JP5581053B2 - ポリマーレンズ - Google Patents

Description

本発明は、第１透明層と、基板に配置され、選択された屈折率を有する軟質ポリマーまたは同様の透明可撓性材料とを有する焦点距離が調節可能なレンズ、ならびにそのレンズの製造方法とに関する。

携帯電話、スキャン装置およびマシンビジョンのカメラなどの光学装置の最近の開発に伴い、高速でピント合わせが可能な小型レンズが求められている。携帯電話のカメラでは、画素数が増えているものの、その画素を最大限に活用するのに十分な品質の小型レンズが求められている。特にカメラが、バーコードの読み取りや、カメラの近くの物体の画像のスキャンなどの他の目的にも適合している場合、小型化に加えてピント合わせ能力も必要となる。また、レンズにピント合わせ機能を追加することで、高い開口の使用が可能となり、これにより、レンズの焦点深度が浅いことの影響を受けずに、システムの感光性を向上させることができる。

従来のレンズは、多くの目的には大きくコストも高いと考えられており、他の解決策を見出すために研究が行われている。１つの有望な分野は、軟質ポリマーから形成されるレンズの開発にある。このようなレンズは、特定の光学特性を有し、静電力によって軟質ポリマーレンズを伸長させるか、または選択された形状を得るように軟質ポリマー表面を成型することで、ピント合わせ動作のために成型されうる。提案されている別の解決策として、屈折率分布型の軟質ポリマーの使用があるが、これは、十分に高い品質で製造するには複雑であることがわかっている。これらの解決策に関連する問題は、曲率と表面の連続性の点で、十分に優れたレンズ面を得ることにある。

提案されているほかの解決策として、レンズ様の空洞に液体を入れる方法があり、この方法では、空洞の形状を調整して、レンズの焦点距離が調整される。この例が、特開２００２−２３９７６９号公報、特開２００１−２５７９３２号公報、特開２０００−０８１５０３号公報、特開２０００−０８１５０４号公報、特開平１０−１４４９７５号公報、特開平１１−１３３２１０号公報、および特開平１０−２６９５９９号公報に開示されている。

特に、特開２００２−２４３９１８号公報は、空洞内部に封入したレンズとして機能する液体を利用しており、表面の少なくとも１つが、力を印加することによって成形されうる。この方式には、レンズを成形するために加える圧力により、流体または空洞を圧縮しなければならず、この結果、望まない反応が得られて光学面が成形されたり、あるいは、空洞から追い出された液体を収容するための別の室を設ける必要があり、このため製造が複雑になるという不都合がある。また、温度の変動による体積の変化も問題となりうる。このほか、T. Kaneko et al: "Quick
Response Dynamic Focusing Lens using Multi-Layered Piezoelectric Bimorph Acutator", Micro-Opto-Mechanicle Systems, Richard R. A. Syms
Editor, Proceedings of SPIE, Vol. 4075 (2000)の文献にも記載されている。

特開２００２−２３９７６９号公報 特開２００１−２５７９３２号公報 特開２０００−０８１５０３号公報 特開２０００−０８１５０４号公報 特開平１０−１４４９７５号公報 特開平１１−１３３２１０号公報 特開平１０−２６９５９９号公報 特開２００２−２４３９１８号公報

Ｔ．Ｋａｎｅｋｏ ｅｔ ａｌ："Ｑｕｉｃｋ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｌｅｎｓ ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉ−Ｌａｙｅｒｅｄ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｉｍｏｒｐｈ Ａｃｕｔａｔｏｒ"，Ｍｉｃｒｏ−Ｏｐｔｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｒ．Ａ．Ｓｙｍｓ Ｅｄｉｔｏｒ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４０７５（２０００）

このため、本発明の目的は、カメラからの距離範囲が長くても十分な光学品質を提供する、量産が可能な小型のピント合わせレンズ、ならびに携帯電話などの小型装置を提供することにある。これは、独立請求項に記載の事項によって達成される。

