KR101522288B1 - 고정 초점 렌즈계 - Google Patents

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KR101522288B1
KR101522288B1 KR1020120045988A KR20120045988A KR101522288B1 KR 101522288 B1 KR101522288 B1 KR 101522288B1 KR 1020120045988 A KR1020120045988 A KR 1020120045988A KR 20120045988 A KR20120045988 A KR 20120045988A KR 101522288 B1 KR101522288 B1 KR 101522288B1
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강미원
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Abstract

본 발명은, 물체측으로부터 이미지측으로의 순서대로, 부의 굴절력의 제1 렌즈 및 정의 굴절력의 제2 렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈군, 및 부의 굴절력의 제3 렌즈, 정의 굴절력의 제4 렌즈, 및 정의 굴절력의 제 렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군을 포함하며, 상기 제1 내지 제5 렌즈군은 모두 구면 렌즈인 고정 초점 렌즈계에 관한 것이다.

Description

고정 초점 렌즈계{Fixed Focus Lens System}
본 발명은 고정 초점 렌즈계에 관한 것이다.
CCD 또는 CMOS를 이용하여 영상을 구현하는 촬영 장치는 디지털로 전환됨에 따라 저장 용량이 증가되고 있다. 저장 용량이 증가됨에 따라 디지털 촬영 장치에 채용되는 렌즈계에 대한 높은 광학 성능에 대한 요구 및 편의상의 이유로 소형화에 대한 요구가 점차 증대되고 있다.
렌즈계는 피사체가 가지는 작은 정보까지 선명하게 기록하기 위해서 화면 주변에서 발생하는 수차까지 양호하게 보정되어야 한다. 그러나, 고성능을 실현하기 위해서는 소형화를 이루기에 어려움이 있고, 소형화를 위해서는 제조 원가의 상승이 수반되므로 높은 광학 성능과 제조 비용을 같이 만족시키기에 어려움이 있다.
일본특허공개공보 제2000-105334호(2000.04.11) "결상 렌즈"
본 발명의 일실시예는, 고정 초점 렌즈계에 관한 것으로, 보다 구체적으로 감시용 카메라와 같은 촬상 소자에 사용할 수 있는 렌즈계에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물체측으로부터 이미지측으로의 순서대로, 부의 굴절력의 제1 렌즈 및 정의 굴절력의 제2 렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제1렌즈군; 및 부의 굴절력의 제3 렌즈, 정의 굴절력의 제4 렌즈, 및 정의 굴절력의 제 5렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군;을 포함하며, 상기 제1 내지 제5 렌즈군은 모두 구면 렌즈인 고정 초점 렌즈계를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 고정 초점 렌즈계는 총 5매의 렌즈만을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 고정 초점 렌즈계의 뒷초점거리(BFL)은 하기의 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure 112012034818797-pat00001
여기서, EFL은 상기 고정 초점 렌즈계의 유효초점거리를 나타낸다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 렌즈군의 초점거리(f1)와 상기 제2 렌즈군의 초점거리(f2)는 하기의 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure 112012034818797-pat00002
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제3 렌즈의 굴절률(n3) 및 상기 제4 렌즈의 굴절률(n4)은 하기의 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure 112012034818797-pat00003
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 렌즈의 굴절률(n1), 상기 제2 렌즈의 굴절률(n2), 및 상기 제5 렌즈의 굴절률(n5)은 하기의 식을 만족할 수 있다.
<식>
Figure 112012034818797-pat00004
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 접합렌즈를 구성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 렌즈 내지 제 5 렌즈 중 적어도 어느 두 개의 렌즈는 굴절률이 1.8 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 렌즈 및 상기 제3 렌즈 중 적어도 어느 하나는 굴절률이 1.8 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2 렌즈, 상기 제4 렌즈, 및 상기 제5 렌즈 중 적어도 어느 하나는 굴절률이 1.8 이상일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 총 5매의 구면 렌즈를 사용함으로써 저 비용으로 콤팩트하면서 광각의 렌즈계를 제공할 수 있다.
