JP6510548B2 - 曲面回折格子の型の製造方法、曲面回折格子の製造方法、曲面回折格子、および光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、曲面回折格子の型の製造方法、曲面回折格子の製造方法、曲面回折格子、および光学装置に関し、特に光を分光、収束させる曲面回折格子および、それを用いた光学装置に関する。

本技術分野の背景技術として、分光光度計等の光学装置に搭載される光学素子である曲面回折格子は、光の分光、収束の両方の性能を有しており、部品点数を少なくでき、装置の構成を簡便にすることが可能である。

従来、曲面回折格子は、曲面基板にルーリングエンジン等の機械で刻印する方法で回折格子の型を作製し、刻印したパターンを樹脂、金属等に転写することで、曲面回折格子を製造していた。

曲面回折格子の作製方法として、特開２０１４−１３４５６８号公報（特許文献１）には、ホログラフィック露光法により、凹面基板上に回折格子のレジストパターンを形成して、反応性イオンビームを一の点、もしくは一の線から照射して、エッチングすることで鋸歯形状の回折格子パターンを有する凹面ブレーズ型回折格子を作製する方法が開示されている。

特開昭６１−７２２０２号公報（特許文献２）には、樹脂、金属薄膜等の柔軟な材料に回折格子パターンを形成し、それを所定の曲率に湾曲した基板に貼り付けたものを型とする。この型を硬化前の液状の曲面回折格子材料と接触させて、硬化させることで曲面回折格子を作製する。

特開平８−２９６１０号公報（特許文献３）では、柔軟性のある基板の上に反応硬化型樹脂を用いたレプリカ層（回折格子部分）を積層し、反応硬化型樹脂の硬化収縮を利用して平面回折格子を曲面化している。

特開平９−５５０９号公報（特許文献４）では、平面回折格子基板をシリコン樹脂のような可撓性材料に転写し、それを曲面基板に固定して、曲面回折格子の型を形成している。

特開２０１０−２５７２３号公報（特許文献５）では、シリコン基板を水素雰囲気下で高温加熱することで、シリコン基板を所望の形に塑性変形させ、それを多数積層することで作製したＸ線反射体を備えるＸ線反射装置が開示されている。

特開２０１４−１３４５６８号公報 特開昭６１−７２２０２号公報 特開平８−２９６１０号公報 特開平９−５５０９号公報 特開２０１０−２５７２３号公報

上記回折格子の製造方法において、曲面基板にルーリングエンジン等の機械で刻印する方法で回折格子の型を作製すると、刻印ツールの角度が一定であるため、曲面基板の中心部、端部において、鋸歯形状の回折格子パターンに浅い部分、深い部分が形成される。

特許文献１に開示されている半導体プロセスを用いた曲面回折格子の製造方法では、任意の曲面基板に対して、フォトリソグラフィによるレジストの回折格子パターンを正確に作製することが難しく、曲面上へのイオンエッチングでは、回折格子パターンの形状ばらつきが発生しやすい。特許文献２から４に記載されている曲面回折格子の型を作製する技術では、いずれも回折格子パターンを曲面上に形成する段階で柔軟性のある部材を用いているため、曲面回折格子への転写時にパターン精度が低下する。特に、特許文献４では、シリコン系樹脂のような可撓性材料に転写して、それを曲面基板に固定して、曲面回折格子の型を形成し、曲面回折格子に転写、作製しているが、可撓性材料を用いているため、パターン精度の低下、曲面回折格子の転写、剥離時の型の引張りによる型のパターン崩れがあり寿命が短い。また、特許文献５には、シリコン基板を塑性変形させる方法が記載されているが、高温、水素雰囲気下では、シリコン製の回折格子のパターンも平滑化してしまう。シリコン製平面回折格子を曲面化するには、弾性変形では、破損してしまうため、塑性変形を用いる必要があり、転位線の発生、また、曲面の固定基板への固定において、ボイド等が発生して、面精度が低下してしまう。

