KR20100101353A - 비접촉 렌즈 형상 측정 장치 및 이를 이용한 렌즈 형상 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치는 광원부에서 출력된 광을 분리하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에서 분리된 샘플빔이 입사되어 샘플광을 반사하는 샘플 렌즈가 구비되는 샘플 렌즈부; 상기 빔 스플리터에서 분리된 기준빔이 입사되어 상기 샘플 렌즈의 형상 측정을 위한 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되는 기준 렌즈부; 및 상기 샘플 렌즈부 및 기준 렌즈부에서 상기 빔 스플리터로 다시 도달하며 상기 빔 스플리터에서 반사된 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하는 수광부;를 포함할 수 있다.

Description

비접촉 렌즈 형상 측정 장치 및 이를 이용한 렌즈 형상 측정 방법{Apparatus for detecting profile of lens without contacting and method for detecting profile of lens using the same}
본 발명은 렌즈 형상 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대용 기기에 사용되는 소형화 된 비구면 렌즈의 형상을 정밀하고 빠르게 측정하기 위한 비접촉 렌즈 형상 측정 장치 및 이를 이용한 렌즈 형상 측정 방법에 관한 것이다.
최근 IT 산업의 발달은 휴대전화, PDA, PMP 등과 같은 개인 휴대용 기기와 접목되어 많은 발전을 이루어 왔다. 또한, 이러한 개인 휴대용 기기는 소형화, 다기능화, 간편화 등의 특성을 지향하면서 발전하였다.
특히, 휴대용 기기에 많이 적용되는 고성능, 고기능 CCD 카메라는 기존의 디지털 카메라를 대체할 정도로 우수한 성능을 보이고 있다. 이런 현상은 소형화된 비구면 렌즈의 개발로 인하여 가능하였다. 그러나 소형화된 렌즈의 대량 생산에 대하여 형상 정밀도를 측정할 수 있는 장치 및 방법은 많지 않았을 뿐만이 아니라 연구 개발이 절실한 실정이다.
종래에는 렌즈의 표면 형상 측정을 위해 간섭계 또는 스타일러러스 측정방법을 이용하였다.
간섭계를 이용한 렌즈 표면 형상 측정은 광원으로부터 조명광을 렌즈의 각각 기준면과 측정면에 조사한 후, 광분할기를 이용해 합쳐서 측정면의 영상과 줄무늬의 간섭신호를 획득한다. 이후, 광 검출소자에서 발생하는 간섭신호의 위상을 계산함으로써 높이를 측정하게 된다.
상기 간섭계를 이용한 렌즈 표면 형상 측정은 간섭신호 추적법이라 하여 간섭신호의 간격이 광원 파장의 반파장에 해당하는 점과 그 사이의 간섭신호 변화를 조화함수로 보간해 간접적으로 위상을 계산하는 방법을 사용한다.
따라서, 간섭계를 이용한 렌즈 표면 형상 측정은 측정대상물과 광학장치부의 광축이 서로 수직을 이룰때 정확한 측정이 이루어 질 수 있으며, 측정작업에 많은 시간이 소요되며, 조작이 어렵다. 또한, 측정결과가 일정하지 않아 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 스타일러스 측정 방법은 뽀족한 팁이 측정하고자 하는 렌즈의 표면을 직접 접촉하여 측정하는 방식이다.
