JP6215607B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、紫外光等の光を出射する光源装置に関する。

従来の光源装置としては、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。このような光源装置では、前方に可視光を出射するＬＥＤが並設され、その前方側にアクリルからなる透光性部材が配置されており、ＬＥＤと透光性部材との間の空間がシリコンからなる透明樹脂によって封止されている。この光源装置では、ＬＥＤからの可視光が、透明樹脂及び透光性部材を介して出射される。

特開２００８−１８６９１４号公報

ここで、上述したような光源装置では、通常、放射状に拡散するような拡散光として外部へ光が出射され、その照度分布はガウシアン分布等の照度分布を有している。この点、近年の光源装置においては、種々の分野への適用が益々進展する中、所定の照射エリアに対して、均一な照度分布等の所望な照度分布で光を出射できるものが求められる場合がある。

そこで、本発明は、所定の照射エリアに対して所望な照度分布で光を出射できる光源装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光源装置は、前方に向けて光を出射する複数の発光素子と、発光素子の前方側に対向するように設けられた光透過部材と、発光素子及び光透過部材を収容すると共に、発光素子から出射され光透過部材を透過した光を通過させる開口を有するケースと、を備え、発光素子は、所定方向に沿って並設された１又は複数の第１発光素子と、所定方向に沿って並設された１又は複数の第２発光素子と、を少なくとも含み、第１及び第２発光素子の間には、当該第１及び第２発光素子の前面を跨ぐように遮蔽部材が設けられていること、を特徴とする。

この光源装置では、第１及び第２発光素子の間において、これらの前面を跨ぐように設けられた遮蔽部材により、第１及び第２発光素子からの光が広がるのを適宜抑えることができ、その結果、所定の照射エリアに対して所望な照度分布で光を出射することが可能となる。例えば、均一で且つ光出射面の外形形状に合わせた（相似形状の）照度分布で外部へ光を出射することが可能となり、光出射面が矩形形状であれば、矩形形状のビームプロファイルを好適に得ることが可能となる。

また、光透過部材の前面における外縁部を覆うように設けられた枠部をさらに備えたことが好ましい。この場合、光透過部材を透過した光が広がるのを枠部によって抑えることができ、この点においても、均一で且つ光出射面の外形形状に合わせた照度分布で外部へ出射することが可能となる。

また、上記作用効果を好適に奏する構成として、枠部は、ケースにおける開口の辺縁部に設けられ、光透過部材の前面は、枠部に当接されている場合がある。また、発光素子の前面は、遮蔽部材を介して光透過部材に当接されている場合がある。

本発明によれば、所望な照度分布で光を出射できる光源装置を提供することが可能となる。

一実施形態に係る光源装置を前側から示す斜視図である。 図１の光源装置の分解斜視図である。 図１の光源装置のケース前側を示す背面図である。 図１の光源装置のＬＥＤ基板を示す正面図である。 図１のV−V線に沿う断面を拡大して示す図である。 （ａ）は図１の光源装置における光の出射を説明するためのＸ方向から見た模式図、（ｂ）は図１の光源装置における光の出射を説明するためのＹ方向から見た模式図である。 図１の光源装置のビームプロファイルを示す模式図である。 他の実施形態に係る光源装置における光の出射を説明するためのＸ方向から見た模式図である。 参考実施形態に係る光源装置における光の出射を説明するためのＸ方向から見た模式図である。 図１の光源装置における位置関係の例を説明するための概略模式図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、ＬＥＤ（発光素子）の光出射方向を前方とし、その反対側を後方として説明する。

図１は一実施形態に係る光源装置を前側から示す斜視図であり、図２は図１の光源装置の分解斜視図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の光源装置１００は、紫外光等の光を照射し、例えば樹脂硬化やインク乾燥等を行うものである。光源装置１００は、所定の照射エリアに対し所望な照度分布で光を出射することが可能なものであり、以下においては、その一例として、均一な照度分布で光を出射することが可能なものについて説明する。

