TWI572821B - 具有再利用功能之發光二極體陣列照明系統 - Google Patents
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Description
此申請案基於35 U.S.C.119(e)款、主張2011年2月23日提申之US臨時申請案第61/445,574號之優先權,其係併入至本文中以作為參考資料。
本發明係有關於一種光照明系統以及更特別地有關於一種LED照明系統。
在光照明應用方面,尤其在要求高亮度之數位的投影器,例如在電影應用方面,能夠產生10,000流明或更多的輸出之弧光燈仍舊視為最有成本效益的光源。雷射為一種任擇的光源,但是需要實質價格溢價。另一個可能的任擇光源為一種發光二極體(LED),其可為理想的候選者因為多於20,000小時的壽命是比弧光燈的壽命更大數個數量級的,藉此導致較低的操作成本。
然而,LED的一缺點為其與弧光燈比較下之低的亮度。一個LED晶片,舉例而言,可以生產出小於1,000流明的輸出。因而,有需要提供一種具有較高的光輸出之改善的LED為基礎的光照明系統。
一種依據本發明的一態樣之高效率的LED照明系統含有數個LED模組和數個對應的準直透鏡來提供增加的亮度。各個LED模組具有至少一個LED元件,其擁有發射光的發光區域,以及一種再利用反射器。該反射器係放置成使來自該發光區域的該光反射回到該LED元件,以及具有一種透射式孔徑,所發射的光經由該透射式孔徑離開。準直透鏡係配置成接收由LED模組離開的光且使由LED模組離開的光準直。
第1圖顯示依據本發明的一態樣之一種LED模組,其具有一種再利用反射器;第2圖顯示依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元,其具有LED模組的陣列和對應的準直透鏡陣列;第3A圖顯示一種任擇的具體例之準直透鏡的陣列,其具有帶圓角的正六邊形的形狀;第3B圖顯示還另一種任擇的具體例之準直透鏡的陣列,其具有帶圓角的正六邊形的形狀之,其中該陣列的外周邊於形狀上為圓形的;第4圖顯示一種投影系統的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;第5圖顯示一種投影系統的示意圖,其使用依據本發明的另一態樣之一種LED再利用照明單元;第6圖顯示一種任擇的投影系統之示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;
第7A圖和第7B圖顯示出供使用於第6圖的投影系統內之光束大小變換器;第8圖顯示一種LCD投影系統的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;第9圖顯示一種LCOS投影系統的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;第10A圖和第10B圖闡明供使用於第8圖和第9圖的投影系統之偏振回收系统。
第1圖顯示一個LED再利用模組18,其含有一個LED模組4,以及放在一個LED晶片/元件10的前部的位置之再利用反射器6,例如一再利用軸環。該再利用反射器6具有一種透射式孔徑8,LED光經由該透射式孔徑而通過。一驅動電路3產生驅動電流來驅動該LED晶片/元件10。
該LED模組4含有至少一個LED晶片10,其典型為具有發射光的發光區域之LED元件,以及一個基板12,晶片附接於基板12上。該發射區域含有一個選擇性的透明視窗或是透鏡7,其保護該LED晶片10且分布光。該LED晶片10亦可以具有磷光體塗層用於創造某些顏色或是白色。該熱槽5附接至該基板12以攜帶熱離開該LED晶片10。此等LED模組4,舉例而言,可得自於Luminus Devices,Inc.of Billerica,Massachusetts。
該LED晶片10可以為白色、單色,或是多色之單一的
