TWI569187B - 觸摸感應設備、觸控式指紋圖像採集器及觸控式電子設備 - Google Patents

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Description

觸摸感應設備、觸控式指紋圖像採集器及觸控式電子設備
本發明根據於2014年6月20日提交中國專利局、申請號為201410280970.1、發明名稱為「光學感應鍵、觸控式螢幕、指紋採集設備、電子設備」的中國專利申請主張優先權，其全部內容藉由引用結合在本發明中。
本發明係關於觸摸感應技術領域，尤指一種觸摸感應器、觸摸感應設備、指紋圖像採集器及電子設備。
鍵是很常見的設備，具有多種形式並用於各種場合，鍵盤是有複數個鍵的設備。以智慧手機為例，鍵分為機械式(如iPhone 4的Home鍵)、電容式(如Android系統的Home鍵)、金屬感應圈式(如iPhone 5S的Home鍵)等。這些種類的鍵各有其優缺點。
機械式鍵存在易磨損、壽命短等問題；電容式鍵因為是對弱訊號的測量，故存在靈敏度及偽回應問題；金屬感應圈式鍵雖然靈敏度夠，但是其成本高。
目前廣泛應用於手機、平板上的觸控式螢幕均為電容觸控式螢幕，現有的電容觸控式螢幕結構：一般是由兩層玻璃藉由光學膠貼合而成的結構，或者是由一層玻璃和兩層/三層的感測器膜層藉由光學膠貼合而成的結構。可 以看出，兩種結構均存在厚度大的問題。對於目前追求超薄化的電子設備市場，無疑需要進一步改進。
現有的指紋採集器，例如中國專利201120403301.0公開的薄型光學指紋採集器，通常包括圖像採集稜鏡、成像裝置及影像處理元件，其中，前述成像裝置還包括透鏡元件，以及光電訊號轉換電路和數字處理器等構件。由於採用圖像採集稜鏡作為指紋光線的採集構件，必須要有足夠長的光程才能滿足光線的成像需求，特別是還需要藉由前述透鏡元件完成指紋光線的成像，由此更需要較長光程滿足光線的成像需求。由於圖像採集稜鏡和透鏡元件本身具有較大的體積和厚度，再加上光程長度等因素，使得圖像採集器必須具有較大的體積和厚度才能實現指紋圖像的採集。還由於圖像採集稜鏡和透鏡元件等相關構件帶來的高成本和結構的複雜度，使得現有的圖像採集器難以滿足各種電子終端對圖像採集器的低成本、小體積以及低薄度的要求。
本發明提供一種觸摸感應器、觸摸感應設備、指紋圖像採集器及電子設備，其均具備了觸控式螢幕功能，指紋圖像採集器可做成薄膜型，其均成本低、低功耗，使用壽命長。
為了達到上述目的，本發明提供一種觸摸感應器，其中包括：導光板；用於將至少部分光線射入導光板內的光發射器；及用於接收光發射器射入導光板內光線的光接 收器；前述光發射器與光接收器呈間隔設置。
進一步地，前述光發射器和光接收器設置於導光板的下方或導光板的兩相對側。
進一步地，前述光接收器緊密貼合於導光板下面或側面。
進一步地，前述光發射器射入導光板內的光線與法線之間的夾角為arcsin(n0/n2)至arcsin(n1/n2)；其中，n0為空氣折射率；n1為接觸導光板的物體表面液體的折射率；n2為導光板的折射率。
進一步地，前述光發射器發射的光線為可見光或肉眼不可見的近紅外光、紅外光。
進一步地，前述光發射器設置為至少一個，前述光接收器設置為複數個，前述光發射器設置在導光板的一側，各光發射器發出的光線由複數個光接收器接收，複數個光接收器間隔設置。
進一步地，前述光發射器和對應的前述光接收器設置有複數對。
進一步地，複數個前述光發射器呈直線陣列分別佈置於導光板下表面的複數個邊緣，複數個前述光接收器呈直線陣列分別佈置於導光板下表面的另外複數個邊緣，佈置光發射器的各邊緣分別位於佈置光接收器的各邊緣的相對邊緣，且各相對邊緣上的光發射器與光接收器呈一一對應設置關係。
進一步地，前述光發射器和光接收器呈間歇性工作。
