KR100590520B1 - 홀로그램 영상 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

홀로그램 광학소자용 조명 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 조명 장치는 홀로그램으로부터 재생되는 영상을 표시하기 위한 디스플레이 수단과 상기 홀로그램에 기록된 영상을 재생시키기 위한 공액광을 조사하기 위한 마이크로 광학계 및 상기 마이크로 광학계에 광을 조사하기 위한 면 광원을 구비하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치에 있어서, 상기 홀로그램은 일정한 재생 빔패턴을 얻기 위해 광기록되어 있는 홀로그램 광학소자로 제작되어 있고, 상기 마이크로 광학계는 상기 홀로그램과 마주하고 복수의 마이크로 광 굴절 수단으로 구성된 제1 굴절계 및 상기 면 광원과 상기 제1 굴절계사이에서 상기 제1 굴절계에 입사되는 광을 제한하는 수직 및 수평 방향의 영역을 갖는 제1 마스크를 구비한다.

Description

홀로그램 영상 조명 장치{Illumination apparatus for hologram imaging}
도 1 및 도 2는 일반적인 홀로그램 형성 및 영상 재생 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 기술에 의한 홀로그램 광학소자용 조명 장치의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 홀로그램 광학소자용 조명 장치의 단면 구성도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 의한 홀로그램 광학소자용 조명 장치에 사용된 마스크의 정면도로서, 도 5는 투광 및 차광 영역이 스트라이프(strip) 형태로 구성된, 도 6은 체크 무늬 형태로 구성된 마스크의 정면도이다.
도 7 및 도 8은 각각 감광판의 서로 다른 영역에 간섭 패턴을 기록하는 과정과 이렇게 형성된 홀로그램에 기록된 영상을 재생하기 위해 도 4에 도시한 홀로그램 광학소자용 조명 장치를 적용한 경우를 나타낸 단면 구성도이다.
도 9 및 도 10은 각각 본 발명의 제2 및 제3 실시예에 의한 홀로그램 광학소자용 조명 장치의 단면 구성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
10, 16 : 홀로그램 감광기판 12: 기준광
14: 물체광 18: 공액광 20: 재생광
41, 90, 100:조명 광학계 42:광원
44, 74a, 96, 104:홀로그램 46, 94:공액광
48, 92, 102:마이크로 광학계 50, 60:투광영역
52, 62:차광영역 48a:마스크
48b:굴절계 48c, 106, 108:마이크로 광 굴절 수단
70, 76:제1 및 제2 기준광 72:물체광
74:감광판 78:마스크
70a, 76a:제1 및 제2 공액광 92a, 102a:제1 굴절계
92c, 102c:제2 굴절계 92b, 102b:제1 마스크
102d:제2 마스크
본 발명은 홀로그램 광학 장치에 관한 것으로써, 마이크로 광학 렌즈를 적용한 홀로그램 광학소자용 조명 장치에 관한 것이다.
홀로그램은 도 1에 도시된 바와 같이 감광판(photoplate, 10)에 기준광(reference beam, 12)과 기록하고자 하는 영상, 또는 물체광(object beam, 14)을 입사시켜 기준광(12)과 물체광(14)의 간섭패턴을 기록함으로써 만들어진다.
도 2를 참조하면, 이렇게 만들어진 홀로그램(16)에 홀로그램(16)을 제작할 때 사용된 기준광(12)의 공액광(conjugate beam, 18)을 조사함으로써 홀로그램(16)으로부터 재생광(20)을 얻게 되며, 이를 통해 광기록된 영상을 재현하게 된다. 그리고 재생광(20)에 일정한 빔패턴을 만들수 있는데, 광기록시 물체광(14)에 원하는 빔형상을 광학적으로 구성하면 가능하다. 이런 방법으로 원하는 빔형상의 홀로그램 조명광학계를 제작할 수 있다.
이와 같이, 어떤 홀로그램에 기록된 정보를 재생하기 위해서는 상기 홀로그램을 제작할 때 사용된 기준광의 공액광이 조사되는데, 홀로그램을 제작할 때 기준광으로 평행광이 사용된 경우, 공액광도 평행광이 사용되어야 한다. 따라서, 홀로그램 영상장치에는 공액광을 조사하기 위한 별도의 조명광학장치가 구비되어 있다.
기존에는 조명광학장치로써 렌즈 광학계나 루베 필름(Louvre film) 등이 사용되었고, 현재도 부분적으로 사용되고 있는데, 장치의 크기, 광효율 및 좌우 영상 분리 특성의 저하 등 많은 문제점이 있다. 도 3은 프레넬 렌즈(Fresnel lens, 32)와 광원(30)으로 구성된 홀로그램 조명광학계이다.