晶片或多晶片。在特定的應用方面,其等可以被配置以使得該再利用反射器6的透射式孔徑8之光軸16移動通過LED晶片的發光區域之中央,其實質上也接近再利用反射器的曲率中央。該等LED元件10可以發射單一顏色的光,例如紅、綠和藍或是發射白光通過經塗覆的磷光體。發射角典型為180度或更少。
該透射式孔徑8可以為圓形的、矩形的、正方形的、六邊形的或是其他的形狀,取決於特定的照明應用。該再利用軸環6係以相關於該LED元件10為凹的方式彎曲。該內表面14為一反射面以使得撞擊內表面上之LED光被反射回到光源,亦即,LED元件10。該反射面14可以藉由塗覆該軸環6之外部表面或內部表面或是藉由使一個個別的反光鏡附接至該軸環來提供。依據一個特定的具體例,該再利用軸環6相關於該等LED元件10的中央於形狀上為球面的以使得輸出以等大被反射回到其自身。因而,該等LED元件10形成一影像於其自身上之成像系統為有效地。有利地,撞擊該內部球面反射面14上之實質上全部的LED光被反射回到光源,亦即,該等LED元件10的發射區域。
如同熟悉此藝者可以明瞭的,不通經慣用的照明系統之透射式孔徑之任何的LED光是永遠失去的。然而,藉由使用該彎曲的反射面14,本發明的LED照明系統允許回收已經會失去之大量的光。舉例而言,於透射式孔徑大小捕獲大約20%的發射的光之照明系統內(亦即,80%之原始的光輸出被反射回到該LED晶片10供用於再利用),可以達到
越過80%的亮度增加。使用具總輸出2,250流明之9 sq.mm.(發光區域)白光LED模組(30的光展量(etendue))且使用耦合至標的之20%的輸出在沒有再利用反射器的情況下,光展量會具有6的值和450流明的輸出(2,250*20%)因為會失去80%之原始的光輸出。然而,加上80%的再利用增益,輸出變成810流明(2250*20%+2250*20%*80%)及相同的6的光展量。
本發明中之該LED模組4可以具有一單一的LED元件或是LED的一陣列。LED可以為白色、單色,或是由具單色或多色之多晶片所組成。LED亦可以為DC LED,或是一種AC LED。
在高功率應用方面,可以使用一個LED再利用單元,其具有如同第2圖中所顯示之LED再利用模組18的一陣列20和對應的準直透鏡28的陣列22。如同顯示的,該LED再利用模組的陣列20係由緊密地放置較佳於相同的平面之七個LED再利用模組18所構成。於如同第2圖所顯示的示範的具體例中,各個再利用模組18具有12 sq.mm.的發光區域以及該等模組係以六個外部模組圍繞一個中央模組之正六邊形的方式緊密地放置。本發明中術語“正六邊形的方式”係意指模組係被配置以使得拉長通過各個外部的LED再利用模組18的中央之一線會界定出一個正六邊形。
附接至一圓形的支撑板30之七個對應的準直透鏡28之一陣列22係放在該LED再利用模組18的前部的位置以使離開再利用模組之光準直。較佳地,各個準直透鏡28的光軸
對準對應的再利用模組18之該光軸16為了最大的效率。該支撑板30依次附接至該共同的熱槽24。
將該LED再利用模組陣列20安裝於具散熱片之共同的熱槽24上,其移去該等LED模組18之全體所產生的熱。該共同的熱槽24係與該等LED模組4之全體之個別的熱槽5熱連通,以及較佳為接觸該等LED模組4之全體之個別的熱槽5。一個附接至該共同的熱槽24之風扇26係由熱槽移去熱至空氣之中。
於第2圖中,該等準直透鏡28在形狀上顯示為圓形的。既然該等再利用反射器6之孔徑8為了效率應該和相關聯的準直透鏡28之形狀相配,孔徑應該亦是圓形的。
然而,為了最大的效率而使該等準直透鏡28之間的間隙減到最小是重要的。因而,於一任擇的具體例中,該等準直透鏡28和該等再利用反射器6的其等之相關聯的孔徑8通常為正六邊形的形狀,亦即,任何2個相鄰的邊之間的全部角度為120度。形狀可能為完全正六邊形(二者都於準直透鏡28和相關聯的孔徑8)或是帶圓角38的正六邊形(於準直透鏡28和相關聯的孔徑8二者)。該圓角38可以在形狀上為圓形的。
