JP7104295B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に関する。

一般に、発光素子モジュールでは、発光素子の光出力を、できるだけ光ファイバ出力として取り出すことが望ましい。そのために、従来から、発光素子の光出力を最大限に取り込み、光ファイバ出力が最大となるときの間隔、つまり、光学系と発光素子との仕様による最適距離に設定して、発光素子モジュールが組み立てられていた（例えば、特許文献１～３等）。

特開２００３－２０７６９６号公報 特開平０７－３３３４７４号公報 特開平０５－０３３３２４号公報

しかし、より高出力の発光素子が用いられる近年においては、発光素子の光出力をそのまま光ファイバの出力として取り出すことよりも、光ファイバの出射端から出射される光の発散角をより高精度に制御することが求められる場合もある。
本願発明は、光ファイバの出射端から出射される光の発散角を、簡便かつ高精度に制御することができる構成を備えた発光装置を提供することを目的とする。

本願は以下の発明を含む。
レーザ装置、
該レーザ装置の光出射側に配置された鏡筒付きレンズ、
前記レーザ装置と前記鏡筒付きレンズとの間に、これらレーザ装置及び鏡筒付きレンズと接触して配置され、前記レーザ装置からの出射光の一部のみを通過させるアパーチャーを備えたスペーサ、
前記レーザ装置、前記スペーサ及び前記鏡筒付きレンズを保持する保持部材及び
該保持部材の一端に配置された光ファイバ保持部材を備える発光装置。

本願発明によれば、光ファイバの出射端から出射される光の発散角を、簡便かつ高精度に制御することができる構成を備えた発光装置を提供することができる。

一実施形態の発光装置の概略断面図である。 図１Ａに示す発光装置における定義を説明するための概略断面模式図である。 図１Ａに搭載されたレーザ装置の概略断面図である。 図１Ａに示す発光装置に取り付けられる光ファイバコネクタを説明するための概略斜視図である。 図１Ａに示す発光装置と光ファイバコネクタとを締結する締結部材を説明するための概略斜視図である。

以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。

〔発光装置〕
本願における一実施形態の発光装置４０は、図１Ａ、１Ｂに示したように、レーザ装置１０、鏡筒付きレンズ２０、レーザ装置１０からの出射光の一部のみを通過させるアパーチャー３０ａを備えたスペーサ３０、保持部材３１及び光ファイバ保持部材３２を備える。
このような構成を備えることにより、発光装置にて光ファイバ入射角度を容易かつ確実に制御することができ、その結果、光ファイバ出射端から出射される光の発散角を正確に制御することが可能となる。なお、本明細書において、発散角とは、光のビーム最大強度（軸上強度）に対して強度が１／ｅ２（≒０．１３５）となる点までの角度と定義される。

（レーザ装置１０）
レーザ装置１０は、図２に示すように、主として、レーザ素子１と、レーザ素子１を収容するパッケージ２とを備える。

（レーザ素子１）
レーザ素子１は、レーザ光を出射する光源として機能する発光素子である。このレーザ素子１は、パルス駆動、定格駆動のいずれにも制御することができ、発光出力が大きく、指向性が高いレーザ素子を用いることが好ましい。レーザ素子の出力は、例えば、１Ｗ～数百Ｗの出力のものが挙げられる。レーザ素子のピーク波長は、紫外線から赤外線のいずれでもよいが、例えば、３００ｎｍ～５００ｎｍに発光ピーク波長を有するものが挙げられ、４００ｎｍ～４７０ｎｍに発光ピーク波長を有するものが好ましい。
レーザ素子１は、レーザ装置１０において、通常、パッケージ２内に設けられるサブマウント３に、ダイボンド部材を用いて固定されている。ダイボンド部材は、放熱性の優れたはんだ材、Ａｕ－Ｓｎ、Ａｇペースト、Ｉｎ合金等を用いることが好ましい。

