KR100404208B1 - 투과형 광학 시스템 - Google Patents

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KR100404208B1
KR100404208B1 KR10-2001-0054167A KR20010054167A KR100404208B1 KR 100404208 B1 KR100404208 B1 KR 100404208B1 KR 20010054167 A KR20010054167 A KR 20010054167A KR 100404208 B1 KR100404208 B1 KR 100404208B1
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Abstract

고휘도 영상 구현을 위한 투과형 프로젝터의 광학 시스템에 관한 것으로서, 특히 투과형 프로젝션 시스템에 두 개의 광원과 삼각 프리즘 그리고, 기존의 보편적인 광학 부품을 사용해서 광학계를 구성함으로써, 광학계의 구성을 단순화하면서, 손실될 수 있는 빛을 삼각 프리즘과 미러를 이용하여 피드백시키므로 빛의 손실을 최소로 할 수 있다. 이로 인해 최대의 광 효율을 얻을 수 있으며, 고휘도의 영상을 만들어내는 효과를 볼 수 있다. 또한, 최종 출력단에 편광기를 배치하여 비편광 성분을 제거함으로써, 고선명한 화상을 구현할 수 있다.

Description

투과형 광학 시스템{transmission-type optic system}
본 발명은 고휘도 영상 구현을 위해 2개의 광원(light source)을 사용한 프로젝터의 투과형 광학 시스템에 관한 것이다.
최근 고해상도를 갖는 대형화면 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라 프로젝션(projection) 및 프로젝터(projector)에 대한 기대와 역할이 매우 증가되고 있다.
이때, 프로젝션 방식은 크게 투과형과 반사형으로 나눌 수 있다. 이 중 투과형 프로젝터를 위한 투과형 액정 패널은 고해상도로 갈수록 제한된 개구율로 인해 광 이용 효율이 상대적으로 떨어지게 되므로 스크린 상에서 고휘도 화상을 구현하는데 한계를 갖고 있다. 또한, 지금까지 알려진 기존의 투과형 프로젝터의 경우 도 1과 같이 한 개의 광원과 3개의 액정 패널을 사용하는 경우가 대부분이다.
도 1은 기존의 1개의 광원(Light source)과 3개의 투과형 액정 패널을 사용한 3판식 투과형 프로젝션 시스템의 기본 광학계이다.
도 1을 보면, 1개의 광원(101)으로부터 나온 광은 제 1 이색성 미러(dichroic mirror)(102)로 입사된다. 상기 제 1 이색성 미러(102)는 레드 빛은 반사하며, 시안(cyan) 빛은 투과시킨다. 상기 제 1 이색성 미러(102)에서 반사된 레드 빛은 다시 미러(103,104)에 의해 반사되어 레드 투과형 액정 패널(108)로 입사된다. 상기 레드 투과형 액정 패널(108)을 투과한 빛은 재결합기(111)로 입사된다.
한편, 상기 제 1 이색성 미러(102)를 투과한 시안 빛은 제 2 이색성 미러(105)를 거쳐 그린과 블루로 분리되어지고, 분리된 그린과 블루 빛은 각각의미러(106,107)에서 반사되어 각각 그린, 블루 투과형 액정 패널(109,110)로 입사된다. 상기 그린, 블루 투과형 액정 패널(109,110)을 투과한 빛은 상기 재결합기(111)로 입사된다.
이러한 과정을 통해, 상기 재결합기(111)에 의해 세가지 색이 결합된 후 프로젝션 렌즈를 거쳐 스크린에 투사된다.
그러나, 상기된 도 1과 같은 프로젝션 시스템에서는, 한 개의 광원으로부터 레드, 그린, 블루 세가지 색을 분리, 재합성 과정을 거쳐 풀 컬러를 만들어내야 하므로, 이용 가능한 광량에 제한을 갖게 되고, 이로 인해 스크린 상에서 고휘도 화상 표시가 어렵게 된다.