設若光源為點源,該等準直透鏡28和相關聯的孔徑8二者之形狀可以為正六邊形的形狀。然而,既然光源(發光區域)不是點源,該孔徑8的周邊由於相對大的發光區域而投射陰影於該等準直透鏡28。於此狀況,準直透鏡(和該等相關聯的孔徑8)的形狀為如同第3A圖中所顯示之帶圓角38之
正六邊形可能是更有效率的。
任擇地,在一些應用方面,如同第3B圖中所顯示的具有帶圓角之正六邊形的形狀僅僅於透鏡陣列的內部上而透鏡陣列的外周邊形狀上為圓形的可能是合意的。換言之,該中央準直透鏡28為帶圓角之正六邊形的形狀而外部的透鏡為部分六邊形且部分圓形的。此可以有減少製造成本的附加好處因要做的切割數目較小。
雖然該透鏡的陣列22可以藉由拋光個別的透鏡來製造,但於一具體例中,整個的透鏡的陣列可以藉由射出模製而製造為一單一的件,其實質上減少製造成本的。透鏡陣列可以取決於應用而為模製玻璃或是塑膠。
於一任擇的具體例中,亦可以使用配置成正六邊形的方式之十九個LED再利用模組18的一陣列來產生甚至更大的亮度。既然那樣,一個中央再利用模組係如同於先前的具體例中被六個中間的模組所圍繞以及六個中間的模組依次被十二個最外部模組所圍繞以使得拉長通過各個最外部模組之中央的一線界定出一個正六邊形。於該具體例中,十九個對應的準直透鏡28的一陣列係放在該LED再利用模組18的前部之位置。該透鏡28和該七個LED再利用模組陣列20的孔徑8之形狀和排列亦適用至該19個LED再利用模組陣列。
第4圖顯示一種投影系統的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元。
該投影系統40含有一種7-LED再利用單元2、聚焦透鏡32、光導管34以及一投影引擎36,例如DLP引擎。從該7-LED
再利用單元2之準直光的輸出係藉由該聚焦透鏡32予以聚焦以及輸入至該光導管34。該光導管34的輸出繼而輸入至該投影引擎36。該投影引擎36仍舊投影或是移動影像至一螢幕上(未顯示)。
以下的表1顯示使用第4圖之本發明之可能的投影器輸出。
如同於以上可以看見的,一種示範的白光LED晶片,其於光展量=40具有發光區域12 sq.mm.,會有3,000流明的輸出。設若假定捕獲僅僅25%的發射光,那麼輸出於10的光展量減少至750流明。在沒有使用再利用反射器的情況下,7 LED晶片的輸出會是3750流明。
然而,藉由使用本發明之再利用的技術,輸出增加達80%。非但不是750流明,本發明之各個LED再利用模組18反而輸出1350流明,藉此具有7 LED再利用模組18的一陣列產出9450流明的輸出。就一種具有35%之假定的效率之3-晶片DLP®(數位光處理)引擎而言,投影器輸出為3308流明。
第5圖顯示一種投影系統的示意圖,其使用依據本發明的另一態樣之一種LED再利用照明單元。雖然第4圖的該投影系統40使用一單一的LED再利用模組,但第5圖的該投影系統50使用三個個別的LED再利用單元2:使用7個紅LED晶片的一陣列之紅LED再利用單元42、使用7個綠LED晶片的一陣列之綠LED再利用單元44,以及使用7個藍LED晶片的一陣列之藍LED再利用單元46。
濾波式組合器48使紅色由該紅色LED再利用單元42通過以及封阻且反射綠色。濾波式組合器49使紅和綠色由該紅和綠LED再利用單元42,44通過,以及封阻且反射藍色。因而,該等組合器48和49組合紅、綠和藍色以及使其等通過至聚焦透鏡。於一具體例中,各個濾波式組合器為一種直角稜鏡,其係由2個稜鏡以及其等之間的濾波器所構成。較佳地,使直角稜鏡之全部的邊拋以作用為一波導來以最小的損失有效率地傳送來自該等LED再利用單元42-46的準直光。
以下的表2顯示使用第5圖之本發明之可能的投影器輸出。
表2內的圖係以來自Osram Opto Semiconductors GmbH,Germany之RGBLED晶片,1.24英吋DLP晶片和F/2.4投影器輸出透鏡為基礎。在沒有使用本發明的情況下,具有7 LED模組之輸出會是12288.5(3920來自紅、7371來自綠以及997.5來自藍)以及最終的投影器輸出會是4301流明(12288.5的35%)。