上記課題に鑑み、本発明は以下の特徴を有する。すなわち、本発明の曲面回折格子の型の製造方法は、金属製の平面基板上に、回折格子パターンを形成する工程と、
当該平面基板における回折格子パターンを形成した面とは反対側の面に第１の接合材料を形成する工程と、
前記第１の接合材料と共晶させる第２の接合材料を曲面基板上に成膜する工程と、
前記平面基板を、前記曲面基板および凹面基板で挟み込み、前記凹面基板側から荷重を加える工程、を含む。

また、本発明の曲面回折格子は、平面基板上に、回折格子パターンを形成した平面回折格子基板を曲面状に変形させた曲面回折格子の型を金属または樹脂に転写したものである。

また、本発明の光学装置は、平面基板上に、回折格子パターンを形成した平面回折格子基板を曲面状に変形させた曲面回折格子の型を金属または樹脂に転写した曲面回折格子と、光源と、スリットと、集光素子と、検出器を備えている。

本発明によれば、平面基板上に機械刻印、半導体プロセスで回折格子パターンを作製するため、特定の角度の鋸歯形状を持った回折格子パターンの形状ばらつきを抑制して作製できる。この平面回折格子を曲面に変形させて、曲面固定基板に実装することで、曲面基板の全面において、特定の角度の鋸歯形状を持った回折格子パターンを備えた曲面回折格子を作製することができる。この特定の角度の鋸歯形状を持った回折格子パターンを備えた曲面回折格子を光学装置に搭載することで、回折効率を向上でき、かつ迷光（ノイズ）を低減することができ、かつ光学素子の部品点数が少なく、低コストの光学装置を作製することができる。

本発明の曲面回折格子を用いた光学装置の概略図。 本発明の曲面回折格子（球面回折格子）の型を示す斜視図。 本発明の曲面回折格子（トロイド回折格子）の型を示す斜視図。 本発明の第１実施形態に係る曲面回折格子の型の製造方法を示す図。 本発明の第２実施形態に係る曲面回折格子の型の製造方法を示す図。 本発明の第３実施形態に係る曲面回折格子の型の製造方法を示す図。 本発明の第４実施形態に係る曲面回折格子の型の製造方法を示す図。 本発明の曲面回折格子の製造方法を示す図。

以下に、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。

本発明の光学装置について、図１を用いて説明する。光学装置１は、化学物質、生体物質などにおいて、物質の化学結合に特有の波長の光を選択的に吸収して、濃度測定、物質同定に使用される。図１に示すように、光学装置１は、光源１１、スリット１２、１４、回折格子１３、集光素子１５、検出器１７を備えている。光源１１から照射された光は、スリット１２を介して、回折格子１３に照射されて、回折格子１３において分光される。分光された光は、スリット１４、集光素子１５を介して、試料１６に入射して、検出器１７で波長の吸収（減衰）を計測する。ここで、回折格子１３を回転させることで、特定の波長の光を試料１６に照射する。回折格子１３を曲面化することで、光学装置１のミラー、集光素子などの光学素子を簡略化することができ、部品点数を減らすことができる。

曲面回折格子には、球面回折格子、トロイド回折格子があり、具体的な形状について、図２、図３を用いて説明する。なお、図２、図３は、球面回折格子、およびトロイド回折格子の型について説明した図であり、この型を金属や樹脂に転写することで、光を分光、集光する凹面形状の回折格子を作製する。

本発明の球面回折格子の型について、図２を用いて説明する。球面回折格子は、一様の曲率を有する球面を有する回折格子である。曲面回折格子の型２は、回折格子パターン２１を形成した金属製曲面回折格子２６、曲面固定基板２３とから構成される。金属製曲面回折格子２６と曲面固定基板２３とは、金属共晶接合、樹脂接合等で固定される。この曲面回折格子の型２を樹脂、金属薄膜に転写することで、凹型の曲面回折格子を作製する。

