TWI417568B - 顯微鏡 - Google Patents

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TWI417568B
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Description

顯微鏡
本發明是關於一種具有對焦輔助裝置的顯微鏡，用於在顯微鏡觀察時利用目視而於被測定物的物體面上進行焦點對合。
通常，當在顯微鏡中對被測定物的物體面的像進行目視觀察時(例如，當通過目鏡而對利用物鏡在焦點板上被成像的物體面的像進行觀察時)，只要物體面在物鏡的聚焦深度內，則即使在該範圍內將物鏡的光軸方向上的物體面和物鏡的相對位置予以變化，在焦點板上所成像的物體面的像也可焦點對合而可見。因此，在精度良好地對被測定物的某一物體面內的尺寸或形狀進行測定的情況下，以及精度良好地對被測定物的高度方向的尺寸，例如精度良好地對與物鏡的光軸方向相偏離的2個物體面間的尺寸進行測定的情況下，特別需要一種對焦裝置，用於調節前述相對位置，以使物鏡的焦點位置與前述各物體面精度良好地相一致。
在習知技術中，作為具有對焦裝置的顯微鏡，已知有一種例如英國專利公報GB2076176A(專利文獻1)所揭示的顯微鏡。圖1所示為具有專利文獻1所記述的習知的具有對焦裝置之顯微鏡的概略構成圖。透鏡12採用一種使聚光透鏡(collector lens)10和分離稜鏡(split prism)5形成大致共軛的位置關係的構成。分離稜鏡5是由具有規 定的頂角的基底稜鏡(base prism)14和具有基底稜鏡2倍的頂角的半圓形稜鏡16構成。而且，在基底稜鏡14的光源側形成對焦圖案15。對焦圖案至少由1根線構成，並跨越由基底稜鏡14及半圓形稜鏡16而分別給予不同的偏角之2個區域。
從光源所發出的光藉由孔徑光圈13，而按照最適於對焦輔助的條件來對光束進行制限，並使光束入射至分離稜鏡5。孔徑光圈13利用透鏡17及透鏡18，而在直徑可變的顯微鏡孔徑光圈19上成像。但是，在這裏，孔徑光圈13的像是利用分離稜鏡5的偏角作用而被分為2個，並各自挾持著裝置光軸而在對稱的位置上偏離地成像。
該被分為2個的孔徑光圈13的像再利用透鏡21的成像作用，經過顯微鏡視野光圈20及光束分裂器(beam splitter)22而在物鏡23上(嚴密地說是物鏡23的光瞳上)成像。
對焦輔助裝置被載置在未圖示的上下動作裝置的架臺上，為了調節前述光軸方向上的物鏡23和物體面24的相對位置，而對前述上下動作裝置的操作部進行操作，從而使光學系統全體在前述光軸方向上一起移動。採用一種這樣的配置，即，藉由對上下動作裝置的操作部進行操作以使光學系統上下動作，可在視野內看到對焦圖案的像在彼此相反的方向上動作，且在物鏡23的焦點位置與試料面24相一致的對焦時，對焦圖案的像呈現一致的狀態。而且，在非對焦時(例如，試料面在24a的位置時)，對焦圖 案的像呈現偏離的狀態，對焦圖案的線是作為只偏離d的2條線而被投影在試料面24a上。
孔徑光圈13、分離稜鏡5採用一種利用未圖示的插拔機構而可從光路進行插拔的構成，在對焦輔助時，將分離稜鏡5和孔徑光圈13插入到光路中，並利用對焦圖案的一致而進行對焦。而且，在觀察時，是藉由將孔徑光圈13和分離稜鏡5從光路中拆除，而作為通常的顯微鏡落射照明裝置以發揮機能。
〔專利文獻1〕英國專利公報GB2076176A
