JP6411795B2 - 信号処理装置および方法、撮像素子、並びに、撮像装置 - Google Patents
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Description
離することができる。
前記クランプ制御部は、緑色、赤色、および青色の色別に、前記シャッタ動作と前記リード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定することができる。
1.第1の実施の形態(信号処理装置・撮像素子・撮像装置)
2.第2の実施の形態(撮像素子)
3.第3の実施の形態(撮像素子)
4.第4の実施の形態(撮像素子)
5.第5の実施の形態(撮像装置)
<kTCノイズ>
そこで、信号処理装置において、入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第1の信号、シャッタ動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第2の信号、単位画素のフローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において単位画素から読み出される第3の信号、並びに、リード動作として単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、A/D変換部により第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、A/D変換部により第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、A/D変換部により第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、A/D変換部により第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、第1の出力信号および第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部とを備えるようにする。
<撮像素子>
図1は、本技術を適用した撮像素子の主な構成例を示す図である。図1に示される撮像素子100は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセンサであり、被写体を撮像し、光電変換等を行って、被写体の撮像画像を画像データ(撮像画像データ)として外部に出力する素子である。
図2は、図1の画素領域111に形成される単位画素の主な構成例を示す図である。図2に示されるように、単位画素130は、フォトダイオード(PD)131、フローティングディフュージョン(FD)、リセットトランジスタ132、増幅トランジスタ133、およびセレクトトランジスタ134を有する。
画素領域111には、図2のような構成の単位画素130が、図3に示される例のように、行列状(アレイ状)に配置されている。
また、単位画素130(フォトダイオード131)は、図4に示されるように、基板垂直方向(深さ方向)に色分離可能な、所謂、縦型分光構造を有する。なお、図4の例の構造において、単位画素130(フォトダイオード131)が、緑色を、有機光電変換膜を用いて色分離し、赤色および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離するようにしてもよい。また、単位画素130(フォトダイオード131)が、緑色、赤色、および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離するようにしてもよい。
また、図2に示されるように、以上のような構造を有するフォトダイオード131(その有機光電変換膜)は、フローティングディフュージョン(FD)と金属で結線されており、そのため完全空乏化されない。したがって、その結果として、kTCノイズが大きく、かつ、従来の方法ではkTCノイズを十分に低減させることが困難であった。
図5は、以上のような単位画素130からの信号読み出しの様子の例を説明するタイミングチャートである。
以上のような構成を有する単位画素130から、以上のような手順で信号を読み出す撮像素子100において、センサ制御部121は、以下のように読み出し制御処理を実行して各部を制御し、各単位画素から信号を読み出させる。図6のフローチャートを参照して、読み出し制御処理の流れの例を説明する。必要に応じて図7を参照して説明する。
ところで、上述した第2の実施の形態における読み出し制御処理(図6、図7)では、フィードスルー(FT:Feed Through)による電圧変動を相関二重サンプリング(CDS)して、kTCノイズを取り出すため、読み出し時のフィードスルーの変化分も含めての読み出しが必要となる。そのため、Data相(D相)よりもReset相(R相)のほうが、フィードスルー分だけ電圧が上昇して、従来のA/D変換器を用いると、ランプ波形の基準信号(ランプ波)が、単位画素130から読み出された信号(VSL)から外れてしまい、正常にA/D変換することができないという現象が発生する場合がある。
図8は、本技術を適用した撮像素子の主な構成例を示す図である。図8に示される撮像素子100は、CMOSイメージセンサ等であって、図1に示される撮像素子100と対応する部分については同一の符号が付してあり、その説明は適宜省略するものとする。すなわち、図8に示される撮像素子100においては、画素領域111と、A/D変換部112のより詳細な構成を示している。
以上のような構成を有する撮像素子100(図8)において、単位画素130から信号を読み出すに際して、センサ制御部121は、以下のように読み出し制御処理を実行して各部を制御し、各単位画素130から信号を読み出させる。次に、図9のフローチャートを参照して、読み出し制御処理の流れの例を説明する。必要に応じて図10を参照して説明する。
<撮像素子>
なお、本技術を適用する撮像素子が、互いに重畳される複数の半導体基板を有するようにしてもよい。
<撮像装置>
なお、本技術は、撮像素子以外にも適用することができる。例えば、撮像装置のような、撮像素子を有する装置(電子機器等)に本技術を適用するようにしてもよい。図12は、本技術を適用した電子機器の一例としての撮像装置の主な構成例を示すブロック図である。図12に示される撮像装置600は、被写体を撮像し、その被写体の画像を電気信号として出力する装置である。
(1) 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備える信号処理装置。
(2) 前記A/D変換部において得られた前記第1のデジタルデータ乃至前記第4のデジタルデータを記憶する記憶部をさらに備え、
前記相関二重サンプリング処理部は、前記記憶部から読み出した前記第1のデジタルデータおよび前記第2のデジタルデータ、または、前記第3のデジタルデータおよび前記第4のデジタルデータを用いて相関二重サンプリングを行う
(1)に記載の信号処理装置。
(3) 前記記憶部は、さらに、前記相関二重サンプリング処理部により生成された前記第1の出力信号を記憶し、
前記相関二重サンプリング処理部は、生成した前記第2の出力信号と、前記記憶部から読み出した前記第1の出力信号とを用いて相関二重サンプリングを行う
(1)または(2)に記載の信号処理装置。
(4)
