JP7424978B2 - 光学ガラス、プリフォーム及び光学素子 - Google Patents
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Description
具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
SiO2成分を0%超35.0%以下、
B2O3成分を0%超35.0%以下、
La2O3成分を20.0%超65.0%以下、
Al2O3成分を0%超30.0%以下、
含有し、
1.70以上の屈折率(nd)を有し、35以上55以下のアッベ数(νd)を有し、
粉末法による化学的耐久性(耐酸性)がクラス1~4である光学ガラス。
Y2O3成分 0~25.0%未満、
Gd2O3成分 0~40.0%未満、
Yb2O3成分 0~10.0%未満、
Lu2O3成分 0~10.0%未満、
MgO成分 0~10.0%未満、
CaO成分 0~10.0%未満、
SrO成分 0~10.0%未満、
BaO成分 0~10.0%未満、
Li2O成分 0~5.0%未満、
Na2O成分 0~10.0%未満、
K2O成分 0~10.0%未満、
TiO2成分 0~15.0%未満、
Nb2O5成分 0~15.0%未満、
ZrO2成分 0~15.0%未満、
Ta2O5成分 0~10.0%未満、
WO3成分 0~10.0%未満、
ZnO成分 0~30.0%未満、
P2O5成分 0~10.0%未満、
GeO2成分 0~10.0%未満、
Ga2O3成分 0~10.0%未満、
Bi2O3成分 0~10.0%未満、
TeO2成分 0~10.0%未満、
SnO2成分 0~3.0%未満、
Sb2O3成分 0~1.0%未満
であり、
上記各元素の1種又は2種以上の酸化物の一部又は全部と置換した弗化物のFとしての含有量が0~10.0質量%未満である(1)記載の光学ガラス。
Ln2O3成分(式中、LnはLa、Gd、Y、Yb、Luからなる群より選択される1種以上)の含有量の和が40.0%以上70.0%以下であり、
RO成分(式中、RはMg、Ca、Sr、Ba、Znからなる群より選択される1種以上)の含有量の和が0~10.0%未満であり、
Rn2O成分(式中、RnはLi、Na、Kからなる群より選択される1種以上)の含有量の和が0~10.0%未満である(1)から(5)のいずれか記載の光学ガラス。
本発明の光学ガラスを構成する各成分の組成範囲を以下に述べる。本明細書中において、各成分の含有量は、特に断りがない場合、全て酸化物換算組成の全質量に対する質量%で表示されるものとする。ここで、「酸化物換算組成」は、本発明のガラス構成成分の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が熔融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総質量を100質量%として、ガラス中に含有される各成分を表記した組成である。
SiO2成分は、ガラス形成酸化物として必須の成分である。特に、SiO2成分を0%超含有することで、ガラスの化学的耐久性、特に耐酸性を向上でき、また、ガラスの安定性を高めて量産に耐えるガラスを得易くする成分である。また、熔融ガラスの粘度を高め、ガラスの着色を低減することができる。従って、SiO2成分の含有量は、好ましくは0%超、より好ましくは1.0%超、さらに好ましくは3.0%超、さらに好ましくは5.0%超、さらに好ましくは7.0%超、さらに好ましくは10.0%超とする。
他方で、SiO2成分の含有量を35.0%以下にすることで、ガラス転移点の上昇を抑えられ、且つ屈折率の低下を抑えられる。従って、SiO2成分の含有量は、好ましくは35.0%以下、より好ましくは30.0%未満、さらに好ましくは27.0%未満、さらに好ましくは24.0%未満、さらに好ましくは21.0%未満、さらに好ましくは18.0%未満とする。
他方で、B2O3成分の含有量を35.0%以下にすることで、より大きな屈折率を得易くでき、且つ化学的耐久性の悪化、特に耐酸性の悪化を抑えられる。従って、B2O3成分の含有量は、好ましくは35.0%以下、より好ましくは30.0%未満、さらに好ましくは27.0%未満、さらに好ましくは25.0%未満、さらに好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは18.0%未満、さらに好ましくは15.0%未満とする。