도 3에 도시된 조명 광학계에서, 홀로그램(34)은 프레넬 렌즈(32)와 디스플레이 패널(36) 사이에 구비되어 있고, 광원(30)은 프레널 렌즈(32)의 초점 위치에 구비되어 있다. 여기서 프레넬 렌즈(32)로부터 홀로그램(34)을 제작할 때 사용된 기준광의 공액광이 조사되어야 하므로, 프레넬 렌즈(32)는 상기 공액광이 조사될 수 있는 방향으로 구비되어야 한다. 광원(30)의 위치는 공액광(38) 종류에 따라 달라질 수 있는데, 예를 들면 광원(30)의 위치는 공액광(38)이 평행광일 때는 프레넬 렌즈(32)의 초점에, 구면광일 때는 초점 뒤쪽에, 집속광일 때는 초점 앞쪽이 된다.
광원(30)은 점 광원으로 볼 수 있고 프레넬 렌즈(32)의 초점 위치에 구비되어 있으므로, 광원(30)에서 프레넬 렌즈(32)를 향해 방출되는 광(40)은 구면광이 된다. 이러한 구면광은 프레넬 렌즈(32)를 통과하면서 평행 공액광(38)으로써 홀로그램(34)에 조사된다. 이렇게 해서 홀로그램(34)에 기록된 영상패턴이 재생되고, 이는 별도의 디스플레이 패널(36)을 조사하여 원하는 방향으로 영상을 재생하기 위한 조사광으로 입사된다.
이와 같은 종래 기술의 홀로그램 광학소자용 조명 장치는 프레넬 렌즈와 점광원이나 선광원처럼 특수한 광원이 사용되는데, 장치가 대형이면서 특수한 광원의 사용에 따른 광이용 효율이 저하될 수 있는 문제가 있고 홀로그램(34)에는 기준광의 조건에 따라 광조사 방향 및 각도를 조정해야 하기 때문에 장치가 복잡해 질 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 광 이용 효율을 높일 수 있고 장치를 소형화할 수 있으며 콤팩트한 장치의 구성이 가능한 홀로그램용 조명 장치를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 홀로그램으로부터 재생되는 영상을 표시하기 위한 디스플레이 수단과 상기 홀로그램에 기록된 영상을 재생시키기 위한 공액광을 조사하기 위한 조명 광학계를 구비하는 입체영상장치에 있어서, 상기 조명 광학계는 마이크로 광학계 및 상기 마이크로 광학계에 광을 조사하기 위 한 면 광원으로 구성된 것을 특징으로 하는 홀로그램용 조명 장치를 제공한다.
상기 마이크로 광학계는 상기 홀로그램과 마주하고 복수의 마이크로 광 굴절 수단으로 구성된 제1 굴절계 및 상기 제1 굴절계에 입사되는 광을 제한하는 제1 마스크로 구성되어 있다.
또, 상기 마이크로 광학계는 상기 면 광원과 마주하는 확산자 및 상기 제1 마스크와 상기 확산자 사이에 복수의 마이크로 광 굴절 수단으로 구성된 제2 굴절계를 더 구비한다.
또, 상기 마이크로 광학계는 상기 면 광원과 마주하여 상기 면 광원으로부터 입사되는 광을 제한하는 제2 마스크 및 상기 제1 및 제2 마스크 사이에 상기 제2 굴절계를 더 구비한다.
또, 상기 마이크로 광 굴절 수단은 마이크로 렌즈 또는 마이크로 렌즈 형상의 부재이다.
또, 상기 제1 마스크 또는 제2 마스크는 투광 및 차광 영역으로 구성되어 있으며, 이들 영역은 스트라이프 형태 또는 체크 무늬 형태로 구성되어 있다.