在專利文獻1所記述的對焦輔助裝置中，是利用透鏡17、18使孔徑光圈13與顯微鏡孔徑光圈19共軛，使對焦圖案15與顯微鏡視野光圈20共軛地配置著，並在暫時中間成像後，使孔徑光圈13和對焦圖案15分別投影在物鏡瞳面和試料面24上。藉此，可使光學組件12~18模組化且能夠附加至通常的顯微鏡上。同時，使裝置構成變得複雜，造成成本增加，還導致裝置的體積增大。
本發明的課題是提供一種鑒於上述問題而形成的更加簡潔且小型化的構成的顯微鏡，而且，其具有可不受物鏡的倍率或NA的限制而精度良好地進行對焦的對焦輔助裝置。
用於解決前述課題的本發明第1裝置為一種具有對焦輔助裝置的顯微鏡，其構成包括：光源；第1透鏡群；直徑可變光圈，其藉由前述第1透鏡群而與光源共軛配置 著；光路分支構件，其利用由前述直徑可變光圈所限制的光束而被照明，並形成具有對焦指標且從光軸彼此以規定的角度而傾斜的2條光束；第2透鏡群；物鏡；該顯微鏡的特徵在於：前述直徑可變光圈是藉由第2透鏡群而與前述物鏡的光瞳共軛配置著，且使前述光路分支構件的前述對焦指標與前述被觀察面，利用前述第2透鏡群及前述物鏡而共軛配置著，而且，前述光路分支構件可從顯微鏡光路中進行插拔。
本裝置是於前述專利文獻1中，在置放著顯微鏡視野光圈20的位置上配置光路分支構件和其對焦指標，使光路分支構件可從顯微鏡光路中進行插拔。藉此，形成一種使對焦指標不經過中間成像而直接投影在被觀察面上的構成，與習知的裝置相比，可使構成更加簡潔且小型化。
用於解決前述課題的本發明第2裝置的特徵在於，在將前述光路分支構件插入到顯微鏡光路中時，前述直徑可變光圈的直徑ψ可設定為與對焦輔助相稱的規定的值。
在本裝置中，是省略了習知的方法中用於使照明條件最佳化的孔徑光圈，而代之以顯微鏡的孔徑作為直徑可變光圈(虹彩光圈)，可使對焦輔助時的光束最適化。藉此，可形成一種更加簡潔且小型化的構成，且如後面的具體例子所示，直徑可變光圈的直徑ψ可設定為與對焦輔助相稱的規定的值，所以可形成一種具有不受物鏡的倍率或NA的限制而能夠精度良好地進行對焦之對焦輔助裝置的顯微鏡。
用於解決前述課題的本發明第3裝置的特徵是，在前述第2裝置中，與前述對焦輔助相稱的設定是藉由同時滿足以下的條件式(1)、(2)而實現。
其中，β1為前述光源利用前述第1透鏡群而在前述直徑可變光圈的位置上成像時之像的倍率，a為前述光源的大小，ψM為前述直徑可變光圈的最大直徑，ε為利用前述光路分支構件所施加的光束的傾斜角，L為前述直徑可變光圈和前述對焦指標的距離，ψ0為前述物鏡的光瞳的直徑，β2為前述直徑可變光圈藉由前述第2透鏡群而在前述物鏡光瞳的位置上成像時之像的倍率。
在本裝置中，如後面所說明的，不會產生直徑可變光圈的直徑ψ過小而使照明光無法到達物體面的現象，而且，也不會因直徑可變光圈的直徑ψ過大而無法發揮作為對焦輔助裝置的機能。因此，能夠形成與對焦輔助相稱的設定。
用於解決前述課題的本發明第4裝置的特徵是，在前述第2裝置中，與前述對焦輔助相稱的設定是藉由同時滿足以下的條件式(3)、(4)、(5)而實現。
其中，β1為前述光源利用前述第1透鏡群而在前述直徑可變光圈的位置上成像時之像的倍率，a為前述光源的大小，ψM 為前述直徑可變光圈的最大直徑，ε為利用前述光路分支構件所施加的光束的傾斜角，L為前述直徑可變光圈和前述對焦指標的距離，ψ0為前述物鏡的光瞳的直徑，β2為前述直徑可變光圈藉由前述第2透鏡群而在前述物鏡光瞳的位置上成像時之像的倍率。
