JPWO2011096171A1 - 発光装置およびこれを用いた面光源装置 - Google Patents
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Abstract
高輝度で、輝度ばらつきを抑制した、均一な白色光を照射するための発光装置を実現する。基板１０５上に、発光素子１０１を実装して、均一な厚みの波長変換層１０６で覆った後、光反射材を含有した透光性樹脂からなる光散乱層１０７を形成する。光散乱層１０７として、発光素子１０１の発光面の中心部分の直上には光反射材の密度の高い領域１０９を、発光素子の発光面の中心部分の直上の周辺には光反射材の密度の低い領域１１０を設置し、さらに透光性樹脂層１０８を形成している。
Description
本発明は、発光装置及びこれを用いた面光源装置に関し、特に半導体発光素子と波長変換層を備えた発光装置及び面光源装置に関するものである。
近年、小型で長寿命かつ低消費電力の半導体発光素子を有する発光装置が、多くの照明用途に使用されている。さらに、半導体発光素子と、発光素子の光を吸収し別の色の光に波長変換させることができる、例えば蛍光体との組み合わせによって、白色光を得る発光装置が幅広く開発・製品化されてきている。白色光を得ることができる発光装置は、薄型液晶テレビの液晶パネルのバックライト光源として、急速に導入されてきている。このような用途に対し、発光装置には、小型で高輝度という特性だけでなく、より広い範囲に均一な白色光を照射することが求められてきている。従来、均一な白色光を実現する、いわゆる色ムラ低減を実現する発光装置が、例えば特許文献１に記載されている。
この特許文献１には、図１０に示すように発光素子１からの出射光を蛍光材料含有樹脂２で変換する場合に、各方向での出射光に対する蛍光材料含有樹脂２の厚みを均一にすることで、発光素子１から出射される第一の光の量と波長変換された第二の光の量とが、発光装置の外側から見て各方向のそれぞれにおいて等しくなるようにしている。それによって、例えば第一の光である青色と第二の光である黄色の混色となる白色が、均一になるようにしている。
また、色の均一化を実現する別の構成が、特許文献２に記載されている。
特許文献２では、図１１に示すように発光素子１１の少なくとも上面を覆う蛍光体樹脂部１２と、さらにその上に透光性樹脂部（光拡散層）１３を形成し、発光素子１１から出射される第一の光と、波長変換された第二の光とが、透光性樹脂部（光拡散層）１３を通過し散乱されることにより、混色が進み色ムラを低減することができる。
しかしながら、特許文献１の構成の場合、一般に発光素子は基板に平行な面で発光する構造で、高輝度の発光素子になるほど中心部での発光強度が高く、蛍光体層の厚みを均一にしても、発光装置外部からみると中央部の光の色としては、発光素子の色の方が波長変換される光の色よりも強くなってしまう。従って、青色発光の発光素子と青色を黄色に波長変換する蛍光体との組合せの場合、発光素子中央部に相当する部分は青色が強い白色となる。さらに上述の通り、中央部の発光強度が高いため、色ムラだけでなく輝度ばらつきが顕著になってしまう。
一方、特許文献２の構成の場合、光拡散層で発光素子の光と蛍光体で変換された光はランダムに混色され色ムラは低減されるが、発光素子を覆う光拡散層により中央部よりも低い光強度の発光素子周囲では、光散乱によってさらに出射光量が弱くなるため、輝度のばらつきが大きくなる。
そこで本発明は、高輝度の発光素子を使用した発光装置において、輝度のばらつきを抑制し、色ムラの小さい均一な白色光を得ることができる発光装置およびこれを用いた面光源装置を提供することを目的とする。
本発明の発光装置は、実装基板と、少なくとも一つ以上の半導体発光素子と、前記半導体発光素子から出射される第一の光を吸収し前記第一の光よりも長波長の第二の光を発光する機能を有する、少なくとも一種類の物質を含む波長変換層と、前記第一の光と前記第二の光とを反射する反射材を含む光散乱層とを有し、前記光散乱層は前記半導体発光素子の発光面の上部に設置され、かつ前記光散乱層内での前記反射材の分布において、前記半導体発光素子の発光面の中心部分の直上領域における密度が、前記発光面の中心部分の直上領域以外における密度よりも高いことを特徴とする。