この光源装置１００は、外囲を構成するケース１０と、ＬＥＤ（LightEmitting Diode：発光素子）２１を複数有するＬＥＤ基板２０と、ＬＥＤ２１からの光を透過させる直方体外形形状のロッドレンズ（光透過部材）３０と、ＬＥＤ基板２０の熱を放熱させるヒートシンク４０と、を備えている。ロッドレンズ３０の光出射面は矩形形状となっている。ここでの光源装置１００は、例えば、Ｘ方向寸法が５０ｍｍ、Ｙ方向寸法が横５０ｍｍ、前後方向寸法が４５ｍｍの直方体外形形状を有している。

図３は、図１の光源装置のケース前側を示す背面図である。図２及び図３に示すように、ケース１０は、直方体外形のケース前側１１と板状外形のケース後側１２とを有し、これらがネジ等で互いに固定されている。ケース前側１１の前面１１ａには、前方視でＸ方向に長尺の矩形形状を呈する開口１３が形成されている。開口１３は、光を外部へ出射させる出射窓を構成し、ＬＥＤ２１から出射されロッドレンズ３０を透過した光を通過させる矩形形状の光出射面となっている。ここでの開口１３の寸法は、長手方向が３４ｍｍ、短手方向が１９ｍｍとされている。開口１３の辺縁部には、枠部６０が形成されている（詳しくは、後述）。

このケース前側１１の後面１１ｂには、ＬＥＤ基板２０を収容するものとして、後方及びＹ方向一方側（図示下側）に開口する凹部であるＬＥＤ基板収容部１４が形成されている。なお、ここでのＬＥＤ基板収容部１４は、ＬＥＤ基板２０における後述のコネクタ２３の高さに対応させるために、そのＹ方向一方側部分の深さが深くなっている。ＬＥＤ基板収容部１４の底面には、ロッドレンズ３０を嵌合させて収容するものとして、開口１３に連通する貫通孔であるロッドレンズ収容部１５が形成されている。

図４は、図１の光源装置のＬＥＤ基板を示す正面図である。図４に示すように、ＬＥＤ基板２０は、所定回路を構成する矩形板状の基板２２を有し、この基板２２の前面２２ａには、ＬＥＤ２１が複数並設されている。ＬＥＤ２１は、直方体外形を呈する筐体内に半導体結晶を収容しガラス板で封止した紫外発光チップ型発光素子であり、高出力の紫外光等の光を前方へ向けて出射する。このＬＥＤ１１は、その前面１２ａ視で正方形形状とされ、例えば縦７ｍｍ×横７ｍｍの幅とされている。

ここでのＬＥＤ２１は、Ｙ方向に２列でＸ方向に５個（合計１０個）設けられている。すなわち、ＬＥＤ２１は、互いに近接するようにしてＸ方向（所定方向）に沿って並設された複数の第１ＬＥＤ（第１発光素子）２１ｘと、互いに近接するようにしてＸ方向に沿って並設された複数の第２ＬＥＤ（第２発光素子）２１ｙと、を含み、これら第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙは、Ｙ方向に所定ピッチ（所定距離）だけ互いに離間して隣接（又は近接）されている。

ここでの第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙの所定ピッチは、光源装置１００から照射エリアに対して均一な照度分布（単に、「均一な照度分布」ともいう）で出射されるように設定されており、例えばロッドレンズ３０の厚さ（前後方向の寸法）との関係から好ましいとして、本実施形態においては１５ｍｍとされている。一方、Ｘ方向における複数のＬＥＤ２１の間隔は、該所定ピッチよりも狭く設定されおり、例えば７ｍｍとされている。

また、基板２２の前面２２ａにおいてＬＥＤ２１よりもＹ方向一方側（図示下側）には、当該基板２２と電気的に接続するためのコネクタ２３が設けられている。このようなＬＥＤ基板２０は、ケース後側１２の前面１２ａにネジ等で固定されている。

図５は、図１のV−V線に沿う断面を拡大して示す図である。図２及び図５に示すように、ロッドレンズ３０は、Ｘ方向に長尺状の直方体外形を呈する角型の光透過部材であり、石英を含んで形成されている。ロッドレンズ３０は、レンズ或いはミキシング部材としての機能を有するものである。

