JP5667177B2 - スポット照明のための照明システム - Google Patents

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Description

本発明は、スポット照明に関し、管状反射装置及び光源アレイを含む。
シーンセッティングや他の雰囲気形成照明などのスポット照明において、カラーフィルタを持つ白色光源が広く使用されている。その後代替物として、発光ダイオード、LEDなどの着色光源が開発されている。着色光源を持つシステムでは、前記色は電子的制御で変更され得る。また全ての可能な色が常に利用可能である。
スポット照明応用においては、スポット照明システムが色制御可能であるかどうかを問わず発光の均一性が非常に重要である。
スポット照明の一例がUS6200002に開示され、ここで管状のコリメータが前記コリメータ入り口の配置される光源アレイからの光を視準するものである。US6200002は従来の照明システムに比べて改良された均一性を与えるものではあるが、さらに改良された発光が望まれる。
上記に鑑みて、本発明の一般的課題はスポット照明のための改良された照明システムを提供することであり、特に前記照明システムによる発光の均一性が改良されたものを提供することである。
本発明によれば、スポット照明のための照明システムが提供され、前記照明システムは、反射性内部表面を持つ管状反射装置を持ち、前記管状反射装置が入口開口部及び前記入口開口部よりも大きい出口開口部を持ち;さらに前記入口開口部で前記管状反射装置へ発光するように物理的光源配置で設けられる複数の光源アレイを持ち、前記管状反射装置が複数の反射表面を含み、それぞれが前記光源アレイの1次的ミラーイメージを与え、前記1次的ミラーイメージが1次的ミラーイメージ光源配置を持ち;及び前記光源アレイが、前記それぞれの1次ミラーイメージについて、前記反射表面による前記1次ミラーイメージの反射から生じる前記光源アレイの全ての2次ミラーイメージの少なくとも半分が、前記物理的光源配置とは異なる2次ミラーイメージ光源配置を示す、照明システムである。
本発明は以下の知見に基づくものである。即ち、照明システムによる発光の均一性における従来技術の1つの改良は、前記光源アレイを次のように設けることで達成され得るというものである。これは、前記管状反射装置で、前記反射表面での多重反射から生じる重なり合う幾つかのミラーイメージが下方に維持されるように設けることである。特に、本発明の発明者は次の知見を得た。即ち、前記発光の均一性の大きな改良は、前記光源アレイを次のように設けることで達成され得るという知見である。これは、前記光源アレイの前記2次ミラーイメージの少なくとも半分が、前記物理的光源配置とは異なる光源配置を表すように、である。
これにより前記発光の優先的な方向への発光が抑制され、均一性、即ち強度に関して空間的な均一性が改良され、及び適用可能な場合には前記照明システムにより出力される色に関して空間的な均一性が改良され得る。
用語「異なる」とはここでは、前記光源アレイの2次ミラーイメージが前記物理的光源アレイの正確な複製ではないという意味であることを理解されるべきである。言い換えると、前記2次ミラーイメージ光源配置は、前記物理的な光源配置との完全な重なりが前記2次ミラーイメージ光源配置の移動のみでは達成されない場合に、前記物理的光源配置とは異なる、ということである。従って、前記2次ミラーイメージ光源配置は、前記物理的光源配置とは回転状態が異なるか及び/又は寸法が異なる、こととなる。後者の場合、前記2次ミラーイメージ光源配置は物理的光源配置と同じ回転状態であり得るけれども、前記光源間の距離が異なり、従って、前記光源アレイの前記2次ミラーイメージ及び前記光源アレイとの間で正確な一致のためには、移動操作と寸法操作が要求されることとなる。
発光の均一性のさらなる改良は、光源アレイを次のように設けることで達成され得る。即ち、前記物理的光源配置と異なる2次ミラーイメージ光源配置を表す前記2次ミラーイメージの部分の割合をさらに増加させること、例えば75%であり、最良の結果は100%の場合に得られる。
望ましい結果が得られる前記光源の配置は、前記管状反射装置の配置に依存するが、当業者にとっては次の点につき決定することは容易であろう。即ち、光源配置及び管状反射装置配置の所与の組み合わせが、上記説明した要求である、前記光源アレイの前記2次ミラーイメージの少なくとも半分が、前記物理的光源配置とは異なる光源配置を表すという要求を満たすかどうかについての決定である。