他方で、La2O3成分の含有量を65.0%以下にすることで、ガラスの安定性を高めることで失透を低減できる。また、ガラス原料の熔解性を高められる。従って、La2O3成分の含有量は、好ましくは65.0%以下、より好ましくは60.0%未満、さらに好ましくは58.0%未満、さらに好ましくは55.0%未満、さらに好ましくは53.0%未満、さらに好ましくは50.0%未満とする。
他方で、Al2O3成分の含有量を30.0%以下にすることで、ガラスの液相温度を下げて耐失透性を高められる。従って、Al2O3成分の含有量は、それぞれ好ましくは30.0%以下、より好ましくは25.0%未満、さらに好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは15.0%未満、さらに好ましくは13.0%未満とする。
他方で、Y2O3成分の含有量を25.0%未満にすることで、ガラスの屈折率の低下を抑えられ、且つガラスの安定性を高められる。また、ガラス原料の熔解性の悪化を抑えられる。従って、Y2O3成分の含有量は、好ましくは25.0%未満、より好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは18.0%未満、さらに好ましくは16.0%未満とする。
しかしながら、Gd2O3成分は原料価格が高く、その含有量が多いと生産コストが上昇し、且つ、ガラスの比重が増大する。従って、Gd2O3成分の含有量は、好ましくは40.0%未満、より好ましくは30.0%未満、さらに好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満とする。
しかしながら、Yb2O3成分及びLu2O3成分は原料価格が高く、その含有量が多いと生産コストが上昇し、且つ、ガラスの比重が増大する。従って、Yb2O3成分及びLu2O3成分の含有量は、それぞれ好ましくは10.0%未満、より好ましくは7.0%未満、さらに好ましくは4.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。特に材料コストを低減させる観点では、これらの成分を含有しないことが最も好ましい。
他方で、MgO成分、CaO成分、SrO成分及びBaO成分の含有量をそれぞれ10.0%未満にすることで、屈折率の低下を抑えることができ、且つこれらの成分の過剰な含有による失透を低減できる。従って、MgO成分、CaO成分、SrO成分及びBaO成分の含有量は、それぞれ好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%以下、さらに好ましくは1.0%未満とする。特に屈折率の高いガラスを得る観点では、これらの成分を含有しないことが最も好ましい。
他方で、Li2O成分の含有量を5.0%未満にすることで、ガラスの屈折率を低下し難くし、且つガラスの失透を低減できる。従って、Li2O成分の含有量は、好ましくは5.0%未満、より好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.3%未満とする。
他方で、Na2O成分及びK2O成分の含有量をそれぞれ10.0%未満にすることで、ガラスの屈折率を低下し難くし、且つガラスの失透を低減できる。従って、Na2O成分及びK2O成分の含有量は、それぞれ好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満とする。
他方で、TiO2成分の含有量を15.0%未満にすることで、TiO2成分の過剰な含有による失透を低減でき、ガラスの可視光(特に波長500nm以下)に対する透過率の低下を抑えられる。また、これによりアッベ数の低下を抑えられる。従って、TiO2成分の含有量は、好ましくは15.0%未満、より好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは8.0%未満、さらに好ましくは5.0%以下、さらに好ましくは3.0%以下とする。