따라서, 이러한 고휘도 구현에 대한 문제점을 해결하기 위하여 도 1에서와 같은 일반적인 광학계에서 주로 사용되어지는 100W급 광원보다 밝기가 높은 램프(150∼200W)를 이용하거나 3패널 시스템에 2개의 광원을 이용하는 방법들이 제안되고 있다.
그러나, 이러한 방법들은 램프의 수명 제한 또는 복잡한 광학 시스템의 구성이 필요하고 고가의 부품들이 요구되는 단점을 가지면서도 광 이용 효율은 그다지 개선되지 않기 때문에 효과적인 접근 방법으로는 볼 수 없었다. 즉, 150∼200W급 광원의 수명은 약 2000∼3000시간 정도로서 기존의 100W급의 광원(8000∼10000시간)보다 상대적으로 짧다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은투과형 액정 패널을 사용한 프로젝션 및 프로젝터용 시스템에 두 개의 광원을 적용하고 삼각 프리즘을 이용하여 손실될 수 있는 광을 피드백함으로써, 100W급 광원과 기존에 주로 사용하던 보편적인 광학 부품을 사용하면서도 구성이 복잡하지 않고 고휘도, 고선명도의 화상을 얻을 수 있는 투과형 광학 시스템을 제공함에 있다.
도 1은 기존의 1개의 광원을 갖는 투과형 액정 패널 구조의 프로젝터의 광학계 구성을 보인 도면
도 2는 본 발명에 따른 2개의 광원을 갖는 투과형 액정 패널 구조의 프로젝터의 광학계 구성을 보인 도면
도 3은 도 2의 광학계에서 제 1 광 경로를 설명하기 위한 도면
도 4는 도 2의 광학계에서 제 2 광 경로를 설명하기 위한 도면
도 5는 도 2의 삼각 프리즘의 원리를 설명하기 위한 도면
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
201,207 : 광원 202,208 : 집광 렌즈
203,209 : PBS 어레이 204,210 : 삼각 프리즘
205,206,212,213 : 미러 211 : 이색성 미러
214,215,216 : 투과형 액정 패널 217 : 재결합기
218 : 편광기 219 : 투사 렌즈
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투과형 광학 시스템은, 비편광 빛을 발광하여 특정파로 편광하는 제 1 광원 및 편광 변환부와, 상기 제 1 광원 및 편광 변환부와 90도 각을 이루며, 비편광 빛을 발광하여 특정파로 편광하는 제 2 광원 및 편광 변환부와, 상기 1 광원 및 편광 변환부에서 특정파로 편광되어 출사되는 빛 또는 피드백되는 빛 중에서 레드 빛을 분리하여 출사하는 제 1 삼각 프리즘과, 상기 2 광원 및 편광 변환부에서 특정파로 편광되어 출사되는 빛 또는 피드백되는 빛 중에서 시안 빛을 분리하여 출사하는 제 2 삼각 프리즘과, 상기 제 1 삼각 프리즘에서 반사되는 시안 빛을 반사를 통해 상기 제 2 삼각 프리즘으로 피드백시키거나, 상기 제 2 삼각 프리즘에서 반사되는 레드 빛을 반사를 통해 상기 제 1 삼각 프리즘으로 피드백시키는 미러와, 상기 제 1 삼각 프리즘을 통해 출사되는 특정파의 레드 빛을 입력받아 화상을 형성하는 제 1 투과형 액정 패널과, 상기 제 2 삼각 프리즘을 통해 출사되는 특정파의 시안 빛을 그린과 블루 빛으로 분리하는 이색성 미러와, 상기 이색성 미러에서 분리된 특정파의 그린 빛을 입력받아 화상을 형성하는 제 2 투과형 액정 패널과, 상기 이색성 미러에서 분리된 특정파의 블루 빛을 입력받아 화상을 형성하는 제 3 투과형 액정 패널과, 상기 제 1 내지 제3 투과형 액정 패널을 투과하는 빛을 입력받아 