トロイド回折格子は、球面回折格子と異なりｘ、ｙの軸方向で曲率の異なるトロイド面を有する回折格子である。図３に示すように、曲面回折格子の型２は、回折格子パターン２１を形成した金属製曲面回折格子２６、曲面固定基板２３とから構成される。金属製平面回折格子を曲面に変形させて、曲面固定基板２３上に実装して、金属製曲面回折格子２６とするため、軸方向で曲率の異なるトロイド面への実装が可能である。金属製曲面回折格子２６と曲面固定基板２３とは、金属共晶接合、樹脂接合等で固定される。この曲面回折格子の型２を樹脂、金属薄膜に転写することで、凹型の曲面回折格子を作製する。

次に上記曲面回折格子の製法について説明する。以下の複数の製法は、上記球面回折格子や、トロイド回折格子に代表される曲面回折格子の製造方法に用いることができる。

本発明の第１の実施形態における曲面回折格子の型２の製造方法について、図４を用いて説明する。平面の金属基板上に機械刻印により、鋸歯形状を持った回折格子パターン２１を形成して、金属製平面回折格子基板２０を形成する（図４中（ａ））。金属製平面回折格子基板２０の回折格子パターン２１を形成した面の反対面に接合材料である半田２２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図４中（ｂ））。半田２２と共晶させる接合材料２４を曲面固定基板２３の金属製回折格子基板２０を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図４中（ｃ））。金属製平面回折格子基板２０の回折格子パターン２１を形成した面を凹面基板２５側に、半田２２を形成した面を曲面固定基板２３側に設置する（図４中（ｄ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板２０の回折格子パターン２１の形成面を凹面基板２５に倣わせると伴に、半田２２と曲面固定基板２３の接合材料２４とを共晶反応させて、実装する（図４中（ｅ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田２２と接合材料２４とを固相化させた後、凹面基板２５を除去することで、金属製曲面回折格子基板２６を半田２２と接合材料２４とを介して、曲面固定基板２３上に実装する（図４中（ｆ））。金属製曲面回折格子基板２６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型２を形成する（図４中（ｇ））。金属製平面回折格子基板２０を凹面基板２５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン２１を形成した面は、凹面基板２５の面精度となる。また、半田２２と接合材料２４とは共晶点以上の温度においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子２０の厚さばらつき、曲面固定基板２３の面精度の影響を吸収することができる。

機械による刻印、もしくは半導体プロセス（フォトリソグラフィ、エッチング）により、回折格子パターンを金属の平面基板上に形成した金属製平面回折格子、または機械による刻印、もしくは半導体プロセスにより、回折格子パターンを形成した平面回折格子を金属の平面基板に転写して、金属製平面回折格子を作製する。金属の平面基板への平面回折格子の回折格子パターンの転写においては、スパッタリング、蒸着、めっきを用いる。これらの金属製平面回折格子を曲面に変形させて、曲面固定基板に実装することで、曲面回折格子の型を作製する。この曲面回折格子の型を、金属膜、樹脂に転写させて、曲面回折格子を作製する。

機械による刻印により平面基板上に回折格子パターンを作製すると、刻印ツールの角度が一定であるため、平面基板の全面において、特定の角度を持った鋸歯形状の回折格子パターンを、形状ばらつきを抑制して、形成することができる。また、半導体プロセスにより平面基板上に回折格子パターンを作製すると、曲面上へのフォトリソグラフィ、エッチングと比較して、特定の角度を持った鋸歯形状の回折格子パターンを、形状ばらつきを抑制して、形成しやすい。これらの方法で作製した平面回折格子基板を曲面に変形させて、曲面固定基板に実装するため、曲面全面において、特定の角度を持った鋸歯形状の回折格子パターンを持った曲面回折格子の型を作製することができる。

