JP5771156B2 - 光ファイバベース光源 - Google Patents

Description

関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は、2009年3月12日に米国に仮出願された出願番号第61/209,996号および2009年10月27日に米国に仮出願された出願番号第63/41725号の優先権の利益を主張する。

本発明は、科学的で技術的な装置、他のデバイス、および、さまざまなプロセスに関して使用される光源に関し、特に、顕微鏡、分光計、及び、他の科学的で技術的な装置、デバイスおよび様々なプロセスの使用のための明るい光ファイバベース光源に関する。

光源は、様々な異なる科学的で技術的な手段および、光学顕微鏡、分光計、マイクロアレイ（microarray）スキャナ、カメラおよび他の種類のイメージ記録装置を含み、広く使われ、加えて、照明、データおよびイメージ伝達のために、様々なほかの用途に使われる。最初に、光源は主に被加熱フィラメントまたはアーク生成のプラスマに基づき、白熱光、水銀アーク灯、キセノン灯、金属-ハロゲン化物ランプおよび水銀キセノン・アーク灯を含む発光物質の組合せを使用する複合型アーク灯の多くの異なるタイプを含む。過去50年の間に、開発および物理学および材料科学での進展はレーザー、発光ダイオード（「ＬＥＤ）および、量子ドットを含むマイクロスケールおよびナノスケール発光体を含む光源の多くの追加的なタイプを生産した。光源を選んで、光源を特定のアプリケーションに適応させるときに、考慮される重要な制約およびパラメータがあり、特定の科学的手段および分析的方法のための光源を選ぶことを含む。多くの場合、電磁放射スペクトル（例えば可視光に対応する波長範囲）の特定の部分の範囲内の波長を有する光は要求され、紫外線を含む電磁放射スペクトルの他の部分の波長を有する光、および、より短い波長の放射線は望ましくない。さらに、特定の用途は、特定の最小限の光子フラックスを必要とし、特定の伝達媒体により、特定の寸法の開口による光源から、照明が届けられることを必要とする。研究者、そして、科学的で技術的な装置および装置の開発者、そして、製造業者およびこの種の計測器および装置の発明者は、特定のアプリケーションのための適切な光源を捜し続ける。

本発明のさまざまな実施形態は、顕微鏡、分光測定法および他の科学的で技術的な手段、装置およびプロセスのために、光ファイバベース光源に差し向けられる。発光ダイオード（「ＬＥＤ」）および他の光源は、本発明のさまざまな実施形態で、結合されるかまたは光ファイバまたは光ファイバーケーブル内で明るい光ファイバベース光源を生じるように組み入れられる。発光デバイスに、または、光ファイバ内に組み入れることにより、均等な、外部発光エレメントを光ファイバまたはファイバ光学ケーブルからの光を差し向けることによって得られるより、光ファイバまたは光ファイバーケーブル内に得られ、本発明の光ファイバベース光源が、埋め込まれた又はそれらの中の光源の所望の特性を提供する。

図１は、光源に接続している光学顕微鏡を示す。 図２は、図１の例示で示されるように科学的手段、技術的な装置または他のデバイスの範囲内で光源として用いられる光ファイバー内に光の導入を例示する。 図３は、連続キセノン・アーク灯およびキセノンフラッシュランプの出力スペクトルを示す。 図４は、ＬＥＤの多くの異なるタイプのスペクトル出力を示す。 図５は、本発明のある実施形態を例示する。 図６は、ＬＥＤのアレイの各々のＬＥＤが各々のＬＥＤからの光ファイバへの光出力の量を増やし、このように光ファイバ光源の累積的な明るさを増やすためにＬＥＤのアレイの平面に関して傾けられる本発明の別の実施形態を示す。 図７は、本発明の実施形態を表す埋め込み光源を含む光ファイバを囲む熱制御シースを例示する。 図８は、本発明の他の別の実施形態を示す。 図９Ａは、本発明の追加的な実施形態を例示する。 図９Ｂは、本発明の追加的な実施形態を例示する。 図９Ｃは、本発明の追加的な実施形態を例示する。 図９Ｄは、本発明の追加的な実施形態を例示する。 図10は、図9B-D（本発明の追加的な実施形態）の一般の例示を使用して実例を示す。

