TWI679450B - 頭戴式超廣視角之顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供多反射器超廣視角(UWFOV)系統及方法。在一項實施例中,一頭戴式顯示裝置包含:一框架;一窄束光源,其相對於該框架固定;一UWFOV反射表面,其相對於該框架固定;及一發散反射表面,其相對於該框架固定,該發散反射表面經組態以接收自該窄束光源發射之光且將該光朝向該UWFOV反射表面反射以使該光完全散布遍及該UWFOV反射表面。
Description
本申請案主張於2014年10月17日提出申請之標題為「MULTIPLE-REFLECTOR ULTRA-WIDE FIELD OF VIEW DISPLAY DEVICE」之序列號為62/065,328之臨時專利申請案之優先權及權益,該臨時專利申請案之揭示內容特此以全文引用之方式併入本文中。
實施例係關於頭戴式顯示裝置,且特定而言係關於具有多個反射表面之頭戴式顯示裝置,該等頭戴式顯示裝置具有一超廣視角且利用一窄束光源(諸如,一矽上液晶顯示器光源)。
一矽上液晶(LCoS)顯示器提供一相對亮之高解析度顯示器,且因此將係用於一超廣視角(UWFOV)反射表面之一期望光源。然而,窄束顯示器(諸如,一LCoS顯示器)以一相對窄+/-10度錐體來發射光。束之狹窄使得連同一UWFOV反射表面(諸如,一130度UWFOV反射表面)一起使用一LCoS顯示器係困難的或行不通的。將一透鏡放置於窄束顯示器前方可發散光,但不可使光場足夠寬以支援一UWFOV反射表面之參數。特定而言,由於UWFOV反射表面之曲率自反射器上之特定點反射窄束顯示器之像素,因此所得反射器功率可係過高
的,從而導致光聚焦在一眼睛內側而非在該眼睛之小窩處。
實施例係關於頭戴式顯示裝置,且特定而言係關於具有一超廣視角(UWFOV)且利用一窄束光源(諸如,一矽上液晶(LCoS)顯示器、一數位光處理(DLP)顯示器或一雷射顯示器)之頭戴式顯示裝置。在一項實施例中,該頭戴式顯示裝置包含:一框架;一窄束光源,其相對於該框架固定;一UWFOV反射表面,其相對於該框架固定;及一發散反射表面,其相對於該框架固定,該發散反射表面經組態以接收自該窄束光源發射之光且將該光朝向該UWFOV反射表面反射以使該光散布遍及該UWFOV反射表面。
在一項實施例中,該窄束光源包括一LCoS顯示器、一DLP顯示器及一雷射顯示器中之一者。在一項實施例中,該頭戴式顯示裝置包含相對於該窄束光源固定之一發散透鏡,該發散透鏡經組態以接收自該窄束光源發射之該光且將該光朝向該發散反射表面傳輸。
在一項實施例中,該UWFOV反射表面具有大於約100度之一視角(FOV)。在另一實施例中,該UWFOV反射表面具有大於約120度之一FOV,且在又一實施例中,該UWFOV反射表面具有大於約140度之一FOV。在一項實施例中,該UWFOV反射表面經組態以實質上準直該光。在某些實施例中,該UWFOV反射表面會聚該光以便實質上準直該光。
在另一實施例中,提供一種用於將一影像呈現給一眼睛之方法。自一窄束光源發射包括影像之光。藉由非限制性實例之方式,該影像可包括視訊串流影像或一靜態影像。一發散反射表面將該光朝向一UWFOV反射表面反射。該UWFOV反射表面將該光朝向該眼睛反射。
在閱讀與附圖相關聯之實施例之以下詳細說明之後,熟習此項
技術者將瞭解本發明之範疇且認識到本發明之額外態樣。
10‧‧‧頭戴式超廣視角顯示裝置/超廣視角顯示裝置
10-1‧‧‧多反射器超廣視角顯示裝置/超廣視角顯示裝置
12‧‧‧框架
14‧‧‧使用者
16‧‧‧眼睛/右眼/左眼
18‧‧‧頭部
20‧‧‧超廣視角反射表面
22‧‧‧窄束光源
24‧‧‧發散反射表面
26‧‧‧預定位置
28‧‧‧線
30‧‧‧像素
32‧‧‧選定表面元件
34‧‧‧切線/最終切線
36‧‧‧三維法線
38‧‧‧線
40‧‧‧選定表面元件