이와 같은 본 발명에 의한 입체영상장치의 홀로그램 광학소자용 조명 장치는 마이크로 광학계와 면 광원을 구비하기 때문에 종래에 비해 조명 장치를 소형화할 수 있고, 광원의 사용 효율을 높일 수 있으며, 콤팩트한 장치 구성이 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 홀로그램 조명 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
<제1 실시예>
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 홀로그램 조명 장치(41)는 광원(42)과 광원(42)으로부터 조사되는 광을 홀로그램(44)에 기록된 영상을 재생하기 위한 공액광(46)으로 전환시키는 제1 마이크로 광학계(48)로 구성되어 있다. 광원(42)은 제1 마이크로 광학계(48)에 전면에 걸쳐서 균일한 광을 조사할 수 있는 것이면 어떠한 광원이라도 무방하나, 면 광원인 것이 바람직하다. 제1 마이크로 광학계(48)는 홀로그램(44)을 제작할 때 사용한 기준광의 공액광을 홀로그램(44)에 조사하는 광학계로써, 광원(42)으로부터 입사되는 광을 제한하는 마스크(48a) 및 마스크(48a)를 통과해서 입사되는 광을 상기 기준광에 대한 공액 방향에서 홀로그램(44)에 조사하는 굴절계(48b)로 구성되어 있다. 여기서 마스크(48a)가 수평방향으로 폭이 좁은 슬릿(slit)형태가 되면 수평 방향의 빔은 평행광 상태로 되고, 수직방향은 여러 방향의 빔이 복합된다. 이러한 빔은 홀로그램에 입사되면 수평방향으로는 기록된 패턴형태로 재생빔의 형상을 재생할 수 있게 되며, 수직방향으로는 여러 방향의 빔이 재생되어 넓은 영역의 빔패턴이 재생된다. 따라서 스테리오 영상장치와 같이 수평방향의 영상재현이 요구되는 경우, 이러한 홀로그램 조명장치가 활용될 수 있다. 그리고 굴절계(48b)는 실린더 렌즈 및 마이크로 렌즈 어레이로 구성되며, 하나 이상의 결합으로 구성될 수 있다.
마스크(48a)는 투광영역과 차광영역으로 구성된 마스크이다.
예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같이 투광영역(50)과 차광영역(52)이 스트라이프 형태로 구성된 마스크이거나, 도 6에 도시한 바와 같이 투광영역(60)과 차광 영역(62)이 체크 무늬 모양으로 구성된 마스크이다.
마스크(48a)는 투광영역과 차광영역이 도 5 및 도 6에 도시한 형태와 다른 형태로 구성된 마스크일 수 있다. 예컨대, 투광영역과 차광영역이 임의의 형태를 갖는 원환(annular) 또는 사각(square) 또는 스트라입(stripe)형으로 반복되는 마스크일 수 있다.
굴절계(48b)는 복수의 마이크로 광 굴절 수단(48c)이 다양한 형태로 배열된 굴절계로써, 마이크로 광 굴절 수단(48c)은 마이크로 렌즈 또는 마이크로 렌즈 형상의 부재이다.
마스크(48a)는 투광 영역이 마이크로 광 굴절 수단(48c)의 초점 영역에 구비되어 있다. 따라서, 마스크(48a)의 투광영역을 통과한 광은 마이크로 광 굴절 수단(48c)의 초점에서 방출된 것과 동일하게 되므로, 마스크(48a)를 통과한 광은 마이크로 광 굴절 수단(48c)을 통과하면서 평행광 또는 확산 및 수렴광이 된다.
한편, 마스크(48a)를 통과한 광은 투광영역에서 회절된 광으로 볼 수 있고, 상기 회절된 광중에는 마이크로 광 굴절 수단(48c)의 초점면에서 광축 상의 한 점에서 방출된 광과 광축으로부터 다소 이격된 이축 상의 한 점에서 방출된 광도 포함된다. 따라서, 마이크로 광 굴절 수단(48c)에 의해 파면이 평행하게 된 상기 평행광 중에는 홀로그램(44)에 기록된 영상을 재생시킬 수 있는 공액광(46)도 포함되어 있지만, 공액광(46)과 홀로그램(44)에 입사되는 입사 방향이 다른, 홀로그램(44)에 기록된 영상의 재생과는 무관한 광(미도시)도 포함되어 있다. 이러한 광은홀로그램(44)에 조사되면 영상이 재생시 노이즈로 작용하기 때문에 마스크(48a)에서 투광영역 및 차광영역을 조절함으로써 평행광의 조건을 조절해야 한다.
그리고 도 5 및 도 6에 도시한 투광영역과 차광영역의 형태 및 광 굴절 수단(48c)의 초점위치와의 거리에 따라 평행광의 확산각 및 재생각을 조정할 수 있다. 여기서 투광영역이 광굴절 수단(48c)의 초점영역의 상대 위치에 따라 생성된 평행광의 방향을 조정할 수 있으며, 스트라입형과 모자이크형은 광 굴절 수단(48c)의 종류에 따라 상하 및 좌우 방향에 생성되는 평행광의 방향을 조정할 수 있다. 예를 들어 도 6에서는 모자이크형 마스크의 투광/차광 영역이 번갈아 위치하기 때문에 광굴절 수단(48c)의 초점의 상하영역에 위치하여 평행광을 상하 또는 좌우 방향으로 복수광을 만들 수 있다. 따라서 공액광(46)과 조사 방향이 다른 평행광들이 포함되어 있으므로, 이들 평행광들 중의 하나를 제2의 공액광으로 사용할 수도 있을 것이다.
