KR20230084149A - 광학 시스템 및 헤드 마운트 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 출원의 일부 실시예는 광학 시스템 및 헤드 마운트 디스플레이 장치를 개시한다. 상기 광학 시스템에는 입사광의 전파 방향을 따라 순차적으로 설치된 제3 렌즈, 제2 렌즈 및 제1 렌즈를 포함하고, 상기 제1렌즈의 유효초점거리(f1)와 상기 제2렌즈의 유효초점거리(f2)는 모두 상기 광학 시스템의 유효초점거리(f)보다 크다. 본 출원의 실시예는 단초점, 고해상도의 직투과형 광학 구조 설계 솔루션을 제공함으로써,우수한 이미징 품질을 가지고 있다.

Description

광학 시스템 및 헤드 마운트 디스플레이 장치

[0001]본 출원은 2021년 11월 30일 중국 특허청에 제출한 출원번호가 202111446819.7이며, 발명의 명칭이‘광학 시스템 및 헤드 마운트 디스플레이 장치’인 중국 특허 출원의 우선권 주장하며, 그 전체 내용이 본 출원에 인용으로 포함된다.

[0002]본 출원은 광학 이미징 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학 시스템 및 헤드 마운트 디스플레이 장치에 관한 것이다.

[0003]최근에는 증강현실(Augmented Reality，AR) 기술과 가상현실(Virtual Reality，VR) 기술이 스마트 웨어러블 장치에 적용되고 빠르게 발전하고 있다. 증강현실 기술과 가상현실 기술의 핵심 구성 요소는 모두 디스플레이 광학 시스템이다. 디스플레이 광학 시스템의 디스플레이 효과의 좋고 나뿜은 스마트 웨어러블 장치의 품질을 직접 결정하게 된다.

[0004]기존의 관련 기술에서는 VR 장치를 예로 들 수 있다. 기존 VR장치는 대부분 단일 렌즈와 디스플레이 스크린을 결합하여 형성된 디스플레이 광학 시스템을 사용하고 있다. 그러나 광로 이미징 요구에 따라, 렌즈가 디스플레이 스크린에서 멀리 떨어져 있어 VR 장치의 크기가 커져 제품의 소형화에 불리하며, 사용자의 착용 시 사용 체험이 좋지 않을 수 있다. 또한, 현재 VR 장치 에는 접힌 광로를 사용하는 솔루션도 있다. 이 솔루션은 VR 장치 의 소형화 및 경량화를 구현할수 있지만 높은 생산 비용, 낮은 광 효율(<25%) 및 고스팅의 문제가 있다.

[0005]본 출원의 목적은 광학 시스템 및 헤드 마운트 디스플레이 장치에 대한 새로운 기술 솔루션을 제공하는 것이다.

[0006]본 출원의 일 측면에 따르면, 광학 시스템이 제공된다. 상기 광학 시스템은, 입사광의 전파 방향을 따라 순차적으로 설치된 제3렌즈, 제2렌즈 및 제1렌즈로 구성되는 렌즈군을 포함하며, 상기 제1렌즈의 유효 초점 거리(f1)와 상기 제2렌즈의 유효 초점 거리(f2)는 모두 상기 광학 시스템의 유효초점거리(f)보다 크다.

[0007]선택적으로, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 굴절력은 모두 양수이고, 상기 제3 렌즈의 굴절력은 음수이다.

[0008]선택적으로, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈는 접착으로 설치된다.

[0009]선택적으로, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈의 접착된 두 표면은 모두 프레넬면이다.

[0010]선택적으로, 상기 제1렌즈의 유효 초점 거리(f1)와 상기 제2렌즈의 유효 초점 거리(f2)의 합은 상기 제3렌즈의 유효초점거리(f3)의 절대값보다 크다.

[0011]선택적으로, 상기 제 1 렌즈의 유효 초점 거리(f1)는 20mm≤f1≤40mm, 상기 제 2 렌즈의 유효 초점 거리(f2)는 20mm≤f2≤40mm, 상기 제 3 렌즈의 유효 초점 거리(f3)는 -100mm≤ f3≤-50mm로 설정한다.

[0012]선택적으로, 상기 렌즈군의 유효 초점 거리(f)는 15mm≤f≤25mm를 충족한다.

[0013]선택적으로, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이에 간격(T1)이 설치되며, 상기 간격(T1)은 0.1mm≤T1≤0.5mm로 설정되고, 상기 제2 렌즈와 상기 제3렌즈 사이에 간격(Y)이 설치되며, 상기 간격(Y)은 2mm≤Y≤4.5mm로 설정되며, 상기 제1렌즈, 상기 제2렌즈 및 상기 제3렌즈는 동일한 광축 상에 위치한다.

[0014]선택적으로, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈는 동일한 소재로서 모두 COP소재이며, 상기 제3 렌즈는 OKP소재 또는 EP소재이다.

[0015]본 출원의 다른 측면에 따르면, 헤드 마운트 디스플레이 장치가 제공된다.

[0016]상기 헤드 마운트 디스플레이 장치는 전술한 임의의 한 광학 시스템을 포함한다.

[0017]본 출원의 실시예가 제공한 솔루션에서는, 복수개의 렌즈를 사용하고 렌즈의 유효 초점 거리를 합?′構? 설치함으로써, 전반 광로 구조에 대한 단초점, 높은 광 효율, 고해상도의 광학적 요구를 실현하는데 유리하여 이미징 품질의 향상에 도움이 된다. 본 출원 실시예는 단초점, 고해상도의 직투과형 광로구조 설계 솔루션을 제안하며, 형성된 광학 시스템은 헤드 마운트 디스플레이 장치(예를 들면, VR 장치) 등에 적용될수 있다.