재결합하는 재결합기와, 상기 재결합기에서 나온 빛을 받아 확산시키는 투사 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 제 1 삼각 프리즘은, 내부 전반사 코팅된 반사면과, 상기 반사면에 대해 45도 기울기를 갖는 분할면, 그리고 상기 반사면과는 직각을 이루고 상기 분할면과는 45도 기울기를 갖는 출사면으로 구성되며, 상기 분할면은 입사되는 빛 중 레드 빛은 투과시키고 시안 빛은 반사시키며, 상기 반사면에서 내부 전반사된 레드 빛은 출사면으로 반사시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 제 2 삼각 프리즘은, 내부 전반사 코팅된 반사면과, 상기 반사면에 대해 45도 기울기를 갖는 분할면, 그리고 상기 반사면과는 직각을 이루고 상기 분할면과는 45도 기울기를 갖는 출사면으로 구성되며, 상기 분할면은 입사되는 빛 중 시안 빛은 투과시키고 레드 빛은 반사시키며, 상기 반사면에서 내부 전반사된 시안 빛은 출사면으로 반사시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 재결합기에서 출력되는 빛 중에서 비편광된 빛을 제거하여 투사 렌즈로 출사하는 편광기가 상기 재결합기와 투사 렌즈 사이에 추가로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 투과형 광학계의 구성을 보인 도면으로서, 2개의 광원(201,207)을 사용함으로써, 2개의 광 경로(path)로 이루어진다. 즉, 레드 빛을 출력시키기 위한 광 경로(이하, 제 1 경로라 칭함.)과 시안빛을 출력시키기 위한 광 경로(이하, 제 2 경로라 칭함)이다. 이때, 제 1 경로와 제 2 경로는 90도의 각을 이룬다.
즉, 비편광된 빛을 발광하는 제 1 광원(201)에는 상기 비편광된 빛을 집광하는 집광 렌즈(202)와 상기 집광 렌즈(202)를 거쳐 출사되는 빛을 어느 한 편광 방향으로 변환시키는 PBS 어레이(203)가 순차적으로 배치된다. 그리고, 상기 PBS 어레이(203)를 거쳐 나오는 광의 경로 상에는 색 분리용 제 1 삼각 프리즘(204)과 상기 제 1 삼각 프리즘(204)에서 출사되는 빛을 제 1 투과형 액정 패널(214)로 반사시키는 미러(205)가 순차 배치된다.
한편, 비편광된 빛을 발광하는 제 2 광원(207)에도 상기 비편광된 빛을 집광하는 집광 렌즈(208)와 상기 집광 렌즈(208)를 거쳐 출사되는 빛을 어느 한 편광 방향으로 변환시키는 PBS 어레이(209)가 순차적으로 배치된다. 그리고, 상기 PBS 어레이(209)를 거쳐 나오는 광의 경로 상에는 색 분리용 제 2 삼각 프리즘(210)과 상기 제 2 삼각 프리즘(210)에서 출사되는 빛을 색 분리한 후 분리된 특정 색의 빛을 제 2 투과형 액정 패널(215)로 반사시키는 이색성 미러(211) 및, 상기 이색성 미러(211)를 투과한 색의 빛을 반사시키는 미러(212)가 순차 배치된다. 상기 미러(212)에서 반사되는 광의 경로 상에는 상기 미러(212)에서 반사된 광을 제 3 투과형 액정 패널(216)로 반사시키는 미러(213)가 배치된다.
또한, 상기 제 1, 제 2 삼각 프리즘(204,210) 사이에는 상기 제 1 삼각 프리즘(204)에서 반사된 빛을 제 2 삼각 프리즘(210)으로 입사시키거나, 또는 제 2 삼각 프리즘(210)에서 반사된 빛을 제 1 삼각 프리즘(204)으로 입사시키기 위해 미러(206)가 배치된다.