一種觸摸感應設備，其包括複數個前述觸摸感應器，相鄰前述觸摸感應器之間設置有用於遮罩相互光線互相干擾的阻光結構。
進一步地，複數個前述觸摸感應器的導光板一體地構成。
進一步地，前述阻光結構為設置於導光板上的阻光塗層或阻光刻槽，或在導光板上經步驟加工形成的凹結構或凸結構，或不同於導光板折射率的透明材料製成的塗層。
進一步地，複數個前述觸摸感應器呈矩陣排列。
一種指紋圖像採集器，其包含前述觸摸感應設備。
一種電子設備，其包含前述觸摸感應器。
一種電子設備，其包含前述觸摸感應設備。
採用上述方案後，本發明具有以下有益效果。
1、同時兼具觸控式螢幕和指紋採集功能。
2、無機械構件，使用壽命長。
3、表面整體性好，易與其他設備，如智慧手機、平板電腦等整合。
4、表面為整體光潔的透明導光板，極易進行維護和清潔。
5、可以做到低功耗運行，可實現休眠設備的喚醒。
6、對手指是否按印能夠準確回應：只有在手指按印在導光板，破壞了導光板內的光的全反射傳播才會回應，否則不回應。
1‧‧‧導光板
2‧‧‧光發射器
3‧‧‧光接收器
4‧‧‧光源
5、5'‧‧‧固定座
6、6'‧‧‧導向槽
7‧‧‧觸摸感應器
8‧‧‧阻光結構
101‧‧‧電子設備
102‧‧‧指紋圖像採集功能結構
103‧‧‧觸控式螢幕功能結構
A‧‧‧陰影區域
圖1是本發明觸摸感應器的實施例一的結構示意圖。
圖2是本發明觸摸感應器的實施例二的結構示意圖。
圖3是本發明觸摸感應器的實施例三的俯視結構示意圖。
圖4是本發明觸摸感應器的實施例四的俯視結構示意圖。
圖5是本發明觸摸感應設備的實施例一的前視剖視結構示意圖。
圖6是本發明觸摸感應設備的實施例二的前視剖視結構示意圖。
圖7是本發明觸摸感應設備的實施例三的前視剖視結構示意圖。
圖8是本發明觸摸感應設備的實施例四的俯視結構示意圖。
圖9是本發明觸摸感應設備的實施例五的俯視結構示意圖。
圖10是本發明指紋圖像採集器的實施例的結構示意圖。
圖11是本發明指紋圖像採集器的實施例的使用狀態參考圖。
圖12本發明電子設備的實施例一的結構示意圖。
圖13本發明電子設備的實施例二的結構示意圖。
下面結合說明書附圖對本發明做進一步的描述。
如圖1所示本發明觸摸感應器的實施例一的結構示意圖，包括：導光板1；用於將至少部分光線發射至導光板1內的光發射器2；及用於接收光發射器2發射至導光板1內光線的光接收器3；光發射器2與光接收器3呈間隔設置。
本實施例中，光發射器2、光接收器3以導光板1的中心呈左右對稱設置在導光板1的下表面左、右邊緣位置。光發射器2、光接收器3緊密貼合並黏接於導光板1的下表面。
在其它的實施例中，光發射器2、光接收器3也可以不貼合於導光板1，例如光發射器2、光接收器3分別貼合在導光板1的兩個支架上，但是均要滿足光發射器2發射的至少部分光線射入導光板1內，而光接收器3能夠接收到發射器2發射至導光板1內光線的光接收器3。
該導光板1用玻璃、樹脂等透明材料製成。其可以做成矩形板或圓板等，此實施例中設置為矩形板。光發射器2在該實施中包括光源4及固定座5，固定座5藉由黏接等方式固定在導光板1的下表面，該固定座5上設置有傾斜向上的導向槽6，導向槽6內放置光源4，該導向槽6的傾斜角度為保證光發射器2射入導光板1內的光線與法線之間的夾角(此處為了下述描述方便，簡稱為入射角度)α為arcsin(n0/n2)至arcsin(n1/n2)；其中，n0為空氣折射率；n1為接觸導光板的物體表面液體的折射率；n2為導光板的 折射率，當n0=1.0，n1=1.33，n2=1.5，此入射角度α為42度至62度之間，此處α較佳為45度。
上述射入導光板1內的光線的入射角度α的設定，保證光線在導光板1內會以全反射形式橫向傳播，而光接收器3則可以接收到該光線。該實施例附圖1中的光發射器2結構實際很小，該圖只是為了方便看清其結構而畫得很大，因此不能以此尺寸及比例認定為實際加工尺寸，以下有相關結構的圖式亦相，皆不能以此限定本發明保護的範圍。