さまざまな分析的で実際的な方法、および、多種多様な異なるアプリケーションのために、光源の多種多様な異なるタイプが、科学的手段、技術的な計測器、さまざまな他の手段で使われる。光源の1つの典型的な用途は光学顕微鏡であり、蛍光顕微鏡を含む。図１は、光源に接続している光学顕微鏡を示す。光学顕微鏡102は、光ファイバ・ケーブル106を介して光源104と接続される。この特定のアプリケーションでは、外部の光源はまた、熱の重要な出所であってもよい。直接の接触からの光源の除去、または、組み入れの範囲内で、顕微鏡102が、顕微鏡によって、調べられているサンプル内または近くの温度を制御するのに必要かもしれない高い容量熱源除去ハードウェアの必要を除去する。加えて、光ファイバは、顕微鏡に関し、および、ほかのアプリケーションに関する小開口ピンポイント光源を提供する。光ファイバベース光源は、多くの追加的なアプリケーションを有し、分光測定、照明またはdifficult-to-accessボリューム、センサおよび多くのほかの用途を含む。

図２は、科学的手段、技術的な計測器または他の装置の範囲内で光源として図１に示される典型的なアプリケーションで、使われる光ファイバへの、光の導入を例示する。一般に、光源202は光源を囲んでいる想像上の球204または他の多様な多くのまたは全ての外部の、放射方向の光を発することができる。しかし、光源により発せられる光の少ない分だけが、科学的手段の範囲内で光源として役立つ末梢部のエンドポイントに、光が光ファイバによる伝達のために目指す光ファイバ206の長い軸に指向性に合わせられる。さらに、光ファイバ208（それは周囲の反射するクラッディング212の範囲内で、一般に本部、光伝送ガラスまたはポリマー核から成る）の終わりの表層は光ファイバから離れて光源から部分的に一部の適切に正しい位置に置かれた光を反射でき、更に、光ファイバに光ファイバの端によって、事実上送信される光の量を減弱させる。多くの異なる技術は、光ファイバに光ファイバの端による伝達のための光源により発される光のより大きな部分を捕えるように用いることができ、放物面鏡および他の技術の活用法を含む。しかし、一般に、非指向性で正しい位置に置かれた光源（例えば被加熱フィラメントおよびアーク）により発される光の少ない分だけは、光ファイバ内に導入するために光ファイバの終端に効果的に集中され得る。

さらに、開口により集中されることができる光の量に対する物理的な制限がある。ラグランジュ不変量または

は、開口により送信されることができる光の最大量を表す。数式は、以下の通りである

ここで、nは屈折率、*は、微小面積dAの垂直と、微小立体角dΩの重心との間の角度である。このように、光ファイバを外部の光源で明るくすることにより、充分な光子フラックスを光ファイバから得ることは、一般に問題を含み、物理的に実際的な制約により拘束される。

現在、蛍光-顕微鏡検査アプリケーション、水銀アーク灯、キセノン灯または水銀蒸気、キセノンおよびその他の発光物質を結合するランプおよび複合型アーク灯が点火する金属-ハロゲン化物を含む多数の用途に使用される。これらのランプは可視範囲にわたって出力される比較的連続光を出力し、周知で、比較的経済的であるが、特定の不利な点を伴う。ランプは、有限の使用寿命を有し、電源投入にランプ動作および高電圧のパルスのための高い電流にランプを供給するための比較的大きい電力供給を必要とし、比較的高い温度で作動して、温度（爆発危険）のため、そして、迷光放射のための遮蔽を必要とし、しばしばトランスミッション-経路フィルタが照明の赤外線（「IR」）および紫外線（「UV」）の構成要素を除去することを必要とする。この種のランプにより発される光の非常に少ない分だけが、光ファイバの端を介して、事実上集中されることができ、かくして、非常に大きい一部のランプを作動する際に使用されるエネルギーは不必要な廃物の熱として終わる。