42‧‧‧三維法線
44‧‧‧線
45‧‧‧發散透鏡
46‧‧‧發散光線/光線/經準直光線
48‧‧‧位置
50‧‧‧瞳孔
52‧‧‧中心
54‧‧‧光束
58‧‧‧位置
59‧‧‧位置
60‧‧‧光線
62‧‧‧距離
64‧‧‧虛擬光源/新虛擬光源
66‧‧‧距離
D1‧‧‧距離/初始距離
D2‧‧‧距離
D3‧‧‧距離
併入本說明書中且形成本說明書之一部分之附圖圖解說明瞭本發明之數個態樣,並與本說明一起用於闡釋本發明之原理。圖1係根據一項實施例之一頭戴式超廣視角(UWFOV)顯示裝置之一圖式;圖2係根據一項實施例用於將一影像呈現給一眼睛之一方法之一流程圖;圖3係根據一項實施例圖解說明一窄束光源至一發散反射表面及一UWFOV反射表面之映射之一圖式;圖4係根據另一實施例一使用者利用頭戴式UWFOV顯示裝置之一透視圖;圖5係根據一項實施例圖解說明發散光線以零屈光度之聚散度反射至一眼睛中之一圖式;及圖6係根據一項實施例圖解說明用於判定用以將來自UWFOV反射表面之一表面元件之光朝向一眼睛之一預定位置反射且準直的此表面元件之一曲率半徑之一實例性計算之一圖式。
下文中所陳述之實施例表示用以使熟習此項技術者能夠實踐該等實施例並圖解說明實踐該等實施例之最佳模式之資訊。在根據附圖閱讀以下說明之後,熟習此項技術者將旋即理解本發明之概念且將認識到在本文中並非特定地解決此等概念之應用。應理解,此等概念及應用歸屬於本發明之範疇及隨附申請專利範圍內。
出於說明之目的,必需以某一序列論述本文中所論述之任何流程圖,但是除非另有明確指示,否則該等實施例並不限於任何特定步驟序列。本文中連同一數值一起使用之術語「約」意指介於比該數值
大百分之十或小百分之十之一範圍內之任何值。
實施例係關於頭戴式顯示裝置,且特定而言係關於具有一超廣視角(UWFOV)且利用一窄束光源(諸如,一矽上液晶(LCoS)顯示器、一數位光處理(DLP)顯示器及一雷射顯示器)之頭戴式顯示裝置。該等實施例特別適用於UWFOV反射表面,諸如,第8,625,200號及第8,781,794號美國專利中所揭示之彼等UWFOV反射表面,該等美國專利之揭示內容以引用方式併入本文中。本文中所論述之UWFOV反射表面通常(但未必)具有用於一使用者之每一眼睛之一100度或更大之視角(FOV)及用於該使用者之兩隻眼睛之一經組合180度FOV。
為了擴展LCoS或類似微顯示器之一束以填充一寬FOV,需要擴展影像且需要將所發射之光引導至一較寬區中以用於自UWFOV反射表面反射。實施例可利用歸因於一顯示器之矩形形式一非旋轉對稱非球面設計及一近眼式無焦點光場。
圖1係根據一項實施例之一頭戴式UWFOV顯示裝置10(出於簡潔之目的,下文中稱為「UWFOV顯示裝置10」)之一圖式。在此實施例中,UWFOV顯示裝置10包含具有類似於一副眼鏡之一外觀尺寸之一框架12,且一使用者14類似於使用者14將如何佩戴一副眼鏡地佩戴UWFOV顯示裝置10。然而,該等實施例並不限於任何特定外觀尺寸且可包括能夠相對於彼此且相對於使用者14之眼睛16(僅圖解說明一者)固持各種組件之任何外觀尺寸。舉例而言,在一項實施例中,UWFOV顯示裝置10可經由綁帶耦合至使用者14之一頭部18。在另一實施例中,UWFOV顯示裝置10可耦合至佩戴於頭部18上之一設備(諸如,一帽子或一頭盔)。
一UWFOV反射表面20相對於框架12固定。在一項實施例中,UWFOV反射表面20可與第8,625,200號及/或第8,781,794號美國專利中所揭示之反射表面實質上類似或完全相同。UWFOV反射表面20可(舉
例而言)具有用於使用者14之每一眼睛16之一100度或更大之水平FOV、用於使用者14之每一眼睛16之一120度或更大之水平FOV或用於使用者14之每一眼睛16之一135度或更大之水平FOV。
