KR20110081775A - 광학식 터치스크린용 카메라 모듈 - Google Patents

광학식 터치스크린용 카메라 모듈 Download PDF

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Abstract

광학식 터치스크린의 터치 면에 터치되는 터치 물체의 위치를 감지하는 카메라 모듈에 관한 것이다. 카메라 모듈은 1매 이상의 렌즈와, 광경로 변환부, 및 이미지 센서를 포함한다. 렌즈는 터치 면에 수직한 방향에 대한 화각이 터치 면에 수평한 방향에 대한 화각보다 작도록 형성된다. 광경로 변환부는 렌즈를 통해 모인 광을 터치 면에 수직한 방향으로 반사시킨다. 이미지 센서는 렌즈의 후방에서 광경로 변환부를 거쳐 반사된 광을 받도록 터치 면에 수평한 방향으로 배치된다.

Description

광학식 터치스크린용 카메라 모듈{Camera module for optical touch screen}
본 발명은 손가락이나 터치 펜 등을 이용해서 화면을 터치하면 터치 좌표를 인식할 수 있는 광학식 터치스크린에 채용되는 카메라 모듈에 관한 것이다.
액정 디스플레이 장치(Liquid Crystal Display; LCD) 등의 각종 디스플레이 장치가 발달하면서, 터치스크린은 디스플레이 장치와 사용자 간의 인터페이스를 간편하고 손쉽게 하기 위한 가장 효율적인 입력장치 중 하나이다. 이러한 터치스크린은 손가락이나 터치 펜 등을 이용해서 시각적으로 간단하게 컴퓨터, 휴대폰, 금융단말기, 게임기 등 다양한 기기를 조작할 수 있으므로, 그 응용 분야가 매우 넓다.
기존의 터치스크린을 구현하는 상용화된 방식으로는 전기적 방식과 광학적 방식이 있다. 전기식 방식은 저항막 방식과 정전용량 방식 등이 있다. 그런데, 저항막 방식과 정전용량 방식은 터치스크린의 화면 크기가 커질 경우 가격이 비싸지며 기술적 한계가 크기 때문에, 소형 터치스크린에 사용되고 있다.
광학식 방식으로는 적외선 매트릭스 방식, 카메라 방식 등이 있다. 그 중, 적외선 매트릭스 방식은 중대형 터치스크린에 일부 사용되고 있다. 그런데, 터치스크린의 화면 크기가 커질수록 전력소비가 많고 가격이 비싸지며 햇빛, 조명 등의 외부 환경에 의한 오작동의 문제가 크다.
카메라 방식은 대형 터치스크린에 많이 쓰이고 있으며, 일반적으로 몇 개의 카메라에 보이는 터치 물체의 위치로부터 터치 좌표를 계산해내는 방식이다. 카메라 방식은 적외선 매트릭스 방식과 마찬가지로 햇빛, 조명 등의 외부 환경에 의해 오작동의 문제가 있으며, 큰 터치 물체가 터치 면에 가까울 경우 터치 위치를 인식하는데 오차가 많이 발생한다.
특히, 기존의 터치 감지 카메라는 원형 렌즈를 사용하므로, 원형 렌즈의 구경이 클수록 터치 면에 수직한 방향의 카메라 높이가 커진다. 또한, 이미지 센서는 렌즈의 광축 방향으로 렌즈 후방에 나란히 세워져 장착되므로, 터치 면에 수직한 방향의 카메라 높이를 낮추는데 한계가 있다. 따라서, 전술한 카메라는 일반 탁상용 LCD 모니터 또는 노트북용 LCD 모니터와 같은 중소형 디스플레이 장치에 내장되기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 터치 위치를 정확히 감지할 수 있을 뿐 아니라, 터치 면에 수직한 방향의 높이를 최소화하여 중소형 디스플레이 장치 등에 내장이 용이한 광학식 터치스크린용 카메라 모듈을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학식 터치스크린용 카메라 모듈은, 광학식 터치스크린의 터치 면에 터치되는 터치 물체의 위치를 감지하는 카메라 모듈에 있어서, 상기 터치 면에 수직한 방향에 대한 화각이 상기 터치 면에 수평한 방향에 대한 화각보다 작도록 형성된 1매 이상의 렌즈; 상기 렌즈를 통해 모인 광을 상기 터치 면에 수직한 방향으로 반사시키는 광경로 변환부; 및 상기 렌즈의 후방에서 상기 광경로 변환부를 거쳐 반사된 광을 받도록 상기 터치 면에 수평한 방향으로 배치된 이미지 센서를 포함한다.