또한, 굴절률 및/또는 초점거리 간의 관계를 통해서 수차 보정이 용이한, 광학적 성능이 우수한 렌즈계를 제공할 수 있다.
또한, 뒷초점거리가 비교적 길게 형성되므로 다양한 광학 부재가 위치할 수 있는 충분한 공간을 확보할 수 있다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계를 개략적으로 나타낸 낸다.
도 2는 도 1의 고정 초점 렌즈계의 구면 수차, 비점수차, 및 왜곡을 나타낸 수차도이다.
도 3은 도 1의 고정 초점 렌즈계의 필드 높이(field height)에 따른 코마 수차를 나타낸 것이다.
도 4는 도 1의 고정 초점 렌즈계의 가시광선에서 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계를 개략적으로 나타낸 낸다.
도 6은 도 5의 고정 초점 렌즈계의 구면 수차, 비점수차, 및 왜곡을 나타낸 수차도이다.
도 7은 도 5의 고정 초점 렌즈계의 필드 높이(field height)에 따른 코마 수차를 나타낸 것이다.
도 8은 도 5의 고정 초점 렌즈계의 가시광선에서 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계를 개략적으로 나타낸 낸다.
도 10은 도 9의 고정 초점 렌즈계의 구면 수차, 비점수차, 및 왜곡을 나타낸 수차도이다.
도 11은 도 9의 고정 초점 렌즈계의 필드 높이(field height)에 따른 코마 수차를 나타낸 것이다.
도 12는 도 9의 고정 초점 렌즈계의 가시광선에서 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1, 도 5, 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계를 개략적으로 나타낸다.
도 1, 도 5, 및 도 9를 참조하면, 고정 초점 렌즈계는 물체 측으로부터 이미지 측의 순서대로, 제1 렌즈군(G1), 조리개(ST), 및 제2 렌즈군(G2)을 포함할 수 있다. 제2 렌즈군(G2)과 이미지 면 사이에는 광학 필터(F)와 같은 광학 부재가 더 포함될 수 있다.
제1 렌즈군(G1)은 정의 굴절력을 갖는다. 예를 들어, 제1 렌즈군(G1)은 부의 굴절력을 갖는 제1 렌즈(11), 및 정의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(12)를 포함할 수 있다.
제2렌즈군은 정의 굴절력을 갖는다. 예를 들어, 제2 렌즈군(G2)은 부의 굴절력을 갖는 제2 렌즈(12), 정의 굴절력을 갖는 제3 렌즈(21), 및 정의 굴절력을 갖는 제4 렌즈(22)를 포함할 수 있다. 제3 렌즈(21)와 제4 렌즈(22)는 접합 렌즈를 구성하여 광학적 성능 및 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 향상시킬 수 있다.
제1 렌즈 내지 제5 렌즈(11, 12, 21, 22, 23)는 모두 구면 렌즈일 수 있다. 구면 렌즈는 비구면 렌즈에 비하여 수차와 같은 광학적 성능에서 다소 불리할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계에서는 광학적 성능을 향상시키면서 촬상 기기, 예컨대 감시용 카메라에 활용하기에 적합하다.
본 발명의 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계는 총 5매의 렌즈만을 포함함으로써, 렌즈의 매수를 최소화하면서도 다양한 광학부재가 구비될 수 있는 충분한 공간을 확보할 수 있고, 광학적 성능이 우수한 고정 초점 렌즈계를 제공할 수 있다.
예컨대, 고정 초점 렌즈계의 뒷초점거리(BFL)는 다음의 식을 만족할 수 있다.