상기 제 1 내지 제 3 투과형 액정 패널(214∼216) 사이에는 상기 제 1 내지 제 3 투과형 액정 패널(214∼216)을 투과하는 세가지 색을 재결합하는 재결합기(217)가 배치되고, 상기 재결합기(217)과 투사 렌즈(219) 사이에는 상기 재결합기(217)에서 출사되는 빛에 포함된 비편광 빛을 제거하기 위해 편광기(218)가 배치된다.
도 3은 도 2의 제 1 경로에 대한 광학계 구성을 다시 한번 도시한 것이고, 도 4는 도 2의 제 2 경로에 대한 광학계 구성을 다시 한번 도시한 것이다.
그리고, 도 5는 삼각 프리즘의 원리를 제 1 경로를 예로 들어 설명한 개념도이다.
즉, 제 1 삼각 프리즘(204)은 내부 전반사 코팅된 반사면(204-2)과 상기 반사면(204-2)에 대해 45도 기울기를 갖는 분할면(204-1), 및 상기 반사면(204-2)과는 직각을 이루고, 상기 분할면(204-1)과는 45도 기울기를 갖는 출사면(204-3)으로 구성된다. 상기 분할면(204-1)의 외면은 레드 빛은 투과시키고 시안 빛은 반사시키며, 내면은 상기 반사면(204-2)에서 내부 전반사된 레드 빛을 반사시키는 특성을 갖는다.
마찬가지로, 상기 제 2 삼각 프리즘(210)도 반사면(210-2)과 분할면(210-1) 및, 출사면(210-3)으로 구성된다. 그리고, 상기 분할면(210-1)의 외면은 시안 빛은투과시키고 레드 빛은 반사시키며, 내면은 상기 반사면(210-2)에서 내부 전반사된 시안 빛을 반사시키는 특성을 갖는다.
이와 같이 구성된 본 발명에서 제 1 광원(201)에서 발광된 비편광 빛은 집광 렌즈(202)로 출사되고, 제 2 광원(207)에서 발광된 비편광 빛은 집광 렌즈(208)로 출사된다. 상기 집광 렌즈(202,208)는 제 1, 제 2 광원(201,207)에서 발광된 빛을 일정방향 즉, PBS 어레이(203,209) 방향으로 평행하게 진행시킨다. 상기 PBS 어레이(203,209)는 평행하게 진행되어 입사되는 비편광 빛을 어느 한 방향으로 편광된 빛(예를 들면, S 편광된 빛)으로 변환하여 제 1, 제 2 삼각 프리즘(204,210)으로 입사시킨다.
상기 제 1 삼각 프리즘(204)의 분할면(204-1)은 레드 빛은 투과시키고, 시안빛은 반사시키는 특성을 갖고 있으므로, 상기 입사되는 빛 중 레드 빛은 분할면(204-1)을 투과하고, 시안빛은 분할면(204-1)에서 반사되어 미러(206)로 입사된다. 상기 분할면(204-1)을 투과한 레드 빛은 출사면(204-3)을 통해 미러(205)로 입사된다.
한편, 상기 제 2 삼각 프리즘(210)의 분할면(210-1)은 레드 빛은 반사시키고 시안빛은 투과시키는 특성을 갖고 있으므로, 상기 입사되는 빛 중 시안 빛은 분할면(210-1)을 투과하고, 레드 빛은 분할면(210-1)에서 반사되어 미러(206)로 입사된다. 상기 분할면(210-1)을 투과한 시안 빛은 출사면(210-3)을 통해 이색성 미러(211)로 입사된다.
이때, 상기 제 2 삼각 프리즘(210)과 미러(206)를 거쳐 반사되는 레드 빛은제 1 삼각 프리즘(204)의 분할면(204-1)으로 입사되고, 입사되는 레드 빛은 분할면(204-1)을 투과하여 반사면(204-2)으로 입사된다. 상기 반사면(204-2)으로 입사되는 레드 빛은 내부 전반사에 의해 다시 분할면(204-1)으로 입사된다. 이때, 상기 분할면(204-1)의 내면은 반사면(204-2)에서 전반사되는 레드 빛을 반사시키는 특성을 갖고 있으므로, 상기 분할면(204-1)에서 반사되는 레드 빛은 출사면(204-3)을 통해 미러(205)로 입사된다.
