素材の軸方向へ前記マイクロレンズ成形面の略外径×√２ずれるように、前記ロール回転工程、前記工具移動工程および前記工具進退工程を制御するとともに、前記ロール素材の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面の間隔が前記マイクロレンズ成形面の略外径×√２となるように、前記工具進退工程を制御することが好ましい。

この構成によれば、螺旋２回転あたり螺旋がロール素材の軸方向へマイクロレンズ成形面の略外径×√２ずれる軌跡に沿って、マイクロレンズ成形面が連続して加工され、かつ、ロール素材の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面の間隔がマイクロレンズ成形面の略外径×√２となるように制御されるから、複数のマイクロレンズ成形面をロール素材の外周面に規則的にかつ密集させて加工することができる。従って、これによって転写成形される光学シートの光学的性能も向上させることができる。

本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法において、前記ロール素材の外周面に沿った前記螺旋２回転あたり前記螺旋が前記ロール素材の軸方向へ前記マイクロレンズ成形面の略外径ずれるように、前記ロール回転工程、前記工具移動工程および前記工具進退工程を制御するとともに、前記ロール素材の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面の間隔が前記マイクロレンズ成形面の略外径となるように、前記工具進退工程を制御することが好ましい。

この構成によれば、螺旋２回転あたり螺旋がロール素材の軸方向へマイクロレンズ成形面の略外径ずれる軌跡に沿って、マイクロレンズ成形面が連続して加工され、かつ、ロール素材の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面の間隔がマイクロレンズ成形面の略外径となるように制御されるから、ロール素材の外周面に成形されるマイクロレンズ成形面の密度をより高めることができ、従って、これによって転写成形される光学シートの光学的性能も更に向上させることができる。

本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法において、前記螺旋方向および前記ロール素材の軸方向おいて隣接する前記マイクロレンズ成形面の間に、切削加工されていない前記ロール素材の外周表面部分が残るように、切削加工することが好ましい。
この構成によれば、螺旋方向およびロール素材の軸方向おいて隣接するマイクロレンズ成形面の間には、切削加工されていないロール素材の外周表面部分が残っているから、この部分を幅寸法などを測定することにより、マイクロレンズ成形面の形状精度や配列の規則性などを検査することができる。従って、製造されたマイクロレンズ転写成形用ロールの検査を容易に行うことができる。

本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造装置は、シートに複数のマイクロレンズを転写成形するために用いられるマイクロレンズ転写成形用ロールの製造装置であって、ロール素材をそのロール素材の軸を中心に回転させるロール回転手段と、先端刃先形状が円弧状の工具を前記ロール素材の軸方向へ移動させる工具移動手段と、前記工具を前記ロール素材に対して一定周期で進退させる工具進退手段と、前記ロール回転工程、前記工具移動手段および前記工具進退手段を制御しながら、複数のマイクロレンズ成形面を、前記ロール素材の外周面に前記ロール素材の軸を中心軸とする１条の螺旋に沿って形成する制御手段とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、たとえば、旋盤などの工作機械を利用して加工することも可能である。旋盤を利用して加工する場合、主軸ヘッドによってロール素材をそのロール素材の軸を中心に回転させ、この状態において、刃物台に取り付けられた工具を、ロール素材の軸方向へ移動させながら、一定周期でロール素材に対して進退させれば、複数のマイクロレンズ成形面が、ロールの外周面にロールの軸を中心軸とする１条の螺旋に沿って一定ピッチ間隔で形成されるから、簡単な構成で能率的にマイクロレンズ成形面のパターンを連続して形成することができる。従って、簡単な装置や機械を利用してマイクロレンズ転写成形用ロールの製造装置を製造できる利点がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜マイクロレンズ転写成形用ロール：図１〜図２参照＞
図１および図２に示すように、マイクロレンズ転写成形用ロール１，２は、転写成形ロール部３と、この転写成形ロール部３の軸方向両端に設けられた支持軸部４とを備えている。転写成形ロール部３の外周面には、複数のマイクロレンズ成形面５が、転写成形ロール部３の軸を中心軸とする１条の螺旋６に沿って一定ピッチ間隔で配列されている。ロール１，２のマイクロレンズ成形面５は、外径が概ね１０〜３００μｍ程のほぼ円形状、深さが０．６〜５０μｍの凹形の球面状に形成されている。