[0018]본 출원의 기타 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

[0019]본 출원의 실시예 또는 종래 기술의 기술적 해결 솔루션을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 이하에서는 실시예 또는 종래 기술의 설명에 필요한 첨부 도면을 간략히 소개한다. 이하의 설명에 있는 도면은 본 출원의 도면의 일부일 뿐이며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 창의적인 노력 없이 제공된 도면으로부터 다른 도면도 얻을 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 광학 시스템의 구조의 개략도이다.
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 광학 시스템의 이미징 원리의 개략도이다.
도 3 내지 도 5는 본 출원의 실시예에 따른 광학 시스템에서 제3렌즈의 구경x와 제3렌즈와 제2렌즈 사이의 간격Y의 관계도이다.
도 6은 본 출원의 실시예1에 따른 광학 시스템의 스폿 다이어그램이다.
도 7은 본 출원의 실시예 1에 따른 광학 시스템의 상면 만곡 및 왜곡도이다.
도 8는 본 출원의 실시예 1에 따른 광학 시스템의 색분산도이다.

[0020]이하, 본 출원의 실시예에 있어서의 기술적 해결 솔루션에 대하여 본 출원의 실시예의 도면을 참조하여 설명하되, 상술한 실시예는 본 출원의 실시예 중 일부에 불과하며, 모든 실시예에 불과함은 물론이다. 본 출원의 실시예에 기초하여, 당업자가 창의적인 노력 없이 획득한 다른 모든 실시예는 본 출원의 보호 범위에 속한 것이다.

[0021]적어도 하나의 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 그 적용 또는 용도를 제한하려는 의도가 결코 아니다.

[0022]관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 기술, 방법 및 장치에 대해서는 상세히 설명하지 않을 수 있지만, 적절한 경우 이러한 기술, 방법 및 장치는 명세서의 일부로 간주되어야 한다.

[0023]여기에 도시되고 논의된 모든 예에서,　모든 특정 값은 단지 예시적인 것으로 해석되어야 하며 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다 .따라서, 예시적인 실시예의 다른 경우는 상이한 값을 가질 수 있다.

[0024]유사한 기호 및 문자는 다음 도면에서 유사한 항목을 표시하므로, 일단 하나의 도면에서 어느 한 항목이 정의되면 후속 도면에서 더 이상의 논의가 필요하지 않음에 유의해야 한다.

[0025]이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 출원의 실시예에 따른 광학 시스템 및 헤드 마운트 디스플레이 장치에 대해 상세히 설명한다.

[0026]본 출원의 실시예의 일 측면에 따르면, 광학 시스템이 제공된다.

[0027]상기 광학 시스템은 단초점, 고해상도의 직투과형 광학 시스템으로 VR 장치(VR 안경 또는 VR 헬멧 등) 등 헤드 마운트 디스플레이 장치（head mounted display，HMD）와 같은 전자 장치에 적용하기에 적합하다. 따라서, 좋은 응용 전망을 가지고 있다.

[0028]본 출원 실시예에 따른 광학 시스템은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 입사광의 전파 방향을 따라 순차적으로 설치된 제3렌즈(3), 제2렌즈(2)와 제1렌즈(1)을 포함하고, 상기 제1렌즈의 유효초점거리(f1)과 상기 제2렌즈의 유효초점거리(f2)는 모두 상기 광학 시스템의 유효 초점 거리(f)보다 크다.

[0029]본 출원 실시예에 따른 광학 시스템은 직투과형 광로 구조로, 광로 설계가 비교적 간단하여 전체 광학 시스템의 제작이 비교적 쉽게 된다.

[0030]상기 광학 시스템은 예를 들어 디스플레이 스크린(display)(4)도 포함할수 있음을 설명할 필요가 있다.

[0031]상기 디스플레이 스크린(4)은 광로 구조에서 광선, 즉 상술한 입사광의 발사에 사용될 수 있다.

[0032]즉, 본 출원의 실시예에 따른 광학 시스템 솔루션에서, 예하면 3개의 렌즈를 갖는 렌즈군이 설계되고, 도1 및 도2에서 도시된 바와 같이, 그 중의 각 렌즈는 디스플레이 스크린(4)의 출사측 위치, 구체적으로는 디스플레이 스크린(4)이 발사하는 입사광의 전파 방향에 배치되여,사람의 눈(5)에 입사광을 투사해 이미징을 구현하는 데 사용될수 있다.

[0033]도1 및 도2에서 도시된 바와 같이, 본 출원 실시예에 따른 솔루션은 여러 개의 렌즈(예를 들어,3개의 렌즈)를 사용하고 렌즈의 유효 초점 거리를 합리적으로 설정함으로써 전체 광로 구조의 단초점, 고광효율, 고해상도의 광학 요구를 실현하는 데 유리하고 영상의 질을 향상시키는 데 도움이 된다.

[0034]본 출원 실시예는 단초점, 고해상도의 직투과형 광로구조 설계솔루션을 제안하였으며, 형성된 광학 시스템은 예를 들어 헤드마운트 디스플레이 장치(VR 장치)에 적용할 수 있으며, 또한 헤드마운트 디스플레이 장치의 소형화 및 경량화를 구현하는 데 도움이 된다.

[0035]종합 비교하면, 본 출원의 실시예에 따른 솔루션은 단일체 렌즈와 디스플레이 디스플레이 스크린(display)의 기존 조합 솔루션으로 인한 렌즈가 디스플레이 스크린에서 비교적 멀리 떨어져 있음으로 VR 장치의 크기가 커져 제품의 소형화에 불리하고 광효율이 낮은 문제를 해결한다. 동시에, 접힌 광로를 사용하는 결함도 개선될 수 있어, 가공 난이도 및 생산 비용이 비교적 낮고, 직투과형 광학 구조도 접힌 광로보다 간단하다.