在本裝置中，如後面所說明的，不會產生由光路分支構件所施加的光束的傾斜角ε過大而使照明光無法到達物體面的現象，而且，也不會因光路分支構件所施加的光束的傾斜角ε過小而無法發揮作為對焦輔助裝置的機能。因此，能夠形成與對焦輔助相稱的設定。
用於解決前述課題的第5裝置的特徵是，在前述第3裝置中，其滿足以下的條件式(6)。
在本裝置中，如後面所說明的，即使在不同瞳徑的物鏡切換而使用的情況下，也可不依存於物鏡的瞳徑而總是可進行良好的對焦輔助。
用於解決前述課題的第6裝置的特徵是，在前述第4裝置中，其滿足以下的條件式(7)。
β 1 a=2L tan ε…(7)
在本裝置中，如後面所說明的，即使在不同瞳徑的物鏡切換而使用的情況下，也可不依存於物鏡的瞳徑而總是可進行良好的對焦輔助。
如利用本發明，則可提供一種更加簡潔且小型化的構成的顯微鏡，而且，其具有不受物鏡的倍率或NA的限制而能夠精度良好地進行對焦的對焦輔助裝置。
以下，對關於本發明的第1實施形態之具有對焦裝置的顯微鏡，參照圖2來說明。從光源1所發出的光利用聚光透鏡10及透鏡12而被集中在虹彩光圈30的位置上，使光源1的像以倍率β1而成像。分離稜鏡5是由具有規定的頂角的基底稜鏡14和具有基底稜鏡2倍的頂角的半圓形稜鏡16構成。而且，在基底稜鏡14的光源側形成有對焦圖案15。對焦圖案由至少1根線構成，並跨越由基底稜鏡14及半圓形稜鏡16而分別給予不同的偏角之2個區域。分離稜鏡5採用可藉由未圖示的插拔機構而從裝置的光路中進行插拔的設置。
在試料的觀察時，是將分離稜鏡5從裝置的光路上拆下而作為一般的顯微鏡落射照明裝置以發揮機能。此時，當為了限制照明的多餘的光束而將分離稜鏡5從光路上拆下時，較佳是取代此分離稜鏡5而插入視野光圈19。
虹彩光圈30的直徑採用一種在該機構的制約以內可自由地進行設定的構成，用於對照明光的相參因數(coherence factor)進行控制。藉由調整該虹彩光圈30的直徑而使相參因數增減，可使觀察者自由地設定與觀察物件相對應的照明條件。
另一方面，在對焦輔助時是插入該分離稜鏡5而進行焦點對合。從光源所發出的光藉由虹彩光圈30而使光束受到限制，並入射至分離稜鏡5。虹彩光圈30的像利用透鏡21的成像作用，以經過光束分裂器22而在物鏡23的光瞳 EP上成像。但是，在這裏，虹彩光圈30的像是利用分離稜鏡5的偏角作用而被分為2路，並各自夾持著裝置光軸而向對稱的位置偏離地成像。這被分為2個的虹彩光圈30的像再利用透鏡21的成像作用，經過光束分裂器22而在物鏡23上(嚴密地說是在物鏡23的光瞳上)成像。
對焦輔助裝置被載置在未圖示的上下動作裝置的架臺上，為了對前述光軸方向上的物鏡23和物體面24的相對位置進行調節，須對前述上下動作裝置的操作部進行操作，從而使光學系統全體沿著前述光軸方向一起移動。藉由操作上下動作裝置的操作部以使光學系統上下動作，可在視野內看到對焦圖案15的像沿著彼此相反的方向進行動作，且在物鏡23的焦點位置與試料面24相一致的對焦時，對焦圖案15的像在一致的狀態下配置成可見。而且，在非對焦時(例如，試料面在24a的位置時)，對焦圖案15的像呈現偏離的狀態，對焦圖案15的線成為只偏離d的2條線而被投影在試料面24a上。
這裏，是參照圖3(a)~圖3(e)及圖4(a)~圖4(e)而關於對焦輔助時的最佳設定進行說明。圖3(a)~圖3(e)、圖4(a)~圖4(e)都表示物鏡瞳面EP上的光束的擴展。圖3(a)~圖3(e)為滿足(1)式的情況，與在虹彩光圈30的位置上進行成像之光源1的像相比，虹彩光圈30的最大直徑較小，且當打開虹彩光圈30時，可利用光源1的面積的一部分而對物體進行照明。虹彩光圈30的像藉由分離稜鏡5的偏角作用而被分為2部分，使虹彩光圈30的像30a、30b 形成在物鏡瞳面EP上。