このようなマイクロレンズ転写成形用ロール１，２では、複数のマイクロレンズ成形面５が、転写成形ロール部３の外周面に転写成形ロール部３の軸を中心軸とする１条の螺旋６に沿って一定ピッチ間隔で配列された構成であるから、例えば、工具によって切削加工するような場合、工具の軌跡が転写成形ロール部３の外周面に沿って１条の螺旋を描くように、工具のロール軸方向への移動とマイクロレンズ転写成形用ロール１，２の回転速度とを制御すれば、全てのマイクロレンズ成形面５を１本の螺旋６に沿って連続的に加工することができる。従って、簡単な構成で能率的にマイクロレンズパターンを形成することができる。

図１に示すマイクロレンズ転写成形用ロール１では、転写成形ロール部３の外周面に沿った螺旋２回転あたり、螺旋６が転写成形ロール部３の軸方向へマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×√２ずれ、かつ、転写成形ロール部３の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面５の間隔がマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×√２となっている。つまり、螺旋６方向および転写成形ロール部３の軸方向において、隣接するマイクロレンズ成形面５が隙間を隔てて配列され、かつ、その間隔がマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×０．４程度になっている。

このような構成にすると、螺旋２回転あたり螺旋６が転写成形ロール部３の軸方向へマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×√２ずれる軌跡に沿って、マイクロレンズ成形面５が連続して加工され、かつ、転写成形ロール部３の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面５の間隔がマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×√２となるように制御されるから、複数のマイクロレンズ成形面５を転写成形ロール部３の外周面に規則的にかつ密集させて加工することができる。従って、これによって転写成形される光学シートの光学的性能も向上させることができる。

図２に示すマイクロレンズ転写成形用ロール２では、転写成形ロール部３の外周面に沿った螺旋２回転あたり、螺旋６が転写成形ロール部３の軸方向へマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ分ずれ、かつ、転写成形ロール部３の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面５の間隔がマイクロレンズ成形面５の略外径となっている。つまり、螺旋６方向において隣接するマイクロレンズ成形面５が隙間（マイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×０．４程度の隙間）を隔てて配置され、かつ、転写成形ロール部３の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面５が接した状態で配列されている。

このような構成にすると、螺旋２回転あたり螺旋６が転写成形ロール部３の軸方向へマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄずれる軌跡に沿って、マイクロレンズ成形面５が連続して加工され、かつ、転写成形ロール部３の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面５の間隔がマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄとなるように制御されるから、転写成形ロール部３の外周面に成形されるマイクロレンズ成形面５の密度をより高めることができ、従って、これによって転写成形される光学シートの光学的性能も更に向上させることができる。

＜製造装置：図３〜図４参照＞
本実施形態に係るマイクロレンズ転写成形用ロールの製造装置は、図３に示すように、ベッド１１と、このベッド１１上に間隔を隔てて載置されロール素材７（転写成形ロール部３および支持軸部４を有するロール素材７）をそのロール素材７の軸を中心に回転させる主軸ヘッド１２および芯押台１３と、ベッド１１上に往復移動可能に設けられた往復移動テーブル１４と、この往復移動テーブル１４をロール素材７の軸方向へ往復移動させる往復移動機構１５と、往復移動テーブル１４の上にロール素材７の軸に対して直交する方向へ進退可能に設けられ工具２１を保持した刃物台１６と、この刃物台１６をロール素材７に対して一定周期で進退させる進退機構１７と、主軸ヘッド１２、往復移動機構１５および進退機構１７を制御する制御手段としての制御装置１８とを備える。

主軸ヘッド１２は、主軸ヘッド本体部１２Ａと、この主軸ヘッド本体部１２Ａに設けられたモータ１２Ｂと、このモータ１２Ｂの出力軸に連結されたチャック機構１２Ｃとから構成されている。チャック機構１２Ｃによってロール素材７の片方の支持軸部４をチャックし、ロール素材７の他の支持軸部４を芯押台１３で回転可能に支持した状態において、モータ１２Ｂを回転駆動させると、このモータ１２Ｂの回転によって、ロール素材７がそのロール素材７の軸を中心に回転される。ここに、主軸ヘッド１２と芯押台１３とから、ロール素材７をその軸を中心に回転させるロール回転手段が構成されている。

往復移動機構１５は、たとえば、往復移動テーブル１４に螺合されるとともにベッド１１に沿って回転可能に支持された送りねじ軸１５Ａと、この送りねじ軸１５Ａを回転させるモータ１５Ｂとから構成されている。ここに、往復移動テーブル１４と往復移動機構１５とから、工具２１をロール素材７の軸方向へ移動させる工具移動手段が構成されている。
進退機構１７は、刃物台１６に連結された連結軸１７Ａと、この連結軸１７Ａに連結された高速往復振動機構１７Ｂとから構成されている。高速往復振動機構１７Ｂは、複数の圧電素子を積層した圧電素子積層体から構成されている。ここに、刃物台１６と進退機構１７とから、工具２１をロール素材７に対して一定周期で進退させる工具進退手段が構成されている。
工具２１は、図４に示すように、刃物台１６に固定される工具本体２２と、この工具本体２２の先端に取り付けられたダイヤモンド製の刃先チップ２３とから構成されている。刃先チップ２３の先端刃先形状は、円弧状に形成されている。