前記シャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態、および、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において、前記A/D変換部における、前記単位画素から読み出される信号とランプ波形の基準信号とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるように、前記基準信号をクランプするクランプ制御部をさらに備える
(1)乃至(3)のいずれかに記載の信号処理装置。
(5) 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号をA/D変換し、
前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号をA/D変換し、
前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、
前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号をA/D変換し、
前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号をA/D変換し、
前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、
前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する
信号処理方法。
(6) 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、
前記単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備える撮像素子。
(7) 前記単位画素は、前記入射光を光電変換する光電変換部と、前記フローティングディフュージョンとが金属で結線されている
(6)、(8)乃至(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(8) 前記単位画素は、基板垂直方向に色分離を行う画素構造を有する
(6)、(7)、(9)(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(9) 前記単位画素は、緑色を、有機光電変換膜を用いて色分離し、赤色および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離する
(6)乃至(8)、(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(10) 前記単位画素は、緑色、赤色、および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離する
(6)乃至(9)のいずれかに記載の撮像素子。
(11) 被写体を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像により得られた画像データを画像処理する画像処理部と
を備え、
前記撮像部は、
入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、
前記単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、前記第1の出力信号および前記第2の出力信号を用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備える撮像装置。
Claims (10)
- 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記シャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態、および、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において、前記A/D変換部における、前記単位画素から読み出される信号とランプ波形の基準信号とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるように、前記基準信号をクランプするクランプ制御部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを記憶する記憶部と、
前記記憶部から読み出した前記第1のデジタルデータと、前記第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記記憶部から読み出した前記第3のデジタルデータと、前記第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備え、
前記クランプ制御部は、
前記単位画素において基板垂直方向に色分離される色別に、前記シャッタ動作と前記リード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定し、
設定されたクランプ量の調整値に基づいて、各色の各タイミングごとに、クランプ制御を行い、前記基準信号をクランプし、
前記記憶部は、さらに、前記相関二重サンプリング処理部により生成された前記第1の出力信号を記憶し、
前記相関二重サンプリング処理部は、生成した前記第2の出力信号と、前記記憶部から読み出した前記第1の出力信号とを用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する
信号処理装置。 - 前記記憶部は、前記相関二重サンプリング処理部からの要求に基づいて、データを記憶するか、またはデータを供給する
請求項1に記載の信号処理装置。 - 前記クランプ制御部は、緑色、赤色、および青色の色別に、前記シャッタ動作と前記リード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定する
請求項1または2に記載の信号処理装置。 - 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号をA/D変換し、
前記シャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において、前記第1の信号のA/D変換に際し、前記単位画素から読み出される信号とランプ波形の基準信号とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるように、前記基準信号をクランプし、
前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータを記憶部に記憶し、
前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号をA/D変換し、
前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータを前記記憶部に記憶し、
前記記憶部から読み出した前記第1のデジタルデータと、前記第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、
相関二重サンプリングにより生成された前記第1の出力信号を前記記憶部に記憶し、
前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号をA/D変換し、
前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータを前記記憶部に記憶し、
前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号をA/D変換し、
