KR20220096515A - 레이저 피크파워 측정방법 - Google Patents

레이저 피크파워 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불필요한 디텍팅을 최소화하면서 가공 대상물의 품질과 직결되는 레이저 피크파워 신호를 정확하게 측정해낼 수 있는 레이저 피크파워 측정방법을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 파워 서플라이의 트리거 신호와, 상기 트리거 신호에 의해 출력되는 레이저 파워 신호 중 최고값인 레이저 피크파워 신호 사이의 시간으로 정의되는 지연시간을 획득하는 지연시간 획득단계; 및 상기 트리거 신호를 수신한 이후, 상기 지연시간이 경과되는 순간마다 상기 레이저 파워 신호를 측정하는 파워 측정단계;를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 파워 측정단계에서 측정된 레이저 파워 신호를 레이저 피크파워 신호로 결정하는 특징을 개시한다.

Description

레이저 피크파워 측정방법{PEAK POWER MEASUREMENT METHOD FOR LASER}
본 발명은 레이저 피크파워 측정방법에 관한 것으로, 상세하게는 불필요한 디텍팅을 최소화하면서 레이저의 피크파워 신호를 정확하게 측정할 수 있는 레이저 피크파워 측정방법에 관한 것이다.
레이저 가공 공정은 가공물의 표면에 레이저 빔을 조사하여 가공물 표면의 형상이나 물리적 성질 등을 가공하는 공정을 말한다.
이러한 가공 공정의 결과물의 품질은 레이저 가공에 사용되는 레이저 빔의 상태에 의해 결정된다. 즉 가공물의 품질을 일정하게 유지하기 위해서는 목표하는 광 특성을 가지는 레이저 빔을 안정적으로 연속해서 가공물에 조사하는 것이 필수적이다.
하지만, 레이저 빔의 광 특성을 목표치에 항상 일치시키는 것은 매우 어려운 기술 과제이다. 즉, 현재의 레이저 발진기에서 발진되는 레이저 빔은 주파수 이동(Frequency draft) 현상이나 파워 밀도(Power density)의 가변 현상 등의 이유로 레이저 빔 특성에 대한 완벽한 신뢰도를 가지기가 어렵다.
이러한 레이저 빔 특성에 대한 신뢰도의 한계로 말미암아, 가공물에 대한 레이저 가공 공정 중 레이저 빔의 특성을 실시간으로 측정하고, 측정된 결과값에 대한 빠른 피드백을 통하여, 가공 결과물의 품질이 저하되는 것을 예방하도록 하고 있다.
하지만, 레이저 빔의 광 특성을 실시간으로 연속해서 측정하는 측정장치 역시 전술한 레이저 빔의 광 특성으로 인하여 불완전한 신뢰도를 가진다.
그리고, 파워 서플라이의 트리거 신호와, 이 트리거 신호에 의해 출력되는 레이저 파워 신호 사이에는 필연적으로 지연시간(Delay Timing)이 발생하고, 이러한 지연시간은 레이저 빔에 대한 측정 신뢰도를 떨어뜨리게 된다. 특히, 펄스 형태의 레이저 빔은 실시간으로 연속해서 측정하기가 매우 어려울 뿐만 아니라, 전술한 출력 지연시간에 의해 레이저 빔에 대한 측정 신뢰도가 더욱 떨어지게 된다.
이에 현재 펄스 형태의 레이저 빔은 출력되는 레이저 파워 신호의 평균값에 해당하는 에버리지(Average) 파워를 측정하는 방식이 주로 적용되고 있다.
하지만, 펄스 형태의 레이저 파워 신호에서 최고값인 피크(Peak) 파워는 가공 결과물의 품질에 직결되는 것인데, 전술한 에버리지 파워만으로는 피크 파워의 크기 및 포인트를 정확하게 규명할 수 없기 때문에, 가공 결과물의 품질 신뢰도에 한계가 있다.
또한, 레이저 파워 신호의 에버리지 파워 측정 과정에서 측정 신뢰도를 높이고자 측정 횟수를 크게 늘려 측정 오차폭을 줄이려고 노력하고 있으나, 측정 횟수에 비례하여 측정 시간이 길어지게 됨에 따라 고속 측정을 요구하는 시스템에 적용하기에는 부적절한 측면이 있고, 유지 비용이 증가되는 문제가 있다.