＜マイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法：図３〜図５参照＞
マイクロレンズ転写成形用ロール１，２を製造するには、ロール素材７をそのロール素材７の軸を中心に回転させ（ロール回転工程）、この状態において、先端刃先形状が円弧状の工具２１をロール素材７の軸方向へ移動させながら（工具移動工程）、工具２１をロール素材７に対して一定周期で進退させる（工具進退工程）。

工具２１がロール素材７に対して一定周期で進退すると、ロール素材７が１回転するまでの過程では、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、ロール素材７の外周面上に、螺旋６に沿った一定ピッチ間隔位置に、円形で凹状の窪んだマイクロレンズ成形面５が形成される。
ロール素材７が１回転を超えて２回転目に入ると、図５（Ｃ）に示すように、マイクロレンズ成形面５が前（１回転目）に形成されたマイクロレンズ成形面５の間に接して形成される。

このとき、転写成形ロール部３の外周面に沿った螺旋２回転あたり、螺旋６が転写成形ロール部３の軸方向へマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×√２ずれた軌跡に沿って、一定ピッチ間隔毎に、工具２１を転写成形ロール部３に対して一定周期で進退させると、図１に示すマイクロレンズ転写成形用ロール１が得られる。つまり、転写成形ロール部３の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面５の間隔がマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄ×√２となった、マイクロレンズ成型面パターンが得られる。

また、転写成形ロール部３の外周面に沿った螺旋２回転あたり、螺旋６が転写成形ロール部３の軸方向へマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄだけずれた軌跡に沿って、一定ピッチ間隔毎に、工具２１を転写成形ロール部３に対して一定周期で進退させると、図２に示すマイクロレンズ転写成形用ロール２が得られる。つまり、転写成形ロール部３の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面５の間隔がマイクロレンズ成形面５の略外径Ｄとなった、マイクロレンズ成形面パターンが得られる。

このような製造装置および製造方法によれば、背景技術で挙げたロール切削加工方法のように、位置センサやトリガー伝達機構などを必要としないため、位置センサの感度やトリガー伝達速度の誤差などに起因するレンズパターンの加工位置のばらつきが発生しない。そのため、高精度なレンズパターン加工が可能である。加えて、レンズパターン加工を中断して工具を移動させる必要がないため、加工時間を短縮できる。

また、旋盤などの工作機械を利用して加工することも可能である。つまり、図３に示すように、主軸ヘッド１２や芯押台１３によってロール素材７をそのロール素材７の軸を中心に回転させ、この状態において、刃物台１６に取り付けられた工具２１を、ロール素材７の軸方向へ移動させながら、ロール素材７に対して一定周期で進退させれば、複数のマイクロレンズ成形面５が、ロール素材７の外周面にロール素材７の軸を中心軸とする１条の螺旋に沿って一定ピッチ間隔で形成されるから、簡単な構成で能率的にマイクロレンズ成形面のパターンを連続して形成することができる。従って、簡単な装置や機械を利用してマイクロレンズ転写成形用ロールの製造装置を製造できる利点がある。

＜マイクロレンズ光学シート：図６参照＞
図６に示すように、マイクロレンズ転写成形用ロール１，２と押圧ロール３１とを対向して配置し、これらのロール１，２と押圧ロール３１の間から成形シート３２を押し出す。このとき、ロール１，２、押圧ロール３１あるいは成形シート３２を加熱して成形シート３２を成形しやすくしておく。
すると、押し出された成形シート３２の表面には、マイクロレンズ転写成形用ロール１，２の外周面に形成されたマイクロレンズ成形面５が転写成形される。つまり、凸状の複数のマイクロレズ３３が面状に形成されたマイクロレンズ光学シート３４が得られる。

このようにして製造されたマイクロレンズ光学シート３４によれば、複数のマイクロレンズ成形面５が、ロール外周面に１条の螺旋に沿って配列されたマイクロレンズ転写成形用ロール１，２によって転写成形されているから、つまり、マイクロレンズ成形面５が規則的に配列されかつ密集して形成されているから、光学的性能に優れたマイクロレンズ光学シート３４を得ることができる。