図３は、連続キセノン・アーク灯およびキセノンフラッシュランプの出力スペクトルを示す。連続キセノン・アーク灯（点線302により示される）が可視光の波長範囲以上の比較的連続の光出力を生じると共に、380ナノメートルから750ナノメートルまで、連続キセノン・アーク灯も両方の紫外線波長範囲の、そして、赤外線波長レンジの重要な出力を生じる。IR放射は、光学顕微鏡または蛍光顕微鏡に、役立たず、重要な熱を生じ、フィルタによって、一般に取り除かれる。蛍光顕微鏡による運転中の細胞イメージングを含む特定の用途に関して非常に有害なUV放射はまた、通常、フィルタによって取り除かれる。UVおよびIRフィルタは、所望の波長範囲を有する光子フラックスを減少させることができ、完全に望ましくない波長を除去することができない。かくして、役立って利用できる間、加熱したフィラメント・ベースのアーク-ベースの光源はさまざまなに関して多くの望ましくない特徴と関係している。

レーザー源は、比較的高い光子フラックスおよび高い指向性の光出力を提供する。しかし、レーザーはコヒーレント光（それは様々な回折関連の課題と関係している）を生じる小斑をつけることを含み、多くの光学イメージング・オブジェクトのために望ましくない。さらに、レーザーは一般にモノクロの光を発し、その一方で、多くのアプリケーションは可視スペクトル中から波長範囲を選ぶことが可能なことを必要とし、レーザーは多くのアプリケーションのために極端に高価である。

発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、より最近開発された光源である。ＬＥＤは一般に２つの半導体層から作られ、不純物によって、不純物を添加されたＰＮ接合を作成する。ＰＮ接合は、接合の両側に正および負の荷電担体の異なる濃度のために接合全体の小さい電位によって、特徴づけられる。外部的な印加電圧、負電荷担体または電子によって、導かれて、接合に電流が流れるとき、陽荷電担体またはホールと結合し、光子の形でエネルギーの放出に結果としてなる。ＬＥＤにより発される光の波長は、ＰＮ接合を形成する材料のバンドギャプエネルギーに依存する。異なる発光スペクトルを有するＬＥＤは、異なる半導体材料、異なるドーパントおよびドーピングの異なるレベルを用いて製作されることができる。図４は、ＬＥＤの多くの異なるタイプのスペクトル出力を示す。図４では、各々の異なるピークは、ＬＥＤの異なるタイプと一致する。このように、１種類のＬＥＤは、530ナノメートルのピーク404を生じ、ＬＥＤの他のタイプは505ナノメートルのピーク406を生じる。図４を図３とを比較すると、ＬＥＤが、キセノン連続アーク灯より狭い波長または周波数の範囲内で発光されたことは明らかである。

ＬＥＤは、さまざまな科学的で技術的なアプリケーションのための光源に関して、多くの役立つ特性および特徴を有する。ＬＥＤは、不必要なUVまたはIR放射を生成することのなく可視スペクトルまたはより短いかより長い波長の電磁放射の放出のほぼ所望の部分の光を発するように製作されることができる。ＬＥＤは熱を生じるが、それらは一般に白熱光またはアークよりはるかに少ない熱を生じる。ＬＥＤが、極めて長い寿命を有し、比較的安価に生産することができる。さらに、ＬＥＤが作動する温度を調整することによって、調節可能なピークの放射波長に関して、ＬＥＤ出力は、温度によって、電子的に制御されることができる。ＬＥＤは、加えて、急速にスイッチされることが可能であり、または、アンプが変調され、それはしばしば白くなっているfluorophoreを改善する顕微鏡が連続照明の下で観察した蛍光のための光放射を含む多くの異なるアプリケーションで望ましい。しかし、ＬＥＤはアーク灯またはレーザーよりかなり低い光子フラックスを生成する。その結果、外部ＬＥＤからうまく収穫されることができ、光ファイバの端に、集中した光の量は、蛍光顕微鏡を含む多くの実用的なアプリケーションに関して一般にあまりに低い。