有利なことは、前記異なる2次ミラーイメージ光源配置は、少なくともその回転状態に関して前記物理的光源配置と異なり得るものである。前記2次ミラーイメージの寸法(光源間の距離よりもより大きい又は小さい)は、発光の均一性に有利な効果を持つことができるけれども、より有利な効果は一般的には、前記2次ミラーイメージ光源配置が前記物理的光源配置に対して回転されている場合に達成され得る。というのはかかる回転は、前記照明システムにより、より多くの数の光線方向を生じる結果となるからである。
前記反射表面は有利には、お互いがある角度で設けられるセグメントで形成され得る。前記照明システムの前記光軸に垂直な平面での前記管状反射装置の断面において、前記セグメントは実質的に直線で表される。
さらに、前記管状反射装置は、反射表面のいずれもが、前記反射表面の全ての他の1つに対しても平行ではないように構成され得る。これにより前記照明システムにより発光される光線の方向の数が増加され得る。
さらに、前記管状反射装置は、平らでない反射表面を含むことができ、これにより前記照明システムにより発光される光線の方向の数が増加され得る。
さらに、前記管状反射装置は本質的に多角形状断面を持つことができる。
「多角形断面」とは本発明において、前記多角形の角面を形成する少なくとも3点で接続された閉鎖パスにより境界付けされる断面であることを意味するものと理解されるべきである。例えば、前記多角形の角の間のそれぞれのパスは前記多角形に関して凹形状又は凸形状であってよい。1つの実質的において、前記多角形断面は非偶数の側部を持ち得る。例えば7角形状(7側部)又9角形状(9側部)などである。
前記管状反射装置の形状にかかわらず、少なくとも1つの前記反射方面は有利には曲げられている。特に少なくとも1つの表面及び前記照明システムの光学軸に垂直の平面との間の部分が曲線である。
後者の配置を通じて、前記ミラーイメージの寸法が達成され、それにより発光の均一性は上記のように改良される(前記反射表面が凹面又は凸面かに依存して前記光源間の距離がより大きいかより小さい)。
さらに、前記管状反射装置は実質的にトランペット形状であり得る。これは前記管状反射装置の開口領域が前記出口開口部に向かってフレア状に張り出し、前記管状反射装置の前記内部反射表面の曲率半径が前記管状反射装置の外部に設けられる。
前記物理的光源配置はさらに、前記光源アレイのそれぞれの回転対称状態が、前記管状反射装置の全ての回転対称状態とは異なるように、選択され得る。
本発明で「回転対称状態」とは、初期状態とは異なり、前記初期状態と同様の配置となる回転状態であると、理解されるべきである。
前記管状反射装置は、同じ配置を持つ第1の回転状態数を表し、かつ前記光源アレイが同じ配置を持つ第2の回転状態数を表し、前記第1及び第2の数が非整数であり得る。かかる配置は非一致対称状態を与える。
同じ配置を持つ回転状態数は、前記初期状態プラス前記回転対称状態数に等しく、即ち回転対称状態数プラス1である。
さらに、前記照明システムを、前記第1の数及び第2の数の共役数が1に等しくなるように、また前記発光が有利な方向へ向くことをより低減され得るように構成することで、前記発光の均一性がさらに改良され得る。
前記照明システムによる発光の均一性をさらに改良するために、前記照明システムは、前記光源アレイに含まれる前記光源の全領域が、前記管状反射装置の前記入口開口部の領域の少なくとも5%に等しくできるように構成され得る。
前記光源の全領域とは、前記光源の全発光表面であって、発光できる領域を意味するものと理解されるべきである。
前記全発光領域と、前記入口開口部の領域との十分な比を与えることで、前記照明システムによる発光の均一性がさらに改良され得る。本発明の発明者による実験では、かかる十分な比は前記管状反射装置の入口開口部の領域の約5%であり、より高い比はよりよい結果を与えることを示した。しかし該比は好ましくは、10%以上であり、より好ましくは少なくとも15%であり、最も好ましくは20%以上である。
本発明の種々の実施態様により、前記光源アレイはさらに、第1の色を発光し、及び前記第1の色とは異なる第2の色を発光するように構成される1セットの光源を含む。
1セットの光源は、単一光源であってよく、又は共に配置される光源群であってよい。例えば、1セットの光源は、一列の発光ダイオード(LED)の形で与えられてよい。ここで前記照明システムからの色制御可能な光出力が備えられてよい。