＜変形例＞
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
上記実施形態では、螺旋方向およびロール素材７の軸方向おいて隣接するマイクロレンズ成形面５が接した状態で成形されていたが、これに限らず、他の構成でもよい。
たとえば、図７に示すように、螺旋方向およびロール軸方向おいて隣接するマイクロレンズ成形面５の間に、切削加工されていないロール素材７の外周表面部分が残るように、切削加工するようにしてもよい。

この構成によれば、螺旋方向およびロール素材の軸方向おいて隣接するマイクロレンズ成形面５の間には、切削加工されていないロール素材７の外周表面部分が残っているから、この部分の幅寸法などを測定することにより、マイクロレンズ成形面５の形状精度や配列の規則性などを検査することができる。従って、製造されたマイクロレンズ転写成形用ロールの検査を容易に行うことができる。

本発明は、光を集光、拡散、反射、回折などで制御する分野、たとえば、液晶ディスプレイ、光結合光学素子、画像入力装置などの分野において用いられるマイクロレンズアレイの製造に利用できる

本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの一実施形態を示す図。 本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの他の実施形態を示す図。 本発明の製造装置の実施形態を示す平面図。 同上実施形態において、工具を示す斜視図。 同上実施形態において、製造工程を示す図。 本発明のマイクロレンズ光学シートの製造方法を示す図。 本発明のマイクロレンズ転写成形用ロールの変形例を示す図。

符号の説明

１，２…マイクロレンズ転写成形用ロール、
３…転写成形ロール部、
４…支持軸部、
５…マイクロレンズ成形面、
６…螺旋、
７…ロール素材、
１２，１３…主軸ヘッド、芯押台（工具回転手段）、
１４，１５…往復移動テーブル、往復移動機構（工具移動手段）
１６，１７…刃物台、進退機構（工具進退手段）、
１８…制御装置（制御手段）、
２１…工具。

Claims (5)

1. シートに複数のマイクロレンズを転写成形するために用いられるマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法であって、
   ロール素材をそのロール素材の軸を中心に回転させるロール回転工程と、
   先端刃先形状が円弧状の工具を前記ロール素材の軸方向へ移動させる工具移動工程と、
   前記工具を前記ロール素材に対して一定周期で進退させる工具進退工程とを備え、
   前記ロール回転工程、前記工具移動工程、および、前記工具進退工程を制御しながら、複数のマイクロレンズ成形面を、前記ロール素材の外周面に前記ロール素材の軸を中心軸とする１条の螺旋に沿って一定ピッチ間隔で切削加工することを特徴とするマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法。
2. 請求項１に記載のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法において、
   前記ロール素材の外周面に沿った前記螺旋２回転あたり前記螺旋が前記ロール素材の軸方向へ前記マイクロレンズ成形面の略外径×√２ずれるように、前記ロール回転工程、前記工具移動工程および前記工具進退工程を制御するとともに、
   前記ロール素材の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面の間隔が前記マイクロレンズ成形面の略外径×√２となるように、前記工具進退工程を制御することを特徴とするマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法。
3. 請求項１に記載のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法において、
   前記ロール素材の外周面に沿った前記螺旋２回転あたり前記螺旋が前記ロール素材の軸方向へ前記マイクロレンズ成形面の略外径ずれるように、前記ロール回転工程、前記工具移動工程および前記工具進退工程を制御するとともに、
   前記ロール素材の軸方向において隣接するマイクロレンズ成形面の間隔が前記マイクロレンズ成形面の略外径となるように、前記工具進退工程を制御することを特徴とするマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法。
4. 請求項２または請求項３に記載のマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法において、
   前記螺旋方向および前記ロール素材の軸方向おいて隣接する前記マイクロレンズ成形面の間に、切削加工されていない前記ロール素材の外周表面部分が残るように、切削加工することを特徴とするマイクロレンズ転写成形用ロールの製造方法。
5. シートに複数のマイクロレンズを転写成形するために用いられるマイクロレンズ転写成形用ロールの製造装置であって、
   ロール素材をそのロール素材の軸を中心に回転させるロール回転手段と、
   先端刃先形状が円弧状の工具を前記ロール素材の軸方向へ移動させる工具移動手段と、
   前記工具を前記ロール素材に対して一定周期で進退させる工具進退手段と、
   前記ロール回転工程、前記工具移動手段および前記工具進退手段を制御しながら、複数のマイクロレンズ成形面を、前記ロール素材の外周面に前記ロール素材の軸を中心軸とする１条の螺旋に沿って形成する制御手段とを備えたことを特徴とするマイクロレンズ転写成形用ロールの製造装置。

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