예를 들면, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 기준광(70)과 물체광(72)의 간섭 패턴은 감광판(74)의 제1 영역에 기록하고, 제1 기준광(70)과 조사 방향이 다른 제2 기준광(76)과 물체광(72)의 간섭 패턴은 감광판(74)의 제2 영역에 기록한다. 여기서 마스크(78)는 상기 제1 및 제2 기준광에 따라 위치를 이동하면서 감광판(74)에 기록 영역을 설정해 주는 스트라입형의 마스크이다.
이렇게 만들어진 홀로그램의 제1 및 제2 영역에 기록된 영상을 재생시키기 위해서는 도 8에 도시한 바와 같이 홀로그램(74a)의 제1 영역에는 제1 기준광(70)의 공액광인 제1 공액광(70a)을, 제2 영역에는 제2 기준광(76)의 공액광인 제2 공 액광(76a)을 각각 조사하여야 하는데, 상기한 평행광들 중에는 제1 및 제2 공액광(70a, 76a)에 해당되는 평행광도 포함되어 있으므로, 도 4에 도시한 제1 마이크로 광학계(48)로써 홀로그램(74a)에 기록된 영상을 재생시킬 수 있다. 홀로그램(74a)에는 서로 다른 영역에 서로 다른 기준광을 사용하여 간섭 패턴이 기록되어 있으므로, 홀로그램(74a)에 제1 및 제2 공액광(70a, 76a)이 조사되는 경우, 홀로그램(74a)으로부터 서로 다른 방향으로 영상이 재생된다. 곧, 홀로그램(74a)은 영상분리기능을 갖는다.
<제2 실시예>
마이크로 광학계 구성이 제1 실시예의 그것과 다른 것에 특징이 있으며, 제1 실시예와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고 그에 대한 설명은 생략한다.
구체적으로, 도 9를 참조하면, 제2 실시예에 의한 홀로그램 조명 장치(90)는 광원(42)과 광원(42)으로부터 입사된 광을 공액광(94)으로 전환시키는 제2 마이크로 광학계(92)를 구비한다. 제2 마이크로 광학계(92)는 홀로그램(96)으로부터 광원(42) 방향으로 순차적으로 배열된 제1 굴절계(92a), 제1 마스크(92b), 제2 굴절계(92c) 및 확산자(diffuser, 92d)로 구성되어 있다. 제1 및 제2 굴절계(92a, 92c)는 제1 실시예의 굴절계(48b)와 마찬가지로 복수의 마이크로 굴절 수단으로 구성되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하고, 제1 마스크(92b)에 대한 자세한 설명도 제1 마스크(92b)가 제1 굴절계(92a)의 제2 초점과 제2 굴절계(92c)의 제1 초점이 만나는 지점에 위치한 다는 사실과 제2 굴절계(92c)에 의해 굴절된 광이 제1 굴절계(92a)로 입사되는 것을 제한한다는 것을 제외하고는 그 구성에 있어서 제1 실시예의 마스크(48a)와 동일하므로 생략한다. 확산자(92d)는 제2 굴절계(92c)의 제2 초점에 위치하여 광원(42)으로부터 입사되는 광을 제2 굴절계(92c)의 전면에 균일한 세기로 조사하는 역할을 한다.
<제 3 실시예>
마이크로 광학계의 구성이 제1 및 제2 실시예의 그것과 다른 것에 특징이 있고, 제1 실시예 또는 제2 실시예의 부재와 동일한 것에 대해서는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 10을 참조하면, 제3 실시예에 의한 홀로그램 조명 장치(100)는 광원(42)과 제3 마이크로 광학계(102)로 구성되어 있고, 제3 마이크로 광학계(102)는 홀로그램(104)과 광원(42) 사이에 순차적으로 배열된 제1 및 제2 굴절계(102a, 102c), 제1 및 제2 굴절계(102a, 102c) 사이에 구비된 제1 마스크(102b) 및 제2 굴절계(102c)와 광원(42) 사이에 구비된 제2 마스크(102d)를 구비한다. 제1 및 제2 굴절계(102a, 102c)는 제1 실시예의 굴절계(48b)와 동일하고, 제1 및 제2 마스크(102b, 102d)는 제1 마스크(102b)가 제1 굴절계(102a)를 구성하는 복수의 마이크로 광 굴절수단(106)의 제2 초점 및 제2 굴절계(102c)를 구성하는 복수의 마이크로 광 굴절 수단(108)의 제1 초점이 만나는 곳에 위치하고, 제2 마스크(102d)가 제2 굴절계(102c)를 구성하는 상기 마이크로 광 굴절 수단(108)의 제2 초점에 위치한다는 사실을 제외하고는 그 구성이 제1 실시예의 마스크(48a)와 동일하므로, 자세한 설명을 생략한다.