本発明の発明者は、次の知見を得た。即ち、前記第1の色を発光するように構成される少なくとも3セットの光源と、前記第2の色を発光するように構成される少なくとも3セットの光源を含むように前記光源を構成することが、前記照明システムによる光出力の均一性に対して有利である、ということである。
さらに、前記光源は、隣接する光源のセット間の前記最大距離が、前記入口開口部の横方向拡張の3分の1よりも小さいように構成されることが有利である。これにより前記光源アレイの大きな「暗い」領域が避けられ、前記照明システムによる光出力の均一性がさらに改良され得る。前記光源において前記光源をさらに均一に配置することは、前記均一性のさらなる改良となる。
種々の実施態様により、本発明の前記照明システムは有利にはさらに、前記照明システムによる発光を拡散させるように構成される光拡散光学部材を含むものである。これにより前記照明システムによる光出力の均一性のさらなる改良がなされる。
本発明の種々の実施態様による照明システムにおいて、前記出口開口部で前記管状反射装置を出る光は、一般的には前記照明システムの光軸から離れるよりは、前記照明システムの光軸に近い部分でより良好に混ざり合う。従って、光拡散光学部材は、前記照明システムの光軸からの距離に依存して有利に拡散可能なものである。特に拡散可能性は、前記照明システムの光軸からの距離が増加するに従い有利となる。
さらに、前記照明システムは、さらに有利には、前記照明システムによる発光を焦点化させ、それにより前記照明システムによる光出力の角度広がりを低減させ得る。
さらに、前記管状反射装置は、実質的にガウスビームプロフィルが、前記出口開口部又は離れた場所で達成されるように形状化され得る。
前記管状反射装置の長さは有利には、前記入口開口部の直径の3倍から8倍であり、前記出口開口部の直径と前記入口開口部の直径との比は有利には3から5の範囲である。
本発明のこれらの側面及び他の側面は、さらに添付の図面と共に、本発明の実施態様に基づいて詳細に説明される。
図1は、本発明の1つの実施態様による照明システムの展開図である。 図2は、本発明で使用される用語を明確にする目的で、単純な照明システム構成の模式的断面図を示す。 図3aは、本発明の実施態様の照明システムの例を示す。 図3bは、本発明の実施態様の照明システムの例を示す。 図3cは、比較のための照明システムの例を示す。 図4aは、本発明の実施態様の照明システムの例を示す。 図4bは、本発明の実施態様の照明システムの例を示す。 図4cは、比較のための照明システムの例を示す。 図5は、本発明の他の実施態様による照明システムの例の模式的断面図を示す。
以下本発明を、本発明の1つの照明システムであり、トランペット形状の管状反射装置を持ち、その断面が多角形状のものを参照して説明する。
理解されるべきは、これが本発明の範囲を限定するものではないということであり、他の照明システム(管状反射装置がトランペット形状ではなく、及び/又は多角形断面も有さない)についても同様に適用可能なものである、ということである。例えば、管状反射装置は直管状でもパラボラ形状の反射装置でもよく、多角形状には構成されていない複数の反射表面を有するものであってもよい。
図1は、本発明の1つの例示的実施態様による照明システム1を模式的に示す。照明システムは光源アレイ2及び反射性内部表面を持つ管状反射装置3を含む。光源アレイ2は複数の光源で、例えばLEDアレイ4a〜dを含み、プリント回路基板(PCB)5などのキャリア上に設けられ、これはヒートスプレッダ6上に配置され、これはヒートシンク7上に配置される。それぞれのLEDアレイアレイ4a〜dは、1つ又は数個のLEDを含み、異なる色を持つことが可能である。従って、LEDアレイ4a〜dは、具体的な応用に依存して、異なる性質又は実質的に同じ性質を持つことができる。前記管状反射装置3は光入口開口部9を持ち、光出口開口部10は前記入口開口部9よりも大きい。前記管状反射装置3の前記出口開口部0で、拡散部材が、ここでは光学拡散シート11の形で与えられる。
光源アレイ2は前記入口開口部9に設けられ、管状反射装置3へ発光する。図1で模式的に示される例示的実施態様において、管状反射装置3は照明システム1の光軸12に垂直平面で多角形断面を持つ。さらに、図1での管状反射装置3は7つの反射表面14a〜gを持ち、これらは光源4a〜dによる発光を反射するように構成される。