本觸摸感應器實施例在使用作為手機鍵時，當手指按壓在導光板1上時，由於手指表面有汗液，使導光板1上表面接觸的介質由空氣變為汗液，其折射率較空氣的折射率高，將破壞光的全反射條件，使得入射光線穿過導光板1表面照射到手指上，手指將吸收一部分入射光線或者形成各方向的散射光。此時能夠繼續傳播到光接收器3的光能量相較於全反射傳輸到光接收器3的光能量劇烈下降，使得光接收器3的輸出訊號變弱。藉由檢測光接收器3的輸出訊號變化，即可檢測到是否有手指按上。光源4在此實施例中選擇用LED燈泡，也可以選擇用其它能夠發出可見光或肉眼不可見的近紅外光、紅外光的發光構件，只要滿足光接收器3接收到的光發射器2發射的光線能量有變化即可。另外，由於近紅外光、紅外光是肉眼不可見光，對人眼的視覺干擾較少，其可以用在深色透明材料上，如黑色透明材料上使用。
該實施例只是一個較佳實施例，即便射入導光板1內的光線的入射角度α不在arcsin(n0/n2)至arcsin(n1/n2)角度範圍內，只要光發射器2發射的部分光線能射入導光板1內，該觸摸感應器的功能就能實現，當不能以此為由而限定本發明保護的內容。
本發明光學感應鍵可以用做智慧手機或平板電腦等移動設備的冷屏喚醒或HOME鍵使用。作為上述功能使用時，使光發射器2與移動設備電源控制系統連接，藉由選擇低功耗的光發射器2和光接收器3來實現；或讓光發射器2和光接收器3呈間歇性工作。例如，光發射器2和光接收器3每隔0.1秒工作一次，其他時間則處於斷電狀態。間隔時間大小可以設置，但應與手指按上及離開的速度相匹配，使使用者有良好的體驗。
如圖2所示本發明觸摸感應器的實施例二的結構示意圖，其具有實施例一中的導光板1、間隔設置的一對光發射器2和光接收器3，此實施例中光發射器2和光接收器3對稱設置於導光板1的兩個端部相對側面，此處選擇設置於導光板1的左、右端側面，也可以選擇設置於導光板1的前、後端側面，或設置在導光板1兩個端部相對側面的支架上，皆屬於本發明保護的範圍。本實施例光接收器3與導光板1緊密貼合黏接在一起，光發射器2包括光源4和固定座5'，固定座5'的右側面藉由黏接等方式固定在導光板1的左側面，固定座5'的右側面設置有向右上方傾斜的導向槽6'，光源4放置在導向槽6'內，該導向槽 6'的傾斜角度的設置應保證光發射器2射入導光板1內的光線與法線之間的夾角(此處為了下述描述方便，簡稱為入射角度)α為arcsin(n0/n2)至arcsin(n1/n2)；其中，n0為空氣折射率；n1為接觸導光板的物體表面液體的折射率；n2為導光板的折射率，當n0=1.0，n1=1.33，n2=1.5，此入射角度α為42度至62度之間，此處α較佳為45度。
如圖3所示本發明觸摸感應器的實施例三的俯視結構示意圖，其包括透明材料製成的導光板1，該導光板1選擇為矩形板，在該導光板1下表面四個邊緣中的其中兩個邊緣上分別呈直線陣列佈置複數個光發射器2，在另外兩個邊緣上分別呈直線陣列佈置複數個光接收器3，佈置光發射器2的各邊緣分別位於佈置光接收器3的各邊緣的相對邊緣，且各相對邊緣上的光發射器2與光接收器3呈一一對應設置之關係。即每個光接收器3只能接收相對邊緣上的一個光發射器2發射的光線。各對相互對應的光發射器2、光接收器3安裝於導光板1的安裝、結構與圖1所示實施例相同，此處不再贅述，各光發射器2射入導光板1內的光線的入射角度α均為42度至62度，此處較佳皆為45度。使各發射器2射入導光板1內的光線均以全反射形式橫向傳播，直至達到相對應的各接收器3的表面。
該實施例也只是一個較佳實施例，即便射入導光板1內的光線的入射角度α不在arcsin(n0/n2)至arcsin(n1/n2)角度範圍內，只要光發射器2發射的部分光線能射入導光板1 內，該觸摸感應器的功能就能實現，當不能以此為由而限定本發明保護的內容。