따라서, 불필요한 디텍팅을 최소화하면서도 가공 대상물의 품질과 직결되는 레이저 피크파워의 크기 및 포인트를 정확하게 측정할 수 있는 기술이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제1622977호 (2016.05.20. 공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 불필요한 디텍팅을 최소화하면서 가공 대상물의 품질과 직결되는 레이저 피크파워 신호를 정확하게 측정해낼 수 있는 레이저 피크파워 측정방법을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법은, 파워 서플라이의 트리거 신호와, 상기 트리거 신호에 의해 출력되는 레이저 파워 신호 중 최고값인 레이저 피크파워 신호 사이의 시간으로 정의되는 지연시간을 획득하는 지연시간 획득단계; 및 상기 트리거 신호를 수신한 이후, 상기 지연시간이 경과되는 순간마다 상기 레이저 파워 신호를 측정하는 파워 측정단계;를 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 파워 측정단계에서 측정된 레이저 파워 신호를 레이저 피크파워 신호로 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법에 있어서, 상기 지연시간 획득단계 이후에 수행될 수 있으며, 상기 지연시간보다 짧은 제1추가지연시간과, 상기 지연시간보다 긴 제2추가지연시간을 설정하는 추가지연시간 설정단계;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 파워 측정단계는, 상기 트리거 신호를 수신한 이후, 상기 제1추가지연시간, 상기 지연시간 및 상기 제2추가지연시간이 경과되는 순간마다 상기 레이저 파워 신호를 측정할 수 있고, 이 경우 측정된 복수의 레이저 파워 신호 중 최고값을 레이저 피크파워 신호로 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법에 있어서, 상기 제1추가지연시간 및 상기 제2추가지연시간은, 상기 지연시간으로부터 동일한 시간차를 가지도록 설정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법에 있어서, 상기 시간차는 상기 레이저 파워 신호의 펄스폭에 비례하여 변화될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법에 있어서, 상기 지연시간 획득단계는, 상기 트리거 신호를 수신하는 트리거 신호 수신단계; 이웃하는 트리거 신호 사이 구간의 시간을 복수의 단위시간으로 구분하고, 상기 단위시간이 경과되는 순간마다 상기 레이저 파워 신호를 수신하는 레이저 파워 신호 수신단계; 수신된 레이저 파워 신호 중 최고값을 레이저 피크파워 신호로 선정하는 피크파워 신호 선정단계; 및 상기 단위시간에 기초하여, 상기 트리거 신호와 상기 레이저 피크파워 신호 사이의 시간으로 정의되는 지연시간을 산출하는 지연시간 산출단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법에 있어서, 상기 지연시간 획득단계는 가공 대상물에 대한 레이저 가공단계 이전에 수행될 수 있고, 상기 파워 측정단계는 가공 대상물에 대한 레이저 가공단계에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 트리거 신호와 이에 의해 출력되는 레이저 파워 신호 중 최고값인 레이저 피크파워 신호 사이의 지연시간을 획득하고, 이렇게 획득된 지연시간에 기초하여, 트리거 신호를 수신한 이후 획득된 지연시간이 경과되는 순간마다 레이저 파워 신호를 측정함으로써, 가공 대상물을 향하는 레이저 피크파워 신호의 크기 및 포인트를 정확하게 측정할 수 있으며, 이로 인하여 측정된 레이저 피크파워 신호에 대한 신속한 피드백이 가능해지며, 디텍팅에 소요되는 비용을 절감할 수 있으며, 가공 대상물의 품질을 크게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법을 나타낸 블록 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정장치를 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 1의 지연시간 획득단계를 나타낸 블록 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피크파워 측정 시 트리거 신호와 레이저 파워 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법을 나타낸 블록 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피크파워 측정 시 트리거 신호와 레이저 파워 신호를 설명하기 위한 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법을 나타낸 블록 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 피크파워 측정장치를 나타낸 예시도이며, 도 3은 도 1의 지연시간 획득단계를 나타낸 블록 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피크파워 측정 시 트리거 신호와 레이저 파워 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법은, 지연시간 획득단계(S110) 및 파워 측정단계(S120)를 포함한다.
지연시간 획득단계(S110)는 지연시간(DT)을 획득하는 단계이다.
가공 대상물(A)에 대한 레이저 가공을 위해 출력되는 레이저 파워 신호(LPS)는 파워 서플라이(11)의 트리거 신호(TS)에 의해 제어되며, 이때 파워 서플라이(11)의 트리거 신호(TS)가 생성된 이후 레이저 파워 신호(LPS)가 출력되기까지는 지연시간(DT)이 소요된다.