金属製平面回折格子の曲面への変形、曲面固定基板への実装においては、金属製平面回折格子を、高い面精度を有する凹面基板と凸面の曲面固定基板とで挟み込み、荷重、温度を印加して、金属製曲面回折格子を作製する。金属製平面回折格子の回折格子パターンを形成した面を凹面基板に倣わせることで、金属製平面回折格子の基板厚さばらつき、金属製曲面回折格子と曲面固定基板とを固定する接合材料の厚さばらつき、曲面固定基板の面精度等の影響なく、曲面回折格子の面精度を向上させることができる。金属製平面回折格子を凹面基板と凸面の曲面固定基板とで挟み込み、荷重を印加して、曲面に変形させたときに、回折格子パターンの変形、潰れ等が懸念されるが、凹面基板から回折格子パターンにかかる荷重は、回折格子パターンの稜線方向へと分散されるため、変形、潰れなく、曲面回折格子の型を作製できる。また、金属製平面回折格子の曲面への変形、曲面固定基板への実装においては、金属材料であるため、シリコン、石英等の結晶性材料の曲面への塑性変形で生じる転位線の発生を抑制することが可能である。また、金属材料を適用することで、曲面回折格子へのパターン転写時に型の熱変形が小さく、精度を向上できるとともに、剥離時の引張りに対しても変形なく、型から剥離できるため、型の寿命は向上する。

本発明の第２の実施形態における曲面回折格子の型３の製造方法について、図５を用いて説明する。平面基板上に機械刻印により、鋸歯形状を持った回折格子パターン３１を形成して、平面回折格子基板３０を形成する（図５中（ａ））。回折格子パターン３１を形成した面に、シード膜を形成した後、電解めっきにより、金属材料を積層する（図５中（ｂ））。平面回折格子基板３０からシード膜をエッチングで除去して、金属材料を剥離させて、金属製平面回折格子３７を形成する（図５中（ｃ））。ここで、機械刻印で作製した平面回折格子基板３０を金属材料に転写、剥離した金属製平面回折格子３７を適用することで、機械刻印で作製した平面回折格子基板３０を繰り返し使用して、金属製平面回折格子３７を作製することができる。金属製平面回折格子基板３７の回折格子パターン３１を形成した面の反対面に接合材料である半田３２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図５中（ｄ））。半田３２と共晶させる接合材料３４を曲面固定基板３３の金属製回折格子基板３７を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図５中（ｅ））。金属製平面回折格子基板３７の回折格子パターン３１を形成した面を凹面基板３５側に、半田３２を形成した面を曲面固定基板３３側に設置する（図５中（ｆ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板３７の回折格子パターン３１の形成面を凹面基板３５に倣わせると伴に、半田３２と曲面固定基板３４の接合材料３４とを共晶反応させて、実装する（図５中（ｇ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田３２と接合材料３４とを固相化させた後、凹面基板３５を除去することで、金属製曲面回折格子基板３６を半田３２と接合材料３４とを介して、曲面固定基板３３上に実装する（図５中（ｈ））。金属製曲面回折格子基板３６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型３を形成する（図５中（ｉ））。金属製平面回折格子基板３７を凹面基板３５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン３１を形成した面は、凹面基板３５の面精度となる。また、半田３２と接合材料３４とは共晶点以上の温度においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子３７の厚さばらつき、曲面固定基板３３の面精度の影響を吸収することができる。

本発明の第３の実施形態における曲面回折格子の型４の製造方法について、図６を用いて説明する。平面の金属基板上に半導体プロセス（フォトリソグラフィ、エッチング）により、鋸歯形状を持った回折格子パターン４１を形成して、金属製平面回折格子基板４０を形成する（図６中（ａ））。ここで、半導体プロセス（フォトリソグラフィ、エッチング）を適用することで、機械刻印による金属製平面回折格子４０の作製と比較して、短時間での作製が可能である。金属製平面回折格子基板４０の回折格子パターン４１を形成した面の反対面に接合材料である半田４２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図６中（ｂ））。半田４２と共晶させる接合材料４４を曲面固定基板４３の金属製回折格子基板４０を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図６中（ｃ））。金属製平面回折格子基板４０の回折格子パターン４１を形成した面を凹面基板４５側に、半田４２を形成した面を曲面固定基板４３側に設置する（図６中（ｄ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板４０の回折格子パターン４１の形成面を凹面基板４５に倣わせると伴に、半田４２と曲面固定基板４３の接合材料４４とを共晶反応させて、実装する（図６中（ｅ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田４２と接合材料４４とを固相化させた後、凹面基板４５を除去することで、金属製曲面回折格子基板４６を半田４２と接合材料４４とを介して、曲面固定基板４３上に実装する（図６中（ｆ））。金属製曲面回折格子基板４６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型４を形成する（図６中（ｇ））。金属製平面回折格子基板４０を凹面基板４５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン２１を形成した面は、凹面基板４５の面精度となる。また、半田４２と接合材料４４とは共晶点以上の温度においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子４０の厚さばらつき、曲面固定基板４３の面精度の影響を吸収することができる。