圖3(a)~圖3(e)所示為藉由調整虹彩光圈30的直徑而使像30a、30b的大小發生變化時的情形。這裏，在如圖3(a)所示那樣該虹彩光圈30的光圈直徑過小的情況下，照明光束不入射至物鏡的光瞳，使照明光未到達物體面。另一方面，在如圖3(e)所示那樣該虹彩光圈30的光圈直徑過大的情況下，光束並不傾斜地投影在試料面24上，使基準圖案15的像不依據裝置的上下動作而移動，無法發揮作為對焦輔助裝置的機能。因此，對焦輔助時的虹彩光圈30的直徑需調整成如圖3(b)~圖3(d)所示那樣。表示該條件範圍的條件式為式(2)。為了設定以上那樣的條件，可以顯微鏡的孔徑作為虹彩光圈30，並觀察對焦輔助時的物鏡光瞳而使光束最適化。
關於虹彩光圈30的調整，最好是以設定為虹彩光圈30的最大光圈直徑時以可滿足前述條件的形態而對各部的尺寸、倍率、分離稜鏡5的偏角進行設計，並以對焦輔助時只開放該虹彩光圈30即可滿足前述條件的形態而進行設計。
更佳的形態是，操作用於進行分離稜鏡5的插拔之未圖示的插拔機構，在插入該分離稜鏡5時強制地將虹彩光圈30的直徑設定在滿足前述條件的範圍內。
另一方面，圖4(a)~圖4(e)為滿足式(3)的情況。圖4(a)~圖4(e)中，與在虹彩光源30的位置上進行成像之光源1的像相比，虹彩光圈30的最大直徑較 大，且在打開虹彩光圈30時，利用光源1的全面積而對物體進行照明。孔徑光圈30的像藉由該分離稜鏡5的偏角作用而被分為2個，使虹彩光圈30的像30a、30b形成在物鏡瞳面EP上。而且，光源1的像1a、1b也同樣地形成在物鏡的瞳面EP上。
圖4(a)~圖4(d)所示為依據該分離稜鏡5的偏角ε而變化的情形。在如圖4(a)所示那樣偏角ε過大的情況下，照明光束不入射至物鏡的光瞳，使照明光未到達物體面。另一方面，在如圖4(e)所示那樣偏角ε過小的情況下，光束並不傾斜地投影在試料面24上，所以使基準圖案15的像不依據裝置的上下動作而移動，無法發揮作為對焦輔助裝置的機能。因此，對焦輔助時所使用的分離稜鏡5的偏角ε需要設計成如圖4(b)~圖4(d)那樣。表示該條件範圍的條件式為式(5)。而且，需要使虹彩光圈30不遮擋光源1的像而入射至物鏡的光瞳EP上，表示該條件的條件式為式(4)。
關於虹彩光圈30的調整，最好是以設定為虹彩光圈的最大光圈直徑時可滿足前述條件的形態而對各部的尺寸、倍率、分離稜鏡5的偏角進行設計，並以對焦輔助時只開放虹彩光圈30即可滿足前述條件的形態而進行設計。
更佳的形態是，操作用於進行該分離稜鏡5的插拔之未圖示的插拔機構，在插入該分離稜鏡5時強制地將虹彩光圈30的直徑設定在滿足前述條件的範圍內。
以上是對根據本發明的實施形態之具有對焦輔助機 能的顯微鏡進行了說明，但本發明的顯微鏡並不限定於上述的實施形態，也可在本發明的範圍內自由地進行變更。例如，在上述實施形態中，顯微鏡光學系統是利用無限遠光學系統的顯微鏡概略圖來說明，但並不限定於此，本發明也可同樣地應用於有限遠光學系統中。
而且，在本實施形態中，分離稜鏡5是由基底稜鏡14和具有基底稜鏡2倍的頂角的半圓形稜鏡16構成，但本發明並不限定於此構成，也可例如圖5所示那樣，以基底稜鏡14作為平行平板34，並將具有規定的偏角的偏角稜鏡32以使光束在2個彼此相反的方向上形成傾斜的形態而接合至基底稜鏡。或者，利用塑膠模組而使上述形狀一體成形。