한편, 상기 제1 내지 제3 실시예에서 광원(42)의 형태에 대해 구체적으로 기술하지 않았지만, 광원(42)은 바로 앞쪽에 위치한 요소의 전면에 균일한 세기의 광을 조사할 수 있는 면 광원이라면, 어떠한 형태라도 무방하다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 굴절계를 구성하는 마이크로 광 굴절 수단에 일부만을 마이크로 렌즈로 구성할 수도 있을 것이다. 또한, 각 실시예에서 마스크를 동일한 기능을 하는 회절 격자로 대체하거나, 투광 및 차광영역이 서로 다른 형태로 구성된 두 마스크를 겹쳐서 사용할 수도 있을 것이다. 아울러, 제1 내지 제3 실시예에 복수의 마이크로 광 굴절 수단으로 구성된 굴절계와 마스크(또는 광원으로부터 입사되는 광의 경로를 변화시킬 수 있는 광학 요소)를 더 추가할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 상기 설명된 실시예들에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 홀로그램 조명 장치는 초점 거리가 극히 짧은 복수의 마이크로 광 굴절 수단이 배열된 구조인 굴절계를 구비하고, 상기 광 굴절 수단의 짧은 초점 거리에 위치한 마스크로 구비하는 마이크로 광학계와 넓은 면에 걸쳐 균일한 광을 조사할 수 있는 면 광원을 구비하기 때문에, 조명 광학계를 구성하는 각 요소들 간의 간격을 최소한으로 줄여 장치를 소형화할 수 있고, 광원의 사용 효율을 높일 수 있으며, 콤팩트하게 장치를 구성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 홀로그램으로부터 재생되는 영상을 표시하기 위한 디스플레이 수단과 상기 홀로그램에 기록된 영상을 재생시키기 위한 공액광을 조사하기 위한 마이크로 광학계 및 상기 마이크로 광학계에 광을 조사하기 위한 면 광원을 구비하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치에 있어서,
    상기 홀로그램은 일정한 재생 빔패턴을 얻기 위해 광기록되어 있는 홀로그램 광학소자로 제작되어 있고,
    상기 마이크로 광학계는 상기 홀로그램과 마주하고 복수의 마이크로 광 굴절 수단으로 구성된 제1 굴절계; 및
    상기 면 광원과 상기 제1 굴절계사이에서 상기 제1 굴절계에 입사되는 광을 제한하는 수직 및 수평 방향의 영역을 갖는 제1 마스크를 구비하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 홀로그램의 재생 빔패턴이 수평 또는 수직 방향으로 일정한 패턴을 갖도록 광기록되어 있는 홀로그램 광학소자로 제작되어 있는 홀로그램 조명장치
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 광학계는 복수의 마이크로 광 굴절 수단으로 구성된 제2 굴절계; 및
    상기 광원으로부터 입사되는 광을 상기 제2 굴절계를 향해 확산시키는 확산 자를 상기 제1 마스크와 상기 면 광원 사이에 순차적으로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 광학계는 복수의 마이크로 광 굴절 수단으로 구성된 제2 굴절계; 및
    상기 면 광원으로부터 상기 제2 굴절계로 입사되는 광을 제한하는 제2 마스크를 상기 제1 마스크와 상기 면 광원 사이에 순차적으로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치.
  5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로 광 굴절 수단은 마이크로 렌즈 또는 마이크로 렌즈 형상이 부재인 것을 특징으로 하는 홀로그램 조명 장치.
  6. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 마스크는 투광 및 차광 영역으로 구성된 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 1 마스크는 상기 투광 및 차광 영역이 스트라이프(strip) 형상 또는 체크 무늬 형상으로 구성된 마스크인 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 제2 마스크는 투광 및 차광 영역으로 구성된 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 2 마스크는 상기 투광 및 차광 영역이 스트라이프(strip) 형상 또는 체크 무늬 형상으로 구성된 마스크인 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학소자용 조명 장치.
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