（パッケージ２）
レーザ装置１０を構成するパッケージ２は、レーザ素子１を収容する部材である。
レーザ装置１０は、レーザ素子から出射される光をそのまま取り出す透過型又は立ち上げミラー等を用いてレーザ素子から出射される光を取り出す反射型のいずれの発光装置でもよく、図２においては、透過型のキャンタイプのレーザ装置を示す。
パッケージ２は、例えば、基部２Ａ、キャップ２Ｂ等によって構成されている。
レーザ装置１０では、基部２Ａの上面から直立した柱状の部材であるポストの上にサブマウント３が載置されている。サブマウント３の上面には、レーザ素子１が固定されている。レーザ素子１は、ヒートシンクを介してサブマウント３の上面に固定されていてもよい。このように、レーザ素子１を基部２Ａの上面側に固定されたサブマウント３の側面に固定すると、装置を小型にすることができる。

基部２Ａの縁周近傍であって、基部２Ａの上面側に、レーザ素子１を覆うように中空のキャップ２Ｂが接合されている。キャップ２Ｂの上面には、レーザ素子１と対向する部位において、厚さ方向に貫通して光を取り出すための窓が配置されている。キャップ２Ｂの窓を塞ぐように、透光部材等が固定され、配置されている。
窓を構成する貫通孔の内壁は、レーザ素子側から上面側へ孔のサイズが大きくなるように傾斜していてもよい。

基部２Ａ、キャップ２Ｂは、光を吸収しにくい、反射性の材料からなることが好ましい。ここで反射性とは、例えば、用いるレーザ素子１から出射される光を５０％以上反射する材料、６０％以上、７０％又は８０％以上反射する材料が好ましい。
この発光装置では、透光部材からの発熱は、キャップ２Ｂを経由して２Ａへと伝熱される。一方、レーザ素子１からの発熱も、サブマウント３を経由して基部２Ａへと伝熱される。従って、パッケージ２は、放熱部材として用いられ、熱伝導性が良好な材料からなることが好ましい。ここで、熱伝導率が良好とは、２０℃における熱伝導率が数Ｗ／ｍ・ｋ以上のものが好ましく、１０Ｗ／ｍ・ｋ以上、２５Ｗ／ｍ・ｋ以上がより好ましく、５０Ｗ／ｍ・ｋ以上がさらに好ましい。この場合、キャップ２Ｂは、透光部材よりも熱伝導率の大きな材料により形成されていることが好ましい。これにより、透光部材の熱を効率的に放熱することができる。パッケージ２は、耐熱性の良好な材料からなることが好ましい。ここで、耐熱性が良好とは、融点が数百℃以上のものが好ましく、１０００℃以上がより好ましく、１５００℃以上がさらに好ましい。

基部２Ａは、導電性、絶縁性等種々の材料によって形成することができる。例えば、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、コバール、真鍮、ＣｕＷ、ＣｕＭｏ等の金属などを用いることができる。これらの金属を母材とし、その表面の全面又は一部にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等でめっきが施されていてもよい。なかでも、表面が金めっきされた銅又は銅合金により形成されているものが好ましい。
キャップ２Ｂは、Ｎｉ－Ｆｅ合金、コバール、ＣｕＷ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｆｅ、真鍮等を用いることができる。特に、熱伝導率が高く、且つ、プロジェクションを用いた抵抗溶接が可能であるＮｉ、Ｆｅ－Ｎｉ合金、コバール等が好ましい。

パッケージ２の形状、大きさ等は、使用目的、意図する作用又は効果によって、適宜設定することができる。
レーザ素子１を載置するサブマウント３は、典型的には、電気絶縁性が高く、熱伝導率の高い材質である。例えば、窒化アルミニウムや炭化ケイ素が挙げられる。

（リード５）
リード５は、その一端が、パッケージ２内でレーザ素子１と電気的に接続されており、他端は、回路基板などに実装されて外部の電源と電気的に接続される。
リード５は、少なくとも一対設けられており、基部２Ａの上面側から底面側にかけて貫通するように、それぞれ絶縁性部材を介して固定されている。基部２Ａの上面側に配置されるインナーリード部が、レーザ素子１と電気的に接続され、底面側に配置されるアウターリード部が、回路基板などに実装されて外部の電源と電気的に接続される。