이러한 스타일러스 측정 방법은 렌즈의 형상을 직접적으로 측정하기 때문에 정확하지만 측정 중 또는 측정 후에 렌즈 표면의 손상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 휴대용 기기에 사용되는 소형화된 비구면 렌즈의 형상을 정밀하고 빠르게 측정하기 위한 비접촉 렌즈 형상 측정 장치 및 이를 이용한 렌즈 형상 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치는 광원부에서 출력된 광을 분리하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에서 반사된 샘플빔이 입사되어 샘플광을 반사하는 샘플 렌즈가 구비되는 샘플 렌즈부; 상기 빔 스플리터에서 반사된 기준빔이 입사되어 상기 샘플 렌즈의 형상 측정을 위한 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되는 기준 렌즈부; 및 상기 샘플 렌즈부 및 기준 렌즈부에서 상기 빔 스플리터로 다시 도달하며 상기 빔 스플리터에서 반사된 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하는 수광부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치의 상기 광원부는 넓은 파장의 광 스펙트럼 분포의 백색광을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치의 상기 광 스펙트럼 분포는 400nm~700nm 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치는 상기 샘플빔이 상기 샘플 렌즈로 입사할 때, 상시 샘플 렌즈의 가장자리가 상기 샘플빔에 수 직하게 배치되도록 하는 틸팅부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치의 상기 기준 렌즈부는 광의 회절 격자를 이용한 알에스오디(RSOD) 시스템일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치는 광원부에서 출력된 백색광을 분리하는 빔 스플리터; 상기 빔 스플리터에서 분리된 샘플빔이 입사되어 샘플광을 반사하는 샘플 렌즈와 상기 샘플 렌즈에 상기 샘플빔이 수직하게 입사되도록 틸팅되도록 하는 틸팅부가 구비되는 샘플 렌즈부; 상기 빔 스플리터에서 분리된 기준빔이 입사되어 상기 샘플 렌즈의 형상 측정을 위한 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되며, 상기 기준광의 측정속도를 향상시키는 알에스오디 시스템이 구비되는 기준 렌즈부; 및 상기 샘플 렌즈부 및 기준 렌즈부에서 상기 빔 스플리터로 다시 도달하며 상기 빔 스플리터에서 반사된 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하는 수광부;를 포함할 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 방법은 빔스플리터가 백색광을 측정대상이 되는 샘플 렌즈가 구비되는 샘플 렌즈부와 상기 샘플 렌즈의 형상 측정을 위한 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되는 기준 렌즈부에 분리하여 조사하는 단계; 상기 샘플 렌즈에서 반사된 샘플광과 기준 렌즈에서 반사된 기준광이 상기 빔스플리터로 유입되는 단계; 상기 빔스플리터로 유입된 상기 샘플광과 기준광이 반사되어 수광부로 유입되어, 상기 샘플광과 기준광의 간섭 신호를 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 방법은 상기 백색광이 상기 샘플 렌즈로 입사할 때, 상시 샘플 렌즈의 가장자리가 상기 샘플빔에 수직하게 배치되도록 틸팅될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 방법의 상기 기준 렌즈부는 광의 회절 격자를 이용한 알에스오디(RSOD) 시스템일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 방법은 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호의 일정구간의 평균 신호값을 샘플링하고, 샘플링한 간격끼리 비교하여 상기 샘플 렌즈의 높이를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치 및 이를 이용한 렌즈 형상 측정 방법에 의하면, 간섭계에 광원으로 백색광을 사용하여 프린지의 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 광원에서 제공되어 샘플 렌즈로 입사되는 샘플빔에 대하여 샘플빔의 샘플 렌즈로의 입사 축을 기준으로 샘플 렌즈를 틸팅하도록 하여 측정대상이 되는 가장자리도 샘플빔의 중심축에 위치하게 하여 측정오차를 줄일 수 있다.
또한, 간섭계에서 기준 렌즈로 입사하는 기준 렌즈부를 알에스오디(RSOD)로 구성함으로써 렌즈 형상 측정 속도를 향상시킬 수 있으며 기준빔의 입사축의 방향으로 이동범위를 넓게 할 수 있다.
또한, 직접적으로 렌즈의 형상을 손상시키는 스타일러스 방식이 아니라 간섭계를 그대로 유지하는 것이므로 렌즈 형상 측정 중 렌즈 표면의 손상이 발생하는 문제점을 줄일 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치는 광원부(10), 빔 스플리터(20), 샘플 렌즈부(30), 기준 렌즈부(40) 및 수광부(50)를 포함한다.
비접촉 렌즈 형상 측정 장치의 전체적인 구성은 백색광 간섭계와 반사/산란광의 도달시간 차이를 분석하여 물체의 단층 영상을 측정하는 OCT(Optical coherent tomography)를 접목한 구성이다. 백색광 간섭계는 형상 측정의 대상이 되는 샘플 렌즈(32)의 표면과 기준 렌즈(42)에서 반사된 빛으로부터 얻은 간섭 측정 신호를 이용하여 샘플 렌즈(32)의 표면 형상을 얻게 된다.
간섭 측정 신호는 샘플 렌즈(32)와 기준 렌즈(42) 사이의 간섭으로 나타나는 간섭 무늬, 즉 플린지 콘트라스트(fringe contrast)를 해석하여 얻는다.