ここでは明確には示されていないが、反射表面14a〜hによる光源アレイ2の1次ミラーイメージの反射から生じる光源アレイ2の全ての2次ミラーイメージは、物理的光源配置とは異なる2次ミラーイメージ光源配置を表す。この理由は、2次ミラーイメージ光源配置は、(360/7)°の倍数の回転角度により光源アレイ2の回転を表すものとなる、からである。これは、全ての2次ミラーイメージ光源配置が物理的光源配置と異なることを意味する。というのは光源アレイ2の回転対称状態が(360/3)°の倍数の回転角度で回転されているからである。従って管状反射装置3及び光源アレイ2は回転対称状態が一致することはない。
本発明で使用される用語のいくつかは、図2で示される照明システム配置の断面を参照して説明される。
図2は、例示的照明システム20の単純化された断面を示し、出口開口部から管状反射装置21の入口開口部へ見たものである管状反射装置21は4つの側面22a〜dを持ち内部反射表面23a〜dを持つ。照明システム20はさらに、簡単な光源アレイ25を含み、これは、図2では2つの異なる光源26a、bを持ち、図2では「x」及び「o」として表される物理的光源配置を持つ。
さらに図2で模式的に示されるように、光源アレイ25は第1の反射表面23aで反射され、これは図2で四角で表される1次ミラーイメージ28を与える。この1次ミラーイメージ28は図2では左側の四角内で「x」及び「o」で説明される1次ミラーイメージ光源配置を持つ。図2で分かるように、この1次ミラーイメージ光源配置は物理的光源配置とは異なる。即ち、図2の左の四角が光源アレイ25と重なるように移動させると、1次ミラーイメージ光源配置の「x」は物理的光源配置の「o」と重なり、1次ミラーイメージ光源配置の「o」は物理的光源配置の「x」と重なる。
1次ミラーイメージ28が第3の反射表面23cで反射されると、2次ミラーイメージ29が与えられる。この2次ミラーイメージ29は2次ミラーイメージ光源配置を持ち、図2の右に「x」及び「o」と表される。図2から明らかなように、この2次ミラーイメージ光源配置は、光源アレイ25の物理的光源配置と同じである。
図2には、1つだけの代表的な1次ミラーイメージ28及び1つだけの代表的な2次ミラーイメージ29が示されているが、図2での照明システム20の全ての2次ミラーイメージは、光源アレイ25の物理的光源配置と同一の2次ミラーイメージ光源配置を持つことはすぐに明確となるであろう。従って、図2で示される照明システムは本発明の実施態様ではなく、単純化された説明用の例であり、これにより、以下図3a〜c、図4a〜c及び図5a〜cで模式的に示される種々の照明システムの例を説明するために用いられる、物理的光源配置、1次ミラーイメージ、1次ミラーイメージ光源配置、2次ミラーイメージ、2次ミラーイメージ光源配置などの概念を説明するために用いられるものである。
図3a〜cは、例示的照明システムの模式的断面を示す。ここで図3a〜cの照明システムは本発明の実施態様を示し、図3cの照明システムは比較のための例示的システムである。
本発明の第1の実施態様による照明システム30が図3aに記載される。図3aから、照明システム30は三角形状断面と内部反射表面32a〜cを持つ管状反射装置31を含む。図3aの照明システムはさらに光源アレイ33を含み、これは物理的光源配置で設けられる複数の光源34a、bを含む。図2と同様に、物理的光源配置は、異なる光源34a、bを表す「x」及び「o」で模式的に示される。
図3aで分かるように、「x」及び「o」で表される1次ミラーイメージ光源配置を持つ3つの1次ミラーイメージ35a〜cが存在し、「x」及び「o」で表される2次ミラーイメージ光源配置を持つ6つの1次ミラーイメージ36a〜fが存在する。図3aから分かるように、全ての2次ミラーイメージ光源配置は、光源アレイ33の物理的光源配置とは異なる。この配置は、光が発光される方向の数が増加する結果を与え、このことは前記照明システム30による発光の均一性を改良するものである。
次に本発明の第2の実施態様による照明システム40が図3bに記載されている。図3bの照明システム40は、図3の照明システムとは、光源アレイ41が図3bに示されるような異なる物理的光源配置を持つ、という点で異なるものである。
図3bから分かるように、全ての2次ミラーイメージ光源配置は光源アレイ41の物理的光源配置と異なる。この配置は、光が発光される方向の数が増加する結果を与え、このことは前記照明システム40による発光の均一性を改良するものである。