本明細書において「軟質ポリマー」との用語は、広義に使用され、シリコンおよびポリマーゲルなどの多くの異なる材料を含んでもよい点に注意されたい。

軟質ポリマーを使用することにより、ポリマーが、空気または他の圧縮可能な気体と接しており、このため、レンズの焦点距離を調整する際に必要な力が遙かに小さくて済むレンズを作製することが可能となる。また、異なる場所または施設に応じて生産工程が変更される場合であっても、ポリマーが所定の位置に保持される（ｋｅｅｐ ｉｎ ｐｌａｃｅ）ため、生産が容易となる。また、気体等と同じ空洞に配置されたときでも、所定の位置に保持される、かなり安定な形状を有する。上で述べたように、レンズの調整に必要な力を軽減し、周囲環境の温度および圧力の変動によって生じる歪みを低減させるために、圧縮可能な気体のリークチャネルまたは気泡を提供することも可能である。

このように、本発明は、薄い可撓性膜および軟質ポリマーの特徴を利用することにより、有利な解決策を提供する。

このため、閉じた空洞に材料を閉じ込める必要がないため、ポリマーを使用することにより、レンズの生産を簡略化することができる。このため、温度および圧力の変動に対する応答が問題とならず、印加した力に対する反応を予測することができる。

本発明について、本発明を例示する添付の図面を参照して、下記に更に詳細に説明する。

本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。 本発明の異なる実施形態を示す。

図面からわかるように、本発明に係るレンズは、ＳｉＯ_２またはパイレックス（登録商標）などの可撓性材料から形成された第１のカバーガラス１と、基板４上または基板２に設けた孔に配された、既知の屈折率を有する光学的に透明なポリマーゲルなどの軟質ポリマー３とから形成される。本発明の好ましい実施形態によれば、カバーガラス１は、顕微鏡で標本を保持するために使用されるタイプの薄いガラス板である。このガラス板は、力を印加することによって成形するのに十分に柔軟であり、この条件下で破壊されない程度に十分に強力である。第１の光学面は、第１のカバーガラスによって構成されており、このため、成形可能であるが、かなり硬く、耐久性を有する面であるが、残りのレンズ材料は軟質ポリマーによって構成されている。好ましくは、軟質ポリマーとカバーガラスは、１つの光学面を構成するように屈折率が等しい。

図１ａ，１ｂでは、軟質ポリマー３が、基板２に設けた孔の中に配されている。この実施形態は、基板としてシリコンを使用することにより作製することができる。基板の一方に、ＳｉＯ_２またはガラスなどの透明層が設けられる場合、反対の面からエッチングして、シリコン層にエッチストップ層を有する凹部を形成することができる。その後、凹部に軟質ポリマー３を充填する。次に、上部カバー層１と凹部の上に、それ自体公知の方法で、駆動部（例えば圧電リング）５が設けられる。このリングは、電圧の印加時に、接線方向に収縮または膨張するように適合されている。薄い上部カバー層１と駆動部は、バイモルフ駆動部として協調して作用する。図１ｂでは、リング５は収縮し、カバー層１に隆起を形成させる。ＳｉＯ_２層が曲面を与え、この曲面が、中央部において、実質的に球形の屈折面６を構成し、これによりレンズを提供することが実験によって示されている。

図１ｂの下の部分には、軟質ポリマーの下面７が軟質ポリマーに追従して上に移動し、上に引っ張られてカバー層の隆起を形成し、このためメニスカスレンズを提供することが図示されている。図１ａ，１ｂにおいて、凹部は、例えばシリコンのエッチングプロセスによって直径が大きく形成されており、このため、下部屈折面の曲率は、上部屈折面６よりも小さく、このためレンズが提供される。上で述べたように、空気と界面を接している自由な軟質ポリマーを用いた他の軟質ポリマーレンズの経験から、下部面の中央部は、端部よりも曲率が小さく、このため、湾曲下部面７の効果が限られていることがわかっている。場合によっては、特別な光学特性が要求される場合、第１層１から開口が狭まっていくように、孔の形状を反転させてもよい。