[0036]예를 들어, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 광학 시스템에는 예를 들어 1.4 인치 디스플레이의 디스플레이 스크린(4)이 설치되어 100도의 시야각을 달성한다. 이를 기반으로 기존의 단일 렌즈(1P) 구조나 이중 렌즈(2P) 구조는 이러한 유형의 디스플레이 스크린을 해상하기에 모두 충분하지 않다. 그 이유는 다음과 같다.

[0037]단일 피스 렌즈(1P)는 두 표면의 면형 자유도에 대한 최적화만 가능하여 집속 기능이 제한받아, 수차나 색차를 보정할 수 없고, 전체 시야에서 확인할 수 있는 픽셀 크기(즉, 이미징 스폿 사이즈,spot size )는 약 80μm~100μm이며, 더 중요한 것은 단초점의 목적을 달성할 수 없다는 것이다.

[0038]이중 피스 렌즈(2P)는 렌즈의 표면 면형을 최적화할 때 자유도를 높여 단초점을 구현할 수 있지만, 아직까지 해상력의 한계가 있어 전체 시야에서 해상할 수 있는 화소 크기(즉, 이미징 스폿 사이즈)가 약 60μm~80um이다.

[0039]본 출원 실시예에서 채용한 광학 렌즈 조합은 해상력을 한층 더 향상시키고 색차를 어느 정도 교정할 수 있으며 일종의 직투과형 단초점 광로 구조를 형성한다.

[0040]본 출원의 일부 예에서, 상기 제1렌즈(1) 및 상기 제2렌즈(2)의 굴절력은 양수이고, 상기 제3렌즈(3)의 굴절력은 음수이다.

[0041]본 출원의 실시예에 따른 광학 시스템에서, 제1 렌즈(1) 및 제2 렌즈(2)는 모두 포지티브 렌즈로 설계되고, 제3 렌즈(3)는 네거티브 렌즈로 설계되었다는 것을 이해할 수 있다. 2개의 포지티브 렌즈는 비교적 큰 포지티브 굴절력을 제공하며 네거티브 렌즈는 색차를 제거하는 데 사용할 수 있다.

[0042]본 출원의 일부 예에서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈은 접착으로 설치된다.

[0043]즉, 본 출원의 실시예에서, 2개의 포지티브 렌즈 사이는 접착되여 설치되고, 네거티브 렌즈와 상기 2개의 접착되여 설치한 포지티브 렌즈 사이는 분리되도록 설계되었다.

[0044]도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광로 구조에서 디스플레이 스크린(4)으로부터 멀리 떨어진 쪽의 상기 제1 렌즈(1)와 상기 제2 렌즈(2)는 접착되도록 설치하여 미광을 줄이는 데 도움이 되고, 디스플레이 스크린(4)으로부터 가까운 쪽에 있는 상기 제3 렌즈(3)는 독립적으로 배치되어 서로 접착되여 있는 2개의 렌즈와 분리형 구조로 되어 있어 이미징 품질을 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 이해할 수 있다.

[0045]또한, 상기 제1 렌즈(1)와 상기 제2 렌즈(2)를 접착하는 설계는 구조 부재를 조립하는 어려움을 줄이고 조립으로 인해 렌즈 사이에 불순물이 발생할 위험을 줄일 수 있어 양품률을 높일 수 있다.

[0046]본 출원의 일부 예에서, 도1 및 2에 도시된 바와 같이 상기 제1렌즈(1)와 상기 제2 렌즈(2)가 접착된 2개의 표면은 모두 프레넬면이다.

[0047]즉, 상기 광학 시스템은 2개의 인접한 프레넬면이 설계되었으며 2개의 프레넬면은 접착되어 있다. 이 설계는 광로 구조의 저색분산 및 단초점을 구현할 수 있고 미광을 감소시킬 수 있어 형성된 광학 시스템이 높은 광 효율을 가지며 고화질 이미징을 구현할 수 있게 한다.

[0048]본 출원의 일부 예에서, 도1에 도시된 바와 같이， 상기 제1 렌즈(1)는 제1 면(11)과 제2 면(12)을 포함하고, 상기 제2 렌즈(2)는 제3 면(11）과 제4 면(22)을 포함하여 전체 광로 구조에서 상기 제2 면(12)과 상기 제3 면(11）은 서로 인접하게 배치되고, 모두 프레넬면으로 배치되며, 상기 제1면(11)과 상기 제4면(22)은 모두 비구면(또한,이들 양면이 모두 볼록면임)이다.

[0049]상기 제 1 렌즈(1)의 상기 제 1 면（11）이 사람의 눈(5)과 직접 마주하면서 외부에 있고, 상기 제1렌즈(1)의 제2면(12)와 상기 제2렌즈의 제3면(21)은 인접하여 설치되고, 본 출원에서 상기 제1렌즈(1)의 상기 제 1 면（11）을 비구면(예를 들면, 볼록면)으로 설치하며, 상기 제 1 렌즈(1)의 상기 제 2 면(12)을 프레넬면으로 설치하여 상기 제 1 렌즈(1)(포지티브 렌즈)는 비구면과 프레넬면 두 가지 면형의 조합을 형성한다.

[0050]선택적으로, 본 출원의 실시예에서 상기 제1 렌즈(1)의 제1 면(11) 및 제2면(12)에는 반사 방지막 (Anti-Reflective coating, AR)이 각각 코팅된다.