（鏡筒付きレンズ２０）
鏡筒付きレンズ２０は、レーザ装置１０の光出射側に配置されるものであり、後述するスペーサ３０を介して、レーザ装置１０の光出射側に配置される。鏡筒付きレンズ２０は、当該分野で公知のいずれの形態を用いてもよい。なかでも、鏡筒付きレンズ２０は、レンズ２０ｂと鏡筒２０ａとが一体化されているものが好ましい。例えば、レンズ２０ｂと鏡筒２０ａとを精密ガラスモールド成形することにより高精度に一体化することができる。
鏡筒付きレンズ２０は、鏡筒２０ａを保持部材３１に溶接することによって、精度よく固定することができる。特に、後述するように、保持部材３１が鏡筒付きレンズ２０と、その光出射側との間に段差を有している場合には、その段差に鏡筒２０ａを当接し、溶接することにより、簡便に、適所に固定することができる。

（鏡筒２０ａ）
鏡筒２０ａは、チタン、ビスマス、タリウム、タングステン、タンタル、スズ、アルミニウム、クロム、マグネシウム、ガリウム、ニオブ、ジルコニウム、ストロンチウム、モリブデン、イリジウム、オスミウム、レニウム、金、白金、亜鉛、銀、銅いずれかの金属又はこれらの２以上の合金、前記金属及び前記合金に不純物を添加したもの等から形成することができる。例えばフェライト系のステンレス鋼等により形成することが好ましい。
鏡筒は、レンズを保持し得る筒状の部材であれば、必ずしも鏡面を有する筒でなくてもよい。
鏡筒２０ａを構成する材料は、レンズ２０ｂとの熱膨張係数の差が２０×１０^-7／℃以下であるものが好ましく、レンズ２０ｂより熱膨張係数が大きく、その融点がレンズの軟化点より大きいことが好ましい。

（レンズ２０ｂ）
レンズ２０ｂは、凹レンズ、凸レンズ等、種々の形態のレンズを用いることができる。レンズ２０ｂは、凹又は凸形状の光学面を通過する光を平行光にする又は受光部に集光させる等の光学機能を有する。レンズ２０ｂは、特に、光軸方向から見て略円形であるものが好ましい。レンズ２０ｂは、例えば、無鉛ガラス等の光学ガラス等により形成することが好ましい。

（スペーサ３０）
スペーサ３０は、レーザ装置１０と鏡筒付きレンズ２０との間に、これらレーザ装置１０及び鏡筒２０ａと接触して配置される、任意の厚さを有する部材である。また、スペーサ３０は、レーザ装置１０からの出射光の一部のみを通過させるアパーチャー３０ａを備える。
スペーサ３０の厚みは、アパーチャー３０ａの形状及び大きさと相まって、図１Ｂに示すように、レーザ装置１０の光出射面Ｚからレンズ２０ｂの入射主点までの距離Ｌ１を正確に制御することができるように設定されている。
光学横倍率Ｍは、レンズ２０ｂの焦点距離ＥＦＬを一定とした場合、レーザ装置１０のレーザ光出射面からレンズ２０ｂの入射側主点までの距離Ｌ１に依存するからである。また、スペーサ３０を備える場合には、光学横倍率Ｍは、レーザ装置１０の発散角度にかかわらず、アパーチャー通過後のレーザ装置からの出射光のレンズの光入射側主点への光入射角度θ１とともに、光ファイバの入射角度θ２、言い換えると、光ファイバの出射端から出射される光の発散角を制御し得る。つまり、このようなスペーサ３０の配置により、光学横倍率Ｍを高精度に制御し、ひいては、光ファイバの出射端から出射される光の発散角を正確に制御することができる。

スペーサの厚みは、用いるレーザ装置の種類、鏡筒付きレンズ２０のサイズ及び性能、発光装置の大きさ、求められる発光装置の特性等によって適宜調整することができる。例えば、１μｍ～数十ｍｍが挙げられ、１μｍ～数ｍｍが好ましく、数μｍ～数十μｍがより好ましい。
スペーサ３０は、上述した基部２Ａ、キャップ２Ｂ等に対して例示したセラミックス、ステンレス鋼等の金属又は合金等によって形成することができる。