前記反射材が絶縁体もしくは金属からなっていてもよい。
また、前記波長変換層は蛍光体を含有していてもよい。
また、前記実装基板が前記第一の光と前記第二の光とを反射する金属あるいは絶縁材からなっていてもよい。
また、前記半導体発光素子の周囲に、前記第一の光と前記第二の光とを反射する機能を有する反射部を設置していてもよい。
また、前記半導体発光素子の周囲に、前記半導体発光素子の前記発光面以外の部分の一部と接するように、前記第一の光と前記第二の光とを透過する層を形成していてもよい。
また、前記第一の光と前記第二の光とを集光あるいは拡散させるレンズを有していてもよい。
また、前記半導体発光素子が窒化物半導体からなっていてもよい。
本発明の面光源装置は、前記発光装置が、縦列及び横列に所定の間隔で配置されていることを特徴とする。
本発明は、発光素子の発光面の直上に高い密度で設置した光反射材によって、発光素子からの光と波長変換層からの光とを散乱させることで、発光素子直上に集中する光量と発光素子からの色を拡散させることができるので、輝度ばらつきを抑制した色ムラの小さい均一な光を得ることができる。
（実施の形態１）
図１を参照に実施の形態１に係る発光装置の構成について説明する。
図１を参照に実施の形態１に係る発光装置の構成について説明する。
発光装置１００は、セラミック基板１０５の上に発光素子１０１を搭載した構成を有している。セラミック基板１０５は、発光素子１０１の電極に対応した電極部１０２を上面に、貫通配線１０３を介して電極部１０２と電気的に接続された端子部１０４を下面に有している。発光素子１０１は、一方の面に正負の電極が形成されていて、フリップチップ接続によってセラミック基板１０５に実装されている。
ここで発光素子１０１は、サファイア基板やＳｉＣ基板、あるいはＧａＮ基板上に形成された窒化物半導体からなり、青色の光を発する特性を有している。またセラミック基板には光を反射する材料、例えば酸化チタン等が含有されていても良い。
次に、発光素子１０１よりも広い開口を有する第１のマスク（図示せず）を設置後、スクリーン印刷の工法で発光素子１０１を覆うように発光素子１０１を実装したセラミック基板１０５に蛍光体含有樹脂を印刷し、波長変換層１０６を形成している。蛍光体には、青色光を吸収して青色よりも波長の長い、例えば黄色発光をするＹＡＧ系蛍光体やシリケート蛍光体を使用しても良く、緑色発光や赤色発光をする酸化物、あるいは窒化物、または酸窒化物蛍光体を使用しても良い。また、例えば赤色蛍光体と緑色蛍光体のように、別々の光を発光する２種類以上の蛍光体を使用しても良い。樹脂には、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を使用してもよい。
次に発光素子１０１直上の波長変換層１０６の上に、発光素子１０１直上のみ開口を有する第２のマスク（図示せず）を介して光反射材として酸化チタンの微粒子を含有した透光性樹脂を印刷し光散乱層１０７を形成後、さらに広い第３のマスク（図示せず）を設置し光反射材を含まない透光性樹脂層１０８を印刷形成している。
透光性樹脂は、蛍光体含有樹脂に使用する、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を使用してもよい。印刷工法を使用することにより、各樹脂の領域はマスクの位置合わせ精度で決定されるため、発光素子１０１の発光面中心の直上に光反射材の密度の高い領域１０９を設置した発光装置１００を得ることができる。仮に印刷後の樹脂硬化の段階で、光散乱層１０７に変形が起こったとしても、第２のマスク寸法や効果条件の最適化によって、発光素子１０１の発光面中心の直上には光反射材の密度の高い領域１０９を確保することができる。
光散乱層１０７は光反射材の濃度が異なる２種類の透光性樹脂を用いて形成する。具体的には、まず光反射材の濃度が高い透光性樹脂を用いて、光反射材の密度の高い領域１０９を発光素子１０１の発光面中心の直上に印刷し、次に光反射材の濃度が低い透光性樹脂を用いて、光反射材の密度の高い領域１０９の周囲に光反射材の密度の低い領域１１０を印刷する。第２のマスクは少なくとも２種類あり、１つは発光素子１０１の発光面中心の直上に印刷するもの、もう１つは光反射材の密度の高い領域１０９の周囲に印刷するものである。また、光反射材の密度の低い領域１１０は、直上方向よりも平行方向（直上方向から９０°回転した方向）が厚く印刷される。