[0051]상기 제1 렌즈(1)의 양면에 반사 방지막을 각각 코팅한 후, 상기 반사 방지막에 의해 반사광을 감소시켜 상기 제1 렌즈(1)의 양면에서의 광선 투과율을 높일 수 있다.

[0052]선택적으로, 상기 제1 렌즈(1)의 제1 면(11)에는 반사 방지막 외에, 경화막도 코팅될 수 있다.

[0053]그 이유는, 상기 제 1 렌즈(1)의 제 1 면（11）은 외부를 향하고, 긁힘, 충돌 등으로 인한 손상을 방지할 필요가 있어, 경화막을 코팅함으로써 상기 제 1 렌즈(2)의 수명이 향상될수 있기 때문이다. 상기 제 1 면（11）에 경화막을 코팅, 즉 상기 제 1 면（11）에 경화 처리를 하여 제1 면(11)의 경도, 강도 등을 향상시킬 수 있다. 이는 전체 광학 시스템의 수명을 늘리는 데 유용하다.

[0054]물론, 본 출원의 실시예들은 상기 제1 렌즈(2)의 제1 면(11)에 경화막을 코팅하는 것으로 한정되지 않고, 상기 제1 렌즈(1)의 제2 면(12)에도 경화막이 코팅될 수 있고, 당업자는 특정 요구에 따라 유연하게 조정할 수 있으며, 이는 본 출원에서 구채적으로 제한하지 않는다.

[0055]또한, 본 출원의 실시예에서, 상기 제1 렌즈(1)는 또한 다음과 같은 파라미터를 갖는다.

[0056]예를 들어, 상기 제1 렌즈(1)의 제1 면(11)의 반경(R1)의 절대값은 35mm≤R1≤65mm를 충족 하고, 상기 제1렌즈(1)의 제2면(11)의 반경(R2)의 절대값은 20mm≤R2≤40mm를 충족하며, 상기 제1렌즈(1)의 제1면(11)과 제2면(12)의 코닉계수(K1)의 절대값은 K1≤20을 충족 한다.

[0057]상기 제1 면(11)과 상기 제2 면(12)의 면형 설계는 상이하다.

[0058]구체적으로, 외측을 향하는 상기 제1 면(11)은 비구면(예를 들어, 볼록면)으로 설계되고, 상기 제2 면(22)은 프레넬면으로 설계되며, 프레넬면과 비구면의 조합으로 형성된 제1렌즈(1)를 광로 구조에 적용함으로써 단초점과 고해상도의 효과를 얻을 수 있다.

[0059]본 출원의 실시예에서, 상기 제1렌즈(1)의 면형을 최적화한 후,　가공의 어려움과 비용을 고려하여, 상기 제1 렌즈(1)의 코닉계수(Coin Constant), 즉 K1의 값을 예를 들어 [-10, 10]로 설정하고, 상기 제1렌즈(1)의 프레넬면의 반경이 R>23mm인 것이 보다 바람직하다.

[0060]본 출원의 일부 예에서, 상기 제2렌즈(2)와 상기 제1렌즈(1)의 면형 조합 형태는 동일할 수 있고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 렌즈(2)는 제3 면(21） 및 제4 면(22)을 포함하고, 상기 제3 면(21）은 프레넬면이고, 상기 제4 면(22)은 비구면(예를 들어 볼록면)으로 설치된다.

[0061]선택적으로, 반사 방지막이 상기 제3 면(21） 및 제4 면(22)에도 코팅된다.

[0062]그 중, 반사 방지막에 의해 반사광이 감소되어 상기 제2렌즈(2)의 양면에서 광선의 투과율이 증가된다.

[0063]또한, 본 출원의 실시예에서, 상기 제2 렌즈(2)는 다음과 같은 파라미터를 갖는다.

[0064]본 출원의 일부 예에서, 상기 제2렌즈(3)의 제3면(31)의 반경(R3)의 절대값은 20mm≤R3≤40mm를 충족하고, 상기 제2렌즈(3)의 제4면(32)의 반경(R4)의 절대값은 35mm≤R4≤80mm를 충족하며, 상기 제2 렌즈(3)의 제3 면(21)과 제4 면(22)의 코닉계수(K2)의 절대값은 K2≤20을 충족한다.

[0065]본 출원의 실시예에서는 상기 제2렌즈(2)의 면형을 최적화한 후, 가공의 어려움과 비용을 고려하여, 상기 제2렌즈(2)의 코닉계수(Coin Constant), 즉 K2값을 [-10, 10]로 설정하는 것이 보다 바람직하며, 상기 제2 렌즈(2)의 프레넬면의 반경은 23mm보다 크다. 이것은 기본적으로 상기 제1렌즈(1)와 동일하다.

[0066]상기 제 1 렌즈(1) 및 상기 제 2 렌즈(2)가 모두 프레넬면을 갖음을 설명할 필요가있다. 렌즈 면형의 가공을 고려하여, 면형 파라미터를 일정한 범위 내로 설정할 필요가 있다. 그렇지 않으면 가공 정확도가 낮아지거나 블레이드가 부러질 위험이 있다(이는 톱니 형상의 가공이 어렵고 톱니 형상의 예각이 작을수록 가공 경사각 및 작업이 더 어렵기 때문임). 따라서, 코닉계수(K)값을 [-10, 10] 범위로 설정하는 것이 보다 바람직하며, 각 렌즈의 프레넬면의 R값은 23mm이상이다.

[0067]본 출원의 실시예의 솔루션에서는, 상기 제1렌즈(2)와 상기 제2렌즈(3), 즉 2개의 포지티브 렌즈에 대하여, 모두 "비구면(예를 들면, 볼록면)+프레넬면"의 조합을 사용하며, 부동한 굴절률 및 아베수 소재의 선택 및 배합을 기반으로, 광로 구조의 저색분산 및 단초점을 실현한다.