アパーチャー３０ａは、スペーサ３０に形成された開口部分を指し、例えば、円形、楕円形等の形状であるものが挙げられる。サイズは、レーザ装置からの出射光のレンズの光入射側主点への光入射角度θ１が、断面視において、２０°より小さい値となる大きさに設定されていることが好ましい。具体的には、直径又は長軸の長さが１０μｍ～３０００μｍであるものが挙げられ、数μｍ～数十μｍが好ましい。アパーチャー３０ａは、スペーサ３０の厚み方向で変動してもよいが、一定であることが好ましい。言い換えると、アパーチャー３０ａを構成する貫通孔の内壁は、スペーサ３０の表面に対して垂直又は略垂直（９０±５°）であることが好ましい。これによって、レーザ装置から出射される光の遮光を、精度よく制御することができる。

（保持部材３１）
保持部材３１は、レーザ装置１０、スペーサ３０及び鏡筒付きレンズ２０をこの順に保持する部材である。保持部材３１は、さらに、鏡筒付きレンズ２０の光出射側の端部に、光ファイバを保持するための光ファイバ保持部材３２を備える。
保持部材３１は、例えば、上述した基部２Ａ、キャップ２Ｂ等に対して例示したセラミックス、金属等によって形成することができる。特に、光が進行する進路を構成する保持部材３１の内壁は、光を吸収しにくい材料、つまり、光反射性を有する材料によって形成することが好ましい。ここで光反射性とは、６０％以上の光を反射する性質、７０％、８０％又は８５％以上の光を反射する性質を意味する。

図１Ｂに示すように、保持部材３１は、レーザ装置１０の光出射面Ｚからレンズ２０ｂの光入射側主点Ｙまでの距離をＬ１、レンズ２０ｂの光出射側主点Ｘから光ファイバ保持部材３２内までの距離、つまり、光ファイバの光入射面Ｑまでの距離をＬ２とした場合、Ｌ２がＬ１よりも大きな値になるように、スペーサの厚み及びアパーチャー３０ａの大きさ等によって、各部材の保持位置が設定されている。
ここでのレンズ２０ｂの入射側主点及び出射側主点とは、当該分野で一般に用いられている意味を示す。

また、別の観点から、レーザ装置１０からの出射光のアパーチャー通過後の光の、レンズ２０ｂの光入射側主点Ｙへの光入射角度をθ１とした場合、断面視において、角度θ１は２０°より小さい値に設定されていることが好ましく、１７．５°以下、１５°以下又は１２．５°以下であることがさらに好ましく、１０°、９°又は８°がより一層好ましい。なお、この角度θ１は、アパーチャー３０ａによるレーザ装置からの出射光の一部の遮断によるものであるため、レーザ装置１０からの出射光の発散角度よりも小さい値となる。
さらに、レンズ２０ｂ光出射面側主点から光ファイバ保持部材３２（つまり、光ファイバ端面）への光の入射角度をθ２とした場合、断面視において、角度θ２は、角度θ１よりも小さい値に設定されていることが好ましく、２０°より小さい値に設定されていることがより好ましく、１５°以下、１０°以下又は７．５°以下であることがより好ましく、５°以下、４°以下又は３°以下がさらに好ましい。

本実施形態の発光装置は、これに取り付けられる光ファイバの出射端から出射される光の発散角を、簡便かつ高精度に制御するためのものであり、そのために、レーザ装置１０から出射した光の一部、つまり、規定外の光ファイバ入射角度の成分を除去するものである。
発光装置における光ファイバ入射角度θ２は、レーザ装置から出射された光のアパーチャー通過後の光の発散角度θ１及び光学横倍率Ｍに依存する（Ｍ＝θ１／θ２）。光学横倍率Ｍは、レンズ２０ｂの焦点距離ＥＦＬを一定とした場合、レーザ装置からレンズ２０ｂの入射側主点までの距離Ｌ１に依存する。よって、Ｌ１を正確に制御するために、レーザ装置と鏡筒付きレンズ２０との間に、Ｌ１を調整するための、アパーチャーを備えるスペーサを配置し、光学横倍率Ｍを制御している。そして、上述したように、スペーサを、アパーチャーとして機能させることにより、規定外の光ファイバ入射角度成分を除去することができる。これは、近年のレーザ装置におけるレーザ素子の高出力化によってもたらされた課題であり、光学横倍率Ｍを、従来よりも小さな値に設定することが求められていることに対応するものである。
ここで、光学横倍率Ｍは、θ１／θ２又はＬ２／Ｌ１によって表され、上述したように、角度θ１及び角度θ２又はＬ１及びＬ２を、上述した方法によって調整することによって、制御することができる。例えば、Ｍは、３．５以下としたものが好ましく、３．０以下がより好ましく、２．８以下がさらに好ましく、２．８～２．５がより一層好ましい。