以上の構成により、発光素子１０１の発光面の中心部分の直上では、光反射材の密度の高い領域１０９が存していて、発光面の中心部分から発せられる強度の大きい光を、光反射材の密度の高い領域１０９が散乱させる。一方発光素子１０１の上方であっても光反射材の密度の高い領域１０９の周辺には光反射材の密度の低い領域１１０が存している。発光面の中心部分から外れた部分から発せられる光は相対的に強度が小さく、この相対的に強度の小さい光が光反射材の密度の低い領域１１０を通過するため、発光装置１００全体としては輝度ばらつきが抑制される。さらに光反射材によって発光素子の光と蛍光体からの光を散乱し混色させることができるため、発光装置１００外部から見た場合、均一な白色光を得ることが可能となる。
ここで発光素子１０１の発光面の中心部分の直上に光反射材の密度の高い領域１０９が存しているというのは、発光素子１０１を上から見たときに、少なくとも発光面の中心部分（発光面の一部であって中央に位置する部分）が、光反射材の密度の高い領域１０９によって覆われている状態のことである。
なお、本実施の形態では光反射材に酸化チタンを使用したが、光を反射あるいは散乱する材質、例えば金属粒子や他の絶縁体等であっても同じ効果を得ることができる。
また、蛍光体含有樹脂で形成される波長変換層や光拡散材を含む透光性樹脂層の形成方法として、スクリーン印刷工法を使用したが、例えばインクジェットやポッティング、あるいはマスクを介した吹きつけ等の工法で規定の領域に形成することも可能である。
また、波長変換層として蛍光体含有樹脂について説明したが、蛍光体を含有したセラミック基板等のシート状の蛍光体層を発光素子の発光面上に設置したり、蛍光体自体を発光素子の発光面上に付着させたりする構成においても、本発明を適用することで同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では青色発光の窒化物半導体発光素子と蛍光体との組合せの構成について説明したが、例えば紫外光発光の半導体発光素子と蛍光体との組合せで白色光を得る場合においても、輝度ばらつきを抑制し均一な色を得る、という効果は同じである。
（実施の形態２）
実施の形態１に対し、さらに発光素子からの光取出し効率を高めた構成について図２を参照しながら説明する。発光素子２０１を実装する発光装置２００は、発光素子２０１の一方の電極と電気的に接続される第１の金属フレーム２０３と、発光素子２０１の他方の電極と電気的に接続される第２の金属フレーム２０４とを有し、それぞれの金属フレーム２０３，２０４を固定するとともに発光素子２０１を囲み、光を反射させる反射面２０５を有する樹脂部２０６が形成されている。また、それぞれの金属フレーム２０３，２０４の表面は発光素子２０１が発する光と、後述の蛍光体から発せられた光とを反射する。
実施の形態１に対し、さらに発光素子からの光取出し効率を高めた構成について図２を参照しながら説明する。発光素子２０１を実装する発光装置２００は、発光素子２０１の一方の電極と電気的に接続される第１の金属フレーム２０３と、発光素子２０１の他方の電極と電気的に接続される第２の金属フレーム２０４とを有し、それぞれの金属フレーム２０３，２０４を固定するとともに発光素子２０１を囲み、光を反射させる反射面２０５を有する樹脂部２０６が形成されている。また、それぞれの金属フレーム２０３，２０４の表面は発光素子２０１が発する光と、後述の蛍光体から発せられた光とを反射する。
ここで、樹脂部２０６は光を反射する材料、例えば酸化チタン等が含有されていても良い。そして、発光素子２０１は第１の金属フレーム２０３上に設置され、発光素子の電極がワイヤ２０７によって、それぞれ第１の金属フレーム２０３、第２の金属フレーム２０４に電気的に接続されている。
次に発光素子２０１側面からの光を効率良く反射面２０５で反射させるために、発光素子２０１側面と反射面２０５間に透光性樹脂層２０８をポッティングで塗布形成し、その上に蛍光体含有樹脂によって波長変換層２０９を形成している。透光性樹脂層２０８によって、発光素子２０１と透光性樹脂層２０８を含めた領域が擬似的に発光部として機能する。