使用時，將手指放置在導光板1上，由於手指汗液破壞了相對應導光板位置處的全反射傳播，藉由對所有光接受器3的輸出訊號進行分析，即可探知是否有手指按下，並且可以知道哪些光接收器3的輸出訊號有變化，從而可以準確知道手指的觸碰位置。例如，在圖3中，陰影區域A是一個手指觸摸的地方，將圖中左側各光發射器2至右側相對應的各光接收器3之間的水平方向虛線由前向後依序設置為X1、X2……X20，將圖中後側各光發射器2至前側相對應的各光接收器3之間的垂直方向虛線由左向右依序設置為Y1、Y2……Y20，由圖可知陰影區域A經過了水平向的X11、X12水平方向虛線及Y11、Y12、Y13垂直向三條虛線，由於該幾條虛線連接的光接收器3接收的光能均會有下降變化，因此可能推斷出手指所指的位置。
如圖4所示本發明觸摸感應器的實施例四的俯視結構示意圖，其包括透明材料製成的導光板1，該導光板1選擇為矩形板，在該導光板1下表面左側邊緣上呈直線陣列佈置複數個光發射器2，在導光板1的上表面位於各光發射器2的右方分別設置有複數個呈間隔設置的光接收器3，每個光發射器2射入導光板1的光線，分別由複數個間隔設置的光接收器3接收，在該圖中，各光發射器2對應的複數個光接收器3均位於同一水平虛線上。其中光 發射器2的結構可參考圖2前述實施例，此處不再贅述。各光發射器2射入導光板1內光線的入射角度α皆為42度至62度，此處較佳皆為45度。
使用時，當沒有手指按印在導光板1上時，導光板1內的光線以全反射方式傳播，各光接收器3接收到的光的能量穩定不變，當手指按印在導光板1上時，由於手指表面有汗液，將破壞光的全反射條件，使得入射光線穿過導光板1表面照射到手指上，手指將吸收一部分入射光線或者形成各方向的散射光。使得手指按印處對應的光接收器3的輸出訊號變弱。由於是複數個光接收器3接收一個光發射器2的光線能量，藉由檢測光接收器3的輸出訊號變化，即可檢測到是否有手指按印上。
此實施例是在導光板1的一側設置複數個光發射器2，使每個光發射器2對應複數個光接收器3，也可以採用在導光板1的一側設置一個光發射器2，在其右方的導光板1表面上間隔設置複數個光接收器3，使該些光接收器3皆接收該光發射器2的光線，皆為本發明保護的範圍。
該採用在導光板1一側打光，其優點是成本低。
圖5所示本發明觸摸感應設備的實施例一前視剖視結構示意圖，包括複數個如圖1所述實施例的觸摸感應器7，相鄰的觸摸感應器7之間設置有用於遮罩相互光線互相干擾的阻光結構8。
該實施例中複數個觸摸感應器7的導光板一體地構成。這樣設計可以節省成本，便於整體加工、製作。阻光 結構8為設置於導光板1'上的阻光塗層，阻光塗層可以是漫反射塗層、吸光塗層或者其他類型的塗層，甚至是透明的，只要足以破壞各觸摸感應器7的光線互相干擾即可，阻光塗層可以塗在導光板1'的下表面或者上表面，本實施例中，阻光塗層塗在導光板1'的下表面。在該圖中，各觸摸感應器7的長×寬尺寸為阻光結構8分隔該導光板1'形成的各矩形框區域。此處阻光結構8也可以為圖6所示實施例之刻在導光板1'上的阻光刻槽，阻光結構8也可以為圖7所示實施例之在導光板1'上經步驟加工形成的凸結構、也可以為凹結構，或不同於導光板1'折射率的透明材料製成的塗層，皆為本發明保護範圍。
如圖8所示本發明觸摸感應設備的實施例四的俯視結構示意圖，該實施例中觸摸感應設備作為觸控式螢幕使用：其是在上述圖5所示實施例的進一步改進，複數個觸摸感應器7設置為呈矩陣排列。每個觸摸感應器7做到足夠微型化使其能夠實現觸摸感應功能，該實施例中每個觸摸感應器7的長×寬尺寸(即圖中每個小矩形框的長×寬尺寸)為2毫米×2毫米，這種方式可以實現高解析度的多點觸控功能。