본 실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법은 이러한 지연시간(DT)을 획득하고, 획득된 지연시간(DT)에 기초하여 레이저 피크파워 신호(PPS)를 정확하게 측정하고자 하는 것이다.
이를 위해 본 실시예에서의 지연시간(DT)은 파워 서플라이(11)에서 생성되는 트리거 신호(TS)와, 상기 트리거 신호(TS)에 의해 레이저 발진기(12)에서 출력되는 레이저 파워 신호(LPS) 중 최고값에 해당하는 레이저 피크파워 신호(PPS) 사이의 시간으로 정의될 수 있다.
도 2를 참조하면, 지연시간 획득단계(S110)는 트리거 신호 수신단계(S111), 레이저 파워 신호 수신단계(S113), 피크파워 신호 선정단계(S115) 및 지연시간 산출단계(S117)를 포함할 수 있다.
트리거 신호 수신단계(S111)는 트리거 신호(TS)를 수신하는 단계이다.
파워 서플라이(11)에서 생성되는 트리거 신호(TS)는 디텍팅 제어부(21)에 연속해서 수신될 수 있고, 디텍팅 제어부(21)는 파워 서플라이(11)에서 생성되는 트리거 신호(TS)의 수신 시간을 측정할 수 있다.
레이저 파워 신호 수신단계(S113)는 레이저 파워 신호(LPS)를 수신하는 단계이다.
레이저 발진기(12)로부터 출력되는 레이저 빔(L)은 스플리터(13)에 의해 가공 대상물(A)을 가공하기 위한 가공빔(L1)과, 레이저 파워를 측정하기 위한 측정빔(L2)으로 분할될 수 있다. 그리고, 측정빔(L2)은 레이저 파워를 측정하기 위한 디텍터(22)에 공급되며, 디텍터(22)는 측정빔(L2)으로부터 레이저 파워 신호(LPS)를 수신할 수 있다.
여기서, 전술한 트리거 신호(TS)가 수신된 디텍팅 제어부(21)는 이웃하는 트리거 신호(TS) 사이 구간의 시간을 미리 설정된 복수의 단위시간으로 구분할 수 있다.
단위시간은 디텍터(22)의 작동 주기를 결정하는 것으로, 단위시간이 짧을수록 디텍터(22)는 많은 레이저 파워 신호(LPS)를 연속해서 디텍팅하게 된다. 이러한 단위시간은 레어저 빔의 광 특성에 따라 적절한 값으로 설정될 수 있다.
결국, 디텍터(22)는 디텍팅 제어부(21)에서 설정된 단위시간이 경과되는 순간마다 레이저 파워 신호(LPS)를 수신하게 된다.
피크파워 신호 선정단계(S115)는 레이저 피크파워 신호(PPS)를 선정하는 단계이다.
즉, 디텍터(22)에서 수신되는 레이저 파워 신호(LPS) 중, 최고값을 레이저 피크파워 신호(PPS)로 선정하게 된다.
지연시간 산출단계(S117)는 지연시간(DT)을 산출하는 단계이다.
즉, 디텍팅 제어부(21)는 미리 설정된 단위시간에 기초하여, 파워 서플라이(11)에서 수신된 트리거 신호(TS)와, 디텍터(22)에서 선정된 레이저 피크파워 신호(PPS) 사이의 시간인 지연시간(DT)을 산출하게 된다.
한편, 지연시간 획득단계(S110)는 가공 대상물(A)에 대한 레이저 가공단계 이전에 미리 수행될 수 있고, 이처럼 레이저 가공단계 이전에 지연시간(DT)을 획득한 다음, 이후 실제 레이저 가공단계에서 수행되는 파워 측정단계(S120)는 획득된 지연시간(DT)에 기초하여, 최소한의 디텍팅을 거치면서 가공 대상물(A)을 향하는 레이저 피크파워 신호(PPS)를 정확하게 측정해낼 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 파워 측정단계(S120)는 가공 대상물(A)에 대한 레이저 가공단계에서 수행될 수 있으며, 가공 대상물(A)을 향하는 레이저 피크파워 신호(PPS)를 측정하는 단계이다.