（光ファイバ保持部材３２）
光ファイバ保持部材３２は、保持部材３１の一端に配置され、光ファイバを保持するための部材である。光ファイバ保持部材３２は、光ファイバを直接保持し得るもののみならず、後述するように、光ファイバの先端にフェルール及び支持部材等が装備された光ファイバコネクタをも保持し得るものであり、通常、締結部材を利用して、光ファイバコネクタに締結されている。つまり、光ファイバ保持部材３２は、ピグテイル型であってもよいし、レセプタクル型のいずれでもよい。
なお、光ファイバ保持部材３２は、上述したθ２又はＬ２を調節するために、光ファイバの光入射面の位置を調整することができるように、所定の長さを有する。

光ファイバ保持部材３２は、例えば、上述した基部２Ａ、キャップ２Ｂ等に対して例示したセラミックス、金属等によって形成することができる。光ファイバ保持部材３２は、光ファイバ側の一端の構成によって、種々の形状で形成することができる。光ファイバ保持部材３２は、１つの部材で構成されていてもよいが、２以上の部材が組み合わせられて構成されていてもよい。これらは一体的でもよいし、取り外し及び／又は分解可能の部材であってもよい。

（光ファイバコネクタ５４）
光ファイバコネクタ５４は、図３に示したように、光ファイバの先端を支持する部材であって、例えば、フェルール５３と、一端に径方向の外側に広がる鍔部５０ａを有する支持部材５０とを備える。
フェルール５３は、その端部から光ファイバ５２が挿入されるように構成されており、光ファイバ５２の挿入側と反対側の端部が支持部材５０によって、その外周を覆うように支持されている。フェルールとしては、公知のものを使用することができる。
支持部材５０は、フェルール５３を支持する側の端部に、径方向の外側に広がる鍔部５０ａを有する。鍔部５０ａは、フェルール５３を被覆する部位よりも大きな直径の円環状の形状を有するものであってもよいし、その一部において、例えば、その表面に配置された凹部又は半径方向に凹んだ凹部５０ｂが１以上形成されたものでもよい。支持部材５０自体及び支持部材５０と鍔部５０ａとは、１つの部材によって構成されていてもよいが、複数の部材が組み合わせられて一体的に構成されているものでもよい。

（締結部材）
光ファイバ保持部材３２と光ファイバコネクタ５４との締結に用いる締結部材は、当該分野で公知のもののいずれをも利用することができる。
一実施形態では、締結部材５１として、図５に示すように、基底部５５と、先端にばね部を有する係止部５７を備えるものを用いることができる。この締結部材５１は、例えば、径方向の外側に広がる鍔部を備えた光ファイバコネクタに着脱可能に装着することができる。

基底部５５は、光ファイバコネクタを支持するものであり、板状の部材にスリット５５ａを有する。スリット５５ａは、光ファイバコネクタ５４の鍔部５０ａよりも小径であり、かつ、光ファイバコネクタ５４よりも大径であるものが好ましい。
係止部５７は、基底部５５から屈曲した部位であり、例えば、一対配置されており、その先端に、それぞればね部５７ａを有する。ばね部５７ａは、板ばねの機能を発揮するように、係止部５７の傾斜よりも、さらに内側に傾斜していることが好ましい。ばね部５７ａの先端は、光ファイバ保持部材３２との係合を容易にするために、外側に屈曲していることが好ましい。