[0068]본 출원의 일부 예에서, 도1 에 도시된 바와 같이, 상기 제3 렌즈(3)는 제5 면(31) 및 제6 면(32)을 포함하고, 상기 제5 면(31)은 상기 제2렌즈(2)의 제4 면(22)에 인접하여 설치되고, 상기 제5면(31) 및 상기 제6면(32) 중의 적어도 하나는 비구면으로 설치되였다.

[0069]예를 들어, 상기 제3 렌즈(3)의 굴절력은 음수이다.

[0070]즉, 본 출원의 솔루션에서, 상기 제3렌즈(3)가 네거티브 렌즈로 설계되여, 가운데가 얇고 주변이 두꺼운 렌즈로서, 광을 발산시키는 능력이 있다. 상기 제3렌즈(3)는 전체 광로 구조 중에서 색차 제거에 사용될 수 있다.

[0071]상기 제3 렌즈(3)는, 예를 들어, 양면 오목 렌즈(즉, 양면이 모두 오목함) 또는 평면 오목 렌즈(즉, 한 면이 오목면이고 다른 면이 평면임)일 수 있다.

[0072]보다 바람직하게는, 상기 제5면(31)은 평면으로 설치되고, 상기 제6면(32)은 오목면으로 설치된다. 즉, 전체 광로 구조에서 상기 제4 면(22)에 인접한 면은 평면이고, 상기 디스플레이 스크린(4)에 인접한 면은 오목면이다.

[0073]선택적으로, 상기 제5 면(31)과 상기 제6 면(32)에 모두 반사 방지막(Anti-Reflective coating, AR)이 코팅된다.

[0074]상기 제 3 렌즈(3)의 2개의 면에 각각 반사 방지막이 코팅된 후, 상기 반사 방지막에 의해 반사광이 감소될 수 있어, 상기 제 3 렌즈(3)의 양면에서의 광선 투과율을 증가시킬 수 있다.

[0075]본 출원의 구체적인 예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광학 시스템은 디스플레이 스크린(4), 상기 제 1렌즈(1), 상기 제2렌즈(2) 및 상기 제3렌즈(3)를 포함하고, 상기 디스플레이 스크린(4)은 디스플레이 광원으로 사용할 수 있으며, 상기 제1렌즈(1)와 상기 제2렌즈(2)는 모두 "비구면+프레넬면"의 포지티브 렌즈이고, 상기 디스플레이 스크린(4)에 가까운 측의 상기 제3렌즈(4)는 네거티브 렌즈로 설치된다. 3개 렌즈의 각 면은 모두 반사 방지막 코팅 처리되고, 또한 상기 제1 렌즈(1)의 제1 면(11)은 "경화막+반사방지막"처리를 실행한다. 이를 기반으로 도2에 도시된 바와 같게 된다.

[0076]상기 디스플레이 스크린(4)에서 발사된 입사광은 반사 방지막이 코팅된 상기 제3 렌즈(3)의 제6 면(32)을 거쳐 상기 제3 렌즈(3)의 내부로 진입하고, 상기 제3렌즈(3)를 경과하는 전파 광선은 확산을 거친후 상기 제2렌즈(2)로 입사된다. 상기 제2렌즈(2)의 양면에도 반사 방지막이 코팅되여 있어, 광선은 상기 제2렌즈(2)를 거친후 집속되여 상기 제1렌즈(1)로 입사된다. 상기 제1 렌즈(1)가 여전히 집속하는 포지티브 렌즈여서, 상기 제1 렌즈(1)을 거친 광선은 전달된 후 사람의 눈(5)으로 들어가 이미징을 진행한다. 전체 광학 시스템 중에 광로 접힘이 없고, 또한 각 렌즈의 표면에 반사 방지막이 코팅되어 있어 광선전파효율이 높다.

[0077]본 출원의 일부 예에서, 상기 제1 렌즈(1)와 상기 제2 렌즈(2)의 가장자리 영역은 접착하여 설치된다.

[0078]즉, 상기 제1 렌즈(1)와 상기 제2 렌즈(2)는 테두리에서만 프레임 접착제의 방식으로 접착된다.

[0079]예를 들어,　상기 제1 렌즈(1) 및 상기 제2 렌즈(2)의 가장자리 영역은 투광성 광학 접착제에 의해 접착 및 연결된다. 여기서, 광학 접착제의 굴절률은 각 렌즈의 굴절률보다 낮고, 예를 들어 굴절률은 1.1~1.3이다.

[0080]상기 방식으로, 상기 제1 렌즈(1) 및 상기 제2 렌즈(2)는 접착 시스템으로 조합될 수 있다. 한편으로, 접착 시스템은 프레넬면의 톱니 모양으로 인한 미광의 영향을 줄일수 있다. 접착 후, 2개의 포지티브 렌즈는 광학 요소로 광로 구조 중에 조립되므로, 조립의 어려움을 줄인다. 또한, 상기 제1렌즈(1)와 상기 제2렌즈(2)는, 접착제를 디스펜싱함으로써 가장자리 영역에서 접착을 실시하여, 두 렌즈 사이에 조립으로 인한 불순물이 발생할 위험을 줄이고 양품률을 향상시킨다.

[0081]본 출원의 일부 예에서는 도 1과 도2에 도시한바와 같이, 상기 제1 렌즈(1)와 상기 제2 렌즈(2) 사이에 간격(T1)이 설치되며, 상기 간격(T1)은 0.1mm≤T1≤0.5mm로 설정되고, 상기 제2 렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이에 간격(Y)이 설치되며, 상기 간격(Y)은 2mm≤Y≤4.5mm로 설정되고, 상기 제1렌즈(1), 상기 제2렌즈(2) 및 상기 제3렌즈(3)는 동일한 광축 상에 위치한다.