そして、発光素子２０１の発光面（上面）の中心部分の直上の波長変換層２０９上に、光反射材として酸化チタンの微粒子を含有した透光性樹脂をインクジェット工法により塗布することで光散乱層２１０を形成後、光反射材を含まない透光性樹脂層２１１で覆っている。インクジェット工法を使用することにより、実施の形態１のようにマスクを使用する必要が無いため、工程として簡素になる。またインクジェット吹きつけ後のにじみが発生しても、光反射材を含有する透光性樹脂のチクソ性、あるいは反射材の粒径等を最適化することによって、発光素子２０１の発光面の中心部分の直上に光反射材の密度が高い領域２１２を形成でき、発光素子２０１の発光面の中心部分の直上の周辺部では光反射材の密度の低い領域２１３を設置することができる。
本実施の形態の構成では、発光素子２０１側面から出射された光を効率良く発光装置２００上方へ取り出すための反射面２０５を有しているため、実施の形態１で示した効果に加え、高輝度で、輝度ばらつきも少なく、色ムラを抑制した発光装置を得ることができる。
なお、本実施の形態では透光性樹脂層２１１は波長変換層２０９を覆うだけの形状について説明したが、光の集光や分散の機能を有するレンズ形状であっても良い。特に本発明の発光装置を液晶パネル用面光源装置に使用する場合は、透光性樹脂層２１１を、配光特性を考慮した図３の発光装置２３０のようなレンズ形状にすると、広配光特性を実現することができる。
また、図３のような発光素子直上が窪んだレンズを設置する場合は、図４の発光装置２４０のように窪み２１４を利用しその中に光反射材を含有した透光性樹脂を塗布することによって、光散乱層２１０を形成しても良い。
（実施の形態３）
さらに高輝度を実現する構成として、複数の発光素子を設置した発光装置３００について、図５、図６を参照に説明する。ここでは、複数の発光素子３０１，３０１，‥を実装し、さらに発光装置として小型化を実現するために、発光素子間隔も狭くなっている。従って、発光素子３０１の上面と側面のスペースが小さいため、色ムラに対しては蛍光体含有樹脂の厚みの差よりも、発光素子３０１の強度分布が主要因となる。上面に電極部３０２、貫通配線３０３、下面に端子部３０４を有するセラミック基板３０５上に、複数の発光素子３０１をフリップチップ構成で実装している。
さらに高輝度を実現する構成として、複数の発光素子を設置した発光装置３００について、図５、図６を参照に説明する。ここでは、複数の発光素子３０１，３０１，‥を実装し、さらに発光装置として小型化を実現するために、発光素子間隔も狭くなっている。従って、発光素子３０１の上面と側面のスペースが小さいため、色ムラに対しては蛍光体含有樹脂の厚みの差よりも、発光素子３０１の強度分布が主要因となる。上面に電極部３０２、貫通配線３０３、下面に端子部３０４を有するセラミック基板３０５上に、複数の発光素子３０１をフリップチップ構成で実装している。
発光素子３０１を実装したセラミック基板３０５に、スクリーン印刷工法によって波長変換層３０６として蛍光体含有樹脂を印刷して硬化させた後、インクジェット工法によって光反射材を含有した透光性樹脂を塗布し硬化させることにより、光散乱層３０７を形成する。さらに光反射材を含まない透光性樹脂層３０８を塗布する。
本実施の形態の構成は、実施の形態１および２と同様に、複数の発光素子を使用した場合でも、発光面の中心部分の直上に光反射材の密度の高い領域３０９、発光素子３０１の発光面の中心部分の直上の周辺部では光反射材の密度の低い領域３１０を設置することにより、輝度ばらつきが抑制され均一な白色光を、高輝度で実現する発光装置を得ることができる。
（実施の形態４）
複数の発光素子を設置し、さらに光取出し効率を向上させる構成について図７を参照に説明する。発光装置４００は、複数の発光素子４０１，４０１を実装し電気的に接続される第１の金属フレーム４０２、第２の金属フレーム４０３と、発光素子４０１の別の電極と電気的に接続される第３の金属フレーム４０４とを有し、それぞれの金属フレームを固定するともに複数の発光素子４０１を囲み、光を反射させる反射面４０５を有する樹脂部４０６が形成されている。ここで、樹脂部４０６は光を反射する材料、例えば酸化チタン等が含有されていても良い。