前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において、前記第4の信号のA/D変換に際し、前記単位画素から読み出される信号とランプ波形の基準信号とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるように、前記基準信号をクランプし、
前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータを前記記憶部に記憶し、
前記記憶部から読み出した前記第3のデジタルデータと、前記第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成し、
相関二重サンプリングにより生成された前記第2の出力信号と、前記記憶部から読み出した前記第1の出力信号とを用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成し、
前記クランプの制御に際しては、前記単位画素において基板垂直方向に色分離される色別に、前記シャッタ動作と前記リード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定し、設定されたクランプ量の調整値に基づいて、各色の各タイミングごとに、クランプ制御を行い、前記基準信号をクランプする
信号処理方法。 - 入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、
前記単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記シャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態、および、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において、前記A/D変換部における、前記単位画素から読み出される信号とランプ波形の基準信号とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるように、前記基準信号をクランプするクランプ制御部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを記憶する記憶部と、
前記記憶部から読み出した前記第1のデジタルデータと、前記第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記記憶部から読み出した前記第3のデジタルデータと、前記第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備え、
前記単位画素は、基板垂直方向に色分離を行う画素構造を有し、
前記クランプ制御部は、
前記単位画素において基板垂直方向に色分離される色別に、前記シャッタ動作と前記リード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定し、
設定されたクランプ量の調整値に基づいて、各色の各タイミングごとに、クランプ制御を行い、前記基準信号をクランプし、
前記記憶部は、さらに、前記相関二重サンプリング処理部により生成された前記第1の出力信号を記憶し、
前記相関二重サンプリング処理部は、生成した前記第2の出力信号と、前記記憶部から読み出した前記第1の出力信号とを用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する
撮像素子。 - 前記単位画素は、前記入射光を光電変換する光電変換部と、前記フローティングディフュージョンとが金属で結線されている
請求項5に記載の撮像素子。 - 前記単位画素は、緑色を、有機光電変換膜を用いて色分離し、赤色および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離する
請求項5に記載の撮像素子。 - 前記単位画素は、緑色、赤色、および青色を、それぞれ、シリコンの深さによって色分離する
請求項5に記載の撮像素子。 - 前記クランプ制御部は、緑色、赤色、および青色の色別に、前記シャッタ動作と前記リード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定する
請求項5乃至8のいずれかに記載の撮像素子。 - 被写体を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像により得られた画像データを画像処理する画像処理部と
を備え、
前記撮像部は、
入射光を光電変換する、完全空乏化されない単位画素と、
前記単位画素のフローティングディフュージョンをリセットするシャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第1の信号、前記シャッタ動作として前記単位画素の前記リセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第2の信号、前記単位画素の前記フローティングディフュージョンから光電変換により得られた電荷を読み出すリード動作として前記単位画素のリセット信号がロー(Low)の状態において前記単位画素から読み出される第3の信号、並びに、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において前記単位画素から読み出される第4の信号を、それぞれA/D変換するA/D変換部と、
前記シャッタ動作として前記単位画素のリセット信号がハイ(High)の状態、および、前記リード動作として前記単位画素の前記リセット信号がハイ(High)の状態において、前記A/D変換部における、前記単位画素から読み出される信号とランプ波形の基準信号とを比較することで行われるA/D変換が正常に行われるように、前記基準信号をクランプするクランプ制御部と、
前記A/D変換部により前記第1の信号がA/D変換されて得られた第1のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第2の信号がA/D変換されて得られた第2のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第3の信号がA/D変換されて得られた第3のデジタルデータと、前記A/D変換部により前記第4の信号がA/D変換されて得られた第4のデジタルデータとを記憶する記憶部と、
前記記憶部から読み出した前記第1のデジタルデータと、前記第2のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第1の出力信号を生成し、前記記憶部から読み出した前記第3のデジタルデータと、前記第4のデジタルデータとを用いて相関二重サンプリングを行って第2の出力信号を生成する相関二重サンプリング処理部と
を備え、
前記単位画素は、基板垂直方向に色分離を行う画素構造を有し、
前記クランプ制御部は、
前記単位画素において基板垂直方向に色分離される色別に、前記シャッタ動作と前記リード動作のそれぞれのタイミングで、独立してクランプ量の調整値を設定し、
設定されたクランプ量の調整値に基づいて、各色の各タイミングごとに、クランプ制御を行い、前記基準信号をクランプし、
前記記憶部は、さらに、前記相関二重サンプリング処理部により生成された前記第1の出力信号を記憶し、
前記相関二重サンプリング処理部は、生成した前記第2の出力信号と、前記記憶部から読み出した前記第1の出力信号とを用いて相関二重サンプリングを行って第3の出力信号を生成する
撮像装置。
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