KR102327737B1 - 촬상 광학계 - Google Patents

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KR102327737B1
KR102327737B1 KR1020210006745A KR20210006745A KR102327737B1 KR 102327737 B1 KR102327737 B1 KR 102327737B1 KR 1020210006745 A KR1020210006745 A KR 1020210006745A KR 20210006745 A KR20210006745 A KR 20210006745A KR 102327737 B1 KR102327737 B1 KR 102327737B1
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Abstract

본 발명의 촬상 광학계는 정의 굴절력을 가지며, 상 측면이 볼록한 형상인 제1렌즈; 정의 굴절력을 갖는 제2렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 정의 굴절력을 갖는 제4렌즈; 및 정의 굴절력을 갖는 제5렌즈;를 포함하고, 상기 제1렌즈 내지 상기 제5렌즈는 물체 측으로부터 상면 방향으로 순차적으로 배치된다.

Description

촬상 광학계{Optical Imaging System}
본 발명은 가시광선 영역 및 근적외선 영역에서 모두 물체를 촬영할 수 있는 촬상 광학계에 관한 것이다.
소형 감시 카메라는 차량에 장착되어 차량의 전방 및 후방 시야를 촬영한다. 예를 들어, 소형 감시 카메라는 차량의 실내 거울(rearview mirror)에 장착되어 차량의 전방에 전개되는 이동차량, 보행자 등을 촬영한다.
이러한 소형 감시 카메라는 주간환경뿐만 아니라 야간환경에서도 촬영을 해야 한다. 그러나 야간환경은 낮은 조도를 가지므로, 물체의 선명한 촬영이 어렵다. 특히, 차량에 장착되는 소형 감시 카메라는 크기의 제약을 받으므로, 작은 크기를 가지면서 가시광선 영역 및 근적외선 영역에서 모두 촬영이 가능한 광학계의 탑재가 필요하다.
US 2006-0103947 A1 US 2010-0103539 A1 US 2014-0146405 A1
본 발명은 낮은 조도 환경에서 선명한 촬영이 가능한 촬상 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 촬상 광학계는 정의 굴절력을 가지며, 상 측면이 볼록한 형상인 제1렌즈; 정의 굴절력을 갖는 제2렌즈; 부의 굴절력을 갖는 제3렌즈; 정의 굴절력을 갖는 제4렌즈; 및 정의 굴절력을 갖는 제5렌즈;를 포함하고, 상기 제1렌즈 내지 상기 제5렌즈는 물체 측으로부터 상면 방향으로 순차적으로 배치된다.
본 발명은 낮은 조도 환경에서 선명한 촬영이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 2는 도 1에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 3은 도 1에 도시된 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 5는 도 4에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 6은 도 4에 도시된 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표
도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 구성도
도 8은 도 7에 도시된 촬상 광학계의 수차 곡선을 나타낸 그래프
도 9는 도 7에 도시된 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타낸 표
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
아울러, 명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 '연결'되어 있다 함은 이들 구성들이 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성을 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함하는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
아울러, 본 명세서에서 제1렌즈는 물체(또는 피사체)와 가장 가까운 렌즈를 의미하고, 제5렌즈는 상면(또는 이미지 센서)과 가장 가까운 렌즈를 의미한다. 본 명세서에서 렌즈의 곡률 반지름(Radius), 두께(Thickness), TL, Y(상면의 대각길이의 1/2), 초점거리의 단위는 모두 ㎜ 단위이다. 아울러, 렌즈의 두께, 렌즈 간의 간격, TL은 렌즈의 광축을 기준으로 측정된 거리이다. 아울러, 렌즈의 형상에 대한 설명에서 일면이 볼록한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 볼록하다는 의미이고, 일면이 오목한 형상이라는 의미는 해당 면의 광축 부분이 오목하다는 의미이다. 따라서, 렌즈의 일면이 볼록한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 오목할 수 있다. 마찬가지로, 렌즈의 일면이 오목한 형상이라고 설명되어도, 렌즈의 가장자리 부분은 볼록할 수 있다.
촬상 광학계는 복수의 렌즈로 이루어지는 광학계를 포함한다. 예를 들어, 촬상 광학계의 광학계는 굴절력을 갖는 5매의 렌즈로 이루어진다. 그러나 촬상 광학계가 굴절력을 갖는 렌즈만으로 구성되는 것은 아니다. 예를 들어, 촬상 광학계는 광량을 조절하기 위한 조리개(stop)를 포함할 수 있다. 또한, 촬상 광학계는 광학계를 통해 입사된 피사체의 상을 전기신호로 변환하기 위한 이미지 센서(즉, 촬상 소자)를 더 포함할 수 있다. 또한, 촬상 광학계는 렌즈와 렌즈 사이의 거리를 조정하기 위한 간격 유지 부재를 더 포함할 수 있다.