本発明の実施形態は、蛍光顕微鏡および分光測定法を含むさまざまな科学的で技術的なアプリケーションのための光ファイバベース光源の構成要素として、ＬＥＤを使用する方向を指し示す。図５は、本発明のある実施形態を例示する。図５は、ＬＥＤの線形配列504が埋め込まれる光ファイバ502のコアを示す。電気伝導信号回線または信号経路506および508は、光ファイバの端の反射コーティング510を介して、ＬＥＤ504のアレイから、ＬＥＤ504のアレイの個々のＬＥＤにわたって適用される電圧信号に、電気的インタフェース514を介して印加した制御信号および外部の電流を変換するアダプタ512に導く。光ファイバ内にＬＥＤを配置することにより、光ファイバの端を介して送信されることができる光子フラックスの物理的な制限は迂回され、そのことは反射率損失である。このように、ＬＥＤのアレイにより生成される光子フラックスは、ＬＥＤ光源から光ファイバに導入される光子フラックスを大幅に上回ることができる。さらに、ＬＥＤアレイの各々のＬＥＤは、光ファイバ内に埋め込まれたＬＥＤの数の増加に対して略線形にフラックスが増加する、光ファイバ内で累積的な光子フラックスに対する光に寄与する。ファイバの端でファイバに沿って送信される光の入射角は臨界角より下であるため、ＬＥＤにより発される光のかなりの分は、反射層と光ファイバの内側光伝送コアとの間の界面で全反射によって光ファイバに沿って送信され、光ファイバの端から発される。

一般に、ＬＥＤのアレイの各々のＬＥＤは、ＬＥＤの線形アレイの面の並行方向より上に、方向または立体角の範囲以上の光を発する。図６は、ＬＥＤのアレイの各々のＬＥＤが、各々のＬＥＤからの光ファイバへの光出力の量を増やし、このように光ファイバ光源の累積的な明るさを増やすためにＬＥＤのアレイの平面に対して傾けられる本発明の別の実施形態を示す。図６に示す本発明の実施形態では、光放射が、個々のＬＥＤの端に対して垂直に最大でよく、ＬＥＤのアレイの平面に対して垂直に最小でよい。ＬＥＤの線形アレイが周知のフォトリソグラフィ技術を使用して、便利に製造されることができるけれども、本発明の別の実施形態は、光ファイバの軸に沿って光ファイバ内に個々のＬＥＤを組み込む。多くの異なる方法を使うことにより、ＬＥＤを外部の電圧および電流源に電気的に相互接続している。ＬＥＤのアレイ内で、電気的接点はフォトリソグラフィで作られることが可能であり、金属または伝導ポリマーリードは、外部の電圧信号とＬＥＤのアレイとを相互接続するのに使用され得る。

図７は、本発明の実施形態を表す埋め込み光源を含む光ファイバを囲む熱制御シースを例示する。熱制御シース702は、金属または伝導性ポリマーで製作されることができ、電気抵抗加熱を提供するために電圧源と相互接続でき、または、電子制御部の下で両方の加熱および冷却を提供するために熱電対回路に組み入れられることが可能である。熱制御シースは、このように光ファイバ内で温度を制御するために製作されることができる。

ＬＥＤは、作動中、熱を生じる。図７に示すような熱電対に基づく熱制御シースが、この熱を取り除くために使用されることができると共に、本発明のある実施形態を表す光ファイバは加えて、光ファイバ内で温度を制御するために空気流または液体冷却剤に浸漬されることができる。

本発明の特定の実施形態では、ＬＥＤの異なる各々の様々なタイプの多数の例が、ＬＥＤによって生成する光の波長の範囲が電気的に制御されることができるように、あるタイプの別々に電気的に制御された各グループで、光ファイバ内に組み込まれることができる。例えば、図4に関連して、ピーク404に対応するタイプのＬＥＤは、オンとすることが可能であり、510乃至550ナノメートルの範囲の光を生成するために、他の全てのＬＥＤはオフにされる。僅かにより幅広い波長範囲が必要なときに、ピーク404に対応するタイプ、および、ピーク406に対応するタイプのＬＥＤはオンとすることが可能であり、490乃至550ナノメートル間の波長のより幅広い範囲を生成するために、光ファイバの範囲内の他の全てのＬＥＤはオフにされる。選択することによって、そして、光ファイバの範囲内で温度を慎重に制御することによって、本発明の光ファイバ光源をオンにするＬＥＤの異なるタイプのものは、比較的ぎりぎりの、選択された波長範囲の中で、高い光子フラックスを生成するために光学的に調整されることができる。