他方で、Nb2O5成分の含有量を15.0%未満にすることで、ガラスの材料コストを抑えられ、アッベ数の低下を抑えられる。また、Nb2O5成分の過剰な含有による失透を低減でき、且つ、ガラスの可視光(特に波長500nm以下)に対する透過率の低下を抑えられる。従って、Nb2O5成分の含有量は、好ましくは15.0%未満、より好ましくは12.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満とする。
他方で、ZrO2成分の含有量を15.0%未満にすることで、ZrO2成分の過剰な含有による失透を低減できる。従って、ZrO2成分の含有量は、好ましくは15.0%未満、より好ましくは12.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満、さらに好ましくは7.0%未満とする。
しかしながら、Ta2O5成分は原料価格が高く、その含有量が多いと生産コストが上昇する。また、Ta2O5成分の含有量を10.0%未満にすることで、原料の熔解温度が低くなり、原料の熔解に要するエネルギーが低減されるため、光学ガラスの製造コストも低減できる。従って、Ta2O5成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。特に材料コストを低減させる観点では、Ta2O5成分を含有しないことが最も好ましい。
他方で、WO3成分の含有量を10.0%未満にすることで、ガラスの材料コストを抑えられ、アッベ数の低下を抑えられる。また、WO3成分によるガラスの着色を低減して可視光透過率を高められる。従って、WO3成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
他方で、ZnO成分の含有量を30.0%未満にすることで、ガラスの屈折率の低下を抑えられ、且つ、過剰な粘性の低下による失透を低減できる。従って、ZnO成分の含有量は、好ましくは30.0%未満、より好ましくは25.0%未満、さらに好ましくは22.0%未満、さらに好ましくは20.0%未満、さらに好ましくは15.0%未満、さらに好ましくは10.0%未満とする。
他方で、P2O5成分の含有量を10.0%未満にすることで、ガラスの化学的耐久性、特に耐水性の低下を抑えられる。従って、P2O5成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
しかしながら、GeO2は原料価格が高く、その含有量が多いと生産コストが上昇する。従って、GeO2成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。特に、材料コストを低減させる観点では、GeO2成分を含有しなくてもよい。
他方で、Ga2O3成分の含有量を10.0%未満にすることで、ガラスの液相温度を下げて耐失透性を高められる。従って、Ga2O3成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
他方で、Bi2O3成分の含有量を10.0%未満にすることで、ガラスの液相温度を下げて耐失透性を高められる。従って、Bi2O3成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
他方で、TeO2は白金製の坩堝や、熔融ガラスと接する部分が白金で形成されている熔融槽でガラス原料を熔融する際、白金と合金化しうる問題がある。従って、TeO2成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
他方で、SnO2成分の含有量を3.0%未満にすることで、熔融ガラスの還元によるガラスの着色や、ガラスの失透を低減できる。また、SnO2成分と熔解設備(特にPt等の貴金属)の合金化が低減されるため、熔解設備の長寿命化を図れる。従って、SnO2成分の含有量は、好ましくは3.0%未満、より好ましくは1.0%未満、さらに好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.1%未満とする。
他方で、Sb2O3量が多すぎると、可視光領域の短波長領域における透過率が悪くなる。従って、Sb2O3成分の含有量は、好ましくは1.0%未満、より好ましくは0.5%未満、さらに好ましくは0.3%未満とする。