본 발명에 따른 카메라 모듈은 터치 면에 수직한 방향으로는 터치 면의 인접 부위만을 감지할 수 있는 작은 화각을 제공함으로써 그 이상의 화각에서 외란광이 들어오는 것을 원천적으로 차단할 수 있고, 그에 따라 외란광에 의한 오작동을 방지할 수 있다. 또한, 카메라 모듈은 터치 면에 근접한 물체의 윗부분에 의해 터치 위치가 잘못 인식되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 카메라 모듈은 구경이 큰 렌즈를 사용해도 터치 면에 수직한 방향으로 매우 얇은 렌즈를 제공하고 이지미 센서를 터치 면에 수평한 방향으로 배치시킬 수 있기 때문에, 터치 면에 수직한 방향의 높이가 최소화될 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 카메라 모듈을 채용한 광학식 터치스크린은 두께가 얇아져, 일반 탁상용 LCD 모니터 또는 노트북용 LCD 모니터와 같은 중소형 디스플레이 장치에 내장되는 것이 용이해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 터치스크린용 카메라 모듈에 대한 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 카메라 모듈의 특성을 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1에 대한 사시도.
도 4는 도 3의 렌즈 형상을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1의 광경로 변환부의 다른 예를 도시한 구성도.
도 6은 도 1의 광경로 변환부의 또 다른 예를 도시한 구성도.
도 7은 도 6의 광경로 변환부가 이동하면서 초점 조절되도록 구성된 예를 도시한 단면도.
도 8은 도 7에 있어서, 카메라 모듈의 내부가 보이도록 일부 분해한 사시도.
도 9는 도 8에 있어서, 카메라 모듈의 나머지 부분을 분해하여 도시한 분해 사시도.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 터치스크린용 카메라 모듈에 대한 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 카메라 모듈의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 도 1에 대한 사시도이다. 도 4는 도 3의 렌즈 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 광학식 터치스크린용 카메라 모듈(100)은 광학식 터치스크린에 채용되어, 광학식 터치스크린의 터치 면(10)에 터치되는 손가락 또는 터치 펜 등의 터치 물체(20)의 위치를 감지하도록 구성된다. 카메라 모듈(100)은 렌즈(110)와, 광경로 변환부(120), 및 이미지 센서(130)를 포함한다.
렌즈(110)는 피사체, 즉 터치 물체(20)의 광학적 상을 맺게 한다. 렌즈(110)는 터치 면(10)에 수직한 방향에 대한 화각이 터치 면(10)에 수평한 방향에 대한 화각보다 작도록 형성된다. 광경로 변환부(120)는 렌즈(110)를 통해 모인 광을 터치 면(10)에 수직한 방향으로 반사시킨다. 즉, 광경로 변환부(120)는 렌즈(110)를 통과한 광을 터치 면(10)에 수평한 방향으로 배치된 이미지 센서(130)로 전달한다.
이미지 센서(130)는 렌즈(110)에 의해 맺힌 터치 물체(20)에 대한 광학적 상을 받아서 전기적 신호로 변환하기 위한 것이다. 이미지 센서(130)는 렌즈(110)의 후방에서 광경로 변환부(120)를 거쳐 반사된 광을 받도록 터치 면(10)에 수평한 방향으로 배치된다. 이미지 센서(130)는 CCD(charge-coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서 등일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 카메라 모듈(100)은 광학식 터치스크린의 터치 면(10)에 수직한 방향으로는 터치 면(10)의 인접 부위만을 감지하도록 θ1과 같이 작은 화각을 갖는 것이 바람직하다. 만일, 종래의 카메라 모듈처럼 화각이 θ2와 같이 필요 이상으로 크면, 햇빛이나 외부 조명과 같은 외란광의 영향을 많이 받게 된다. 또한, 화각이 θ2와 같이 필요 이상으로 크면, 손과 같은 터치 물체(20)가 터치 면(10)에 터치될 때, 종래의 카메라 모듈은 실제로 터치되는 터치 물체(20)의 아랫부분에 대응되는 P1 위치를 감지하는 것이 아니라, 터치되지 않은 터치 물체(20)의 윗부분에 대응되는 P2 위치로 잘못 감지하는 오류가 발생될 수 있다.
