KR101489990B1 - 삼차원 영상 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 광선 제어 소자를 대략 수직 방향으로 설치한 삼차원 영상 표시 장치에 있어서, 서브 화소가 매트릭스 형상으로 배열된 표시부에 대향하여, 대략 수직 방향으로 신장하고, 수평 방향에 주기적으로 설치된 다수의 광학적 개구부를 구비한 광선 제어 소자가 설치된다. 이 광학적 개구부의 신장 방향과, 상기 제1 방향이 이루는 각이, arctan(5+1/5) 내지 arctan(5+2/5)의 범위 또는, arctan(5+3/5) 내지 arctan(5+4/5)의 범위 또는 arctan(6+1/5) 내지 arctan(6+2/5)의 범위 중 어느 한 범위 내에서 설정된다. 이 표시 장치에서는, 무아레(moire), 화질 저하 및 화상 처리 부하의 증대를 억제하고 또한 적당한 크로스 토크에 의해, 매끄러운 운동 시차가 실현되는 것이다.

Description

삼차원 영상 표시 장치{3D IMAGE DISPLAY DEVICE}

<관련 출원>

본 출원은 2011년 1월 13일 출원된 일본 특허 출원 번호 제2011-205307호에 기초한 것으로 그 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 참조로서 본 명세서에 원용된다.

본 발명의 실시 형태는, 삼차원 영상을 표시하는 삼차원 영상 표시 장치에 관한 것이다.

동화상의 표시가 가능한 삼차원 영상 표시 장치, 소위 삼차원 디스플레이에는 다양한 방식이 알려져 있다. 최근, 특히 플랫 패널 타입이고, 또한, 전용 안경 등을 필요로 하지 않는 방식이 높이 요망되고 있다. 이 전용 안경을 필요로 하지 않는 타입의 삼차원 영상 표시 장치의 하나는, 직시형 혹은 투영형의 액정 표시 장치 또는 플라즈마 표시 장치 등과 같이 화소 위치가 고정되어 있는 표시 패널(표시 장치) 바로 앞에 광선 제어 소자가 설치되고, 표시 패널로부터의 광선이 제어되어 관찰자를 향하게 하는 방식으로서 알려져 있다.

여기서, 광선 제어 소자는, 광선 제어 소자 상의 동일 위치를 관찰해도 관찰하는 각도에 따라 상이한 영상이 보이는 기능을 갖는다. 구체적으로는, 좌우 시차(수평 시차)만을 부여하는 경우에는, 광선 제어 소자로서 슬릿(시차 배리어) 혹은 렌티큘러 시트(실린드리컬 렌즈 어레이)가 사용되고, 상하 시차(수직 시차)도 포함하는 경우에는 광선 제어 소자로서 핀 홀 어레이 혹은 렌즈 어레이가 사용된다.

광선 제어 소자를 사용하는 방식은, 다시 이안식, 다안식, 초다안식(다안식의 초다안 조건), 인테그럴 이미징(이하, II라고도 한다)식으로 분류된다. 이안식은 양안 시차에 기초하여 입체시하고 있지만, 다안식 이후의 삼차원 영상은, 정도의 차이는 있지만 운동 시차를 수반하는 점에서, 이안식의 입체 영상과 구별하여 삼차원 영상이라고 부르고 있다. 이들 삼차원 영상을 표시하기 위한 기본적인 원리는, 100년 정도 전에 발명되어 삼차원 사진에 응용되는 인테그럴 포토그래피(IP)의 원리와 실질적으로 동일하다.

이들 방식 중, II 방식은, 시점 위치의 자유도가 높고, 쉽게 입체시할 수 있다는 특징이 있다. 수평 시차만으로 수직 시차를 없앤 1차원 II 방식에서는, SID04 Digest 1438에 기재되어 있는 바와 같이, 해상도가 높은 표시 장치도 비교적 용이하게 실현할 수 있다. 이에 대해, 이안 방식 혹은 다안 방식에서는, 입체시할 수 있는 시점 위치를 한정함으로써, 1차원 II식에 비하여 해상도를 높이기 쉬워, 시점 위치로부터 취득한 화상만으로 삼차원 화상을 생성할 수 있기 때문에, 영상을 작성하기 위한 부하도 낮아지지만, 시점 위치가 한정되어 있기 때문에, 잘 보이지 않는다는 문제가 있다.