しかし、F成分の含有量、すなわち上述した各金属元素の1種又は2種以上の酸化物の一部又は全部と置換した弗化物のFとしての合計量が10.0%を超えると、F成分の揮発量が多くなるため、安定した光学恒数が得られ難くなり、均質なガラスが得られ難くなる。
従って、F成分の含有量は、好ましくは10.0%未満、より好ましくは5.0%未満、さらに好ましくは3.0%未満、さらに好ましくは1.0%未満とする。
特に、この比率SiO2/B2O3を0.15以上にすることで、ガラスの安定性を高められ、また、ガラスの化学的耐久性、特に耐酸性を向上できる。本願発明のガラスは、このようにB2O3成分の含有量が相対的に少なく、SiO2成分の含有量が相対的に多くても、ガラス化させることが可能である。従って、質量比SiO2/B2O3は、好ましくは0.15以上、より好ましくは0.30以上、さらに好ましくは0.50以上、さらに好ましくは0.60以上、さらに好ましくは0.70以上にしてもよい。
他方で、この比率SiO2/B2O3を10.00以下とすることで、ガラス転移点の上昇を抑えられるため、より低温で成形し易くできる。従って、質量比SiO2/B2O3は、好ましくは10.00以下、より好ましくは7.00以下、さらに好ましくは5.00以下、さらに好ましくは4.65以下とする。
特に、この和を15.0%以上にすることで、ガラスのネットワーク構造が形成されるため、安定なガラスを形成することができる。従って、質量和B2O3+SiO2は、好ましくは15.0%以上、より好ましくは18.0%超、さらに好ましくは20.0%以上とする。
他方で、この和を40.0%以下にすることで、これらの成分の過剰な含有による屈折率の低下を抑えられる。また、ガラスの化学的耐久性、特に耐酸性を向上できる。従って、質量和B2O3+SiO2は、好ましくは40.0%以下、より好ましくは38.0%未満、さらに好ましくは35.0%未満、さらに好ましくは32.0%未満、さらに好ましくは30.0%未満とする。
特に、この和を15.0%以上にすることで、より安定なガラスにすることができる。従って、質量和SiO2+B2O3+Al2O3は、好ましくは15.0%以上、より好ましくは18.0%超、さらに好ましくは20.0%超、さらに好ましくは22.0%超、さらに好ましくは25.0%超とする。
他方で、この和を50.0%未満にすることで、これらの成分の過剰な含有による屈折率の低下を抑えられる。従って、質量和SiO2+B2O3+Al2O3は、好ましくは50.0%未満、より好ましくは47.0%未満、さらに好ましくは44.0%未満、さらに好ましくは42.0%未満、さらに好ましくは39.0%未満とする。
特に、この比率を0.30超にすることで、ガラスの化学的耐久性、特に耐酸性を向上できる。従って、質量比(SiO2+Al2O3)/B2O3は、好ましくは0.30超、より好ましくは0.45超、さらに好ましくは0.60超、さらに好ましくは0.90超とする。
他方で、この比率を10.00以下にすることで、より安定なガラスにすることができる。従って、質量比(SiO2+Al2O3)/B2O3は、好ましくは10.00以下、より好ましくは10.00以下、さらに好ましくは8.00以下、さらに好ましくは6.00以下、さらに好ましくは5.50以下とする。
特に、この和を40.0%以上にすることで、ガラスの屈折率及びアッベ数が高められるため、所望の屈折率及びアッベ数を有するガラスを得易くすることができる。従って、Ln2O3成分の質量和は、好ましくは40.0%以上、より好ましくは43.0%超、さらに好ましくは45.0%以上、さらに好ましくは47.0%超とする。
他方で、この和を70.0%以下にすることで、ガラスの液相温度が低くなるため、ガラスの失透を低減できる。従って、Ln2O3成分の質量和は、好ましくは70.0%以下、より好ましくは65.0%未満、より好ましくは64.0%未満、さらに好ましくは63.0%未満とする。
特に、この質量比を0.30超にすることで、ガラスの屈折率及びアッベ数を高められる。従って、質量比Ln2O3/(SiO2+B2O3+Al2O3)は、好ましくは0.30超、より好ましくは0.50超、さらに好ましくは0.80超、さらに好ましくは1.00超、さらに好ましくは1.27以上、さらに好ましくは1.35以上、さらに好ましくは1.50以上とする。