本発明の第４の実施形態における曲面回折格子の型５の製造方法について、図７を用いて説明する。平面基板上にフォトリソグラフィにより、レジスト（樹脂）で鋸歯形状を持った回折格子パターン５８を形成して、平面回折格子基板５０を形成する（図７中（ａ））。回折格子パターン５８を形成した面に、シード膜を形成した後、電解めっきにより、金属材料を積層する（図７中（ｂ））。平面回折格子基板５０から金属材料を剥離させることで、鋸歯形状の回折格子パターン５１を有する金属製平面回折格子５７を形成する（図７中（ｃ））。ここで、フォトリソグラフィでの平面回折格子基板５０の作製は、機械刻印と比較して、短時間で作製でき、かつ平面回折格子５０から金属製平面回折格子５７を剥離する際に、レジスト（樹脂）を溶解させることで、容易に剥離させることができる。金属製平面回折格子基板５７の回折格子パターン５１を形成した面の反対面に接合材料である半田５２を蒸着、もしくは印刷により成膜する（図７中（ｄ））。半田５２と共晶させる接合材料５４を曲面固定基板５３の金属製回折格子基板５０を実装する面にスパッタ、もしくは蒸着で成膜する（図７中（ｅ））。金属製平面回折格子基板５７の回折格子パターン５１を形成した面を凹面基板５５側に、半田５２を形成した面を曲面固定基板５３側に設置する（図７中（ｆ））。真空雰囲気下で、接合材料の共晶点以上の温度、および荷重を印加して、金属製平面回折格子基板５７の回折格子パターン５１の形成面を凹面基板５５に倣わせると伴に、半田５２と曲面固定基板５３の接合材料５４とを共晶反応させて、実装する（図７中（ｇ））。荷重を印加した状態で冷却させて、半田５２と接合材料５４とを固相化させた後、凹面基板２５を除去することで、金属製曲面回折格子基板５６を半田５２と接合材料５４とを介して、曲面固定基板５３上に実装する（図７中（ｈ））。金属製曲面回折格子基板５６の外周部を除去することで、曲面回折格子の型５を形成する（図７中（ｉ））。金属製平面回折格子基板５７を凹面基板５５に倣わせて曲面に変形させることで、回折格子パターン５１を形成した面は、凹面基板５５の面精度となる。また、半田５２と接合材料５４とは共晶点においては、液相状態であるため、金属製平面回折格子５７の厚さばらつき、曲面固定基板２３の面精度の影響を吸収することができる。

実施例１〜４記載の曲面回折格子の型を用いて、曲面回折格子６を製造する方法について、実施例１記載の曲面回折格子の型２を例に、図８を用いて説明する。なお、実施例２〜４記載の曲面回折格子の型３、４、５についても同様の製造方法で曲面回折格子６を作製する。

鋸歯形状の回折格子パターン２１を有する金属製曲面回折格子基板２６を曲面固定基板２３に半田２２、接合材料２４を介して、実装した曲面回折格子の型２（図８中（ａ））の回折格子パターン２１側の表面に、剥離層、反射膜６１を形成する（図８中（ｂ））。反射膜６１上に液状の硬化樹脂６２、固定基板６３を設置する（図８中（ｃ））。樹脂が硬化した後、曲面回折格子の型２から、反射面６１、樹脂６２、固定基板６３を外すことで、曲面回折格子６を製造する（図８中（ｄ））。なお、樹脂の代わりに柔軟性を有する金属膜を用いてもよい。また、曲面回折格子の型２を用いて、ナノインプリント等の技術により、樹脂６２に回折格子パターン２１を転写した後、その表面に反射膜６１を成膜しても良い。