このロッドレンズ３０は、ＬＥＤ２１の前方側に対向するように設けられており、ＬＥＤ２１から出射した光を内部で繰り返し全反射させ、光のピーク光量を高めつつ光量を均一化する。ロッドレンズ３０の外面には、鏡面研磨が施されている。このロッドレンズ３０の厚さは、光源装置１００から均一な照度分布で出射されるように設定された所定長とされており、例えば第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙ間の距離（ピッチ）との関係から好ましいとして、本実施形態においては１５ｍｍとされている。

このようなロッドレンズ３０は、ケース前側１１のロッドレンズ収容部１５に後方から挿入されて嵌合されている。これにより、ロッドレンズ３０は、その前面３０ａがケース１０の枠部６０に当接し、且つ、その後面３０ｂがＬＥＤ２１の前面２１ａに当接するように配置される（図７参照）。その結果、ＬＥＤ２１は、ロッドレンズ３０を介して開口１３から外部に臨むこととなる。

図１に戻り、ヒートシンク４０は、矩形平板状を呈する複数のフィン４１を含んで構成されている。これら複数のフィン４１は、ケース後側１２の後面１２ｂに、隙間を有して並ぶように立設されている。

ここで、本実施形態の光源装置１００にあっては、図２及び図４に示すように、第１及び第２発光素子の間に設けられた遮光マスク（遮蔽部材）５０を備えている。遮光マスク５０は、ＬＥＤ２１からの光を遮蔽する遮蔽性を有し、例えばアルミニウムで形成されている。遮光マスク５０は、Ｘ方向に長尺状のシート状又は板状を有している。ここでの遮光マスク５０は、長手方向が３５ｍｍ、短手方向が１１ｍｍ、厚さが０．１ｍｍとされている。

この遮光マスク５０は、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙにおける照射面としての前面２１ｘａ，２１ｙａを、跨ぐように設けられている。つまり、遮光マスク５０は、前面２１ｘａと２１ｙａとの間に架け渡されるように配置されている。具体的には、遮光マスク５０は、複数の第１ＬＥＤ２１ｘの前面２１ｘａにおいて第２ＬＥＤ２１ｙ側（下側）の一部を覆うと共に、複数の第２ＬＥＤ２１ｙの前面２１ｙａにおいて第２ＬＥＤ２１ｙ側（上側）の一部を覆うように設けられている。

このような遮光マスク５０は、ネジ５１によりケース前側１１に固定されて取り付けられている。これにより、遮光マスク５０は、ＬＥＤ２１の前面２１ａに当接されると共に、ロッドレンズ３０の後面３０ｂに当接された状態で、これらＬＥＤ２１とロッドレンズ３０との間に介在される。換言すると、ＬＥＤ２１の前面２１ａは、遮光マスク５０を介してロッドレンズ３０に当接される。

また、本実施形態の光源装置１００は、ロッドレンズ３０の前面３０ａにおける外縁部３０ａ１を覆うように設けられた枠部６０を備えている。枠部６０は、ロッドレンズ３０のレンズ枠を構成し、ケース前側１１の開口１３における辺縁部に設けられている。つまり、枠部６０は、ロッドレンズ収容部１５の内面の前端において内側へ突出するよう設けられている。この枠部６０の後面６０ｂは、ロッドレンズ３０が突き当てられて前面３０ａに当接されている。

以上のように構成された光源装置１００では、例えば、コネクタ２３を介してＬＥＤ基板２０の各ＬＥＤ２１に電力が供給され、これらＬＥＤ２１から光が前方へ出射される。この光は、ロッドレンズ３０に導かれ該ロッドレンズ３０内にて全反射を繰り返し、そのピーク光量が高められると共に均一化された後、ケース前側１１の開口１３から前方へ出力光として出力され、被照射物に照射される。