他方で、この質量比を10.00以下にすることで、ガラスの安定性を高めることができる。従って、質量比Ln2O3/(SiO2+B2O3+Al2O3)は、好ましくは10.00以下、より好ましくは5.00以下、さらに好ましくは3.00以下、さらに好ましくは2.60以下、さらに好ましくは2.30以下、さらに好ましくは2.10以下とする。
この質量比を0.80以上6.00以下の範囲内にすることで、ガラスの化学的耐久性、特に耐酸性を向上することができる。従って、質量比(SiO2+Al2O3+Ln2O3)/(RO+Rn2O+ZnO+B2O3+nd×10)は、好ましくは0.80、より好ましくは1.00、さらに好ましくは1.20、さらに好ましくは1.50、さらに好ましくは1.80を下限とし、好ましくは6.00、より好ましくは5.50、さらに好ましくは5.00を上限とする。
他方で、この質量比を1.00以下にすることで、ガラス原料の熔融性の悪化や、過剰な粘性の上昇を抑えることができる。従って、(Al2O3/Ln2O3)の質量比は、好ましくは1.00以下、より好ましくは0.50以下、さらに好ましくは0.0.30以下、さらに好ましくは0.25以下、さらに好ましくは0.20以下としてもよい。
なお、RO成分を含有しない場合であっても、化学的耐久性を向上させる効果は得られるため、(Ln2O3/RO)の質量比の上限値は、無限大としてもよい。
なお、Rn2O成分を含有しない場合であっても、化学的耐久性を向上させる効果は得られるため、(Ln2O3/Rn2O)の質量比の上限値は、無限大としてもよい。
他方で、この質量和を40.0%以下にすることで、ガラス原料の熔融性の悪化や、過剰な粘性の上昇を抑えることができる。従って(SiO2+Al2O3)の質量和は、好ましくは40.0%以下、より好ましくは45.0%以下、より好ましくは35.0%以下、さらに好ましくは30.0%以下としてもよい。
次に、本発明の光学ガラスに含有すべきでない成分、及び含有することが好ましくない成分について説明する。
本発明の光学ガラスは、例えば以下のように作製される。すなわち、上記原料を各成分が所定の含有量の範囲内になるように均一に混合し、作製した混合物を白金坩堝に投入し、ガラス原料の熔解難易度に応じて電気炉で1100~1500℃の温度範囲で2~5時間熔解させて攪拌均質化した後、適当な温度に下げてから金型に鋳込み、徐冷することにより作製される。
本発明の光学ガラスは、高屈折率及び高アッベ数(低分散)を有することが好ましい。特に、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は、好ましくは1.70、より好ましくは1.73、さらに好ましくは1.75を下限とする。本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は、好ましくは2.00、より好ましくは1.95、さらに好ましくは1.90を上限としてもよい。また、本発明の光学ガラスのアッベ数(νd)は、好ましくは35、より好ましくは38、さらに好ましくは40、さらに好ましくは42を下限とする。本発明の光学ガラスのアッベ数(νd)は、好ましくは55、より好ましくは53、さらに好ましくは51を上限とする。
このような高屈折率を有することで、光学素子の薄型化を図っても大きな光の屈折量を得ることができる。また、このような低分散を有することで、単レンズとして用いたときに光の波長による焦点のずれ(色収差)を小さくできる。そのため、例えば高分散(低いアッベ数)を有する光学素子と組み合わせて光学系を構成した場合に、その光学系の全体として収差を低減させて高い結像特性等を図ることができる。
このように、本発明の光学ガラスは、光学設計上有用であり、特に光学系を構成したときに、高い結像特性等を図りながらも、光学系の小型化を図ることができ、光学設計の自由度を広げることができる。
従って、本発明の光学ガラスでは、屈折率(nd)及びアッベ数(νd)が、nd≧(-0.01νd+2.15)の関係を満たすことが好ましく、nd≧(-0.01νd+2.20)の関係を満たすことがより好ましく、nd≧(-0.01νd+2.22)の関係を満たすことがさらに好ましい。