이러한 시차 배리어를 사용한 직시형 나안(裸眼) 삼차원 표시 장치에 있어서는, 시차 배리어의 일 방향의 주기 구조와, 평면 표시 장치에 매트릭스 형상으로 형성된 화소를 이격하는 비표시부, 또는 화소의 컬러 배열의 수평 방향(제1 방향)의 주기 구조가 광학적으로 간섭하는 것에 의한 무아레(moire) 혹은 색 무아레가 발생한다는 문제가 있다. 그 대책으로서, 광선 제어 소자의 주기성을 부여하는 방향이 화소의 주기성이 부여된 방향에 대해 일정 각도를 이루고 있는 방식, 즉 시차 배리어가 비스듬히 기울여 있는 방법이 미국 특허 제6,064,424호로 알려져 있다. 그러나, 시차 배리어에 기울기를 부여하는 것만으로는, 무아레는 완전히 해소할 수 없는 점에서, 확산 성분을 추가하여 무아레를 해소하는 방법도 일본 특허 공개 제2005-86414에 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은, 시차 정보의 분리를 나쁘게 하는 점에서, 화질의 저하를 피할 수 없다고 한다.

상술한 바와 같이, 주기성이 일 방향으로 한정된 광선 제어 소자와 매트릭스 형상으로 화소가 형성된 평면 표시 장치를 조합한 종래의 삼차원 영상 표시 장치에 있어서는, 광선 제어자의 주기성과 평면 표시 장치의 제1 방향의 주기성이 서로 간섭하여 휘도 불균일(무아레)이 발생한다. 무아레를 해소하는 방법으로서, 광선 제어 소자의 주기성 방향과 화소의 주기성 방향 사이에 각도를 이루는, 즉 광선 제어 소자를 비스듬히 기울이는 방법이 있다. 그러나, 이 방법에 있어서도, 기울기에 따라서는, 무아레가 완전하게는 해소되지 않는다.

도 1은, 삼차원 영상 표시 장치를 구성하는 평면 화상을 표시하는 표시부의 일부분을 확대하고, 또한, 시차 배리어의 방향과 화소의 수직의 배열 방향이 일치한 상태에 있어서의 설명도.
도 2는, 도 1에 있어서 관찰각을 바꾸어 보았을 경우의, 휘도 변화를 도시하는 모식도.
도 3은, 삼차원 영상 표시 장치를 구성하는 평면 화상을 표시하는 표시부의 일부분을 확대하고, 또한, 광선 제어 소자의 방향과, 화소의 수직의 배열 방향이 이루는 각이 arctan(1/3) 상태의 설명도.
도 4는, 도 3에 있어서 관찰각을 바꾸어 보았을 경우의, 휘도 변화를 도시하는 모식도.
도 5는, 광선 제어 소자의 방향과 화소의 수직의 배열 방향이 이루는 각이 arctan(1/4) 상태의 설명도와 휘도 변화를 도시하는 모식도.
도 6은, 광선 제어 소자의 방향과, 화소의 수직의 배열 방향이 이루는 각이 arctan(1/5) 상태의 설명도와 휘도 변화를 도시하는 모식도.
도 7은, 광선 제어 소자의 방향과, 화소의 수직의 배열 방향이 이루는 각이 arctan(1/6) 상태의 설명도와 휘도 변화를 도시하는 모식도.
도 8은, 광선 제어 소자의 방향과, 화소의 수직의 배열 방향이 이루는 각이 arctan(1/7) 상태의 설명도와 휘도 변화를 도시하는 모식도.
도 9는, 실시 형태에 관한 n의 값과 무아레의 발생 상황과의 관계를 도시하는 설명도.
도 10은, 실시 형태의 삼차원 영상 표시 장치의 구조를 개략적으로 도시하는 사시도.