複数の発光素子を設置し、さらに光取出し効率を向上させる構成について図７を参照に説明する。発光装置４００は、複数の発光素子４０１，４０１を実装し電気的に接続される第１の金属フレーム４０２、第２の金属フレーム４０３と、発光素子４０１の別の電極と電気的に接続される第３の金属フレーム４０４とを有し、それぞれの金属フレームを固定するともに複数の発光素子４０１を囲み、光を反射させる反射面４０５を有する樹脂部４０６が形成されている。ここで、樹脂部４０６は光を反射する材料、例えば酸化チタン等が含有されていても良い。
複数の発光素子４０１と金属フレーム４０２、４０３、４０４とはワイヤ４０７によって電気的に接続されている。また、発光素子４０１の電気的な接続は、直列であっても並列であってもよく、発光装置４００を適用する用途によって選択される。
次に、複数の発光素子４０１を覆うように蛍光体含有樹脂からなる波長変換層４０８を形成している。そしてインクジェット工法により、光反射材として酸化チタンの微粒子を含有した透光性樹脂を塗布し光散乱層４０９を形成する。複数の発光素子４０１、４０１のそれぞれの発光面の中心部分の直上には光反射材の密度の高い領域４１０、発光素子のそれぞれの発光面の中心部分の直上の周辺部では光反射材の密度の低い領域４１１を形成する。その後、光反射材を含まない透光性樹脂層４１２で覆っている。
本実施の形態の構成では、複数の発光素子４０１、４０１から横方向に出射された光は反射面４０５によって効率良く発光装置４００上方へ取り出されるため、実施の形態３に対しさらに高輝度で、輝度ばらつきが抑制され、均一な白色光を得る発光装置を実現することができる。
なお、本実施の形態では、透光性樹脂層４１２は波長変換層４０８を覆うだけの形状について説明したが、図８に示すように、透光性樹脂層４１２が光の集光や分散の機能を有するレンズ形状を有している発光装置４８０であってもよい。
また、実施の形態３や本実施の形態では、複数の発光素子の間隔が狭く、小型の発光装置であるため、発光装置としては点光源とみなせるが、実施の形態２のように複数の発光素子間や発光素子と反射面間に透光性樹脂を設置することで、さらに光源部分である複数の発光素子実装部の光分布を均一化することができる。
（実施の形態５）
上記の実施の形態に係る発光装置を用いた面光源装置について図９を参照に説明する。バックライト装置５００内には、液晶パネル５０１、液晶パネル背面に貼りつけられた調光部材５０２、調光部材と所定の間隔をあけて配置され、プリント基板５０３上に実装された発光装置５０４を有する面光源装置５０５が組み込まれている。調光部材５０２は、拡散板５０６、拡散シート５０７、第１の調光シート５０８、第２の調光シート５０９から構成されており、拡散板５０６は面光源装置５０５からの光を拡散させるために、表面が粗面化された樹脂製の板材である。
上記の実施の形態に係る発光装置を用いた面光源装置について図９を参照に説明する。バックライト装置５００内には、液晶パネル５０１、液晶パネル背面に貼りつけられた調光部材５０２、調光部材と所定の間隔をあけて配置され、プリント基板５０３上に実装された発光装置５０４を有する面光源装置５０５が組み込まれている。調光部材５０２は、拡散板５０６、拡散シート５０７、第１の調光シート５０８、第２の調光シート５０９から構成されており、拡散板５０６は面光源装置５０５からの光を拡散させるために、表面が粗面化された樹脂製の板材である。
バックライト装置５００は薄型化が要求されている。輝度ばらつきの少ない均一な白色を実現できる実施の形態１もしくは２の本発明の発光装置を、図９の面光源装置５０５に実装することにより、調光部材５０２と面光源装置５０５との間隔を狭くすると同時にパネル当たりの設置数も低減することができる。
したがって、セットの部材削減・コスト低減だけでなく、発光装置数低減による低消費電力化にも寄与することができる。また実施の形態３もしくは４で説明した発光装置を、点光源としてプリント基板５０３上に実装し、その上に広配光のためのレンズ（図示せず）を設置することで、より広い範囲で高輝度の均一の光を調光部材５０２に照射することができるため、さらに発光装置数低減が実現できる。
本発明は、半導体発光素子の光とその光を波長変換する蛍光体からの光を混色させ、輝度ばらつきを抑制し、色ムラの小さい均一な光を照射することが要求される照明用光源としての発光装置およびこれを用いた面光源装置に好適である。