一方で、本発明の光学ガラスでは、屈折率(nd)及びアッベ数(νd)が、nd≦(-0.01νd+2.35)の関係を満たすことが好ましく、nd≦(-0.01νd+2.30)の関係を満たすことがより好ましく、nd≦(-0.01νd+2.28)の関係を満たすことがさらに好ましい。
本発明の光学ガラスの比重は、日本光学硝子工業会規格JOGIS05-1975「光学ガラスの比重の測定方法」に基づいて測定する。
他方で、d×RAの下限については、概ね2.0以上、より詳細には3.0以上、さらに詳細には4.0以上であることが多い。
作製された光学ガラスから、例えば研磨加工の手段、又は、リヒートプレス成形や精密プレス成形等のモールドプレス成形の手段を用いて、ガラス成形体を作製することができる。すなわち、光学ガラスに対して研削及び研磨等の機械加工を行ってガラス成形体を作製したり、光学ガラスからモールドプレス成形用のプリフォームを作製し、このプリフォームに対してリヒートプレス成形を行った後で研磨加工を行ってガラス成形体を作製したり、研磨加工を行って作製したプリフォームや、公知の浮上成形等により成形されたプリフォームに対して精密プレス成形を行ってガラス成形体を作製したりすることができる。なお、ガラス成形体を作製する手段は、これらの手段に限定されない。
Claims (9)
- 質量%で、
SiO2成分を0%超35.0%以下、
B2O3成分を0%超35.0%以下、
La2O3成分を20.0%超65.0%以下、
Al2O3成分を0%超30.0%以下、
TiO2成分を1.50%以下、
WO3成分を1.0%未満
含有し、
B2O3成分、SiO2成分及びAl2O3成分の含有量の和に対するLn2O3成分の含有量の和の比率である質量比Ln2O3/(SiO2+B2O3+Al2O3)が1.50以上2.019以下であり(式中、LnはLa、Gd、Y、Yb、Luからなる群より選択される1種以上)、
1.70以上の屈折率(nd)を有し、45.0以上55以下のアッベ数(νd)を有し、
粉末法による化学的耐久性(耐酸性)がクラス1~4である光学ガラス。 - 質量%で、
Y2O3成分 0~25.0%未満、
Gd2O3成分 0~40.0%未満、
Yb2O3成分 0~10.0%未満、
Lu2O3成分 0~10.0%未満、
MgO成分 0~10.0%未満、
CaO成分 0~10.0%未満、
SrO成分 0~10.0%未満、
BaO成分 0~10.0%未満、
Li2O成分 0~5.0%未満、
Na2O成分 0~10.0%未満、
K2O成分 0~10.0%未満、
Nb2O5成分 0~15.0%未満、
ZrO2成分 0~15.0%未満、
Ta2O5成分 0~10.0%未満、
ZnO成分 0~30.0%未満、
P2O5成分 0~10.0%未満、
GeO2成分 0~10.0%未満、
Ga2O3成分 0~10.0%未満、
Bi2O3成分 0~10.0%未満、
TeO2成分 0~10.0%未満、
SnO2成分 0~3.0%未満、
Sb2O3成分 0~1.0%未満
であり、
上記各元素の1種又は2種以上の酸化物の一部又は全部と置換した弗化物のFとしての含有量が0~10.0質量%未満である請求項1記載の光学ガラス。 - 質量和SiO2+B2O3が15.0%以上38.0%未満である請求項1又は2に記載の光学ガラス。
- 質量和SiO2+B2O3+Al2O3が15.0%以上40.00%以下である請求項1から3のいずれかに記載の光学ガラス。
- 質量比(SiO2+Al2O3)/B2O3が0.30超10.00以下である請求項1から4のいずれか記載の光学ガラス。
- 質量%で、
Ln2O3成分(式中、LnはLa、Gd、Y、Yb、Luからなる群より選択される1種以上)の含有量の和が40.0%以上70.0%以下であり、
RO成分(式中、RはMg、Ca、Sr、Baからなる群より選択される1種以上)の含有量の和が0~10.0%未満であり、
Rn2O成分(式中、RnはLi、Na、Kからなる群より選択される1種以上)の含有量の和が0~10.0%未満である請求項1から5のいずれか記載の光学ガラス。 - 請求項1から6のいずれか記載の光学ガラスからなるプリフォーム。
- 請求項1から6のいずれか記載の光学ガラスからなる光学素子。
- 請求項8に記載の光学素子を備える光学機器。
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