제1렌즈 내지 제5렌즈는 공기와 다른 굴절률을 갖는 재질로 이루어진다. 예를 들어, 제1렌즈 내지 제5렌즈는 플라스틱 또는 유리 재질로 이루어진다.
촬상 광학계는 5매의 렌즈, 이미지 센서, 조리개를 포함한다. 다음에서는 전술된 구성들을 설명한다.
제1렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제1렌즈는 정의 굴절력을 가진다.
제1렌즈는 일면이 볼록한 형상이다. 예를 들어, 제1렌즈는 상 측면이 볼록한 형상이다.
제1렌즈는 구면을 포함한다. 예를 들어, 제1렌즈는 양면이 모두 구면일 수 있다. 제1렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제1렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제1렌즈의 재질이 유리로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.
제1렌즈는 소정의 굴절률을 가진다. 예를 들어, 제1렌즈의 굴절률은 1.70 이상일 수 있다.
제2렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제2렌즈는 정의 굴절력을 가진다.
제2렌즈는 일면이 오목한 형상이다. 예를 들어, 제2렌즈는 상 측면이 오목한 형상일 수 있다.
제2렌즈는 구면을 포함한다. 예를 들어, 제2렌즈는 양면이 구면일 수 있다. 제2렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제2렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제2렌즈의 재질이 유리로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수도 있다.
제2렌즈는 제1렌즈보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2렌즈의 굴절률은 1.90 이상일 수 있다.
제3렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제3렌즈는 부의 굴절력을 가질 수 있다.
제3렌즈는 적어도 일면이 오목한 형상이다. 예를 들어, 제3렌즈는 양면이 오목한 형상일 수 있다.
제3렌즈는 구면을 포함한다. 예를 들어, 제3렌즈는 양면이 구면일 수 있다. 제3렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제3렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제3렌즈의 재질이 유리로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제3렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.
제3렌즈는 제1렌즈보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제3렌즈의 굴절률은 1.90 이상일 수 있다. 제3렌즈는 제1렌즈보다 낮은 아베수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제3렌즈의 아베수는 25 이하일 수 있다.
제4렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제4렌즈는 정의 굴절력을 가진다.
제4렌즈는 일면이 오목한 형상이다. 예를 들어, 제4렌즈는 물체 측면이 오목한 형상일 수 있다.
제4렌즈는 구면을 포함한다. 예를 들어, 제4렌즈는 양면이 모두 구면일 수 있다. 제4렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제4렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제4렌즈의 재질이 유리로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제4렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.
제4렌즈는 제3렌즈보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제4렌즈의 굴절률은 1.90 미만일 수 있다. 제4렌즈는 제3렌즈보다 높은 아베수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제4렌즈의 아베수는 40 이상일 수 있다.
제5렌즈는 굴절력을 가진다. 예를 들어, 제5렌즈는 정의 굴절력을 가진다.
제5렌즈는 적어도 일면이 볼록한 형상일 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈는 양면이 볼록한 형상일 수 있다.
제5렌즈는 구면을 포함한다. 예를 들어, 제5렌즈는 양면이 모두 구면일 수 있다. 제5렌즈는 광 투과율이 높고 가공성이 우수한 재질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈는 유리 재질로 제작될 수 있다. 그러나 제5렌즈의 재질이 유리로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제5렌즈는 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.
제5렌즈는 제3렌즈보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈의 굴절률은 1.90 미만일 수 있다. 제5렌즈는 제3렌즈보다 높은 아베수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제5렌즈의 아베수는 40 이상일 수 있다.
이미지 센서는 고해상도를 구현하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서를 구성하는 픽셀의 단위크기는 1.12 ㎛ 이하일 수 있다. 이미지 센서의 표면은 상이 맺히는 상면을 형성할 수 있다.
조리개는 렌즈와 렌즈 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 조리개는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이에 배치될 수 있다. 이와 같이 배치된 조리개는 이미지 센서로 입사되는 광량을 조정할 수 있다.
촬상 광학계는 아래의 조건식들을 만족할 수 있다.