본 실시예에 따른 카메라 모듈(100)에서, 렌즈(110)는 터치 면(10)에 수직한 방향에 대한 화각이 터치 면(10)에 수평한 방향에 대한 화각보다 작으므로, 터치 면(10)에 수직한 방향으로 입사광을 받아들이는 수광 범위를 좁힐 수 있다. 예컨대, 화각이 θ2에서 θ1으로 작게 설정되면, 렌즈(110)는 θ1 이하의 입사광만을 받게 된다. 따라서, 외란광이 광학적으로 차단될 수 있고, 터치 위치를 잘못 감지하는 오류도 방지될 수 있다.
또한, 이미지 센서(130)는 터치 면(10)에 수평한 방향으로 배치되므로, 이미지 센서(130)의 면적이 넓어지더라도, 터치 면(10)에 수직한 방향으로 이미지 센서(130)와 광경로 변환부(120)를 포함한 광학계의 높이(H1)가 증가하지 않게 된다. 이에 따라, 터치 면(10)에 수직한 방향으로 카메라 모듈(100)의 전체 높이(H2)를 최소화할 수 있으므로, 광학식 터치스크린의 두께가 얇아질 수 있다.
한편, 렌즈(110)는 도 4에 도시된 바와 같이, 원형 렌즈에서 주변부 양쪽이 터치 면에 수평한 방향으로 각각 절단된 형태로 이루어질 수 있다. 따라서, 렌즈(110)는 터치 면(10)에 수직한 방향에 대한 화각이 터치 면(10)에 수평한 방향에 대한 화각보다 작게 설정될 수 있다. 또한, 렌즈(110)는 터치 면(10)에 수직한 방향의 높이(L)가 터치 면(10)에 수평한 방향의 구경(D)보다 작게 되므로, 렌즈(110)의 구경(D)이 커지더라도 터치 면(10)에 수직한 방향의 높이가 최소화될 수 있다. 따라서, 터치 면(10)에 수직한 방향으로 카메라 모듈(100)의 전체 높이(H2)를 최소화할 수 있으므로, 광학식 터치스크린의 두께가 얇아질 수 있다.
렌즈(110)는 1매로 구성될 수도 있지만, 렌즈 성능을 높이기 위해 2매 이상으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 단일 렌즈가 여러 개 조합되어 렌즈계를 구성하거나, 비구면 렌즈가 포함되어 렌즈계를 구성할 수 있다. 이 경우, 2매 이상의 렌즈들은 각각 원형 렌즈에서 주변부 양쪽이 터치 면에 수평한 방향으로 각각 절단된 형태로 이루어질 수 있다.
광경로 변환부(120)는 렌즈부(121)와 프리즘부(122)를 포함할 수 있다. 렌즈부(121)는 렌즈(110)를 통해 모인 광을 이미지 센서(130)에 대해 초점이 맞는 광으로 만든다. 렌즈부(121)는 렌즈(110)를 통과한 광을 모두 받을 수 있도록 입사면이 렌즈(110)의 출사면보다 넓게 형성될 수 있다.
프리즘부(122)는 렌즈부(121)를 통해 초점이 맞춰진 광을 이미지 센서(130)로 반사시키는 전반사면(123)을 갖는다. 여기서, 프리즘부(122)는 터치 면(10)에 대해 45도 경사지도록 절단된 면에 전반사면(123)을 갖는다. 렌즈부(121)를 거친 광은 프리즘부(122) 내부로 들어와서 전반사면(123)에 의해 반사된 후 이미지 센서(130)로 방출된다. 광경로 변환부(120)는 렌즈부(121)와 프리즘부(122)가 일체로 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
이미지 센서(130)는 프리즘부(122)에서 프리즘부(122)를 거쳐 반사된 광이 방출되는 면에 부착될 수 있다. 이에 따라, 프리즘부(122)의 하면으로부터 이미지 센서(130)의 상면까지 높이(H1)가 최소화될 수 있다. 이미지 센서(130)는 도시된 바와 같이 프리즘부(122)의 위쪽에 부착될 수 있지만, 프리즘부(122)의 아래쪽에 부착될 수도 있다. 이 경우, 프리즘부(122)는 상하가 바뀐 형태로 배치된다.
도 5는 다른 예에 따른 광경로 변환부(220)를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광경로 변환부(220)는 렌즈(110)를 통해 모인 광을 이미지 센서(130)로 반사시키는 전반사면(222)을 갖는 프리즘(221)을 포함할 수 있다. 프리즘(221)은 렌즈(110)를 향한 면에 입사면을 갖고 이미지 센서(130)를 향한 면에 출사면을 갖는다. 그리고, 프리즘(221)은 터치 면(10)에 대해 45도 경사지도록 절단된 면에 전반사면(222)을 갖는다.