然而,藉由使用本發明之再利用技術,輸出增加達80%。非但不是12289流明,紅、綠和藍LED再利用單元42-46的組合之總輸出反而為18486流明以及最終的投影器輸出為6470流明,其在沒有使用本發明的情況下為超過4301流明之莫大的改善。
第6圖顯示一種任擇的投影系統60之示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元2。包含有該LED再利用單元2之該照明系統60可以使用於LCD(液晶顯示器)和LCOS(矽基液晶)投影系統60。在使用如同第2圖中所顯示的構形之白光LED系統方面,來自該LED再利用單元2之輸出平行光束指向一反射型偏光器52,其使通過一偏振而反射其他的偏振化朝向該再利用單元2,藉此進一步提高該再利用單元2之再利用作用。該反射型偏光器52的輸出接而指向該LCD或是LCOS投影引擎36。於此等系統內,該LED再利用單元2取代標準的弧光燈作為照明系統。
取決於所使用的LCD面板的大小,輸出光束可能需要使光束大小如同第7圖中所顯示的來改變。第7A圖顯示一種光束大小變換器70,其按預定量而減少光束之橫截面的大
小。第7B圖顯示一種光束大小變換器72,其按預定量而增加光束之橫截面的大小。
第8圖顯示一種LCD投影系統78之示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元。
不像第6圖,第8圖的照明系統使用三個個別的LED再利用單元42-46來輸出紅、綠和藍色。該等三個LED再利用單元42-46亦可以視需要而含有第7A-B圖的尺寸變換透鏡系統70,72。該投影系統78亦含有紅、綠、藍LCD成像板80,82,84以及x-立方體88。x-立方體88組合來自該等三個成像板80-84之受照的影像以及給其等定路線往一種投影透鏡系統86。
第9圖顯示一種LCOS投影系統100的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元。相似於第8圖,該LCOS投影系統100含有三個顏色LED再利用單元42-46 46來輸出紅、綠和藍色。該等三個LED再利用單元42-46亦可以視需要含有第7A-B圖的尺寸變換透鏡系統70,72。該投影系統100亦含有紅、綠、藍LCOS成像板90,92,94,偏振光束分離器(PBS)96,97,98以及x-立方體99。x-立方體99組合來自該等三個成像板90-94之受照的影像以及給其等定路線往一種投影透鏡系統86。特別地,該PBS 97係放在該綠LED再利用單元44的後面的位置以及該綠LCOS成像板92係放在該PBS 97的後面的位置以使得來自該綠色LED再利用單元之準直光係藉由綠LCOS成像板而成像以及影像的光係藉由該PBS 97而反射到該x-立方體99之內。
如同熟悉此藝者所熟知的,該LCS和LCOS投影系統78,100使用偏光。於是,可以將如第10A圖和第10B圖中所顯示的偏振回收系统添加至各個LED再利用單元42-46。第10A圖顯示一個具有一反射型偏光器52和一波片102之具體例。未利用的偏振化被反射回到該LED再利用單元42-46之內,其進一步增加再利用的量,藉此增加偏光輸出的量。該波片102較佳為四分之一波片以使得反射光行進通過該片兩次以使偏振光旋轉達90度。
第10B圖闡明插入於一個LED再利用單元42-46和PBS陣列之間的偏振回收系统,其含有一個PBS陣列102和一個複眼(fly-eye)透鏡陣列104。
於以上所揭示的所有具體例中,於LED再利用單元之內所使用的各個LED模組18可以具有一單一的大發射面積,或是具有較小的LEDs之一陣列從而提供了多個發光區域。一般而言,可以使用除了7 LEDs之一陣列。舉例而言,可以使用2個或更多個LED再利用模組18之一陣列。當該等LED模組18以似蜂巢的方式緊密地封裝時,一環的LED模組係封裝圍繞形成7 LED陣列之單一的LED模組。可以進一步添加一個或更多個環,例如於19 LED模組照明系統內來增加光輸出。