１０１、２０１、３０１、４０１ 発光素子
１００、２００、２３０、２４０、３００、４００、４８０、５０４ 発光装置
１０２、３０２ 電極部
１０３、３０３ 貫通配線
１０４、３０４ 端子部
１０５、３０５ セラミック基板
１０６、２０９、３０６、４０８ 波長変換層
１０７、２１０、３０７、４０９ 光散乱層
１０８、２０８、２１１、３０８、４１２ 透光性樹脂層
１０９、２１２、３０９、４１０ 光反射材の密度の高い領域
１１０、２１３、３１０、４１１ 光反射材の密度の低い領域
２０５、４０５ 反射面
２０６、４０６ 樹脂部
２１４ 窪み
５００ バックライト装置
５０１ 液晶パネル
５０２ 調光部材
５０５ 面光源装置
１００、２００、２３０、２４０、３００、４００、４８０、５０４ 発光装置
１０２、３０２ 電極部
１０３、３０３ 貫通配線
１０４、３０４ 端子部
１０５、３０５ セラミック基板
１０６、２０９、３０６、４０８ 波長変換層
１０７、２１０、３０７、４０９ 光散乱層
１０８、２０８、２１１、３０８、４１２ 透光性樹脂層
１０９、２１２、３０９、４１０ 光反射材の密度の高い領域
１１０、２１３、３１０、４１１ 光反射材の密度の低い領域
２０５、４０５ 反射面
２０６、４０６ 樹脂部
２１４ 窪み
５００ バックライト装置
５０１ 液晶パネル
５０２ 調光部材
５０５ 面光源装置
Claims (9)
- 実装基板と、
少なくとも一つ以上の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射される第一の光を吸収し前記第一の光よりも長波長の第二の光を発光する機能を有する、少なくとも一種類の物質を含む波長変換層と、
前記第一の光と前記第二の光とを反射する反射材を含む光散乱層と
を有し、
前記光散乱層は前記半導体発光素子の発光面の上部に設置され、かつ前記光散乱層内での前記反射材の分布において、前記半導体発光素子の発光面の中心部分の直上領域における密度が、前記発光面の中心部分の直上領域以外における密度よりも高いことを特徴とする発光装置。 - 前記反射材が絶縁体もしくは金属からなることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記波長変換層は蛍光体を含有していることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発光装置。
- 前記実装基板が前記第一の光と前記第二の光とを反射する金属あるいは絶縁材からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
- 前記半導体発光素子の周囲に、前記第一の光と前記第二の光とを反射する機能を有する反射部を設置したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。
- 前記半導体発光素子の周囲に、前記半導体発光素子の前記発光面以外の部分の一部と接するように、前記第一の光と前記第二の光とを透過する層を形成したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。
- 前記第一の光と前記第二の光とを集光あるいは拡散させるレンズを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の発光装置。
- 前記半導体発光素子が窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の発光装置。
- 前記請求項１から８のいずれかに記載の複数の発光装置が、縦列及び横列に所定の間隔で配置されていることを特徴とする面光源装置。
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-
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- 2011-02-01 TW TW100104030A patent/TW201133929A/zh unknown
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