또한, 상기 제 1 삼각 프리즘(204)과 미러(206)를 거쳐 반사되는 시안 빛은 제 2 삼각 프리즘(210)의 분할면(210-1)으로 입사되고, 입사되는 시안 빛은 분할면(210-1)을 투과하여 반사면(210-2)으로 입사된다. 상기 반사면(210-2)으로 입사되는 시안 빛은 내부 전반사에 의해 다시 분할면(210-1)으로 입사된다. 이때, 상기 분할면(210-1)의 내면은 반사면(210-2)에서 전반사되는 시안 빛을 반사시키는 특성을 갖고 있으므로, 상기 분할면(210-1)에서 반사되는 시안 빛은 출사면(210-3)을 통해 이색성 미러(211)로 입사된다.
즉, 상기 미러(206)는 상기 제 1 삼각 프리즘(204)에서 반사되는 시안 빛을 제 2 삼각 프리즘(210)으로 반사시키고, 상기 제 2 삼각 프리즘(210)에서 반사되는 레드 빛을 제 1 삼각 프리즘(204)으로 반사시킨다.
한편, 상기 미러(205)에서 반사되는 레드 빛은 레드용인 제 1 투과형 액정 패널(214)로 입사된다.
또한, 이색성 미러(211)는 입력되는 시안 빛 중 그린 빛은 반사하고, 블루 빛은 투과하며, 상기 이색성 미러(211)에서 반사되는 그린 빛은 그린용인 제 2 투과형 액정 패널(215)로 입사된다. 그리고, 상기 이색성 미러(211)를 투과한 블루 빛은 미러(212,213)에서 순차적으로 반사되어 블루용인 제 3 투과형 액정 패널(216)로 입사된다.
상기 레드용 액정 패널(214)로 입사한 레드 빛은 전압 인가에 따라 적절히 변조된 후 재결합기(217)로 입사된다. 마찬가지로, 그린용 액정 패널(215)로 입사한 그린 빛은 전압 인가에 따라 적절히 변조된 후 재결합기(217)로 입사되고, 블루용 액정 패널(216)로 입사한 블루 빛은 전압 인가에 따라 적절히 변조된 후 재결합기(217)로 입사된다.
상기 재결합기(217)는 이색성 필름이 코팅된 결합기로서, 1번 경로를 거쳐 입사되는 레드 빛과 2번 경로를 거쳐 입사되는 그린, 블루 빛을 재결합하여 투사 렌즈(219)로 출력한다. 이때, 상기 투사 렌즈(219)의 전단에는 최종 출력되는 화상의 콘트라스트율을 높이기 위해 편광기(218)를 배치할 수 있으며, 상기 편광기(218)를 통과한 빛은 투사 렌즈(219)에 의해 최종 스크린 상에 투사된다.