[조건식] -6.5 < {(1/f)*(Y/tanθ)-1}*100 < -1.0
[조건식] TL/2Y < 2.0
[조건식] -7.0 < R1/f < 5.0
[조건식] -5.5 < (R1+R2)/(R1-R2) < 5.5
[조건식] 0.2 < f/f1 < 0.6
[조건식] -2.5 < f/f3 < -1.5
[조건식] 1.5 < f/EPD < 2.1
[조건식] 5.0 < (t1+t2)/t3 < 12.0
[조건식] 0 ≤ |n1 - n2| ≤ 0.2
상기 조건식에서 f는 촬상 광학계의 전체 초점거리이고, 2Y는 상면의 대각길이이고, Y는 2Y의 1/2이고, θ는 촬상 광학계의 반화각이고, R1은 제1렌즈의 물체 측면의 곡률 반지름이고, R2는 제1렌즈의 상 측면의 곡률 반지름이고, f1은 제1렌즈의 초점거리이고, f3는 제3렌즈의 초점거리이고, EPD는 입사동의 지름이고, t1은 제1렌즈의 광축 중심의 두께이고, t2는 제2렌즈의 광축 중심의 두께이고, t3은 제3렌즈의 광축 중심의 두께이고, n1은 제1렌즈의 굴절률이고, n2는 제2렌즈의 굴절률이다.
상기 조건식들을 만족하는 촬상 광학계는 소형화 및 고해상도의 구현이 가능하다.
다음에서는 여러 실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 제1실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.
촬상 광학계(100)는 굴절력을 갖는 다수의 렌즈로 구성된다. 예를 들어, 촬상 광학계(100)는 제1렌즈(110), 제2렌즈(120), 제3렌즈(130), 제4렌즈(140), 제5렌즈(150)로 구성된다.
본 실시 예에서, 제1렌즈(110)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제2렌즈(120)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(130)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제4렌즈(140)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제5렌즈(150)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 조리개(ST)는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이에 배치된다.
촬상 광학계(100)는 상면을 형성하는 구성을 포함한다. 예를 들어, 촬상 광학계는 이미지 센서(160)를 포함한다.
위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 2에 도시된 수차 특성을 나타낸다. 도 3은 제1실시 예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타내는 표이다.
도 4를 참조하여 제2실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.
촬상 광학계(200)는 굴절력을 갖는 다수의 렌즈로 구성된다. 예를 들어, 촬상 광학계(200)는 제1렌즈(210), 제2렌즈(220), 제3렌즈(230), 제4렌즈(240), 제5렌즈(250)로 구성된다.
본 실시 예에서, 제1렌즈(210)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제2렌즈(220)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(230)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제4렌즈(240)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제5렌즈(250)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 조리개(ST)는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이에 배치된다.
촬상 광학계(200)는 상면을 형성하는 구성을 포함한다. 예를 들어, 촬상 광학계는 이미지 센서(260)를 포함한다.
위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 5에 도시된 수차 특성을 나타낸다. 도 6은 제2실시 예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타내는 표이다.
도 7을 참조하여 제3실시 예에 따른 촬상 광학계를 설명한다.
촬상 광학계(300)는 굴절력을 갖는 다수의 렌즈로 구성된다. 예를 들어, 촬상 광학계(300)는 제1렌즈(310), 제2렌즈(320), 제3렌즈(330), 제4렌즈(340), 제5렌즈(350)로 구성된다.
본 실시 예에서, 제1렌즈(310)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 제2렌즈(320)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 볼록하고 상 측면이 오목한 형상이다. 제3렌즈(330)는 부의 굴절력을 가지며, 양면이 오목한 형상이다. 제4렌즈(340)는 정의 굴절력을 가지며, 물체 측면이 오목하고 상 측면이 볼록한 형상이다. 제5렌즈(350)는 정의 굴절력을 가지며, 양면이 볼록한 형상이다. 조리개(ST)는 제2렌즈와 제3렌즈의 사이에 배치된다.
촬상 광학계(300)는 상면을 형성하는 구성을 포함한다. 예를 들어, 촬상 광학계는 이미지 센서(360)를 포함한다.
위와 같이 구성된 촬상 광학계는 도 8에 도시된 수차 특성을 나타낸다. 도 9은 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 렌즈 특성을 나타내는 표이다.
표 1은 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 광학 특성을 나타낸다. 촬상 광학계의 전체 초점거리(f)는 대체로 5.9 ~ 6.4 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제1렌즈의 초점거리(f1)는 대체로 12.0 ~ 26.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제2렌즈의 초점거리(f2)는 대체로 11.0 ~ 31.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제3렌즈의 초점거리(f3)는 대체로 -3.3 ~ -2.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제4렌즈의 초점거리(f4)는 대체로 5.0 ~ 6.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 제5렌즈의 초점거리(f5)는 대체로 6.0 ~ 10.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계에서 TL은 대체로 9.0 ~ 12.0 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계의 F number는 1.9 이하일 수 있다. 촬상 광학계에서 EPD는 3.2 ~ 3.4 범위에서 정해질 수 있다. 촬상 광학계의 전체 화각(2θ)은 52 ~ 57 범위에서 정해질 수 있다.