図２ａ，２ｂは、図１ａ，１ｂと本質的に同じ実施形態を示すが、第２層４を有する。また、軟質ポリマー３は、空洞に完全に満たされているが、空気またはその他の圧縮可能な気体のための多少の空間１３が残されている。これに加えて、あるいはこれに代えて、例えば温度の変動による圧力変化を平均化させるために、周囲環境へのリークチャネル１２が存在していてもよい。ポリマーは、光学活性な部分において対称なことが重要であるため、光学性能を妨げないように、空洞内の気体の量を制限すべきである。このため、リークチャネルと併せて、気体の体積を少なくすることが有利となりうる。

図２では、下部レンズ面７は平面であり、このため、レンズは平凸レンズを提供する。図２ａ，２ｂに示す実施形態では、凹部の端は光軸と平行であり、シリコンに形成する場合は別のエッチング方法、あるいはドリル穿孔によって形成することができる。

第２層４が十分な可撓性を有し、軟質ポリマーが十分に非圧縮性を有する場合、図１ａ，１ｂは極端な例を示しているが、ある程度は第１の面の移動に追従し、この効果とレンズの特性を制御するように開口の寸法を選択することができる。上で説明したように、内圧と周囲環境の圧力を等しくし、レンズ面を変化させるのに必要な力を軽減するために、リークチャネル１２と気体１３が提供されている。

図３ａ，３ｂに、２層の透明層１，４の間に軟質ポリマーが配されている本発明の別の実施形態が示されており、透明層１，４の少なくとも一方は、可撓性材料（例えばＳｉＯ_２またはガラスの薄層など）から作成されている。図中、上部層１は可撓性であるが、下部層４は硬質である。このため、図示の例のレンズを構成する屈折面６，７は、平凸レンズを提供する。表面の可撓性を選択することにより、屈折面において異なる曲率を得ることができる。

図３ｂに示すように、光軸から選択された距離においてレンズに力を印加することによって、レンズの焦点距離が調整される。これにより、層１，４と、これらの間にある軟質ポリマーにより、加えた力に応じた所定の焦点距離を有するレンズが得られるように、可撓性層１または層１，４が屈曲される。

この力は、例えば、同軸リング８を可撓性表面の方に押すなど、いくつかの異なる方法で印加することができ、リングは圧電素子などである。

別法では、２つのリング状の電極９が設けられてもよい。電極９間に電圧を印加することにより、電極間力によって屈折面６，７の曲率を調整することができる。

レンズの所望のサイズと用途に応じて、図３ａ，３ｂの透明層１，４の間にスペーサ１１を提供してもよい。これは、図４ａ，４ｂに示すように、凹レンズを提供するのに使用することができる。スペーサ１１の外で第１の層１に力を印加すれば、レンズが凸状となる。また、図２のように、リークチャネル１２も提供されている。

更に別の実施形態が図５ａ，５ｂに示されており、この例では、軟質ポリマー３ａは導電性であり、上部層１と下部層１４の両方が硬質であってもよい。上部層１と軟質ポリマー３ａの間に気泡が提供され、軟質ポリマー３ａと気泡間の表面によって屈折湾曲面が構成されるようになる。上部層１の内側には、好ましくは透明な電極１０が設けられており、軟質ポリマーと電極の間に電圧が印加される。軟質ポリマーと電極間に印加する電圧を、全体で、または個別に制御することによって、軟質ポリマー表面６ａを成形することができる。図の場合、レンズは凹状であるが、電極と、電圧の印加方法により、ほかの解決策を提供することもできる。

電歪軟質ポリマー３ｂが使用されている図６ａ，６ｂに示す更に別の実施形態によれば、レンズの円周に（例えばリング状の電極によって）電圧が印加される。軟質ポリマーは、電界下で収縮または膨張して、電極の近くの電界に反応する。ポリマーが、電極の近くで収縮すると、材料の多くが中心の方に押しやられる。これにより、可撓性層１への圧力が上がり、屈折面７が湾曲する。電極の近くで軟質ポリマーが厚くなる場合には、この逆が生ずる。この実施形態の特別な変形例では、軟質ポリマーを通る電界強度を増大させ、このためこの効果を増大させるように配された、極性が交互に異なる複数の層から電極が形成されていてもよい。上部層の中央に孔または膜厚の薄い領域が存在する場合、軟質ポリマーがこの領域から絞り出され、レンズが提供されてもよい。