接著，對關於本發明的第2實施形態之具有對焦裝置的顯微鏡，參照圖6(a)~圖6(c)及圖7(a)~圖7(c)進行說明。第2實施形態所示為在切換多個物鏡之顯微鏡中的較佳的條件設定。另外，對關於本發明的第2實施形態之具有對焦裝置的顯微鏡的概略構成，類似於第1實施形態，因此省略其說明。
圖6(a)~圖6(c)為滿足式(1)的情況。圖6(a)~圖6(c)中，與在虹彩光圈30的位置上成像的光源1的像相比，虹彩光圈30的最大直徑較小，且在開放虹彩光圈30時，利用光源1的面積的一部分來對物體進行照明。通常，物鏡的光瞳的直徑各不相同，呈越是高倍則物鏡的光瞳的直徑越小，越是低倍則物鏡的光瞳的直徑越大的傾 向。在第2實施形態中，如圖6(a)~圖6(c)所示，設定為一種在物鏡光瞳上使光束30a和光束30b恰好相接觸的條件。
藉由如上述這樣進行設定，即使在這樣將不同瞳徑的物鏡切換而使用的情況下，也可不依存於物徑的瞳徑而總是可進行良好的對焦輔助。表示該條件範圍的條件式為式(6)。可知條件式(6)為明顯不依存於物鏡的瞳徑ψ0的條件。為了設定以上那樣的條件，須以顯微鏡的孔徑作為虹彩光圈，並觀察對焦輔助時的物鏡光瞳，可使光束最適化。
另一方面，圖7(a)~圖7(c)為滿足式(3)的情況。圖7(a)~圖7(c)中，與在虹彩光圈30的位置上進行成像之光源1的像相比，虹彩光圈30的最大直徑較大，且當打開虹彩光圈30時，利用光源1的全面積而對物體進行照明。如圖7(a)~圖7(c)所示，是以滿足光束1a和光束1b在物鏡光瞳上恰好相接觸之條件的形態，而設計對焦輔助時所利用的分離稜鏡5的偏角ε。藉由像這樣進行設計，即使在將不同瞳徑的物鏡中的一個切換而使用的情況下，也可不依存於物徑的瞳徑而總是可進行良好的對焦輔助。
表示該條件範圍的條件式為式(7)。可知條件式(7)為明顯不依存於物鏡的瞳徑ψ0的條件。而且，虹彩光圈30不遮擋光源1的像而需要使光源1的像入射至物鏡的光瞳EP，表示此條件的條件式為式(4)。
關於虹彩光圈30的調整，較佳是以當設定為虹彩光圈的最大光圈直徑時滿足前述的條件之形態，而設計各部的尺寸、 倍率、分離稜鏡5的偏角，最好是以當對焦輔助時只開放虹彩光圈即可滿足前述條件的形態而進行設計。
更佳的形態是，操作用於進行分離稜鏡的插拔之未圖示的插拔機構，在分離稜鏡的插入時強制地將虹彩光圈30的直徑設定在滿足前述條件的範圍內。
1‧‧‧光源
1a、1b‧‧‧物鏡光瞳上的光源像
5‧‧‧分離稜鏡
10‧‧‧聚光透鏡
12‧‧‧透鏡
13‧‧‧孔徑光圈
14‧‧‧基底稜鏡
15‧‧‧對焦圖案
16‧‧‧半圓形稜鏡
17、18‧‧‧透鏡
19‧‧‧顯微鏡孔徑光圈
20‧‧‧顯微鏡視野光圈
21‧‧‧透鏡
22‧‧‧光束分裂器
23‧‧‧物鏡
24、24a‧‧‧試料面
30‧‧‧虹彩光圈
30a、30b‧‧‧物鏡光瞳上的虹彩光圈的像
31‧‧‧第2物鏡
32‧‧‧偏角稜鏡
34‧‧‧平行平板
EP‧‧‧光瞳
圖1所示為習知技術的對焦操作輔助裝置的構成圖。
圖2所示為本發明的第1實施形態之對焦輔助裝置的構成圖。
圖3(a)~圖3(e)所示為本發明的第1實施形態之物鏡光瞳上的光束。
圖4(a)~圖4(e)所示為本發明的第1實施形態之物鏡光瞳上的光束。
圖5所示為本發明的第1實施形態之對焦輔助裝置的構成。
圖6(a)~圖6(c)所示為本發明的第2實施形態之物鏡光瞳上的光束。
圖7(a)~圖7(c)所示為本發明的第2實施形態之物鏡光瞳上的光束。