Figure 112021006305001-pat00001
표 2는 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계의 조건식 값을 나타낸다. 제1실시 예 내지 제3실시 예에 따른 촬상 광학계는 표 2에서 확인할 수 있듯이 전술된 조건식의 수치범위를 모두 만족한다.
Figure 112021006305001-pat00002
위와 같이 구성된 촬상 광학계는 1.9 이하의 F number를 가지므로, 조도가 낮은 환경뿐만 아니라 가시광선 영역 및 근적외선 영역 모두에서 물체를 선명하게 촬영할 수 있다. 아울러, 본 촬상 광학계는 구면 렌즈를 사용하므로 제작비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 촬상 광학계는 -40 ~ 80 ℃의 온도 범위에서도 일정한 해상도를 보증할 수 있다. 따라서, 본 촬상 광학계는 차량 실내와 같이 온도 변화폭이 큰 환경에서도 높은 해상도를 구현할 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명되는 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
100, 200, 300 촬상 광학계
110, 210, 310 제1렌즈
120, 220, 320 제2렌즈
130, 230, 330 제3렌즈
140, 240, 340 제4렌즈
150, 250, 350 제5렌즈
160, 260, 360 상면 또는 이미지 센서
ST 조리개

Claims (15)

  1. 정의 굴절력을 가지며 상 측면이 볼록한 형상인 제1렌즈;
    정의 굴절력을 갖는 제2렌즈;
    부의 굴절력을 가지며 상 측면이 오목한 형상인 제3렌즈;
    굴절력을 갖는 제4렌즈; 및
    굴절력을 가지며 상 측면이 볼록한 형상인 제5렌즈;
    를 포함하고,
    상기 제1렌즈 내지 상기 제5렌즈는 물체 측으로부터 상면 방향으로 순차적으로 배치되고, 하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    -7.0 < R1/f < 5.0
    (상기 조건식에서 f는 상기 촬상 광학계의 전체 초점거리이고, R1은 상기 제1렌즈의 물체 측면의 곡률 반지름이다)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3렌즈는 물체 측면이 오목한 형상인 촬상 광학계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제4렌즈는 물체 측면이 오목한 형상인 촬상 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제4렌즈는 상 측면이 볼록한 형상인 촬상 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제5렌즈는 물체 측면이 볼록한 형상인 촬상 광학계.
  7. 제1항에 있어서,
    하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    -6.5 < {(1/f)*(Y/tanθ)-1}*100 < -1.0
    (상기 조건식에서 Y는 상기 상면의 대각길이의 1/2이고, θ는 상기 촬상 광학계의 반화각이다)
  8. 제1항에 있어서,
    하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    TL/2Y < 2.0
    (상기 조건식에서 TL은 상기 제1렌즈의 물체 측면으로부터 상기 상면까지의 거리이고, 2Y는 상기 상면의 대각길이이다)
  9. 제1항에 있어서,
    하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    -5.5 < (R1+R2)/(R1-R2) < 5.5
    (상기 조건식에서 R1은 상기 제1렌즈의 물체 측면의 곡률 반지름이고, R2는 상기 제1렌즈의 상 측면의 곡률 반지름이다)
  10. 제1항에 있어서,
    하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    0.2 < f/f1 < 0.6
    (상기 조건식에서 f1은 상기 제1렌즈의 초점거리이다)
  11. 제1항에 있어서,
    하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    -2.5 < f/f3 < -1.5
    (상기 조건식에서 f3은 상기 제3렌즈의 초점거리이다)
  12. 제1항에 있어서,
    하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    5.0 < (t1+t2)/t3 < 12.0
    (상기 조건식에서 t1은 상기 제1렌즈의 광축 중심의 두께이고, t2는 상기 제2렌즈의 광축 중심의 두께이고, t3는 상기 제3렌즈의 광축 중심의 두께이다)
  13. 제1항에 있어서,
    하기 조건식을 만족하는 촬상 광학계.
    0 ≤ |n1 - n2| ≤ 0.20
    (상기 조건식에서 n1은 상기 제1렌즈의 굴절률이고, n2는 상기 제2렌즈의 굴절률이다)
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제5렌즈는 정의 굴절력을 갖는 촬상 광학계.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1렌즈 내지 상기 제3렌즈 중 하나 이상은 굴절률이 1.7 이상인 촬상 광학계.
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