この曲面回折格子６を、光学装置１に搭載することにより、光源１１から照射された光を、曲面回折格子６（１３）での分光性能（回折効率）を向上でき、かつ迷光（ノイズ）を低減できるため、波長成分が一定値に近い分光光を試料１６に照射できる光学装置１を実現できる。これにより、試料１６の吸収スペクトルを、厳密に測定することが可能となる。

１ 光学装置
１１ 光源
１２、１４ スリット
１３ 曲面回折格子
１５ 集光レンズ
１６ 試料
１７ 検出器
２、３、４、５ 曲面回折格子の型
２０、４０ 金属製平面回折格子基板
３０、５０ 平面回折格子基板
２１、３１、４１、５１ 回折格子パターン
２２、３２、４２、５２ 半田
２３、３３、４３、５３ 曲面固定基板
２４、３４、４４、５４ 接合材料
２５、３５、４５、５５ 凹面基板
２６、３６、４６、５６ 金属製曲面回折格子基板
３７、５７ 金属製平面回折格子基板
６ 曲面回折格子
６１ 反射膜
６２ 樹脂
６３ 固定基板

Claims (12)

1. 金属製の平面基板上に、回折格子パターンを形成する工程と、
   当該平面基板における回折格子パターンを形成した面とは反対側の面に第１の接合材料を形成する工程と、
   前記第１の接合材料と共晶させる第２の接合材料を曲面基板上に成膜する工程と、
   前記平面基板を、前記曲面基板および凹面基板で挟み込み、前記凹面基板側から荷重を加える工程、を含むことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記平面基板上に回折格子パターンを形成する工程を機械加工により行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。
3. 請求項１において、
   前記平面基板上に回折格子パターンを形成する工程をフォトリソグラフィおよびエッチングにより行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。
4. 請求項１において、
   前記回折格子パターンが鋸歯形状であることを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。
5. 請求項１において、回折格子パターンが形成された平面基板は、
   別の平面基板上に回折格子パターンを形成し、前記別の平面基板の回折格子パターンを形成した面に基板材料を積層し、前記基板材料を剥離して、前記基板材料に回折格子パターンを転写することにより製造することを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。
6. 請求項５において、
   別の平面基板上に回折格子パターンを形成する工程を機械加工により行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。
7. 請求項５において、
   別の平面基板上に回折格子パターンを形成する工程をフォトリソグラフィおよびエッチングにより行うことを特徴とする、曲面回折格子の型の製造方法。
8. 請求項５において、
   前記回折格子パターンが鋸歯形状であることを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。
9. 請求項５において、
   前記基板材料が金属であることを特徴とする曲面回折格子の型の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれかの方法により製造した曲面回折格子の型を用いた曲面回折格子の製造方法であって、
    曲面回折格子の型の回折格子パターン側の表面に、剥離層および反射膜を形成する工程と、
    前記反射膜上に硬化樹脂を介して固定基板を設ける工程を含む曲面回折格子の製造方法。
11. 請求項１〜９のいずれかの方法により製造した曲面回折格子の型を用いた曲面回折格子の製造方法であって、
    曲面回折格子の型の回折格子パターン側の表面に、剥離層および反射膜を形成する工程と、
    前記反射膜上に金属膜を介して固定基板を設ける工程を含む曲面回折格子の製造方法。
12. 請求項１〜９のいずれかの方法により製造した曲面回折格子の型を用いた曲面回折格子の製造方法であって、
    曲面回折格子の型を用いて、樹脂へ前記回折格子パターンを転写する工程と、
    樹脂の表面に反射膜を成膜する工程を含むことを特徴とする曲面回折格子の製造方法。

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