つぎのに、比較のための例示照明システム50を、図3cを参照して簡単に説明する。図3cの照明システム50は図3a,bの照明システム30,40とは、図3cで示されるように対称的に配置される3つの同じ光源52a〜cを持つ物理的光源配置を持つ、という点で異なる。図3からすぐに分かるように、全ての2次ミラーイメージ光源配置は、光源配置51の物理的光源配置と同一である。従って図3cでの照明システム50による発光は、図3a、bでの照明システム30,40による発光に比べて、均一性の程度が低いものとなる。
図4a〜cは例示的照明システムの断面図であり、ここで照明システム4a、bは本発明の実施態様を示し、図4cの照明システムは比較のためのものである。
図4aの照明システム60は、管状反射装置61を持ち、その断面は5角形状で5つの反射表面62a〜eを持つ。図4aの照明システム60はさらに、図3a〜cと同じように図4aに模式的に示されるように物理的光源配置に設けられる2つの光源64a、bを含む光源アレイ63を含む。
図4aから分かるように、全ての2次ミラーイメージ光源配置は、光源配置63の物理的光源配置とは異なる。この配置は、光が発光される方向の数が増加する結果を与え、このことは前記照明システム60による発光の均一性を改良するものである。
図4bは本発明の実施態様による他の例示的照明システム70を模式的に示す。これは図4aの照明システムとは、光源アレイ71が3つの光源72a〜cを含み、これらが異なる物理的光源配置で配置されている、という点で異なる。
図4bから分かるように、全ての2次ミラーイメージ光源配置は、光源アレイ71の物理的光源配置とは異なる。この配置は、光が発光される方向の数が増加する結果を与え、このことは前記照明システム70による発光の均一性を改良するものである。
図4cでは、照明システム80が模式的に示され、図4a,bの照明システム60,70とは、光源アレイ81が図4cに示されるように対称的に配置される5つの同一の光源82a〜eを持つ物理的光源配置を持つ、という点で異なる。図4cからすぐに分かるように、全ての2次ミラーイメージ光源配置は、光源アレイ81の物理的光源配置と同一である。従って図4cの照明システム80による発光は、図4a、bの照明システム60、70による発光に比較してその均一性が減少するものである。
ここまで説明した例示的照明システムにおいては、全ての2次ミラーイメージ光源配置は、物理的光源配置と異なるか同一かであった。しかし留意すべきは、本発明は光源アレイが全ての2次ミラーイメージ光源配置が物理的光源配置と異なるか同一かであるものに限定されない、ということである。以下図5を参照して本発明のさらなる実施態様による照明システムが説明される。ここでは2次ミラーイメージの一部分が、前記物理的光源配置とは異なる2次ミラーイメージ光源配置を示すものである。
図5の照明システム90は、管状反射装置91を持ちこれは六角型状断面を持ち、6つの反射表面92a〜fを持つ。図5の照明システム90はさらに、光源アレイ93を持ち、これは2つの同一の光源94a、bを持ち、これらは図3a〜cと同じく図5で模式的に示される物理的光源配置に配置される。
図5から明らかなように、全ての2次ミラーイメージ光源配置の3分の2が、光源アレイ93の物理的光源配置と異なる。この配置は、光が発光される方向の数が増加する結果を与え、このことは前記照明システム90による発光の均一性を改良するものである。
図では「x」及び「o」で示される種々の光源は有利にはLED又はLEDアレイである。さらに、異なる着色LEDが種々の色で発色でき、例えば赤、緑、青、アンバー、シアン、深紅及び/又は深青色などである。または、種々の白色光源が使用され得る。例えば暖白色、中間白色及び/又は冷白色光源などである。
さらに、開示された実施態様の変法・変形は、本図面、本開示内容及び特許請求の範囲から請求される発明を理解し実施する当業者にとって理解されるものである。例えば種々の他の公園配置が可能である。特許請求の範囲において。用語「含む」、「持つ」とは他のエレメントやステップを除外するものではない。また「ひとつの」は複数を除外するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に記載されるいくつかの事項の機能を満たすことができる。ある手段が相互に従属する請求項に記載されているというだけの事実は、これらの手段の食い合せが有効でないことを意味するものではない。

Claims (14)

  1. スポット照明のための照明システムであり、前記照明システムは:
    反射性内部表面を持つ管状反射装置であり、前記管状反射装置が入口開口部及び前記入口開口部よりも大きい出口開口部を含む、管状反射装置;及び