광원부(10)의 광원은 단색광이 아닌 짧은 간섭 길이(coherence length)를 갖는 백색광을 이용하므로 샘플 렌즈(32)와 기준 렌즈(42) 사이의 광경로차(optical path difference)가 거의 0이 되는 지점에서 정의되는 갑섭 평면 사이에만 플린지(fringe)가 생성된다.
상기 백색광은 400nm~700nm 범위의 넓은 파장의 광 스펙트럼 분포를 가지며, 이러한 분포에 의해 샘플 렌즈(32)가 안착되는 플레이트에서 반사되는 빛을 배제하는 효과가 있다.
따라서, 광원부(10)에서 백색광을 출력하면, 광원부(10) 앞에 제공되는 콜리메이션 렌즈(14)에 의해 광원 가장자리의 퍼짐형상이 제거되며, 간섭계 전체 시스템으로 입사되는 광원은 광량이 전체적으로 균일한 평행광의 특성을 가지게 된다.
도 1에는 광의 이동 모습을 화살표로 나타내었다.
상기 평행광은 빔 스플리터(20)에 의해 샘플 렌즈부(30)로 입사되는 샘플빔과 기준 렌즈부(40)로 입사되는 기준빔으로 나뉘어 진다(화살표 a).
상기 샘플빔은 샘플 렌즈(32)로 들어가 반사되어 샘플광으로 되어 다시 빔 스플리터(20)로 이동하며(화살표 b1), 상기 기준빔은 기준 렌즈(34)로 들어가 반사되어 기준광으로 되어 다시 빔 스플리터(20)로 이동한다(화살표 b2).
샘플 렌즈(32)의 전방에는 상기 샘플 렌즈(32)로의 광을 집속하는 집속 렌 즈(34)가 구비될 수 있다.
상기 빔 스플리터(20)로 다시 도달한 상기 샘플광과 기준광은 상기 빔 스플리터(20)에서 반사되어 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하는 수광부(50)로 이동한다(화살표 c). 상기 수광부(50)의 전방에는 상기 수광부(50)로의 광을 집속하는 집속 렌즈(54)가 구비될 수 있다.
상기 수광부(50)는 CCD 카메라로, 유입된 샘플광과 기준광의 간섭 신호는 제어부(60)로 전달되어 상기 샘플광과 기준광의 광경로차를 측정할 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 렌즈 형상 측정 장치의 샘플 렌즈부의 샘플 렌즈 회전 방식에 대한 개략도이며, 도 3은 도 1의 기준 렌즈부가 알에스오디(RSOD) 구성으로 대체된 것을 도시한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비접촉 렌즈 측정 장치는 상기 샘플빔이 상기 샘플 렌즈(32)로 입사할 때(화살표 b1), 상시 샘플 렌즈(32)의 가장자리가 상기 샘플빔에 수직하게 배치되도록 하는 틸팅부를 더 포함한다.
상기 틸팅부는 샘플 렌즈 지지대(36)에 지지되는 샘플 렌즈(32)가 틸팅되도록 하며 측정 대상이 되는 상기 샘플 렌즈(32)의 모든 점(P1, P2)이 상기 샘플빔의 중심축에 놓여지게 되므로 정확한 샘플 렌즈(32) 전체의 형상을 얻을 수 있다.
즉, 이와 같이 샘플 렌즈(32)의 가장자리가 항상 샘플빔의 중심축에 위치하게 되므로, 측정오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 측정을 위한 충분한 광량을 확보할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 기준 렌즈부(40)는 광 회절 격자(44)를 이용한 알에스오디(RSOD) 시스템으로 이루어져 있다.
즉, 간섭계에서 상기 기준 렌즈부(40)를 기준빔의 중심축 방향(b2)으로 이동시키는 쉐이커로서 알에스오디(RSOD) 시스템을 사용한다.
알에스오디(RSOD) 시스템은 기준빔이 회절격자(44)로 입사하고 기준렌즈(42)를 통과한 광이 틸닝되는 스캐닝 미러(48)를 통해 반사되어 다시 기준렌즈(42)로 입사된다. 기준렌즈(42)를 다시 통과한 광은 회절격자(44)를 통해 회절되는 광은 회절 미러(46)에 의해 반사되어 입사되는 기준빔 방향으로 되돌아 간다.