Figure 112012034818797-pat00005
………(식 1)
식 1은 고정 초점 렌즈계의 유효초점거리에 대한 뒷초점거리의 비를 정의한 것으로서, 유효초점거리 보다 약 2배 이상의 뒷초점거리를 구비함으로써 제2 렌즈군(G2)과 이미지 면 사이에 충분한 공간을 확보할 수 있다. 감시용 카메라(CCTV)와 같은 촬영 장치의 경우, 고화질을 얻기 위해서 광학 필터와 같은 다양한 광학 부재가 더 포함될 수 있다. 예컨대, 감시용 카메라의 경우 주간뿐만 아니라 야간에도 영상을 촬영해야 하므로, 주간 촬영에 적합한 광학 필터와 야간 촬영에 적합한 광학 필터를 모두 구비할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 뒤 초점거리가 유효초점거리 대비 비교적 큰 값을 가지므로, 제2 렌즈군(G2)과 이미지 면(IP) 사이에 광학 필터(F)와 같은 광학 부재가 더 포함될 수 있는 충분한 공간이 확보될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 렌즈군(G1)과 제2 렌즈군(G2)은 다음의 식을 만족할 수 있다.
Figure 112012034818797-pat00006
………(식 2)
여기서, f1은 제1 렌즈군(G1)의 초점거리를, f2는 제2 렌즈군(G2)의 초점거리를 나타낸다.
식 2는 제1 렌즈군(G1)의 초점거리와 제2 렌즈군(G2)의 초점거리의 비의 절대값을 정의한 것으로서, 이 값이 0.50 이하이면 구면 수차가 크게 발생하고, 0.75 이상이면 비점 수차가 크게 발생하여 광학적 성능이 저하될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제3 렌즈(21)와 제4 렌즈(22)는 다음의 식을 만족할 수 있다.
Figure 112012034818797-pat00007
………(식 3)
여기서, n3는 제3 렌즈(21)의 굴절률을, n4는 제4 렌즈(22)의 굴절률을 나타낸다.
식 3은 제4 렌즈(22)의 굴절률에 대한 제3 렌즈(21)의 굴절률의 비를 정의한 것으로서, 이 값이 0.10 이하이거나 0.12 이상인 경우에는 색수차가 크게 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제1 렌즈(11), 제2 렌즈(12)와 제5 렌즈(23)는 다음의 식을 만족할 수 있다.
Figure 112012034818797-pat00008
………(식 4)
여기서, n1은 제1 렌즈(11)의 굴절률을, n2는 상기 제2 렌즈(12)의 굴절률을, n5는 제5 렌즈(23)의 굴절률 나타낸다.
식 4는 제1 렌즈(11)의 굴절률, 제2 렌즈(12)의 굴절률 및 제5 렌즈(23)의 굴절률 간의 관계를 정의한 것으로, 이 값이 1.83 이하이거나 1.93 이상이면 코마 수차가 다량 발생하여 광학적 성능이 크게 저하될 수 있다.
제1 렌즈 내지 제5 렌즈(11, 12, 21, 22, 23)는 중 적어도 어느 두 개의 렌즈는 굴절률이 1.8 이상일 수 있다. 굴절률이 큰 렌즈를 적어도 두매 포함함으로써 콤팩트(compact) 한 렌즈계를 구성할 수 있으며, 광각의 효과를 달성할 수 있다.
예를 들어, 고정 초점 렌즈계에 포함된 적어도 하나의 정의 굴절력을 갖는 렌즈의 굴절률이 1.8 이상이고, 적어도 하나의 부의 굴절력을 갖는 렌즈의 굴절률이 1.8 이상일 수 있다. 제1 렌즈(11) 및 제3 렌즈(21) 중 적어도 어느 하나의 렌즈는 굴절률이 1.8 이상일 수 있고, 제2 렌즈(12), 제4 렌즈(22) 및 제5 렌즈(23) 중 적어도 어느 하나의 렌즈는 굴절률이 1.8 이상일 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈계의 설계 데이터를 나타낸 것이다. 이하에서, Rn은 렌즈의 물체측 면 또는 이미지측 면, 혹은 광학 필터의 물체측 면 또는 이미지 면의 곡률반경을, Dn은 렌즈의 중심 두께, 또는 렌즈와 렌즈 사이, 혹은 렌즈와 광학 필터 사이의 간격을 나타낸다. nd는 소재의 굴절율(d선)을, vd는 아베수(d선)를 나타낸다.
<제1 실시예>
표 1은 도 1에 도시된 일 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계의 설계 데이터를 나타낸다.