図８は、本発明の他の別の実施形態を示す。図８の図示した実施形態は、光ファイバの側壁長さに沿って、取り付けられて、直列に光学的に連結される反射する放射面を有するＬＥＤを含む。上流のＬＥＤから発される光は、下流のＬＥＤの反射面に反射して、ファイバに残る。この実施形態によれば、ファイバ横断面に、ＬＥＤ継手（例えば半円筒形のであるか正方形のファイバ）のための少なくとも一つの平坦面がある。これおよび本発明の類似した実施形態において、より大きな光損失が光ファイバの表面全体の光を送信することの結果としてあるけれども、光ファイバに沿って多数のＬＥＤを載置する能力は十分な強度の光ファイバ内で送信された光を出力する。

図9A-Dは、本発明の追加的な実施形態を例示する。図８の図示した実施形態と同様に、図9A-Dの図示した実施形態で、ＬＥＤは矩形の横断面を有する光ファイバの外表面に連結する。図9Aの図示した実施形態では、ＬＥＤ（例えばＬＥＤ 902）は矩形の横断面の光ファイバ904の全ての4つの側に載置される。図9B-Dは、光ファイバ表面マウントＬＥＤを有する光ファイバベース光源の別の実施形態を例示する。図9B-Dは、図の表層に正常な矩形の光ファイバの長い軸を備え、真向からの光ファイバ表面マウントＬＥＤを有する矩形の光ファイバを示す。図9Bの図示した実施形態では、ＬＥＤ（例えばＬＥＤ 906）は光ファイバ908の全ての4つの側に載置される。図9Cの図示した実施形態では、ＬＥＤは１対の対向部材だけに載置される。図9Dの図示した実施形態では、ＬＥＤは２つの隣接面に載置される。

発明の特定の実施形態では、矩形の横断面の光ファイバの一方に取り付けられる光源は、矩形の横断面を有する光ファイバの一つ以上の他の表面に載置されるＬＥＤに関してスタッガードにされる。本発明の特定の実施形態において、離散的なＬＥＤは固定する間隔に光ファイバの長い軸に沿って、線形に配列されることができ、その一方で、本発明の他の実施形態で、ＬＥＤ間の間隔は光ファイバに沿って変化できる。

図１０は、図9B-D（本発明の追加的な実施形態）の一般の例示を使用して実例を示す。図9B-Dと同様に、図10は、紙の平面に対して垂直な光ファイバの長い軸を備えた、光ファイバを真向からの矩形の横断面で例示する。図10の図示した実施形態では、光ファイバコア1002は、ＬＥＤ（例えばＬＥＤ 1010）が載置される、外側の刺激フィルタ層1008、薄い発光フィルタ層1004、および、一般により厚い量子ドット放射層1006によって囲まれる。ＬＥＤは、図9Bの図示した実施形態のように、全ての4つの側に、図9Cの図示した実施形態のように、１対の対向する側に、または、図9Dの図示した実施形態のように、一対の隣接した側に載置できる。図10の図示した実施形態では、電子的に活性化するとき、ＬＥＤは、量子ドット放射層1006内で、量子点を誘導して光を放射するようにするために、刺激フィルタ層1008によって、フィルターをかけられる光を放射する。量子ドットにより発される光は、次いで、１または２、３のファイバコア内で発された光の選択された波長を生成するように、発光フィルタ層1004を通過する。本発明の特定の実施形態では、外側の刺激フィルタ層は、量子ドットのための励起波長に対応する波長のぎりぎりの範囲を通り過ぎる二色性の光インタフェースであり、内側発光フィルタ層1004は選択された波長を送信する狭い帯域フィルタまたはファイバコアに量子ドットから発される光の選択されたいくつかの波長として作用する狭い伝達バンドを有する物質である。本発明の特定の実施形態では、量子ドット放射層は、異なる放射特徴を備え、発光光ファイバの異なる表面に採用されている発光フィルタおよび異なる励起フィルタを備え、異なる量子ドットのいくつかのタイプを含むことができ、その結果、各々の表面または表面の対が、その表層で励起される量子の特定のタイプから、発された光の特定の波長を送信するために、適当な帯域通過特徴を有する表面の対または各表面に発光フィルタを備え、量子ドット放射層の特定のタイプの量子ドットを励起する。励起フィルタ層および／または発光フィルタ層は、本発明の特定の実施形態において、省略されることができる。