[0082]상기 제1 렌즈(1)와 제2 렌즈(2)는 접착에 의해 설치되므로 양자 사이의 간격이 매우 작다.

[0083]상기 제2 렌즈(2) 와 상기 제3 렌즈(3) 사이에 간격( Y)이 설정되어 있으며, 상기 간격(Y)과 제3렌즈(3)의 구경(x) 사이에는 다음과 같은 관계가 충족된다.

Y=ax+b；그 중, -0.8≤a≤-0.39，30≤b≤35。

[0084]즉, 본 출원의 실시예에서 제공하는 솔루션에서는, 상기 제2 렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이에 일정한 간격(Y)이 있으며, 이 간격(Y)의 값과 제3 렌즈(3)의 구경(x)의 값 사이에는 일종의 선형 음의 상관 관계가 형성된다.

[0085]전체 광로 구조에서, 상기 제2렌즈(2)가 움직이지 않는 경우에는, 상기 제2렌즈(2)에 대한 상기 제3렌즈(3)의 거리를 조정함으로써, 상기 제3렌즈(3)의 광통과 구경의 크기를 변경할 수 있다. 예를 들어, 간격값(Y)과 구경값(x) 사이는 Y=ax+b의 관계를 충족하며, 그 중 -0.8≤a≤-0.39, 30≤b≤35이다.

[0086]상기 제3렌즈(3)가 상기 제2렌즈(2)에 가까워 질수록 상기 제3렌즈(3)의 구경(x)이 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 양자 사이의 간격(Y)의 값이 작을수록 제3렌즈(3)의 구경(x)이 커지는 것을 이해할 수 있다.

[0087]또한, 상기 광학 시스템에 디스플레이 스크린(4)이 설치되는 경우, 각 렌즈의 간격을 합리적으로 배치한 후, 상기 제3 렌즈(3)와 상기 디스플레이 스크린(4) 사이의 간격 크기도 고려할 필요가 있다.

[0088]예를 들어, 상기 제3 렌즈(3)와 상기 디스플레이 스크린(4) 사이에 제3 간격(T2)을 설정한다.

[0089]선택적으로, 상기 제3 간격(T3)은 8mm≤T2≤15mm로 설정된다.

[0090]본 출원의 일부 예에서, 상기 제1렌즈(1)와 상기 제2렌즈(2)는 동일한 소재로서, 모두 COP소재이며, 상기 제3렌즈(3)는 OKP소재 또는 EP소재이다.

[0091]COP소재, OKP소재, EP소재는 모두 투광성 수지 소재로 무게가 가볍기 때문에, 이러한 소재를 이용하여 렌즈를 제작함으로써, 렌즈군의 무게가 감소되고 경량화를 달성할 수 있다.

[0092]각 렌즈는 소재 선택에 있어서 단초점과 색차를 고려하여, 굴절률이 높고 아베수가 높낮은 소재를 조합하여 최적의 설계를 한다.

[0093]또한, 상기 제1렌즈(1), 상기 제2렌즈(2) 및 상기 제3렌즈(3)의 소재는 당업자가 실제 필요에 따라 합리적으로 선택할 수 있으며, 상술한 소재에 제한되지 않는다.

[0094]본 출원의 일부 예에서, 상기 제1렌즈(1)의 중심 두께값(h1)은 2mm≤h1≤4mm이고, 상기 제2렌즈(2)의 중심 두께값(h2)은 3mm≤h2≤5mm이며, 상기 제 3 렌즈(3)의 중심 두께값(h3)은 2mm≤h3≤4mm이다.

[0095]각 렌즈의 두께가 너무 두꺼울리 없어, 전체 광로 구조의 무게를 줄이는 데에도 유리하다.

[0096]본 출원의 일부 예에서, 상기 제1 렌즈(1)의 유효 초점 거리(f1)와 상기 제2 렌즈(2)의 유효 초점 거리(f2)의 합은 상기 제3 렌즈(3)의 유효 초점 거리(f3)의 절대값보다 크다.

[0097]선택적으로, 상기 제 1 렌즈의 유효 초점 거리(f1)는 20mm≤f1≤40mm로 설정되고, 상기 제 2 렌즈의 유효 초점 거리(f2)는 20mm≤f2≤40mm로 설치되며, 상기 제 3 렌즈의 유효 초점 거리(f3)은 -100mm≤f3≤-50mmm로 설치된다.

[0098]본 출원의 일부 예에서, 상기 광학 시스템의 유효 초점 거리(f)는 15mm≤f≤25mm를 충족한다.

[0099]본 출원은 단초점의 광학 시스템을 제공한다. 전체 광학 시스템에서 광로 접힘 현상이 없고, 고화질 이미징이 가능한 직투과형 광학 시스템이다.

[0100]다음은 본 출원의 실시예에서 제공하는 솔루션의 적용예이다.

(1)1.4인치 디스플레이 스크린(4)에 맞춰 90도 시야각을 실현하였다.

（2）왜곡이 34.6% 보다 작고, 상면 만곡이 0.5mm보다 작다.

(3)색차가 178um 보다 작다. 허상 거리는 1500mm이다.

(4)0~1.0F의 스폿 사이즈는 모두 2 디스플레이 픽셀(display pixels)보다 작고,가시 광선 대역(450nm~630nm)에서 선명한 이미징을 실현한다.

(5)광학 시스템의 유효 초점 거리(f)는 19.13mm이고, 총광학길이(Total Track Length, TTL)는 23.31mm이고, 상기 제3렌즈(3)의 구경(x)은 33.2mm이다.