이하, 실시 형태에 관한 삼차원 영상 표시 장치에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

이 실시 형태에 따르면, 제1 방향과 이것에 직교하는 제2 방향을 따라 서브 화소가 매트릭스 형상으로 배열된 표시부 및 상기 표시부에 대향하여 설치되고, 상기 제2 방향으로 대략 직선 형상으로 연장되고, 상기 제1 방향으로 배열되어 있는 다수의 광학적 개구부를 구비한 광선 제어 소자를 구비한 삼차원 영상 표시 장치가 제공된다.

이 삼차원 영상 표시 장치에 있어서는,

상기 광학적 개구부의 신장 방향과 상기 제1 방향이 이루는 각은, arctan(5+1/5) 내지 arctan(5+2/5)의 제1 범위, arctan(5+3/5) 내지 arctan(5+4/5)의 제2 범위 및 arctan(6+1/5) 내지 arctan(6+2/5)의 제3 범위 중 어느 한 범위 내에서 선정된다.

또한, 실시 형태에 따르면,

제1 방향과 이것에 직교하는 제2 방향을 따라서 서브 화소가 매트릭스 형상으로 배열된 표시부와, 상기 표시부에 대향하여 설치되고, 상기 제2 방향으로 대략 직선 형상으로 연장되고, 상기 제1 방향으로 배열되어 있는 다수의 광학적 개구부를 구비한 광선 제어 소자를 구비한 삼차원 영상 표시 장치가 제공된다. 이 실시 형태에 있어서, 개구부를 무한소라고 가정한 경우의 광선의 휘도 변화의 주기와, 실제의 개구 폭이 대략 일치되어 있다.

도 10은, 상술한 일 실시 형태에 관한 삼차원 영상 표시 장치를 나타내고 있다. 이 삼차원 영상 표시 장치는, 소위 II(인테그럴 이미징) 방식에 관한 것이며, II 방식에 관한 삼차원 영상을 관찰시키기 위하여 이차원 화상이 표시되는 이차원 화상 표시 장치(소위 이차원 화상 표시 패널)(100)를 구비하고 있다. 이 이차원 화상 표시 장치(100)의 전체면에는, 광선 제어 소자(5)로서의 시차 발생용 렌즈 어레이(실린드리컬 렌즈 어레이)가 배치되고, 이차원 화상 표시 장치(100)로부터의 광선이 이 광선 제어 소자(차광 배리어 혹은 시차 배리어)(5)에 의해 제어되어 관찰자(도시하지 않음)를 향하고 있다. 관찰자가 이 광선 제어 소자(5)에 의해 선택된 광선을 나안으로 시인함으로써, 이 삼차원 영상 표시 장치의 전방(혹은 배면)으로 삼차원 영상을 관찰할 수 있다.

여기서, 이차원 화상 표시 장치(100)는, 삼차원 영상을 표시시키기 위한 요소 화상으로 구성되는 이차원 영상이 표시되고, 이 이차원 영상이 배분되는 서브 화소가 매트릭스 형상으로 배치되어 표시 패널을 구비하고 있다. 이차원 화상 표시 장치(100)는, 이러한 표시 패널을 구비하는 것이면, 직시형 혹은 투영형의 액정 표시 장치 혹은 플라즈마 표시 장치, 또는 전계 방출형 표시 장치 혹은 유기 EL 표시 장치 등으로 구성되어도 좋다. 또한, 광선 제어 소자(5)는, 대략 수평 방향(대략 제1 방향)을 따라 주기성을 갖고 배치되고, 대략 수직 방향(대략 제2 방향)을 따라 연장되어 있는 슬릿 혹은 렌티큘러 렌즈 어레이(실린드리컬 렌즈 어레이)로 구성된다. 이러한 삼차원 영상 표시 장치에서는, 대략 수평 방향(대략 제1 방향)을 따라 시차가 부여된 요소 화상이 이차원 화상 표시 장치(100)에 표시되고, 이 요소 화상으로부터의 광선이 대략 수평 방향(대략 제1 방향)으로 배열되어 있는 광선 제어 소자(5)로 제어되어 삼차원 영상을 생성하기 위한 광선이 광선 제어 소자(5)로부터 관찰측을 향하여 사출되고 있다.

도 1은, 일 실시 형태에 관한 삼차원 영상 표시 장치에 있어서의 평면 화상을 표시하는 표시부(표시 패널)(100)의 화소를 확대하여 개략적으로 도시하는 확대도이다.