如圖9所示本發明觸摸感應設備的實施例五的俯視結構示意圖，其包括圖8所示的觸控式螢幕功能結構，還包括指紋圖像採集功能結構，指紋圖像採集功能結構位於觸控式螢幕功能結構的下部中間位置，也可以設置在其它部位，該實施例結構中的導光板1'是由觸控式螢幕功能結 構的各觸摸感應器7的導光板與指紋圖像採集功能結構的各觸摸感應器7'的導光板一體地構成，相鄰觸摸感應器7、7'之間設置有用於遮罩相互光線互相干擾的阻光結構8。觸控式螢幕功能結構中的各觸摸感應器7呈矩陣排列，各觸摸感應器7的長×寬尺寸為2毫米×2毫米，圖像採集功能結構中的各觸摸感應器7'也呈矩陣排列，各觸摸感應器7'的長×寬尺寸為40微米×40微米，相鄰兩個觸摸感應器7'的中心距離為50.8微米。該兼具觸控式螢幕功能結構與指紋圖像採集功能結構的觸摸感應設備，大大節省了成本，是目前市場上的產品不能比擬的。
如圖10所示本發明指紋圖像採集器的實施例結構示意圖，其結構與上述圖8前述結構相同，此處不再贅述，不同之處是：本實施例中的各觸摸感應器7的長×寬尺寸做到比上圖8中前述實施例更小，並提高了觸摸感應器7的分佈密度，例如：將各觸摸感應器7的長×寬尺寸做成不大於50.8微米×50.8微米，相鄰兩個觸摸感應器7的中心距離做成不大於50.8微米，按照有關國際標準和中國標準就可以做成採集解析度為500PPI的指紋圖像採集器，較佳為各觸摸感應器7的長×寬尺寸為40微米×40微米，相鄰兩個觸摸感應器7的中心距離為50.8微米。
另外，如果將上述觸摸感應器7的長×寬尺寸、相鄰觸摸感應器7的中心距離做得更小，例如各觸摸感應器7的長×寬尺寸設計為20微米×20微米，兩個相鄰觸摸感應器7的中心距離為25.4微米，從而使指紋採集的解析度 達到1000PPI，對指紋識別的準確性具有正面作用，可提高指紋識別的準確率。
如果上述觸摸感應器7的長×寬尺寸、相鄰觸摸感應器7的中心距離不能做到500PPI的指紋採集解析度，但比較接近500PPI的指紋採集解析度，例如300PPI以上，雖然不符合有關國際標準，也是可以使用的。
結合圖11所示，使用時將手指放置在導光板1'上，由於手指指紋表面為高低不平的突起及溝谷，當手指按印到導光板1'上時，突起的紋線將與導光板1'緊密接觸，而紋線間的溝谷區不能與導光板1'接觸。接觸的部分會破壞導光板1'內相對應區域的光的全反射傳播，使該區域的光學感應鍵7的輸出訊號大幅減弱；而不能接觸的部分不會破壞其相應區域的光的全反射傳輸，對應區域的光學感應鍵7的輸出訊號也不會變。藉由對所有光學感應鍵7的輸出訊號進行測量，即可得到有明暗條紋的指紋圖像。
上述圖1~圖4中各觸摸感應器的實施例可安裝於電子設備上，例如將觸摸感應器7用於終端設備邊緣位置上，如手機，可以在HOME鍵上。參考圖12所示本發明電子設備的實施例一的結構示意圖，上述圖5~圖11中各觸摸感應設備的實施例也可安裝於前述電子設備101上，該實施例中觸摸感應設備包括觸控式螢幕功能結構103和指紋圖像採集功能結構102，皆安裝於電子設備101上。
如圖13所示本發明電子設備的實施例二的結構示意 圖，本實施例與圖12不同的地方在於：指紋圖像採集功能結構102為獨立器件，與電子設備101藉由導線和介面互相連接。
上述圖12或圖13中前述電子設備為手機、平板電腦、筆記型電腦、電子門禁設備、可穿戴移動終端設備、顯示裝置等一系列需要使用觸控式螢幕或/和指紋採集設備的電子設備。
上述各實施例皆是較佳實施例，即便射入導光板1、1'內的光線的入射角度α不在arcsin(n0/n2)至arcsin(n1/n2)範圍內，只要光發射器2發射的部分光線能射入導光板1、1'內，與光發射器2對應的光接收器3接收到的光線能量有變化，前述觸摸感應器7的功能就能實現，當不能以此為由而限定本發明保護的內容。