1‧‧‧光源
5‧‧‧分離稜鏡
10‧‧‧聚光透鏡
12‧‧‧透鏡
14‧‧‧基底稜鏡
15‧‧‧對焦圖案
16‧‧‧半圓形稜鏡
19‧‧‧顯微鏡孔徑光圈
21‧‧‧透鏡
22‧‧‧光束分裂器
23‧‧‧物鏡
24、24a‧‧‧試料面
30‧‧‧虹彩光圈
31‧‧‧第2物鏡
EP‧‧‧光瞳

Claims (4)

  1. 一種具有對焦輔助裝置的顯微鏡，其構成包括：光源；第1透鏡群；直徑可變光圈，其與光源共軛配置著，且前述第1透鏡群設置在前述直徑可變光圈和前述光源之間；光路分支構件，其利用由前述直徑可變光圈所限制的光束而被照明，所述光路分支構件具有對焦指標且形成從光軸彼此以規定的角度而傾斜的2條光束；第2透鏡群；以及物鏡；該顯微鏡的特徵在於：前述直徑可變光圈是與前述物鏡的光瞳面共軛配置著，且前述第2透鏡群設置在前述直徑可變光圈和前述物鏡之間，使前述光路分支構件的前述對焦指標與被觀察面，利用前述第2透鏡群及前述物鏡而共軛配置著，前述光路分支構件可從顯微鏡光路中進行插拔，當前述光路分支構件插入至前述顯微鏡光路中時，前述直徑可變光圈的直徑ψ設定為與對焦輔助相稱的規定的值，以及與前述對焦輔助相稱的設定是藉由同時滿足以下的條件式(1)、(2)而實現， 其中，β1為前述光源利用前述第1透鏡群而在前述直徑可變光圈的位置上成像時之像的倍率，a為前述光源的大小，ψM為前述直徑可變光圈的最大直徑，ε為利用前述光路分支構件所施加的光束的傾斜角，L為前述直徑可變光圈和前述對焦指標之間的距離，ψ0為前述物鏡的光瞳的直徑，β2為前述直徑可變光圈藉由前述第2透鏡群而在前述物鏡的光瞳面的位置上成像時之像的倍率。
  2. 一種具有對焦輔助裝置的顯微鏡，其構成包括：光源；第1透鏡群；直徑可變光圈，其與光源共軛配置著，且前述第1透鏡群設置在前述直徑可變光圈和前述光源之間；光路分支構件，其利用由前述直徑可變光圈所限制的光束而被照明，所述光路分支構件具有對焦指標且形成從光軸彼此以規定的角度而傾斜的2條光束；第2透鏡群；以及物鏡；該顯微鏡的特徵在於：前述直徑可變光圈是與前述物鏡的光瞳面共軛配置著，且前述第2透鏡群設置在前述直徑可變光圈和前述物鏡之間，使前述光路分支構件的前述對焦指標與被觀察面，利 用前述第2透鏡群及前述物鏡而共軛配置著，前述光路分支構件可從顯微鏡光路中進行插拔，當前述光路分支構件插入至前述顯微鏡光路中時，前述直徑可變光圈的直徑ψ設定為與對焦輔助相稱的規定的值，以及與前述對焦輔助相稱的設定是藉由同時滿足以下的條件式(3)、(4)、(5)而實現； 其中，β1為前述光源利用前述第1透鏡群而在前述直徑可變光圈的位置上成像時之像的倍率，a為前述光源的大小，ψ為前述直徑可變光圈的直徑，ψM為前述直徑可變光圈的最大直徑，ε為利用前述光路分支構件所形成的光束的傾斜角，L為前述直徑可變光圈和前述對焦指標之間的距離，ψ0為前述物鏡的光瞳的直徑，β2為前述直徑可變光圈藉由前述第2透鏡群而在前述物鏡的光瞳面的位置上成像時之像的倍率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有對焦輔助裝置的顯微鏡，其中，滿足以下的條件式(6)；
  4. 如申請專利範圍第2項所述之具有對焦輔助裝置的顯微鏡，其中，滿足以下的條件式(7)β 1 a=2L tan ε…(7)。
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