표시부(100)는, 수평 및 수직 방향을 따라 매트릭스 형상으로 배열된 서브 화소(1)로 구성되고, 이 서브 화소(1)는, 개구부(2)와 차광부(3)로 이루어져 있다. 서브 화소(1)는, 변의 길이가 1:3(짧은 변:긴 변)의 비를 갖는 장방형(직사각형 형상)으로 형성되고, 이 서브 화소(1)가 제1 방향으로 3개 병설된 세트로 화소를 형성하고 있다. 이 표시부(100)의 각 화소에서는, 3개의 서브 화소 상에 각각 R(레드), G(그린), B(블루)를 표시하기 위하여 컬러· 필터가 설치되어 있다. 백라이트(도시하지 않음)로부터 사출된 광선은, 이 개구부(2)를 경유함으로써, 색이 RGB 중 어느 하나로 정해진 광선이 되어 표시부의 전방으로 조사되고, 광선 제어 소자(5)를 통과함으로써 광선이 되어, 삼차원 화상을 표시한다. 도 1에서는 광선 제어 소자(5)의 능선을 파선(15)으로 나타내고 있다. 서브 화소(1)는, 광선이 사출되는 개구부(2) 및 이 개구부(2)를 둘러싸 광선을 차광하는 차광부(소위 블랙 스트라이프에 상당함)(3)를 갖고 있다.

종래 기술에서 설명한 바와 같이, 광선 제어 소자(5)의 배열 방향과 서브 화소(1)의 개구가 배열되는 방향이 대략 일치하는 구조에서는, 관찰각에 의해, 광선 제어 소자(5)를 경유하여 보이는 개구부(2)의 비율이 변동하여, 휘도 변화(무아레)가 발생할 우려가 있다. 즉, 각도의 변화에 수반하여 휘도가 현저하게 변화될 우려가 있어, 이 모습이 도 2에 도시되어 있다.

광선 제어 소자(5)의 배열 방향과 서브 화소(1)의 개구가 배열되는 방향이 각도를 이루는 구조에 있어서는, 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 휘도 변화(무아레)를 억제할 수 있지만, 그 억제도 한계가 있다는 것이 판명되고 있다. 도 3은, 이렇게 광선 제어 소자(5)의 능선(15)과 표시부(100)의 화소의 수직 방향이 이루는 각이 arctan(1/3)으로 설정되어 있는 경우에 대하여 도시되어 있다. 이렇게 일정 각도(n)를 이룸으로써, 광선 제어 소자(5)를 경유하여 보이는 개구부 비율의 변동은 억제되지만, 도 4에 도시한 바와 같이 휘도 변화(각 서브 화소로부터의 휘도의 합)가 남게 된다.

더 고찰하면, 서브 화소(1)는, 변의 길이가 1:3인 직사각형이며, 광선 제어 소자(5)의 기울기가 그 능선(15)과, 표시부 화소의 수직 방향이 이루는 각을 arctan(1/3)으로 설정하고 있는 점에서, 도 3에 도시한 제1 내지 제3 화소행으로 휘도 변화의 위상이 일치하고 있다.

이상의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 광선 제어 소자를 기울이는 것은, 휘도 불균일(무아레)을 억제하는 것에 효과가 있지만, 그것만으로 완전히 무아레를 해소할 수는 없다는 것이 이해된다. 고찰에 기초하여, 화소행마다 위상을 어긋나게 할(광선 제어 소자 경유로 보이는 위치의 주기성을 없앨) 필요가 있다. 광선 제어 소자의 능선(15)과, 표시부 화소의 수직 방향이 이루는 각을 arctan(1/n)로 한 경우, 주기성에 대해서는 n이 정수값일 때에 가장 높아, n을 정수값이 아니게 함으로써 저하시킬 수 있다. 예를 들어, 정수값 및 정수가 아닌 경우를 이하에 나타낸다. 이하의 설명에 있어서, 식(n+b/a)에 있어서의 n, a 및 b는 정수이며, a>b이다. 이하의 예시에서는 a는, 2, 3, 4, 5이다.