基底部５５は、さらに、支持部材５０を支持及び押圧し得る、光ファイバコネクタ固定用の爪部５６を有することが好ましい。爪部５６は、基底部５５から屈曲した屈曲部５６ａを有し、屈曲部５６ａは、その先端が、さらに屈曲部５６ａから屈曲した鉤部５６ｂを有する。屈曲部５６ａは、爪部５６よりも幅広であることが好ましく、支持する光ファイバコネクタの直径よりも幅広であることが好ましい。鉤部５６ｂは、屈曲部５６ａに対して垂直方向に向かって延長していることが好ましい。光ファイバコネクタ５４の鍔部５０ａが、その表面に凹部５０ｂを有する場合に、その凹部５０ｂに鉤部５６ｂを係合させることができ、締結部材５１を光ファイバコネクタ５４に強固に締結することができる。

このように、本実施形態の発光装置を備えることにより、発光装置にて光ファイバ入射角度を容易かつ確実に制御することができ、その結果、光ファイバ出射端から出射される光の発散角を正確に制御することが可能となる。そのために、レーザ装置１０から出射した光の一部、つまり、規定外の光ファイバ入射角度の成分を除去し、近年のレーザ装置におけるレーザ素子の高出力化によってもたらされた課題である、光学横倍率Ｍをより小さな値に設定することが可能となる。

本発明の発光装置は、各種表示装置、照明器具、ディスプレイ、液晶ディスプレイのバックライト光源、さらには、コピー機、スキャナ等における画像読取装置、プロジェクタ装置、レーザディスプレイ、内視鏡、車載用ヘッドライト、バーコードスキャナ等に好適に利用することができる。

１ レーザ素子
２ パッケージ
２Ａ 基部
２Ｂ キャップ
３ サブマウント
５ リード
１０ レーザ装置
２０ 鏡筒付きレンズ
２０ａ 鏡筒
２０ｂ レンズ
３０ スペーサ
３０ａ アパーチャー
３１ 保持部材
３２ 光ファイバ保持部材
４０ 発光装置
５０ 支持部材
５０ａ 鍔部
５０ｂ 凹部
５１ 締結部材
５２ 光ファイバ
５３ フェルール
５４ 光ファイバコネクタ
５５ 基底部
５５ａ スリット
５６ 爪部
５６ａ 屈曲部
５６ｂ 鉤部
５７ 係止部
５７ａ ばね部
Ｑ 光入射面
Ｘ 光出射側主点
Ｙ 光入射側主点
Ｚ 光出射面

Claims (7)

1. レーザ装置、
   該レーザ装置の光出射側に配置された鏡筒付きレンズ、
   前記レーザ装置と前記鏡筒付きレンズとの間に、これらレーザ装置及び鏡筒付きレンズと接触して配置され、前記レーザ装置からの出射光の一部のみを通過させるアパーチャーを備えたスペーサ、
   前記レーザ装置、前記スペーサ及び前記鏡筒付きレンズを保持する保持部材及び
   該保持部材の一端に配置された光ファイバ保持部材を備え、
   前記保持部材は、前記鏡筒付きレンズの光出射側の角部と接触する第１の段差と、前記スペーサの光出射側の角部と接触する第２の段差とを有している発光装置。
2. 前記レーザ装置の光出射面から前記レンズの光入射側主点までの距離をＬ１、前記レンズの光出射側主点から前記光ファイバ保持部材内までの距離をＬ２とした場合、Ｌ２がＬ１よりも大きな値に設定されている請求項１に記載の発光装置。
3. 前記発光装置の光学横倍率Ｍは、Ｌ２／Ｌ１によって表され、その値が３．５以下である請求項２に記載の発光装置。
4. 前記アパーチャー通過後の前記レーザ装置からの出射光の前記レンズの光入射側主点への光入射角度の最大値θ１が、断面視において、２０°より小さい値に設定されている請求項１又は２に記載の発光装置。
5. 前記レンズの光出射側主点から前記光ファイバ保持部材内への光入射角度の最大値θ２が、断面視において、前記θ１よりも小さい値に設定されている請求項４に記載の発光装置。
6. 前記発光装置の光学横倍率Ｍは、θ１／θ２によって表され、その値が３．５以下である請求項５に記載の発光装置。
7. 前記スペーサの前記アパーチャーは、前記レーザ装置からの出射光の前記レンズの光入射側主点への光入射角度θ１が、断面視において、２０°より小さい値となる大きさに設定されている請求項１～６のいずれか１つに記載の発光装置。

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