レンズは、ガラス基板、軟質ポリマーおよび可撓性プレートによって構成される。光軸から離れた領域に沿って力を印加すると、軟質ポリマーの上の可撓性層が屈曲する。このため、可撓性層１は、特にＳｉＯ_２プレートによって構成されている場合には、実質的に球形の表面を成形することが実験によって示されている。このように、レンズは、ガラス面を有するが、軟質ポリマーを含むレンズから構成され、ガラス面が、圧力を調整することによって成形されうる。圧力を調整することで、曲率、ひいてはレンズの焦点距離を変更することができ、このため、レンズの焦点を変更することが可能となる。

図１ａ，ｂおよび２ａ，ｂに示す解決策は、通常のＳｉの製法によって作製することができる。下部面は、例えばガラスなどの平面基板であり、可撓性層は、シリコンウェハから形成され、孔が上部のＳｉＯ_２またはガラス面まで形成される。軟質ポリマーが孔の中に配され、このため、基板（図２ａ，ｂの場合）と、シリコンディスクの壁と、上部のＳｉＯ_２またはガラス層との間で圧搾される。表面に圧電素子または類似の構造を提供することによって、バイモルフ駆動部により表面の曲率が変更され、軟質ポリマーが表面に付着し、表面の移動に追従する。別の実施形態では、孔の寸法を調整することができ、軟質ポリマーが必要な空間が増減してＳｉＯ_２層が上または下に移動され、レンズ面が成形される。

上で説明した全ての解決策において、調節可能な屈折面６，７を反射材料で形成して、これにより調整可能なミラーを提供することができる。図２とそれ以降の例では、図中の上層１と下層４は、両凸レンズ、両凹レンズまたはメニスカスレンズを提供するように、可撓性であってもよい。

このため、本発明に係る光学素子は、レンズに力を印加する駆動部を、例えば携帯電話、スキャナまたはバーコードリーダのカメラにオートフォーカス機能を提供するための標準的な装置と組み合わせることによって、レンズの焦点距離を調整するためのシステムと組み合わせることができる。駆動部は、例えば、必要な焦点を越えたか、または調整の方向が間違っていることが判明した場合に、停止または前進の信号がシステムによって与えられるまで、焦点距離を調整するために、レンズに印加する力を増減させる。

図７ａ，７ｂ，７ｃは、本発明の好ましい実施形態を示すが、圧電材料または電歪材料などの駆動部が、上層１の上にスクリーン印刷または堆積され、それ自体公知のリソグラフィプロセスによってパターニングされている。図７ａ，７ｂ，７ｃに示す駆動部層５は、リング形状である。透明な駆動部（例えばポリマー膜またはＰＺＴ膜）と透明電極（例えばＩＴＯ）と組み合わせて使用する別の実施形態によれば、駆動部が、上層を完全に覆ってもよい。上層１は薄いガラスシート、好ましくはパイレックス（登録商標）から形成されるが、サファイヤまたはＳｉＯ_２が使用されてもよい。軟質ポリマー様材料３は、好ましくは従来のゲルから形成されるが、要求される屈折率に応じて選択した軟質ポリマーまたはエラストマを使用することもできる。この例では、下層４はガラスから形成される。図７ａ，７ｂ，７ｃに係る実施形態は、標準的なプロセスを使用した製造が容易な解決策を提供する。

図８ａ，８ｂ，８ｃには、シリンドリカルレンズを作製するための実施形態が示される。この利点は、上層を一次元的に屈曲させるのに必要な力が、ドーム形状の面を形成するのに必要な力よりも遙かに小さくて済むという点にある。従来のレンズと同じ特性を提供するために、２つのシリンドリカルレンズが、垂直な屈曲方向になるように、光軸に沿って直列に配置されうる。