즉, 디텍팅 제어부(21)는 파워 서플라이(11)의 트리거 신호(TS)를 수신하고, 상기 트리거 신호(TS)를 수신한 이후 앞서 획득된 지연시간(DT)이 경과되는 순간마다 디텍터(22)를 이용하여 레이저 파워 신호(LPS)를 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 레이저 파워 신호(LPS)는 레이저 피크파워 신호(PPS)로 결정될 수 있다.
이에 따라, 실제 레이저 가공단계에서 불필요한 디텍팅 과정을 최소화하면서, 가공 대상물(A)에 도달하는 레이저 피크파워 신호(PPS)의 세기 및 포인트를 항상 정확하게 측정해낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법을 나타낸 블록 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피크파워 측정 시 트리거 신호와 레이저 파워 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 피크파워 측정방법은, 지연시간 획득단계(S210), 추가지연시간 설정단계(S215) 및 파워 측정단계(S220)를 포함한다.
본 실시예에 따른 지연시간 획득단계(S210)는 지연시간(DT)을 획득하는 단계로서, 전술한 일실시예에 따른 지연시간 획득단계(S110)와 동일한 과정으로 수행될 수 있다.
본 실시예에 따른 추가지연시간 설정단계(S215)는 추가지연시간을 설정하는 단계이다.
추가지연시간은 제1추가지연시간(DT1) 및 제2추가지연시간(DT2)을 포함할 수 있다.
제1추가지연시간(DT1)은 앞서 설정된 지연시간(DT)보다 짧은 시간일 수 있다.
이러한 제1추가지연시간(DT1)은 앞서 설정된 지연시간(DT)을 기준으로 설정될 수 있는데, 지연시간(DT)에서 제1시간차 만큼 짧게 설정될 수 있다.
제1시간차는 레이저 파워 신호(LPS)의 펄스폭에 따라 가변될 수 있는데, 예컨대, 사용되는 레이저 파워 신호(LPS)의 펄스폭이 크면 제1시간차는 비례하여 커질 수 있다.
제2추가지연시간(DT2)은 앞서 설정된 지연시간(DT)보다 긴 시간일 수 있다.
이러한 제2추가지연시간(DT2) 역시 앞서 설정된 지연시간(DT)을 기준으로 설정될 수 있으며, 지연시간(DT)에서 제2시간차 만큼 길게 설정될 수 있다.
제2시간차 역시 레이저 파워 신호(LPS)의 펄스폭에 따라 가변될 수 있으며, 예컨대, 사용되는 레이저 파워 신호(LPS)의 펄스폭이 크면 제2시간차는 비례하여 커질 수 있다.
한편, 상기 제1시간차 및 상기 제2시간차는 서로 동일한 시간차를 가지도록 로 설정될 수 있다.
본 실시예에 따른 파워 측정단계(S220)는 가공 대상물(A)을 향하는 레이저 피크파워 신호(PPS)를 측정하는 단계로서, 전술한 일실시예에 따른 파워 측정단계(S120)와 달리, 복수의 레이저 파워 신호(LPS)를 측정하고, 측정된 복수의 레이저 파워 신호(LPS) 중 최고값을 레이저 피크파워 신호(PPS)로 결정할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 파워 측정단계(S220)는 설정된 제1추가지연시간(DT1), 지연시간(DT) 및 제2추가지연시간(DT2)이 경과되는 순간마다 각각의 레이저 파워 신호(LPS)를 측정하고, 이렇게 측정된 복수의 레이저 파워 신호(LPS) 중에서 최고값을 레이저 피크파워 신호(PPS)로 결정할 수 있다.
구체적으로, 도 6을 참조하여 시간의 흐름에 따른 레이저 피크파워 측정 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 디텍팅 제어부(21)가 파워 서플라이(11)의 트리거 신호(TS)를 수신하고, 상기 트리거 신호(TS)를 수신한 이후 제1추가지연시간(DT1)이 경과되는 순간 디텍터(22)를 동작시키면, 디텍터(22)는 제1레이저 파워 신호(LPS1)를 측정할 수 있다. (S221 단계)
이때, 제1추가지연시간(DT1)은 지연시간(DT)보다 제1시간차 만큼 짧게 설정되므로, 제1레이저 파워 신호(LPS1)는 후행되는 제2레이저 파워 신호(LPS2)보다 제1시간차 만큼 전방으로 이격된 신호에 해당된다.