　n=정수값

　(n+b/a)=정수값+1/2

　(n+b/a)=정수값+1/3

　(n+b/a)=정수값+1/4

　(n+b/a)=정수값+1/5

　···

한편, n이 정수값(b/a=0)일 때의 장점으로서, 삼차원 화상 표시용 화상 정보의 작성 부하가 낮은 것과, 화질이 높은 것을 들 수 있다. 삼차원 화상 표시용의 화상을 생성하기 위해서는, 우선 다른 각도에서 촬영한 다시점 화상을 준비하고, 이것을 화소 단위로 분해하여, 광선 제어 소자 배면의 서브 화소군에 관찰 각도에 따른 화소 정보가 보이도록 레이아웃한다. 다시점 화상과 광선 제어 소자 너머로 관찰되는 화소의 샘플링점이 일치하고 있으면 가장 효율이 좋지만, 다시점 화상을 포함하여 일반적인 화상의 포맷이, 수직과 수직의 샘플링 방향이 직교하고, 또한 샘플링 간격이 동등한 것에 대해, 광선 제어 소자를 기울인 경우에는 샘플링 위치의 불일치가 발생한다. 이 때문에, 광선 제어 소자의 샘플링 위치에 따라 다시점 화상을 재샘플링하는 화상 처리 과정이 추가된다. 이것은, 삼차원 화상 표시용 화상 정보의 작성 부하를 증가시킴과 함께, 화질의 저하를 일으킨다. 그러한 가운데에서도 n이 정수값인 경우에는, 주기적으로 샘플링이 일치하는 부분이 발생한다. 즉, 주기성이 높은 것은, 화질 저하의 억제도 의미하고 있다.

마지막으로, 화소 정보끼리의 크로스 토크에 대하여 설명한다. 도 5a 내지 도 8a에는, 각각 광선 제어 소자의 능선(15)과, 표시부 화소의 수직 방향이 이루는 각이 arctan(1/4), arctan (1/5,) arctan (1/6,) arctan(1/7)로 설정한 경우에 있어서의, 광선 제어 소자(5)를 경유하여 보이는 개구부 비율의 변화를 각각 도 5b 내지 도 8b에 도시하고 있다. 도 2에서는, 관찰각의 변화에 따라 보이는 화소 정보가 완전히 분리되어 있다. 이것은 삼차원 화상의 측면에의 전환이 불연속인 것을 의미한다. 즉, 광선 제어 소자(5)를 기울임으로써, 인접한 화소의 정보(시차 정보)의 전환을 연속적으로 할 수 있는 점에서, 관찰각에 따라 원활하게 측면 화상으로 전환되는 삼차원 화상을 제공할 수 있다. 그러나, 그 각도를 지나치게 기울이면, 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같이, 하나를 사이에 두고 인접한 시차 화상끼리도 혼입되게 되고, 이 다음에는 시차의 분리가 불완전해진다. 이것도 삼차원 화상의 화질 저하로 이어지게 된다.

이상의 분석 및 고찰을 정리하면, 시차 배리어의 기울기에 수반하는 샘플링의 주기성과, 무아레의 해소성, 화질, 화상 처리 부하의 관계는, 이하의 표 1과 같이 된다. 이 표 1에 있어서는, 무아레에 대한 실례가 추기되어 있다.

이 표 1로부터 명백해진 바와 같이, 적당량의 크로스 토크로, 무아레를 억제하는 범위로서는, n=정수값과 n=정수값+1/2과 그 근방(도 9에 무아레 발생의 삼각 화살표(사선의 삼각 화살표)로 나타나는 값)을 제외한 이하의 범위로 설정된다.

　5+1/5≤(n+b/a)≤5+2/5(도 9에 있어서의 A의 범위)

　5+3/5≤(n+b/a)≤5+4/5(도 9에 있어서의 B의 범위)

　6+1/5≤(n+b/a)≤6+2/5(도 9에 있어서의 C의 범위)

이들을 제외한 범위에서도, 무아레를 시인 한계 이하로 억제하는(도 9에 도시하는 무아레 전무를 나타내는 동그라미로 나타내는 값) 것을 중시한 경우는,