このとき、図６（ａ）に示すように、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙ間にて前面２１ｘａ，２１ｙａを跨ぐように設けられた遮光マスク５０により、第１ＬＥＤ２１ｘからの光が第２ＬＥＤ２１ｙ側へ広がるのをマスクできると共に、第２ＬＥＤ２１ｙからの光が第１ＬＥＤ２１ｘ側へ広がるのをマスクできる。その結果、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙからの光が広がるのを抑え、開口１３で形成される光出射面から広がる光の量を低減して、所定距離前方の位置にある照射エリアに対して矩形形状な光束となるようコリメートした状態で当該光を外部へ出射すること（コリメート出射）が可能となる。従って、本実施形態によれば、矩形形状で均一な照度分布で外部へ出射することが可能となる。

加えて、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ロッドレンズ３０を透過した光について、枠部６０によって広がるのを抑えて外部へと出射することもできる。これにより、光を一層、光出射面の形状である矩形形状化することができ、その照度分布を一層均一化することができる。

図７は、図１の光源装置のビームプロファイルを示す模式図である。図中において、Ｘ位置はＸ方向の位置を意味し、０が開口１３のＸ方向中央を意味している。また、Ｙ位置はＹ方向の位置を意味し、０が開口１３のＹ方向中央を意味している。図７に示すように、本実施形態では、照度（intensity）に関し、Ｘ方向及びＹ方向ともに矩形形状のビームプロファイルＰｘ，Ｐｙを得ることができ、照度分布を均一化することが可能となっている。

図８は、他の実施形態に係る光源装置における光の出射を説明するためのＸ方向から見た模式図である。図８に示すように、光源装置１００は、枠部６０を備えない場合もある。この場合においても、図示するように、矩形形状の均一な照度分布で外部へ出射することが可能となっている。

図９は、参考実施形態に係る光源装置における光の出射を説明するためのＸ方向から見た模式図である。図９（ａ）に示すように、遮光マスク５０及び枠部６０を備えない光源装置では、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙからの光が光射出面から広がって拡散光として外部へ出射され易く、所定距離前方の位置にある照射エリアに対して矩形形状で均一な光を得ることが困難となることがわかる。すなわち、所望の照射エリア周辺に低い光量の意図しない照射エリアが生じてしまう。

また、図９（ｂ）に示すように、遮光マスク５０及び枠部６０を備えない光源装置において、ロッドレンズ３０に代えて当該ロッドレンズ３０の厚さの１／２の厚さを有するロッドレンズ３０’を用いた場合、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙからの光が光出射面から広がって外部へ出射されることがわかる。すなわち、ロッドレンズ３０の厚さについても、矩形形状の均一な照度分布で外部へ出射するという上記作用効果に影響を及ぼす要素を含んでいることがわかる。

これに対し、本実施形態のロッドレンズ３０の厚さは、光出射面の形状に合った矩形形状の均一な照度分布で出射されるような所定長とされており、この点においても、本実施形態は、上記作用効果を実現する上で有効なものである。

また、図９（ｃ）に示すように、遮光マスク５０及び枠部６０を備えない光源装置において、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙ間のピッチを上記所定ピッチよりも狭めた場合、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙからの光が光出射面から広がって外部へ出射されことがわかる。すなわち、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙ間のピッチについても、上記作用効果に影響を及ぼす要素を含んでいることがわかる。

これに対し、本実施形態の第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙ間のピッチは、上述したように、光出射面の形状に合った矩形形状の均一な照度分布で出射されるような所定ピッチとされており、この点においても、本実施形態は、上記作用効果を実現する上で有効なものである。

図１０は、図１の光源装置における位置関係の例を説明するための概略模式図である。
本実施形態にあっては、被照射物上の照射エリアに対して、光出射面の形状に合った矩形形状の均一な照度分布で光を出射すべく、以下の関係を有している。すなわち、図１０を参照して説明すると、ＬＥＤ２１ｘ，２１ｙのピッチをＰ、ロッドレンズ３０の厚さをＤとした場合、当該厚さＤは、下式（１）の関係を有している。なお、定数αは、０．８〜１．２が好ましく、ここでは、１．０とされている。
Ｄ＝αＰ（α：定数） …（１）