    前記入口開口部で前記管状反射装置へ発光するために、物理的光源配置に配置される複数の光源を含む光源アレイを含み、
    前記管状反射装置が3を超える非偶数の反射表面を含み、それぞれが前記光源の1次ミラーイメージを与えるように構成され、前記1次ミラーイメージが1次ミラーイメージ光源配置を持ち、
    前記光源アレイが、前記1次ミラーイメージにつき、前記1次ミラーイメージの前記反射面での反射により生じる前記光源の全ての2次ミラーイメージの少なくとも半分が、前記物理的光源配置とは異なる2次ミラーイメージ光源配置を表す、照明システム。
  2. 請求項1に記載の照明システムであり、前記異なる2次ミラーイメージ光源配置が、前記物理的光源配置と少なくとも回転状態に関して異なる、照明システム。
  3. 請求項1又は2のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記管状反射装置、前記反射表面が、他のいずれの前記反射表面に対しても平行ではないように構成される、照明システム。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記管状反射装置が本質的に多角形状断面を持つ、照明システム。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記反射表面の少なくとも1つが曲げられている、照明システム。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記少なくとも1つの反射表面と前記照明システムの光軸に垂直な平面間の部分が曲げられている、照明システム。
  7. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記管状反射装置が実質的にトランペット形状である、照明システム。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記物理的光源配置が、前記光源アレイのそれぞれの回転対称状態が前記管状反射装置の全ての回転対称状態と異なるように選択される、照明システム。
  9. 請求項8に記載の照明システムであり、前記管状反射装置が同じ配置を持つ回転対称状態の第1の数を表し、前記光源アレイが同じ配置の回転対称状態の第2の数を表し、前記第1及び第2の数の比が、整数である、照明システム。
  10. 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記光源アレイに含まれる前記光源により占められる全領域が、前記入口開口部の領域の少なくとも5%である、照明システム。
  11. 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の照明システムであり、前記光源アレイが、第1の色を発光するように構成される少なくとも1セットの光源と、前記第1の色とは異なる第2の色を発光するように構成される少なくとも1セットの光源とを含む、照明システム。
  12. 請求項11に記載の照明システムであり、前記光源アレイが、前記第1の色を発光するように構成される少なくとも3セットの光源と、前記第2の色を発光するように構成される少なくとも3セットの光源とを含み、及び前記セットの光源の隣接するセット間の最大距離が、前記入口開口部の横方向伸長3分の1よりも小さい、照明システム。
  13. 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の照明システムであり、さらに、前記照明システムによる光出力を拡散させるように構成される光学拡散部材を含む、照明システム。
  14. 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の照明システムであり、さらに、前記照明システムによる光出力を焦点化するように構成される焦点化光学エレメントを含む、照明システム。
JP2012515598A 2009-06-16 2010-06-11 スポット照明のための照明システム Active JP5667177B2 (ja)

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EP09162852 2009-06-16
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