　(n+b/a)=5+1/4

　(n+b/a)=5+3/4

　(n+b/a)=6+1/4

중 어느 하나가 선정되는 것이 바람직하다. 한편, 화질 저하와 화상 처리 부하 증가를 억제하는 것을 중시한 경우에는,

　(n+b/a)=5+1/3

　(n+b/a)=5+2/3

　(n+b/a)=6+1/3

중 어느 하나로부터 선정된 기울기가 특히 유용하다. 이때, 휘도 변동이 남기 때문에, 무아레는 얇게 발생하지만, 휘도 변동의 주기와 광선 제어 소자의 개구 폭(배리어의 경우에는 개구 폭, 렌즈의 경우에는 스폿 크기)을 일치시키면, 이것을 억제할 수 있다. 단, 개구부로부터 보이는 영역은, 유한 시거리(視距離)의 경우, 투시도를 고려할 필요가 있는 점에서, 시거리에 따라 이 영역이 변동된다. 이로 인해, 광선 제어 소자의 개구 폭에 의한 무아레 억제는, 완전한 방법이 아니다. 그러나, 얇은 무아레를 해소하기 위해서는 유효한 수단이다.

이상의 방법에 의해, 광선 제어 소자를 수직으로 설치한 삼차원 영상 표시 장치에 있어서, 표시 방해인 무아레, 화질 저하, 화상 처리 부하 증대를 억제하고, 또한 적당한 크로스 토크에 의해, 매끄러운 운동 시차를 실현할 수 있어, 종합적인 삼차원 영상의 화질을 향상시킬 수 있다.

이들 실시 형태 또는 실시예에 의하면, 주기성이 일 방향으로 한정된 광선 제어 소자와 제1 방향, 및 제1 방향으로 직교하는 제2 방향(수직 및 수평 방향)으로 매트릭스 형상으로 화소가 형성된 평면 표시 장치를 조합한 삼차원 영상 표시 장치에 있어서, 화질 저하시키지 않고 무아레를 해소할 수 있는 삼차원 영상 표시 장치를 제공할 수 있다.

이상과 같이, 이 실시 형태에 의하면, 주기성이 일 방향으로 한정된 광선 제어 소자와 평면 표시 장치를 조합한 삼차원 영상 표시 장치에 있어서, 광선 제어 소자의 기울기를 제어함으로써, 무아레를 해소하여, 화질 저하를 억제한 삼차원 영상 표시 장치를 제공할 수 있다.

당 분야의 당업자라면, 추가의 장점 및 변경을 이룰 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 광의의 관점에서 상술한 설명 및 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 첨부한 특허청구범위와 그의 등가물에 의해 정의된 정신이나 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이 이루어질 수도 있다.

Claims (4)

1. 제1 방향과 이것에 직교하는 제2 방향을 따라 서브 화소가 매트릭스 형상으로 배열된 표시부와, 상기 표시부에 대향하여 설치되고, 상기 제2 방향에 대하여 소정의 각을 이루는 대략 직선 형상의 복수의 광학적 개구부를 구비한 광선 제어 소자를 구비하고, 상기 서브 화소는 변의 길이가 1:3의 비를 갖는 직사각형으로 형성되고, 이 서브 화소가 상기 제1 방향을 따라 3개 병설된 세트로, 정사각형의 화소를 형성하고 있는 삼차원 영상 표시 장치로서,
   상기 광학적 개구부를 따른 방향과 상기 제2 방향이 이루는 상기 소정의 각이, arctan(5+1/5) 내지 arctan(5+2/5)의 제1 범위, arctan(5+3/5) 내지 arctan(5+4/5)의 제2 범위 및 arctan(6+1/5) 내지 arctan(6+2/5)의 제3 범위 중 어느 한 범위 내에서 선정되는 것을 특징으로 하는 삼차원 영상 표시 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광학적 개구부의 연장 방향과, 상기 제2 방향이 이루는 각이, arctan(5+1/4), arctan(5+3/4) 및 arctan(6+1/4) 중 어느 하나로 선정되는 것을 특징으로 하는 삼차원 영상 표시 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 광학적 개구부의 연장 방향과, 상기 제2 방향이 이루는 각이, arctan(5+1/3), arctan(5+2/3) 및 arctan(6+1/3) 중 어느 하나로 선정되는 것을 특징으로 하는 삼차원 영상 표시 장치.
4. 삭제

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