렌즈(110)를 거친 광은 입사면을 통해 프리즘(221) 내부로 들어와서 전반사면(222)에 의해 반사된 후 출사면을 통해 이미지 센서(130)로 방출된다. 여기서, 이미지 센서(130)는 프리즘(221)에서 프리즘(221)을 거쳐 반사된 광이 방출되는 면, 즉 출사면에 부착될 수 있다. 이에 따라, 프리즘(221)의 하면으로부터 이미지 센서(130)의 상면까지 높이(H1)가 최소화될 수 있다.
또 다른 예로, 광경로 변환부(320)는 도 6에 도시된 바와 같이, 렌즈(110)를 통해 모인 광을 이미지 센서(130)로 반사시키는 반사 미러(321)를 포함할 수 있다. 반사 미러(321)는 렌즈(110)를 거친 광이 이미지 센서(130)로 진행하도록 터치 면(10)에 대해 45도 경사지도록 배치된다.
한편, 이미지 센서(130)에 대한 초점은 정확히 맞춰질 필요가 있다. 이를 위해, 광경로 변환부(120)(220)(320)는 렌즈(110)의 광축 방향으로 이동 가능하게 되어, 이미지 센서(130)에 대한 초점이 조절될 수 있다. 이 경우, 카메라 모듈(100)은 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 하우징(140)과, 렌즈 홀더(150)와, 이동 블록(160), 및 조절 기구(170)를 포함할 수 있다.
하우징(140)은 내부 공간을 갖고, 일측에 광이 들어오는 수광 홀(146)이 형성된다. 하우징(140)은 내부에 렌즈 홀더(150), 이동 블록(160) 등의 조립이 용이하도록 하우징 본체(141)에 제1,2 커버(142)(143)가 분리 또는 결합되는 구조로 이루어질 수 있다. 제1 커버(142)의 안쪽 면에 이미지 센서(130)가 장착될 수 있다. 제2 커버(143)의 안쪽 면에 이동 블록(160)의 이동을 안내하는 안내 홈(143a)이 형성될 수 있다.
렌즈 홀더(150)는 렌즈(110)를 수용해서 지지한다. 렌즈 홀더(150)는 하우징(140) 내부에 수광 홀(146)에 대응되게 장착된다. 그리고, 렌즈 홀더(150)는 수광 홀(146)을 통해 들어온 광이 렌즈(110)로 전달되도록 수광 홀(146)을 향한 쪽이 개구된 구조로 이루어진다. 또한, 렌즈 홀더(150)는 렌즈(110)를 통과한 광이 광경로 변환부(320)로 전달되도록 광경로 변환부(320)를 향한 쪽이 개구된 구조로 이루어진다.
이동 블록(160)은 광경로 변환부(320)를 지지한다. 여기서, 반사 미러(321)로 이루어진 광경로 변환부(320)가 예시되어 있지만, 도 1의 광경로 변환부(120) 또는 도 5의 광경로 변환부(220)일 수도 있다. 이동 블록(160)은 하우징(140) 내부에서 렌즈(110)의 광축 방향으로 이동 가능하도록 안내된다. 이동 블록(160)이 렌즈(110)의 광축 방향으로 이동함에 따라 반사 미러(321)가 렌즈(110)의 광축 방향으로 이동 가능하게 된다.
이동 블록(160)은 지지 부재(161)와 고정 부재(166)를 포함할 수 있다. 지지 부재(161)는 반사 미러(321)가 45도로 경사진 상태에서 지지되도록 경사 지지면(162)을 갖는다.
고정 부재(166)는 지지 부재(161)에 결합되어 반사 미러(321)를 고정한다. 고정 부재(166)는 지지 부재(161)와 결합된 상태에서 반사 미러(321)의 양 측면과 상단을 고정하는 고정 턱(167)들을 갖는다. 그리고, 고정 부재(166)은 후술할 판 스프링(172)의 중앙 부위를 걸도록 형성된 걸림 돌기(168)를 갖는다.
조절 기구(170)는 이동 블록(160)을 이동시킴에 따라 이미지 센서(130)에 대한 초점을 조절할 수 있게 한다. 반사 미러(321)는 조절 기구(170)에 의해 이동 블록(160)이 전진 또는 후진할 때 함께 이동하게 된다. 이 과정에서, 렌즈(110)와 반사 미러(321) 간에 거리가 조정됨에 따라 이미지 센서(130)에 대한 초점이 조절될 수 있다.