이어서, 상기 트리거 신호(TS)를 수신한 이후 지연시간(DT)이 경과되는 순간 디텍터(22)를 동작시키면, 디텍터(22)는 제2레이저 파워 신호(LPS2)를 측정할 수 있다. (S222 단계)
이어서, 상기 트리거 신호(TS)를 수신한 이후 제2추가지연시간(DT2)이 경과되는 순간 디텍터(22)를 동작시키면, 디텍터(22)는 제3레이저 파워 신호(LPS3)를 측정할 수 있다. (S223 단계)
이때, 제2추가지연시간(DT2)은 지연시간(DT)보다 제1시간차 만큼 길게 설정되므로, 제3레이저 파워 신호(LPS3)는 선행된 제2레이저 파워 신호(LPS2)보다 제1시간차 만큼 후방으로 이격된 신호에 해당된다.
이렇게 측정된 제1레이저 파워 신호(LPS1), 제2레이저 파워 신호(LPS2) 및 제3레이저 파워 신호(LPS3) 중, 최고값인 제2레이저 파워 신호(LPS2)를 레이저 피크파워 신호(PPS)로 결정할 수 있다.
이와 같이, 지연시간(DT) 경과 후 측정된 제2레이저 파워 신호(LPS2) 뿐만 아니라, 제1추가지연시간(DT1) 및 제2추가지연시간(DT2)을 통하여, 제2레이저 파워 신호(LPS2)와 인접한 제1레이저 파워 신호(LPS1) 및 제3레이저 파워 신호(LPS3)를 추가적으로 획득하고, 이렇게 측정된 복수의 레이저 파워 신호 중 최고값을 레이저 피크파워 신호(PPS)로 결정함으로써, 전술한 일실시예에 따른 피크파워 측정 과정과 비교하여, 비록 디텍팅의 횟수는 다소 증가될 수 있겠으나, 상대적으로 피크파워 측정의 정확도를 높일 수 있다는 이점이 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
11: 파워 서플라이
12: 레이저 발진기
21: 디텍팅 제어부
22: 디텍터

Claims (6)

  1. 파워 서플라이의 트리거 신호와, 상기 트리거 신호에 의해 출력되는 레이저 파워 신호 중 최고값인 레이저 피크파워 신호 사이의 시간으로 정의되는 지연시간을 획득하는 지연시간 획득단계; 및
    상기 트리거 신호를 수신한 이후, 상기 지연시간이 경과되는 순간마다 상기 레이저 파워 신호를 측정하는 파워 측정단계;를 포함하고,
    상기 파워 측정단계에서 측정된 레이저 파워 신호를 레이저 피크파워 신호로 결정하는 것을 특징으로 하는 레이저 피크파워 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지연시간 획득단계 이후에 수행되며,
    상기 지연시간보다 짧은 제1추가지연시간과, 상기 지연시간보다 긴 제2추가지연시간을 설정하는 추가지연시간 설정단계;를 더 포함하고,
    상기 파워 측정단계는,
    상기 트리거 신호를 수신한 이후, 상기 제1추가지연시간, 상기 지연시간 및 상기 제2추가지연시간이 경과되는 순간마다 상기 레이저 파워 신호를 측정하며,
    측정된 복수의 레이저 파워 신호 중 최고값을 레이저 피크파워 신호로 결정하는 것을 특징으로 하는 레이저 피크파워 측정방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1추가지연시간 및 상기 제2추가지연시간은, 상기 지연시간으로부터 동일한 시간차를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 피크파워 측정방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시간차는 상기 레이저 파워 신호의 펄스폭에 비례하여 변화되는 것을 특징으로 하는 레이저 피크파워 측정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지연시간 획득단계는,
    상기 트리거 신호를 수신하는 트리거 신호 수신단계;
    이웃하는 트리거 신호 사이 구간의 시간을 복수의 단위시간으로 구분하고, 상기 단위시간이 경과되는 순간마다 상기 레이저 파워 신호를 수신하는 레이저 파워 신호 수신단계;
    수신된 레이저 파워 신호 중 최고값을 레이저 피크파워 신호로 선정하는 피크파워 신호 선정단계; 및
    상기 단위시간에 기초하여, 상기 트리거 신호와 상기 레이저 피크파워 신호 사이의 시간으로 정의되는 지연시간을 산출하는 지연시간 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 피크파워 측정방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지연시간 획득단계는 가공 대상물에 대한 레이저 가공단계 이전에 수행되며,
    상기 파워 측정단계는 가공 대상물에 대한 레이저 가공단계에서 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 피크파워 측정방법.
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