また、被照射物上の所望の照射エリア、すなわち必要とする照射幅をｘ、各ＬＥＤ２１の照射窓幅をＬとした場合、上記ピッチＰは、下式（２）の関係を有している。なお、定数βは、０．８〜１．２が好ましく、定数γは、０．５〜２．０が好ましい。
Ｐ＝βｘ−γＬ（β，γ：定数） …（２）

また、ＬＥＤ２１を遮光マスク５０でマスクして照射される光線角度をθとし、被照射物までの照射距離をｙとした場合、当該光線角度θは、下式（３）の関係を有している。つまり、遮光マスク５０は、下式（３）による光線角度を有するように設けられている。ちなみに、ここでのロッドレンズ３０の幅Ｗは、「Ｗ＝βｘ」、「Ｗ＝Ｐ＋γＬ」の関係を有している。
ｔａｎθ＝（Ｐ＋ｘ）／（２（ｙ+αＰ）） …（３）

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態では、ＬＥＤ２１が第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２２ｙの２列で並設され、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２２ｙの間に遮光マスク５０が設けられているが、これに限定されるものではない。要は、所定方向に沿って並設された１又は複数の第１発光素子と、所定方向に沿って並設された１又は複数の第２発光素子と、を少なくとも含み、これら第１及び第２発光素子の間に当該第１及び第２発光素子の前面を跨ぐように遮蔽部材が設けられているという特徴を備えていればよく、この特徴には、以下に例示する構成も少なくとも含まれる。

すなわち、例えば、ＬＥＤ２１は３列以上で並設されていてもよく、この場合、複数のＬＥＤ２１列の間の少なくとも１つに、遮光マスク５０が設けられる。またこの場合、ＬＥＤ２１列の間において全領域に亘るように遮光マスク５０を設けてもよいし、ＬＥＤ２列の間において一部に亘るように遮光マスク５０を設けてもよい。また、遮光マスク５０は複数に分かれて形成されていてもよいし、一体で形成されていてもよい。

また、遮光マスク５０は、開口を有し、この開口からＬＥＤ２１が露出するように構成されていてもよい。換言すると、ＬＥＤ２１が遮光マスク５０に隠れないように、遮光マスク５０において当該ＬＥＤ２１に対応する領域に開口が設けられていてもよい。この場合、当該ＬＥＤ２１からの光が遮光マスク５０で完全に遮られてしまうのを抑制し、積算光量を維持することができる。また、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２２ｙの数は限定されず、それぞれ１又は複数であればよい。例えば、ＬＥＤ２１が複数列で並設された場合、各ＬＥＤ２１列は互いに等しい数のＬＥＤ２１を有していてもよいし、互いに異なる数のＬＥＤ２１としてもよい。

また、上記実施形態では、角型のロッドレンズ３０を備えたが、ロッドレンズ３０の外形形状は限定されるものではない。さらに、光透過部材としてはロッドレンズ３０に限定されず、光を透過する部材であれば、他の光透過部材を用いてもよい。

また、上記実施形態では、光出射面が矩形形状の場合に矩形形状の均一な照度分布で出射できるものとして説明したが、これに限定されず、光出射面の形状に応じた（相似の）形状の均一な照度分布で出射でき、例えば、光出射面が正方形、円、楕円、長円、扁平円、角円形状の場合には、それぞれ、正方形、円、楕円、長円、扁平円、角円形状の均一な照度分布で出射できる。さらに、本発明は、均一な照度分布で光を出射できるだけでなく、所望な照度分布で光を出射することができる。例えば、遮光マスク５０に開口（非遮蔽部）を設けることにより、ビームプロファイルにおいて当該開口が形成されていない領域の値を均一な照度分布としつつ、当該開口が形成された領域の値を低下させることができる。