EFL =3.30 mm
surface Rn Dn nd vd
S1 20.2980 0.500 1.638542 55.4496
S2 3.1845 6.010
S3 13.6376 2.500 1.805181 25.4564
S4 -6.6317 0.200
S5( st) infinity 1.350
S6 -3.76936 0.500 1.846663 23.7848
S7 4.58186 2.200 1.713 53.9389
S8 -4.76936 0.400
S9 12.6023 1.800 1.743299 49.2216
S10 -13.0425 0.200
S11 infinity 2.490 1.516798 64.1983
S12 infinity 4.360
도 2는 도 1의 고정 초점 렌즈계의 구면 수차, 비점수차, 및 왜곡을 나타낸 수차도이고, 도 3은 도 1의 고정 초점 렌즈계의 필드 높이(field height)에 따른 코마 수차를 나타낸 것이며, 도 4는 도 1의 고정 초점 렌즈계의 가시광선에서 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸다. 구면 수차는 약 656.28nm, 587.56nm, 546.07nm, 486.13nm, 435.84nm의 파장을 갖는 광에 대하여 도시되었으며, 비점 수차와 왜곡은 약 546.07nm 파장을 갖는 광에 대하여 도시된 것이다. MTF곡선에서 가로축은 공간 주파수(spatial frequency)로서 밀리미터 당 주기(cycle/mm)의 단위를 갖고, 세로축은 광학적 전달 함수(optical transfer function)의 모듈레이션(modulation)을 나타낸다.
<제2 실시예>
표 2는 도 5에 도시된 일 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계의 설계 데이터를 나타낸다.
EFL =3.10 mm
Surface Rn Dn nd vd
S1 33.9320 0.660 1.696802 55.4597
S2 3.4830 6.346
S3 10.7330 1.700 1.805181 25.4564
S4 -9.1000 0.775
S5 (st) Infinity 1.149
S6 -4.6780 0.500 1.846663 23.7848
S7 4.0830 2.500 1.696802 55.4597
S8 -5.0410 0.200
S9 8.9900 1.500 1.804200 46.5025
S10 -30.5570 0.200
S11 Infinity 2.490 1.516798 64.1983
S12 Infinity 4.148
도 6은 도 5의 고정 초점 렌즈계의 구면 수차, 비점수차, 및 왜곡을 나타낸 수차도이고, 도 7은 도 5의 고정 초점 렌즈계의 필드 높이(field height)에 따른 코마 수차를 나타내며, 도 8은 도 5의 고정 초점 렌즈계의 가시광선에서 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸다. 구면 수차는 약 656.28nm, 587.56nm, 546.07nm, 486.13nm, 435.84nm의 파장을 갖는 광에 대하여 도시되었으며, 비점 수차와 왜곡은 약 546.07nm 파장을 갖는 광에 대하여 도시된 것이다. MTF곡선에서 가로축은 공간 주파수(spatial frequency)로서 밀리미터 당 주기(cycle/mm)의 단위를 갖고, 세로축은 광학적 전달 함수(optical transfer function)의 모듈레이션(modulation)을 나타낸다.
<제3 실시예>
표 3은 도 9에 도시된 일 실시예에 따른 고정 초점 렌즈계의 설계 데이터를 나타낸다.
EFL =3.2650 mm
Surface Rn Dn nd vd
S1 19.0138 0.660 1.815999 46.5719
S2 3.6000 6.943
S3 8.1401 1.492 1.833633 29.8622
S4 -11.1113 0.663
S5 (st) Infinity 1.561
S6 -4.1300 0.500 1.846663 23.7848
S7 4.0832 2.172 1.677902 55.5187
S8 -4.8894 0.100
S9 9.5159 1.200 1.815999 46.5719
S10 -21.6095 0.150
S11 Infinity 2.670 1.516798 64.1983
S12 infinity 4.000
도 10은 도 9의 고정 초점 렌즈계의 구면 수차, 비점수차, 및 왜곡을 나타낸 수차도이고, 도 11은 도 9의 고정 초점 렌즈계의 필드 높이(field height)에 따른 코마 수차를 나타내며, 도 12는 도 9의 고정 초점 렌즈계의 가시광선에서 MTF(Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸다. 구면 수차는 약 656.28nm, 587.56nm, 546.07nm, 486.13nm, 435.84nm의 파장을 갖는 광에 대하여 도시되었으며, 비점 수차와 왜곡은 약 546.07nm 파장을 갖는 광에 대하여 도시된 것이다. MTF곡선에서 가로축은 공간 주파수(spatial frequency)로서 밀리미터 당 주기(cycle/mm)의 단위를 갖고, 세로축은 광학적 전달 함수(optical transfer function)의 모듈레이션(modulation)을 나타낸다.