本明細書において、駆動部を、多くの場合「圧電材料」と称したが、本発明には、電界または磁界が印加されると駆動部として使用することができる任意の材料が含まれてもよく、例えば、強力な電歪効果を有する材料、特に、ヒステリシス効果なく極めて大きな歪みを示すリラクサ、または磁歪材料を使用することができる。図３ａ〜４ｂに示すように、一部の実施形態では、駆動部は、レンズ素子に力を印加するために使用されることができるリング状の要素であればどのようなものであってもよい。

電源、ならびに本発明を利用するために必要な光学素子のための駆動回路、支持部およびハウジングなどの他の電子装置および／または機械装置は、選択した実施形態と、その実施形態が使用される状況に応じて、当業者にとって自明であると考えられるため、これらについては詳述しない。

以上まとめると、本発明は、焦点距離が調節可能な光学素子であって、第１透明層と、その上に配置され、選択された屈折率を有する透明軟質ポリマー（例えばゲル）と、を有し、前記層は、選択した可撓性を有する材料（例えば薄いガラス層）から形成され、光学素子は、前記可撓性層に力を印加するための駆動部を有し、前記力は、前記軸に対して実質的に対称の平面または円形であり、これにより上層の近くのポリマー表面を屈曲させ、レンズ面を提供し、湾曲屈折面を提供する光学素子に関する。

また、光学素子は、軟質ポリマーの反対の面に配置され、前記軟質ポリマーを実質的に覆っている第２透明層も有し、この第２層の近くの第２の屈折面７に、所定の形状を与える。別の実施形態では、第２透明層も可撓性であり、第２の屈折面を成形するための駆動部を有してもよい。層の一方が開口を有する場合、開口内のポリマーが、ポリマー室から押し出されるか、またはポリマー室に引き込まれ、表面が、レンズ状の屈折面を提供しうるが、上で説明したように、この表面の光学品質は限られていることがある。

第１透明層はＳｉＯ_２によって構成されてもよく、光学素子は開口を有するＳｉ基板を更に有し、前記開口内に前記軟質ポリマーが配される。

上部透明層と、おそらく下部透明層とは、前記第１層に円対称の力を印加し、このため中心付近に実質的に球面形状の第１層を提供するために適合された力駆動部を含んでもよく、このため、中心はレンズ素子表面６,７の光軸を定義する。少なくとも１つの駆動部は、前記第１層に力を印加するように適合されたリング状の圧電駆動部によって構成されうる。

別法では、力駆動部が、ハウジング内に取り付けられ、選択された光軸に対して対称に配置され、光軸に平行な力を印加するように適合されうる。これは、層を屈曲させるために、層１，４の少なくとも一層に押し付けたリングを使用して提供することができ、この力は、機械的に、あるいは磁石、圧電素子または電気式駆動部によって印加することができる。

本発明の別の実施形態によれば、実質的に円形の気泡が、選択された光軸において、前記第１層および／または第２層と、前記軟質ポリマーとの間に提供され、前記軟質ポリマーは導電性であり、前記第１層は、前記選択された光軸に対して対称の導電体のリング状パターンを有し、前記駆動部は、前記電極と前記軟質ポリマーとに接続された電圧源によって構成され、これにより、前記第１層上の選択された電極と前記軟質ポリマー間に力が与えられ、前記電極に対して軟質ポリマー表面が成形される。

本発明の別の実施形態によれば、第２層は、軟質ポリマーの前記第１層とは反対の面に配置され、軟質ポリマーは電歪性である。駆動部は、各層に提供された少なくとも１つの円形の電極と、前記電極間に電圧を印加する電圧提供手段とによって構成され、これにより、軟質ポリマーが電圧に反応して、前記電圧の結果、膨張または収縮する。このように、電界に対するポリマーの反応の結果、屈折面が湾曲する。

上で説明したように、駆動部は、光軸に対して円対称の力を提供し、これにより、中心付近の前記第１透明層に、実質的に球形の屈曲を与えるように適合されている。しかし、駆動部を、光軸を含む平面に対して面対称の力を与えるように適合させ、これにより、前記第１透明層に円筒状の屈曲を与えることも可能であり、円筒状の屈曲は、光軸に対して垂直の軸を有する。このようなレンズを光軸に沿って２つ組み合わせることによって、１枚の従来のレンズと同様の結果を得ることができるが、駆動部によって印加される力が少なくて済む。