실시예 1

[0101]실시예1은 표1에 따른 광학 시스템의 구조 파라미터를 채용한 광학 시스템을 제공한다.

표 1은 사람의 눈(5)(조리개)부터 디스플레이 스크린(4)까지 순차적으로 번호가 매겨진 광학면번호(Surface), 광축 상에서 각 광학면의 곡률(C), 사람의 눈(5)(조리개)부터 디스플레이 스크린(4)까지의 광축 각 광학면과 그 다음 광학면 사이의 거리(T) 및 짝수차 비구면 계수α2,α3,α4를 각각 나열하였다.

[0102]여기서, 비구면 계수는 아래의 식을 충족 할 수 있다.

（1）。

식(1)에서, z는 광축 방향을 따른 좌표이고, Y는 렌즈 길이 단위를 단위로 하는 반경 방향의 좌표이며, C는 곡률(1/R)이고, K는 코닉계수(Coin Constant)이며, α_i는 각 고차항의 계수이고, 2i는 비구면 고차방（the order of Aspherical Coefficient）이다. 본 출원의 솔루션 설계에서는 상면 만곡의 완만함을 고려하고, 4차에 도달하는 고차항 구면 계수가 없다.

[0103]본 출원 실시예1의 광학 시스템 성능의 좋고 나뿜은 하기 파라미터에 의해 반영된다.

[0104]도 6에 도시된 바와 같이, 스폿 사이즈는 최대 시야 1.0F에서 최대이고, 그 최대값은 44μm보다 작다.

[0105]도7에 도시된 바와 같이, T&S 방향 상면 만곡의 RGB 파장은 모두 0.5mm 보다 작고, 최대 시야에서의 최대 왜곡은 34.5%보다 작다 .

[0106]도 8에 도시된 바와 같이, RGB 최대 색분산은 시야의 최대 위치이며, 전체 RGB는 460nm~610nm, LCA는 178nm이다.

[0107]본 출원의 실시예가 제공하는 광학 시스템에서, 상기 제3 렌즈(3)의 구경값(x)과 상기 제3 렌즈(3)와 상기 제2 렌즈(2) 사이의 간격값(Y)사이의 관계는 다음과 같다.

[0108]상기 제3렌즈(3)가 상기 제2렌즈(2)에 가까울수록 상기 제3렌즈(3)의 구경값(x)이 더욱 크며, 양자 사이에는 일종의 선형 음의 상관관계가 나타난다.

[0109]이하 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 3개의 실시예를 통하여 설명한다.

실시예2

[0110]상기 광학 시스템에서 상기 제1렌즈(1)와 제2렌즈(2)의 굴절력은 모두 양수로 설정되고, 면형 파라미터는 다음과 같다.

상기 제1 렌즈(1)는, 제1 면(11)(볼록면)의 반경값은 R1=45mm이고, 제2 면(12)(프레넬면)의 반경값은 R2=25mm이다.

상기 제2렌즈(2)는, 제3면(21）(프레넬면)의 반경값은 R3=25mm이고, 제4면(22)(볼록면)의 반경값은 R4=45mm이다.

상기 제3렌즈(3)의 굴절력은 음수이고,디스플레이 스크린(4)에 가깝게 배치된다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 2mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 31.14mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 3mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)는 30.1mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 3.5mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.7mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 4mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.4mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 4.5mm로 설정 시 , 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.2mm이다.

[0111]상기 나열된 상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)과 상기 제3렌즈(3)의 구경값(x)의 관계에 따르면, 도3에 도시된 바와 같이, 이 양자는 선형 음의 상관 관계Y=-0.7854x+32.578을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

실시예3

[0112]상기 광학 시스템에서 상기 제1렌즈(1)와 상기 제2렌즈(2)의 굴절력은 모두 양수으로 설정되며, 면형 파라미터는 다음과 같다.

상기 제1 렌즈(1)는, 제1 면(11)(볼록면)의 반경값은 R1=35mm이고, 제2 면(12)(프레넬면)의 반경값은 R2=25~29mm이다.

상기 제2 렌즈(2)는, 제3면(21）(프레넬면)의 반경값은 R3=25~29mm이고, 제4면(22)(볼록면)의 반경값은 R4=35mm이다.

상기 제1렌즈(1)의 유효초점거리(f1)

제2렌즈(2)의 유효초점거리(f2)=29mm이고, 상기 제3렌즈(3)의 굴절력은 음수이며, 디스플레이 스크린(4)에 가깝게 설치된다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 2mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 30.06mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 3mm로 설정 시 , 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.3mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 3.5mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.2mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 4mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.07mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격값(Y)을 4.5mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은28.6mm이다.

[0113]상기 나열된 상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격값(Y)과 상기 제3렌즈(3)의 구경값(x)의 관계에 따르면, 도4에 도시된 바와 같이, 이 양자는 선형 음의 상관 관계Y=-0.5357x+31.078을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

실시예4

[0114]상기 광학 시스템에서, 상기 제1렌즈(1)와 상기 제2렌즈(2)의 굴절력은 모두 양수로 설정되며, 면형 파라미터는 다음과 같다.

상기 제1 렌즈(1)는, 제1 면(11)(볼록면)의 반경값은 R1=50mm이고, 제2 면(12)(프레넬면)의 반경값은 R2=25mm이다.

상기 제2 렌즈(2)는, 제3면(21）(프레넬면)의 반경값은 R3=25mm이고, 제4면(22)(볼록면)의 반경값은 R4=50mm이다.