다음의 표 4는 제1 내지 제3 실시예가 각각 조건 식들을 만족함을 보여준 것이다.
식1(BFL/EFL) 식 2(|f1/f2|) 식3(n3/n4) 식4(n2 * n5/n1)
실시예 1 2.136 0.551924 1.078 1.921
실시예 2 2.227 0.733575 1.088 1.920
실시예 3 2.1447 0.512323 1.101 1.834
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
11: 제1 렌즈 12: 제2 렌즈
21: 제3 렌즈 22: 제4 렌즈
23: 제5 렌즈 G1: 제1 렌즈군
G2: 제2 렌즈군 ST: 조리개
F: 필터 IP: 이미지 면

Claims (10)

  1. 물체측으로부터 이미지측으로의 순서대로,
    부의 굴절력의 제1 렌즈 및 정의 굴절력의 제2 렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군; 및
    부의 굴절력의 제3 렌즈, 정의 굴절력의 제4 렌즈, 및 정의 굴절력의 제5 렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군;을 포함하며, 상기 제1 렌즈 내지 제5 렌즈는 모두 구면 렌즈이고, 총 5매의 렌즈만을 포함하며 하기의 식을 만족하는 고정 초점 렌즈계.
    <식>
    Figure 112014124548362-pat00025

    여기서, BFL 및 EFL은 각각 상기 고정 초점 렌즈계의 뒷초점거리 및 유효초점거리를 나타낸다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 물체측으로부터 이미지측으로의 순서대로,
    부의 굴절력의 제1 렌즈 및 정의 굴절력의 제2 렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제1 렌즈군; 및
    부의 굴절력의 제3 렌즈, 정의 굴절력의 제4 렌즈, 및 정의 굴절력의 제5 렌즈를 포함하며, 전체 정의 굴절력을 갖는 제2 렌즈군;을 포함하며, 상기 제1 렌즈 내지 제5 렌즈는 모두 구면 렌즈이고, 총 5매의 렌즈만을 포함하며 하기의 식을 만족하는 고정 초점 렌즈계.
    <식>
    Figure 112014124548362-pat00026

    제1항에 있어서,
    여기서, f1 및 f2는 각각 상기 제1 렌즈군 및 상기 제2 렌즈군의 초점거리를 나타낸다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈의 굴절률(n3) 및 상기 제4 렌즈의 굴절률(n4)은 하기의 식을 만족하는 고정 초점 렌즈계.
    <식>
    Figure 112012034818797-pat00011
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈의 굴절률(n1), 상기 제2 렌즈의 굴절률(n2), 및 상기 제5 렌즈의 굴절률(n5)은 하기의 식을 만족하는 고정 초점 렌즈계.
    <식>
    Figure 112012034818797-pat00012
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 제3 렌즈 및 상기 제4 렌즈는 접합렌즈를 구성하는 고정 초점 렌즈계.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 내지 제 5 렌즈 중 적어도 어느 두 개의 렌즈는 굴절률이 1.8 이상인 고정 초점 렌즈계.
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제3 렌즈 중 적어도 어느 하나는 굴절률이 1.8 이상인 고정 초점 렌즈계.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈, 상기 제4 렌즈, 및 상기 제5 렌즈 중 적어도 어느 하나는 굴절률이 1.8 이상인 고정 초점 렌즈계.
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