本発明によるレンズは、数通りの方法で作製することができる。図１ａ〜２ｂに示すレンズは、一面にＳｉＯ_２またはガラス層を有するシリコン板を提供するステップと、前記シリコン板に開口をエッチングするステップと、前記開口に、前記ＳｉＯ_２またはガラス層と接して軟質ポリマーを配するステップと、前記ＳｉＯ_２またはガラス層に力駆動部を配置するステップと、を有する方法によって製造することができる。次に、前記シリコン板の反対の面に第２層が設けられ、これにより、空洞内に軟質ポリマーが封入されうる。駆動部は、圧電または電歪リングであり、前記リングは、選択された光軸と同軸状に配置され、ＳｉＯ_２層に力を印加して、これにより、前記第１層および前記軟質ポリマーに隆起またはドームを形成するように適合されている。

別の実施形態では、レンズは、ガラス面に（例えば印刷法によって）駆動部を堆積するステップと、例えばエッチングまたは研削によって、前記ガラス面の反対の面からガラスを薄化するステップと、薄いガラス板の反対の面に軟質ポリマーを提供するステップと、によって作製される。

Claims (9)

1. 焦点距離が調節可能な光学素子であって、前記光学素子は、光軸を有し、選択された屈折率を有する透明ゲル（３）上に配置されることを特徴とする、前記光軸に対して垂直の配向を有する第１透明層（１）と、前記透明ゲル上の前記第１透明層とは反対の面に配置される第２透明層（４）と、を備え、前記第１透明層（１）は、パイレックス（登録商標）、ＳｉＯ _２ 、またはサファイアから構成される可撓性を有するガラス層から形成され、前記可撓性を有する第１透明層は、力駆動部（５、８）であって、リング状の圧電または電歪駆動部によって構成され、前記光軸から隔てて前記第１透明層に力を印加するよう適用される力駆動部（５、８）が設けられ、前記力は、前記光軸に対して実質的に対称であり、これにより前記第１透明層（１）を屈曲させ、レンズ面を提供し、湾曲屈折面（６）を提供し、したがって前記光学素子の前記焦点距離は曲率に応じ、前記透明ゲル（３）は、圧縮可能な気体（１３）との少なくとも１つの面接触を有し、少なくとも１つの面は、前記光軸の外である、光学素子。
2. 開口を有するＳｉ基板（２）を更に備え、前記第１透明層（１）がＳｉＯ _２ によって構成され、前記開口内に前記透明ゲルが配される、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記力駆動部（５、８）は、前記光軸と同軸上に配置される前記第１透明層に円対称の力を印加し、これにより中心付近に実質的に球面形状の第１層を提供するように適合される、請求項１に記載の光学素子。
4. 前記力駆動部（５、８）は、前記光学素子を含むハウジング内に取り付けられる同軸リング状の駆動部（８）である、請求項１に記載の光学素子。
5. 前記透明ゲルは電歪性であり、前記力駆動部は、各層に提供された少なくとも１つの円形の電極と、前記電極間に電圧を印加する電圧提供手段とによって構成され、これにより、前記透明ゲルが前記電圧に反応して、前記電圧の結果、膨張または収縮する、請求項１に記載の光学素子。
6. 前記力駆動部は、前記光軸に対して円対称の力を提供し、これにより、中心付近の前記第１透明層に、実質的に球形の屈曲を与えるように適合されている、請求項１に記載の光学素子。
7. 前記力駆動部は、前記光軸を含む平面に対して面対称の力を提供し、これにより、前記第１透明層に円筒状の屈曲を与えるように適合されている、請求項１に記載の光学素子。
8. 前記透明ゲルが空洞内に封入され、前記空洞は周囲環境へのリークチャネルを有する、請求項１に記載の光学素子。
9. 前記圧縮可能な気体は、前記透明ゲルを囲み、前記光軸に対して実質的に対称の空間を構成している、請求項１に記載の光学素子。
   

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