이러한 경로를 거친 기준광은 수광부(50)에 입사되어 형상 측정의 샘플광의 기준이 되는 광이 된다.
이하에서는, 도 1 내지 3을 참조하여 상기의 장치를 이용한 비접촉 렌즈 형상 측정 방법을 간략히 설명한다.
우선, 빔스플리터(20)가 백색광을 측정대상이 되는 샘플 렌즈(32)가 구비되는 샘플 렌즈부(30)와 상기 샘플 렌즈(32)의 형상 측정을 위한 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되는 기준 렌즈부(42)에 분리하여 조사한다(화살표 a).
그리고, 상기 샘플 렌즈(32)에서 반사된 샘플광과 기준 렌즈(42)에서 반사된 기준광이 상기 빔스플리터(20)로 다시 유입된다(화살표 b1, b2).
상기 빔스플리터(20)로 유입된 상기 샘플광과 기준광이 반사되어 수광부(50)로 유입되어, 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하게 된다.
상기 백색광이 상기 샘플 렌즈(32)로 입사할 때, 상시 샘플 렌즈(32)의 가장 자리는 상기 샘플빔의 중심축에 수직하게 배치되도록 틸팅될 수 있으며, 상기 기준 렌즈부(40)는 광의 회절 격자를 이용한 알에스오디(RSOD) 시스템일 수 있다.
도 4는 샘플 렌즈의 높이를 측정하기 위한 알고리즘이다.
본 발명에 의한 비접촉 렌즈 형상 측정 장치 및 방법에 의하면, 샘플 렌즈(32) 상의 한 점에서 광 경로차를 측정하게 되면 광의 인센시티(Intensity)는 포락선(envelope)을 그리게 된다.
이때, 포락선(envelope)의 최대값을 안다면 샘플 렌즈(32)의 높이를 알 수 있다. 여기서 포락선의 최대값을 알기 위해 채택하는 방법은 퓨리에 트렌스폼(Fourier transform)이나 힐버트 트렌스폼(Hilbert transform)이다.
이러한 변환은 알에스오디(RSOD) 방식의 기준렌즈 쉐이크(shake) 시스템의 속도를 따라가기 쉽지 않다.
따라서, 노이즈의 영향을 최소화하면서 속도 개선 및 메모리 사용량 감소 개선안으로 퓨리에 트렌스폼이나 힐버트 트렌스폼이 아닌 도 4와 같은 일정구간 신호들의 평균 신호값을 샘플링하여 샘플링 한 간격끼리 비교하는 알고리즘을 사용한다.
도 4의 알고리즘은 S1 내지 S12 단계로 구성되며, 여기서, ts는 샘플링 구간, td는 계산 구간 시간, at는 입력 신호값(광량), S는 평균을 내기 위한 일정 구간의 신호들의 합, A는 현재 시간에서의 평균 신호값, Apre는 한 샘플링 전에서의 평균 신호값, Amax,j는 i번째 구간의 최대 신호값, n은 평균을 내기 위한 일정 구간의 샘플링 수, i는 샘플렌즈의 현재 구간을 나타낸다.
이러한 알고리즘을 통해서, 포락선의 최대값을 구하게 되며, 샘플 렌즈의 높이를 구할 수 있다.
본 발명에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치 및 이를 이용한 렌즈 형상 측정 방법에 의하면, 간섭계에 광원으로 백색광을 사용하여 프린지의 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 광원에서 제공되어 샘플 렌즈로 입사되는 샘플빔에 대하여 샘플빔의 샘플 렌즈로의 입사 축을 기준으로 샘플 렌즈를 틸팅하도록 하여 측정대상이 되는 가장자리도 샘플빔의 중심축에 위치하게 하여 측정오차를 줄일 수 있다.
또한, 간섭계에서 기준 렌즈로 입사하는 기준 렌즈부를 알에스오디(RSOD)로 구성함으로써 렌즈 형상 측정 속도를 향상시킬 수 있으며 기준빔의 입사축의 방향으로 이동범위를 넓게 할 수 있다.