本発明の別の実施形態において、外部的マウントＬＥＤが円形であるか楕円横断面、矩形の横断面を有する光ファイバに沿った段階状または交流パターンおよびその他を有する光ファイバに沿ってＬＥＤの螺旋形の列を含む様々な複合の三次元アレンジメントの光ファイバに沿って配列されることができる。本発明のさまざまな実施形態の発光光ファイバの横断面に、循環性でもよく、楕円でもよく、矩形でもよく、直角でもよいかまたはより複合の幾何学であってよい。ＬＥＤに加えて、光源は半導体デバイスのさまざまな異なるタイプを含むことができる。追加的な種類の光源は、小さいレーザー、有機半導体ベースＬＥＤ、および、入射電磁放射を介して光を放出するように励起される他のタイプの材料を含むことができ、発光デバイスの熱環境の変化、発光材料の圧力の変化、電磁界を含む外部印加電磁界の変化、および、印加電圧または電流を含む。

本発明を具体例に関して記載してきたけれども、本発明がこれらの実施形態に限定されることはない。変更態様は、当業者にとって明らかである。例えば、ＬＥＤの多種多様な異なるタイプが、作られることができ、光ファイバ内に埋められることが可能である。これらは、様々な異なるドーパントを有する半導体ベースおよび有機半導体ベースＬＥＤを含む。ＬＥＤは、光ファイバに直接埋め込められることが可能であり、または、企図する光損失を改善するために、その後インデックス-マッチング溶液で満たされる光ファイバの終わりに、あるいは、空腔内に嵌入されることができる。本発明の特定の実施形態において、ＬＥＤはインデックス-マッチング溶液を使用している光ファイバに連結できる。光ファイバ内に埋められるＬＥＤに、電気接続を提供するために、多くの異なる設計およびトポロジによって、金属的または半導体電気的接点を作ることが可能である。特定の実施形態では、光ファイバの構成は、出力光を電子制御することができる光ファイバ内に固有のＬＥＤのような領域を生成するように変化できる。本発明の別の実施形態では、光源を備え、埋め込まれた光ファイバは、増加する明るさのためにバンドルされた光ファイバ・ケーブルを生成し、光源の放出特徴のより大きな制御を提供するために一緒にバンドルされ得る。本発明によって製造された光ファイバは、加えて、追加的な反射層およびコーティング、フィルタエレメント、光ファイバ内の光子フラックスを制御し、放出のための波長範囲を選ぶための他の構成要素を含むことができる。本発明の特定の実施形態では、組み込み光源は、ランダムな方位およびランダムな分布を有することができ、その一方で、本発明の他の実施形態では、組み込み光源は線形配列（二次元の配列）またはスタックされたＬＥＤアレイとして構成されることができる。本発明の特定の実施形態では、離散的な、個々のＬＥＤは、光ファイバに沿って埋められる。本発明の特定の実施形態では、内部光損失を減少させるために、ＬＥＤは透明でもよいか、または、半透明でもよい。

前述の説明は、説明のために本発明の完全な理解を提供するのに特定の用語を使用した。しかし、具体的な詳細な説明が本発明を実施するのに必要でないことは、当業者にとって明らかである。本発明の特定の実施形態の前述の説明は、図例および説明のためにあらわされる。それらは、完全でなく、または、本発明を開示する正確な形式を制限することを目的としない。多くの修正変更が、上記の教示からみて可能である。実施形態は、本発明および実施形態の原理が最高にこのことにより他の当業者に許可を与えるためにさまざまな変更態様を有する本発明およびさまざまな実施形態を利用すると説明するために図と共に記載される特定の用途に適している。本発明の範囲は、以下の請求項およびそれらの均等の範囲により定義されることが意図される。

Claims (1)

1. 光ファイバベース光源であって、
   反射クラッド層と、
   内側光伝送コアと、
   前記内側光伝送コア内に埋め込まれた内部光源であって、当該内部光源が、前記光ファイバの軸方向に配置されたＬＥＤの線形配列であるものと、
   光放射誘導サブシステムが活性化されたとき、内側光伝送コア内に光を放射するように内部光源を励起する当該光放射誘導サブシステムと
   を有し、
   前記光の一部が、光ファイバベース光源の長さに沿って内側光伝送コアと反射クラッド層との間の界面で全反射により伝送され、光ファイバベース光源の端から放射され、
   前記光ファイバベース光源が、熱制御シース内に全部または部分的に囲まれていることを特徴とする光ファイバベース光源。

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