以上的揭示係打算為作例證的以及不是詳盡的。此說明會暗示許多的修飾、變化,及替代方案可以由熟悉此藝者做出而不背離本發明的範疇。熟悉本技藝的該等可以辨識本文中所描述之特定具體例之其他的均等物。於是,本發明的範疇不受前述的說明書之限制。
2‧‧‧7-LED再利用單元
3‧‧‧驅動電路
4‧‧‧LED模組
5‧‧‧熱槽
6‧‧‧再利用反射器、軸環、再利用軸環
7‧‧‧透明視窗、透鏡
8‧‧‧透射式孔徑、孔徑
10‧‧‧LED晶片、LED元件
12‧‧‧基板
14‧‧‧內表面、反射面
16‧‧‧光軸
18‧‧‧LED再利用模組
20、22‧‧‧陣列
24‧‧‧共同的熱槽
26‧‧‧風扇
28‧‧‧準直透鏡、透鏡
30‧‧‧支撑板
32‧‧‧聚焦透鏡
34‧‧‧光導管
36‧‧‧投影引擎
38‧‧‧圓角
40‧‧‧投影系統
42‧‧‧紅色LED再利用單元
44‧‧‧綠LED再利用單元
46‧‧‧藍LED再利用單元
48、49‧‧‧濾波式組合器
50‧‧‧投影系統
52‧‧‧反射型偏光器
60‧‧‧投影系統
70、72‧‧‧光束大小變換器、尺寸變換透鏡系統
78‧‧‧LCD投影系統、投影系統、LCS投影系統
80‧‧‧紅LCD成像板
82‧‧‧綠LCD成像板
84‧‧‧藍LCD成像板
86‧‧‧投影透鏡系統
88‧‧‧x-立方體
90‧‧‧紅LCOS成像板
92‧‧‧綠LCOS成像板
94‧‧‧藍LCOS成像板
96、97、98‧‧‧偏振光束分離器(PBS)
99‧‧‧x-立方體
100‧‧‧LCOS投影系統、投影系統
102‧‧‧波片、PBS陣列
104‧‧‧複眼透鏡陣列
第1圖顯示依據本發明的一態樣之一種LED模組,其具有一種再利用反射器;第2圖顯示依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元,其具有LED模組的陣列和對應的準直透鏡陣列;第3A圖顯示一種任擇的具體例之準直透鏡的陣列,其具有帶圓角的正六邊形的形狀;第3B圖顯示還另一種任擇的具體例之準直透鏡的陣列,其具有帶圓角的正六邊形的形狀之,其中該陣列的外周邊於形狀上為圓形的;第4圖顯示一種投影系統的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;第5圖顯示一種投影系統的示意圖,其使用依據本發明的另一態樣之一種LED再利用照明單元;第6圖顯示一種任擇的投影系統之示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;第7A圖和第7B圖顯示出供使用於第6圖的投影系統內之光束大小變換器;第8圖顯示一種LCD投影系統的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;第9圖顯示一種LCOS投影系統的示意圖,其使用依據本發明的一態樣之一種LED再利用照明單元;第10A圖和第10B圖闡明供使用於第8圖和第9圖的投影系統之偏振回收系统。
2‧‧‧7-LED再利用單元
22‧‧‧陣列
24‧‧‧共同的熱槽
26‧‧‧風扇
28‧‧‧準直透鏡
30‧‧‧支撑板
Claims (21)
- 一種發光二極體(LED)照明系統,其包含:至少一個LED再利用單元,其含有:數個LED模組,其配置成彼此非常接近,各個LED模組含有:至少一個LED元件,其具有發射光的發光區域;以及一再利用反射器,其具有一彎曲的表面用以使來自該發光區域的該光反射回到該LED元件,及一透射式孔徑,發射的光經由該透射式孔徑離開;以及數個準直透鏡,每一個被係配置成接收由該等LED模組之相關聯的一者離開的該光且使由該等LED模組之相關聯的一者離開的該光準直。