또한, 직접적으로 렌즈의 형상을 손상시키는 스타일러스 방식이 아니라 간섭계를 그대로 유지하는 것이므로 렌즈 형상 측정 중 렌즈 표면의 손상이 발생하는 문제점을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 렌즈 형상 측정 장치의 구성도.
도 2는 도 1의 렌즈 형상 측정 장치의 샘플 렌즈부의 샘플 렌즈 회전 방식에 대한 개략도.
도 3은 도 1의 기준 렌즈부가 알에스오디(RSOD) 구성으로 대체된 것을 도시한 개략도.
도 4는 샘플 렌즈의 높이를 측정하기 위한 알고리즘.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 광원부 20: 빔 스플리터
30: 샘플 렌즈부 40: 기준 렌즈부
50: 수광부 60: 제어부

Claims (10)

  1. 광원부에서 출력된 광을 분리하는 빔 스플리터;
    상기 빔 스플리터에서 분리된 샘플빔이 입사되어 샘플광을 반사하는 샘플 렌즈가 구비되는 샘플 렌즈부;
    상기 빔 스플리터에서 분리된 기준빔이 입사되어 상기 샘플 렌즈의 형상 측정을 위한 기준이 되는 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되는 기준 렌즈부; 및
    상기 샘플 렌즈부 및 기준 렌즈부에서 상기 빔 스플리터로 다시 도달하며 상기 빔 스플리터에서 반사된 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하는 수광부;를 포함하는 비접촉 렌즈 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 넓은 파장의 광 스펙트럼 분포의 백색광을 이용하는 비접촉 렌즈 형상 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광 스펙트럼 분포는 400nm~700nm 인 것을 특징으로 하는 비접촉 렌즈 형상 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샘플빔이 상기 샘플 렌즈로 입사할 때, 상시 샘플 렌즈의 가장자리가 상기 샘플빔에 수직하게 배치되도록 하는 틸팅부;를 더 포함하는 비접촉 렌즈 형상 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기준 렌즈부는 광의 회절 격자를 이용한 알에스오디(RSOD) 시스템인 것을 특징으로 하는 비접촉 형상 측정 장치.
  6. 광원부에서 출력된 백색광을 분리하는 빔 스플리터;
    상기 빔 스플리터에서 분리된 샘플빔이 입사되어 샘플광을 반사하는 샘플 렌즈와 상기 샘플 렌즈에 상기 샘플빔이 수직하게 입사되도록 틸팅되도록 하는 틸팅부가 구비되는 샘플 렌즈부;
    상기 빔 스플리터에서 분리된 기준빔이 입사되어 상기 샘플 렌즈의 형상 측정을 위한 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되며, 상기 기준광의 측정속도를 향상시키는 알에스오디 시스템이 구비되는 기준 렌즈부; 및
    상기 샘플 렌즈부 및 기준 렌즈부에서 상기 빔 스플리터로 다시 도달하며 상 기 빔 스플리터에서 반사된 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하는 수광부;를 포함하는 비접촉 렌즈 형상 측정 장치.
  7. 빔스플리터가 백색광을 측정대상이 되는 샘플 렌즈가 구비되는 샘플 렌즈부와 상기 샘플 렌즈의 형상 측정을 위한 기준광을 반사하는 기준 렌즈가 구비되는 기준 렌즈부에 분리하여 조사하는 단계;
    상기 샘플 렌즈에서 반사된 샘플광과 기준 렌즈에서 반사된 기준광이 상기 빔스플리터로 유입되는 단계;
    상기 빔스플리터로 유입된 상기 샘플광과 기준광이 반사되어 수광부로 유입되어, 상기 샘플광과 기준광의 간섭신호를 측정하는 단계;를 포함하는 비접촉 렌즈 형상 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 백색광이 상기 샘플 렌즈로 입사할 때, 상시 샘플 렌즈의 가장자리가 상기 샘플빔에 수직하게 배치되도록 틸팅되는 것을 특징으로 하는 비접촉 렌즈 형상 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기준 렌즈부는 광의 회절 격자를 이용한 알에스오디(RSOD) 시스템인 것을 특징으로 하는 비접촉 렌즈 형상 측정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 샘플광과 기준광의 간섭신호의 일정구간의 평균 신호값을 샘플링하고, 샘플링한 간격끼리 비교하여 상기 샘플 렌즈의 높이를 측정하는 비접촉 렌즈 형상 측정 방법.
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