조절 기구(170)는 조절 노브(171)와 스프링 부재, 예컨대 판 스프링(172)을 포함할 수 있다. 조절 노브(171)는 일단부가 이동 블록(160)과 맞닿고 타단부가 하우징(140)의 외부에 위치하도록 하우징(140)에 나사 결합된다. 조절 노브(171)는 하우징(140)에 나사 결합된 상태에서 회전 방향에 따라 이동 블록(160)을 전진 또는 후진시킨다.
판 스프링(172)은 이동 블록(160)을 조절 노브(171)에 맞닿은 상태로 위치 고정시키도록 이동 블록(160)에 탄성력을 가한다. 판 스프링(172)은 양단부가 각각 동일 방향으로 굽어진 형태, 예컨대 ㄷ자 형태로 이루어질 수 있다. 이 경우, 판 스프링(172)은 중앙 부위가 이동 블록(160)의 이동 방향과 교차하도록 배치된 상태에서 이동 블록(160)의 걸림 돌기(168)에 걸리도록 배치된다.
그리고, 판 스프링(172)은 양단부가 하우징(140)의 고정 홈(144)에 각각 끼워져 고정된다. 이동 블록(160)이 렌즈(110) 쪽으로 이동할 때, 판 스프링(172)은 이동 블록(160)의 걸림 돌기(168)에 의해 변형되면서 탄성 복원력을 발생시킨다. 판 스프링(172)에 발생된 탄성 복원력이 이동 블록(160)에 가해짐에 따라, 이동 블록(160)은 조절 노브(171)에 맞닿은 상태로 위치 고정될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10..터치 면 20..터치 물체
110..렌즈 120,220,320..광경로 변환부
130..이미지 센서 140..하우징
150..렌즈 홀더 160..이동 블록
170..조절 기구 171..조절 노브
172..판 스프링

Claims (10)

  1. 광학식 터치스크린의 터치 면에 터치되는 터치 물체의 위치를 감지하는 카메라 모듈에 있어서,
    상기 터치 면에 수직한 방향에 대한 화각이 상기 터치 면에 수평한 방향에 대한 화각보다 작도록 형성된 1매 이상의 렌즈;
    상기 렌즈를 통해 모인 광을 상기 터치 면에 수직한 방향으로 반사시키는 광경로 변환부; 및
    상기 렌즈의 후방에서 상기 광경로 변환부를 거쳐 반사된 광을 받도록 상기 터치 면에 수평한 방향으로 배치된 이미지 센서;
    를 포함하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈는,
    원형 렌즈에서 주변부 양쪽이 상기 터치 면에 수평한 방향으로 각각 절단된 형태로 이루어져, 상기 터치 면에 수직한 방향의 높이가 상기 터치 면에 수평한 방향의 구경보다 작은 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광경로 변환부는,
    상기 렌즈를 통해 모인 광을 상기 이미지 센서에 대해 초점이 맞는 광으로 만드는 렌즈부와,
    상기 렌즈부를 통해 초점이 맞춰진 광을 상기 이미지 센서로 반사시키는 전반사면을 갖는 프리즘부가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    상기 프리즘부에서 상기 프리즘부를 거쳐 반사된 광이 방출되는 면에 부착된 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광경로 변환부는,
    상기 렌즈를 통해 모인 광을 상기 이미지 센서로 반사시키는 전반사면을 갖는 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    상기 프리즘에서 상기 프리즘을 거쳐 반사된 광이 방출되는 면에 부착된 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광경로 변환부는,
    상기 렌즈를 통해 모인 광을 상기 이미지 센서로 반사시키는 반사 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광경로 변환부는,
    상기 렌즈의 광축 방향으로 이동 가능하게 되어, 상기 이미지 센서에 대한 초점이 조절되는 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    일측에 수광 홀이 형성된 하우징;
    상기 렌즈를 지지하고, 상기 하우징 내부에 상기 수광 홀에 대응되게 장착되는 렌즈 홀더;
    상기 광경로 변환부를 지지하고, 상기 하우징 내부에서 상기 렌즈의 광축 방향으로 이동 가능하도록 안내되는 이동 블록; 및
    상기 이동 블록을 이동시킴에 따라 상기 이미지 센서에 대한 초점을 조절하는 조절 기구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 조절 기구는,
    일단부가 상기 이동 블록과 맞닿도록 상기 하우징에 나사 결합되고 회전 방향에 따라 상기 이동 블록을 전진 또는 후진시키는 조절 노브와,
    상기 이동 블록을 상기 조절 노브에 맞닿은 상태로 위치 고정시키도록 상기 이동 블록에 탄성력을 가하는 스프링 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학식 터치스크린용 카메라 모듈.
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