즉, 상기 편광기(218)는 상기 재결합기(217)의 출력광에 일부 혼합되어 있는 비편광 성분을 제거한 후 투사 렌즈(219)로 출사하므로, 상기 투사 렌즈(219)는 고휘도, 고선명한 화상 정보를 가진 빛을 최종 스크린 상에 투사할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기존의 100W급 광원과 보편적인 광학 부품을 사용해서 고휘도의 성능을 얻기 위하여, 투과형 액정 패널을 사용한 프로젝션 및 프로젝터용 시스템에 두 개의 광원을 적용하고 미러와 삼각 프리즘을 이용하여 손실될 수 있는 광을 피드백하여 사용한다. 이렇게 함으로써, 기존에 주로 사용하던 광학 부품을이용하여 고휘도, 고선명도의 화상을 얻을 수 있으며, 또한 최대(200%)의 광효율을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 3판식 뿐만 아니라, 2판식, 단판식 프로젝션 및 프로젝터 분야에 적용하여 고휘도의 영상을 구현할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 투과형 광학 시스템에 의하면, 투과형 프로젝션 시스템에 두 개의 광원과 삼각 프리즘 그리고, 기존의 보편적인 광학 부품을 사용해서 광학계를 구성함으로써, 광학계의 구성을 단순화하면서, 손실될 수 있는 빛을 삼각 프리즘과 미러를 이용하여 피드백시키므로 빛의 손실을 최소로 할 수 있다. 이로 인해 최대의 광 효율을 얻을 수 있으며, 고휘도의 영상을 만들어내는 효과를 볼 수 있다. 또한, 최종 출력단에 편광기를 배치하여 비편광 성분을 제거함으로써, 고선명한 화상을 구현할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 비편광 빛을 발광하여 특정파로 편광하는 제 1 광원 및 편광 변환부;
    상기 제 1 광원 및 편광 변환부와 90도 각을 이루며, 비편광 빛을 발광하여 특정파로 편광하는 제 2 광원 및 편광 변환부;
    상기 1 광원 및 편광 변환부에서 특정파로 편광되어 출사되는 빛 또는 피드백되는 빛 중에서 레드 빛을 분리하여 출사하는 제 1 삼각 프리즘;
    상기 2 광원 및 편광 변환부에서 특정파로 편광되어 출사되는 빛 또는 피드백되는 빛 중에서 시안 빛을 분리하여 출사하는 제 2 삼각 프리즘;
    상기 제 1 삼각 프리즘에서 반사되는 시안 빛을 반사를 통해 상기 제 2 삼각 프리즘으로 피드백시키거나, 상기 제 2 삼각 프리즘에서 반사되는 레드 빛을 반사를 통해 상기 제 1 삼각 프리즘으로 피드백시키는 미러;
    상기 제 1 삼각 프리즘을 통해 출사되는 특정파의 레드 빛을 입력받아 화상을 형성하는 제 1 투과형 액정 패널;
    상기 제 2 삼각 프리즘을 통해 출사되는 특정파의 시안 빛을 그린과 블루 빛으로 분리하는 이색성 미러;
    상기 이색성 미러에서 분리된 특정파의 그린 빛을 입력받아 화상을 형성하는 제 2 투과형 액정 패널;
    상기 이색성 미러에서 분리된 특정파의 블루 빛을 입력받아 화상을 형성하는 제 3 투과형 액정 패널;
    상기 제 1 내지 제 3 투과형 액정 패널을 투과하는 빛을 입력받아 재결합하는 재결합기; 그리고
    상기 재결합기에서 나온 빛을 받아 확산시키는 투사 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 삼각 프리즘은,
    내부 전반사 코팅된 반사면과, 상기 반사면에 대해 45도 기울기를 갖는 분할면, 그리고 상기 반사면과는 직각을 이루고 상기 분할면과는 45도 기울기를 갖는 출사면으로 구성되며, 상기 분할면은 입사되는 빛 중 레드 빛은 투과시키고 시안 빛은 반사시키며, 상기 반사면에서 내부 전반사된 레드 빛은 출사면으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 삼각 프리즘은,
    내부 전반사 코팅된 반사면과, 상기 반사면에 대해 45도 기울기를 갖는 분할면, 그리고 상기 반사면과는 직각을 이루고 상기 분할면과는 45도 기울기를 갖는 출사면으로 구성되며, 상기 분할면은 입사되는 빛 중 시안 빛은 투과시키고 레드 빛은 반사시키며, 상기 반사면에서 내부 전반사된 시안 빛은 출사면으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 재결합기에서 출력되는 빛 중에서 비편광된 빛을 제거하여 투사 렌즈로 출사하는 편광기가 상기 재결합기와 투사 렌즈 사이에 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재결합기는 이색성 미러로 구성되는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 시스템.
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