상기 제1렌즈(1)의 유효초점거리(f1)

제2렌즈(2)의 유효초점거리(f2) = 29mm이고, 상기 제3렌즈(3)의 굴절력은 음수이며, 디스플레이 스크린(4)에 가깝게 설치된다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 2mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 30.1mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 3mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.7mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 3.5mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.5mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 4mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.38mm이다.

상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격 값(Y)을 4.5mm로 설정 시, 상기 제3렌즈(3)의 해당 구경값(x)은 29.08mm이다.

[0115]상기 나열된 상기 제2렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이의 간격값(Y)과 상기 제3렌즈(3)의 구경값(x)의 관계에 따르면, 도5에 도시된 바와 같이, 양자가 선형 음의 상관 관계Y=-0.393x+30.888을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

[0116]전술한 실시예 2 내지 4로부터, 상기 제3 렌즈(3)와 상기 제2 렌즈(2) 사이의 간격 크기(Y)는 상기 제3 렌즈(3)의 구경값(x)과 선형 음의 상관 관계가 있음을 알 수 있다. 그러나 부동한 렌즈 면형 파라미터로 얻은 선형 계수는 약간 다르다. 예를 들어,

Y=ax+b； 그 중 -0.8≤a≤-0.39, 30≤b≤35,

Y는 상기 제2 렌즈(2)와 상기 제3 렌즈(3) 사이의 간격(T)이고, x는 상기 제3 렌즈(3)의 구경값이다.

[0117]본 출원의 실시예는 접힌 광로를 포함하지 않는 단초점의 직투과형 광학 시스템을 제공한다.

（1）접착된 2개의 포지티브 렌즈와 분리식 설계의 네거티브 렌즈를 포함하는 여러 광학 렌즈(예를 들면, 3개의 렌즈)의 조합을 통하여, 초단초점 효과를 잘 구현할 수 있다.

（2）2개의 포지티브 렌즈의 프레넬면은 접착 처리를 거쳐 미광을 감소시킬 수 있고, 동시에 광로 구조에서 2개의 포지티브 렌즈의 조립에 도움이 되여, 조립 공정이 간단하게 된다.

（3）디스플레이 스크린(4)에 가까운 네거티브 렌즈의 파라미터는 이미징 품질을 개선하는 데 도움이 되도록 특별히 설계되었다.

[0118]본 출원의 다른 측면에 따르면, 헤드 마운트 디스플레이 장치가 제공된다.

[0119]상기 헤드 마운트 디스플레이 장치는 전술한 임의의 한 광학 시스템을 포함한다.

[0120]상기 헤드 마운트 디스플레이 장치는 예를 들어 VR 장치이다.

[0121]상술한 실시예들은 다양한 실시예들 간의 차이점을 설명하는 데 중점을 두었으며, 다양한 실시예들 사이의 서로 다른 최적화 특징들이 모순되지 않는 한, 그것들을 결합하여 더 좋은 실시예를 형성할 수 있다. 간결함을 고려하여 여기에서 반복적인 설명은 하지 않는다.

[0122]본 출원의 일부 특정 실시예가 실시예에 의해 상세하게 설명되었지만, 당업자는 상기 실시예가 단지 예시를 위한 것이며 본 출원의 범위를 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다. 당업자는 본 출원의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 상기 실시예에 대한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 출원의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.

1.제1렌즈；2.제2렌즈；3.제3렌즈；4.디스플레이 스크린；5.사람의 눈；
11.제1면；12.제2면；
21.제3면；22.제4면；
31.제5면；31.제6면.

Claims (10)

1. 광학 시스템에 있어서,
   입사광의 전파 방향을 따라 순차적으로 설치된 제3 렌즈（3）, 제2 렌즈（2） 및 제1 렌즈(1)를 포함하고,
   상기 제1렌즈(1)의 유효 초점 거리(f1)와 상기 제2렌즈（2）의 유효 초점 거리(f2)는 모두 상기 광학 시스템의 유효 초점 거리(f)보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1렌즈(1) 및 상기 제2렌즈(2)의 굴절력은 모두 양수이며, 상기 제3 렌즈(3)의 굴절력은 음수인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 (1)와 상기 제2 렌즈(2)가 접착으로 설치되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1렌즈(1)와 상기 제2렌즈(2)가 접합된 두 표면은 모두 프레넬면인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈(1)의 유효 초점 거리(f1)와 상기 제2 렌즈(2)의 유효 초점 거리(f2)의 합은 상기 제3 렌즈(3)의 유효 초점 거리(f3)의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 렌즈(1)의 유효 초점 거리(f1)는 20mm≤f1≤40mm로 설치되고,
   상기 제 2 렌즈(2)의 유효 초점 거리(f2)는 20mm≤f2≤40mm로 설치되며,
   상기 제 3 렌즈(3)의 유효 초점 거리(f3)은 -100mm≤f3≤-50mmm로 설치되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 광학 시스템의 유효 초점 거리(f)는 15mm≤f≤25mm를 충족하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈(1)와 상기 제2 렌즈(2) 사이에 간격(T1)이 설치되며, 상기 간격(T1)은 0.1mm≤T1≤0.5mm로 설정되고,
   상기 제2 렌즈(2)와 상기 제3렌즈(3) 사이에 간격(Y)이 설치되며, 상기 간격(Y)은 2mm≤Y≤4.5mm로 설정되며,
   상기 제1렌즈(1), 상기 제2렌즈(2) 및 상기 제3렌즈(3)는 동일한 광축 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 제1렌즈(1)와 상기 제2렌즈(2)는 동일한 소재로서 모두 COP소재이며,
   상기 제3렌즈(3)는 OKP소재 또는 EP소재인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
10. 헤드 마운트 디스플레이 장치에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 임의의 한 항에 기재된 광학 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드 마운트 디스플레이 장치.
    
    
    

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