- 如申請專利範圍第1項之LED照明系統,其中該等數個LED模組含有:一個中央LED模組;六個LED模組,其等與該中央LED模組均勻地間隔開以及被配置圍繞該中央LED模組。
- 如申請專利範圍第2項之LED照明系統,其中該等數個LED模組係配置成正六邊形的方式。
- 如申請專利範圍第1項之LED照明系統,其中該等準直透鏡的至少一者大體為正六邊形的形狀。
- 如申請專利範圍第4項之LED照明系統,其中該等準直 透鏡的至少一者具有圓角。
- 如申請專利範圍第1項之LED照明系統,其中該等準直透鏡的至少一者及該相關聯的LED模組之該透射式孔徑二者大體為正六邊形的形狀。
- 如申請專利範圍第1項之LED照明系統,其中該等準直透鏡的至少一者之形狀為部分圓形且部分六邊形的。
- 如申請專利範圍第1項之LED照明系統,其中:各個LED模組含有一個第一熱槽;該LED再利用單元含有與該第一熱槽熱連通之一共同的熱槽;以及一風扇,其附接至該共同的熱槽。
- 如申請專利範圍第1項之LED照明系統,其中該等數個準直透鏡為一單一的模製件。
- 如申請專利範圍第1項之LED照明系統,其進一步包含一投影引擎,其係放置成接收離開該LED再利用單元之該光。
- 如申請專利範圍第10項之LED照明系統,其中該至少一個LED再利用單元含有:一個第一LED再利用單元,其產生一準直的紅光;一個第二LED再利用單元,其產生一準直的綠光;一個第三LED再利用單元,其產生一準直的藍光;光束組合器,用以組合該紅、綠和藍光。
- 如申請專利範圍第10項之LED照明系統,其中該投影引擎為一DLP投影引擎,其進一步包含: 一聚焦透鏡,其放置在該LED再利用單元的前面;以及一光導管,其放置在該聚焦透鏡的前面且在該DLP投影引擎的後面。
- 如申請專利範圍第10項之LED照明系統,其中該投影引擎為LCD或是LCOS投影引擎,其進一步包含一偏振回收系統,其放置在介於該投影引擎和該至少一個LED再利用單元之間,一聚焦透鏡,其放置在該LED再利用單元的前面;以及一光導管,其放置在介於該聚焦透鏡和該DLP投影引擎之間。
- 一種發光二極體(LED)照明系統,其包含:至少一個LED再利用單元,其含有:一共同的熱槽;LED模組的一陣列,其配置成彼此非常接近且安裝於該共同的熱槽,各個LED模組含有:至少一個LED元件,其具有發射光的發光區域;以及一再利用反射器,其具有一彎曲的凹表面用以使來自該發光區域的該光反射回到該LED元件,及一透射式孔徑,發射的光經由該透射式孔徑離開;以及準直透鏡的一陣列,其附接至該共同的熱槽且 每一個被配置成接收由該等LED模組之相關聯的一者離開的該光且使由該等LED模組之相關聯的一者離開的該光準直,該各個準直透鏡的形狀和該相關聯的LED模組的該透射式孔徑之形狀相配。
- 如申請專利範圍第14項之LED照明系統,其中該LED模組的陣列含有:一個中央LED模組;六個LED模組,其等與該中央LED模組均勻地間隔開以及以正六邊形的方式配置圍繞該中央LED模組。
- 如申請專利範圍第15項之LED照明系統,其中該等準直透鏡的至少一者大體為正六邊形的形狀。
- 如申請專利範圍第14項之LED照明系統,其中該等準直透鏡的至少一者及該相關聯的LED模組之該透射式孔徑二者大體為正六邊形的形狀。
- 如申請專利範圍第15項之LED照明系統,其中該等準直透鏡的至少一者之形狀為部分圓形且部分六邊形的。
- 如申請專利範圍第14項之LED照明系統,其中該等數個準直透鏡為一單一的模製件。
- 如申請專利範圍第14項之LED照明系統,其進一步包含一投影引擎,其係放置成接收離開該LED再利用單元之該光。
- 如申請專利範圍第14項之LED照明系統,其中該至少一個LED再利用單元含有:一個第一LED再利用單元,其產生準直的紅光; 一個第二LED再利用單元,其產生準直的綠光;一個第三LED再利用單元,其產生準直的藍光;光束組合器,用以組合該紅、綠和藍光。
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