また、上記実施形態の他の具体的な構成として、例えば次の構成が挙げられる。すなわち、Ｘ方向所定位置からＸ方向に並ぶように第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２２ｙをそれぞれＮ個（Ｎ：整数）設け、これらの間を跨ぐ遮光マスク５０を設ける。これと共に、第１及び第２ＬＥＤ２１ｘ，２２ｙの間にて、当該Ｘ方向所定位置からＸ方向に並ぶように第３ＬＥＤをＭ個（Ｍ：整数）設ける。そして、遮光マスク５０には、第３ＬＥＤからの光が遮られないように、第３ＬＥＤに対応する位置に開口を形成した構成が挙げられる。この場合、矩形形状の一の端部側のエッジをなだらかに傾斜してなる（鈍らせてなる）ビームプロファイルを得ることができる。またこの場合、第３ＬＥＤによって光量を向上可能となっている。なお、Ｎは３以上とし、Ｍは２以上（但し、Ｍ＜Ｎ）としてもよい。

また、上記実施形態は、ＬＥＤ２１を発光素子として備えたが、これに代えて又は加えて、他の発光素子を備えていてもよい。また、上記実施形態は、遮光マスク５０を遮蔽部材として備えたが、これに限定されず、光を遮蔽（遮光）できるものであれば、種々の形状や材料の遮蔽部材を用いることができる。

なお、上記実施形態では、ロッドレンズ３０の大きさを変えることで、ビームプロファイルを所望に調整することもできる。例えば、ロッドレンズ３０に代えて、ロッドレンズ３０におけるＸ方向（長手方向）一端側及び他端側の少なくとも一方を伸長させてなる長尺ロッドレンズを用いることにより、矩形形状のビームプロファイルにおいて一端側及び他端側の少なくとも一方のエッジを、なだらかに傾斜するように（鈍らせるように）調整することが可能となる。ちなみに、ロッドレンズ３０の伸長量を大きくするに連れて、ビームプロファイルのエッジの傾斜度合（鈍らせる度合）を大きくさせることもできる。

１０…ケース、１３…開口、２１…ＬＥＤ（発光素子）、２１ｘ…第１ＬＥＤ（第１発光素子）、２１ｘａ…第１ＬＥＤの前面（第１発光素子の前面）、２１ｙ…第２ＬＥＤ（第２発光素子）、２１ｙａ…第２ＬＥＤの前面（第２発光素子の前面）、３０…ロッドレンズ（光透過部材）、３０ａ…ロッドレンズの前面（光透過部材の前面）、５０…遮光マスク（遮蔽部材）、６０…枠部、１００…光源装置。

Claims (4)

1. 前方に向けて光を出射する複数の発光素子と、
   前記発光素子の前方側に対向するように設けられたロッドレンズである光透過部材と、
   前記発光素子及び前記光透過部材を収容すると共に、前記発光素子から出射され前記光透過部材を透過した光を通過させる開口を有するケースと、を備え、
   前記発光素子は、
   所定方向に沿って並設された複数の第１発光素子と、
   前記所定方向に沿って並設された複数の第２発光素子と、を少なくとも含み、
   前記第１及び第２発光素子の間には、当該第１及び第２発光素子の前面を跨ぐように遮蔽部材が設けられ、
   前記光透過部材内では、前記発光素子から出射された光が、反射を繰り返して均一化され、
   前方から見て、前記遮蔽部材は、
   前記第１発光素子の前記前面において、該第１発光素子に隣接する他の前記第１発光素子側ではなく前記第２発光素子側の端部を覆うと共に、
   前記第２発光素子の前記前面において、該第２発光素子に隣接する他の前記第２発光素子側ではなく前記第１発光素子側の端部を覆うこと、を特徴とする光源装置。
2. 前記光透過部材の前面における外縁部を覆うように設けられた枠部をさらに備えたこと、を特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記枠部は、前記ケースにおける前記開口の辺縁部に設けられ、
   前記光透過部材の前面は、前記枠部に当接されていること、を特徴とする請求項２記載の光源装置。
4. 前記発光素子の前面は、前記遮蔽部材を介して前記光透過部材に当接されていること、を特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の光源装置。

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