本技術領域中具有通常知識者在考慮說明書及實踐公開的發明後將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般原理並包括未公開的本技術領域中的公知常識或常用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例，本發明的真正範圍和精神如後述申請專利範圍。
應當理解的是，本發明並不局限於上面已經描述並在附圖中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本發明的範圍僅由後述申請專利範圍而限制。
1‧‧‧導光板
2‧‧‧光發射器
3‧‧‧光接收器
4‧‧‧光源
5‧‧‧固定座
6‧‧‧導向槽

Claims (14)

  1. 一種觸摸感應設備，包括複數個觸摸感應器，觸摸感應器包括：導光板；用於將至少部分光線射入導光板內的光發射器；及用於接收光發射器射入導光板內光線的光接收器，其中前述光發射器與光接收器呈間隔設置，其中相鄰前述觸摸感應器之間設置有用於遮罩相互光線互相干擾的阻光結構。
  2. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中前述光發射器和光接收器設置於導光板的下方或導光板的兩相對側。
  3. 如請求項2所記載的觸摸感應設備，其中前述光接收器緊密貼合於導光板下面或側面。
  4. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中前述光發射器射入導光板內的光線與法線之間的夾角為arcsin(n0/n2)至arcsin(n1/n2)；其中，n0為空氣折射率；n1為接觸導光板的液體的折射率；n2為導光板的折射率。
  5. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中前述光發射器發射的光線為可見光或肉眼不可見的近紅外光、紅外光。
  6. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中前述光發射器設置為至少一個，前述光接收器設置為複數個，前述光發射器設置在導光板的一側，各光發射器發出的光線由複數個光接收器接收，複數個光接收器間隔設置。
  7. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中前述光發射器和對應的前述光接收器設置有複數對。
  8. 如請求項7所記載的觸摸感應設備，其中複數個前述光發射器呈直線陣列分別佈置於導光板下表面的複數個邊緣，複數個前述光接收器呈直線陣列分別佈置於導光板下表面的另外複數個邊緣，佈置光發射器的各邊緣分別位於佈置光接收器的各邊緣的相對邊緣，且各相對邊緣上的光發射器與光接收器呈一一對應設置關係。
  9. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中前述光發射器和光接收器呈間歇性工作。
  10. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中複數個前述觸摸感應器的導光板一體地構成。
  11. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中前述阻光結構為設置於導光板上的阻光塗層或阻光刻槽，或在導光板上經步驟加工形成的凹結構或凸結構，或不同於導光板折射率的透明材料製成的塗層。
  12. 如請求項1所記載的觸摸感應設備，其中複數個前述觸摸感應器呈矩陣排列。
  13. 一種觸控式指紋圖像採集器，其中包含請求項1~12中任一項所記載的觸摸感應設備。
  14. 一種觸控式電子設備，其中包含請求項1~12中任一項所記載的觸摸感應設備。
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