一窄束光源22相對於框架12固定。窄束光源22可包括任何適合窄束顯示器或微顯示器(諸如例如,一LCoS顯示器、一DLP顯示器或一雷射顯示器)。在一項實施例中,該微顯示器具有一4096×2240像素解析度及18.43mm乘10.08mm之一面積。窄束光源22可包括小於1英吋之一對角線尺寸(諸如,藉由非限制性實例之方式,0.7英吋)且可以一相對窄錐體(諸如,一+/-10度錐體)發射光。在一項實施例中,窄束光源22映射至UWFOV反射表面20。特定而言,窄束光源22包括具有處於一特定解析度之複數個像素之一顯示面板,且該等像素映射至UWFOV反射表面20上之對應位置。UWFOV反射表面20上之每一位置經組態以將由該等對應像素發射之光朝向使用者14之眼睛16反射且準直。UWFOV反射表面20經工程設計使得自除該等特定對應像素之外的窄束光源22之像素接收之光沿除使用者14之眼睛16之外的一方向反射。
UWFOV顯示裝置10包含相對於框架12固定之一發散反射表面24。發散反射表面24經組態以接收自窄束光源22發射之光且將該光朝向UWFOV反射表面20反射以使該光完全散布遍及UWFOV反射表面20。UWFOV反射表面20自發散反射表面24接收光且將由窄束光源22之對應像素發射之彼等光線朝向使用者14之眼睛16反射。在某些實施例中,UWFOV反射表面20經組態以實質上準直光。雖然出於說明目的,圖1中僅展示使用者14之右眼16,但圖1中所圖解說明之元件可相對於使用者14之左眼16而複製。因此,儘管並未加以圖解說明,但UWFOV顯示裝置10可含有一對窄束光源22、一對發散反射表面24及一對UWFOV反射表面20。
圖2係根據一項實施例用於將一影像呈現給眼睛16之一方法之一流程圖。將連同圖1一起論述圖2。在此實例中,假定窄束光源22發射包括影像之光(圖2,方塊100)。舉例而言,視訊可包括繪示一虛擬環境之影像,或該影像可包括可呈現給眼睛16之一或多個虛擬物件,該一或多個虛擬物件相對於眼睛16同時觀看之真實世界影像而定位,諸如,在一擴增實鏡實施例中。發散反射表面24將光朝向UWFOV反射表面20反射(圖2,方塊102)。UWFOV反射表面20將光朝向眼睛16反射(圖2,方塊104)。
UWFOV反射表面20係一非旋轉對稱表面,且在某些實施例中,其係映射至窄束光源22之一凹形表面。可如本文中所揭示以及(舉例而言)連同第8,781,794號美國專利(下文中稱為‘794專利)中所揭示之機制一起來實施此映射。如‘794專利中所揭示,非對稱透鏡表面(諸如,UWFOV反射表面20)可經工程設計以(除其他優點之外)增加使用者14之一FOV,使得可將由窄束光源22呈現之影像自一理想表面元件或UWFOV反射表面20之表面元件朝向眼睛16之一預定位置反射。此等表面元件可彼此重疊。在一項實施例中,UWFOV反射表面20包括經定向以將來自窄束光源22之對應區域之光朝向眼睛16之預定位置反射且準直之複數個不同表面元件。UWFOV反射表面20包括映射至窄束光源22之對應區域之多個(諸如,數千個)不同表面元件。
圖3係根據一項實施例圖解說明窄束光源22至發散反射表面24及UWFOV反射表面20之映射之一圖式。特定而言,窄束光源22之表面元件映射至發散反射表面24之表面元件且映射至UWFOV反射表面20之表面元件。關於窄束光源22,一表面元件可包括一像素或一像素群組。關於發散反射表面24及UWFOV反射表面20,表面元件對應於各別表面之區。映射使得來自窄束光源22之一特定表面元件之光由發散反射表面24之一對應表面元件反射至UWFOV反射表面20之一對應表
面元件。UWFOV反射表面20之對應表面元件準直光且將該光朝向眼睛16之一預定位置26反射。可存在任何數目個表面元件,且在某些實施例中,取決於包含窄束光源22之顯示器之解析度之若干個因素,可存在在窄束光源22、發散反射表面24及UWFOV反射表面20當中映射之數千個或甚至成千上萬個表面元件。窄束光源22、發散反射表面24及UWFOV反射表面20中之每一者可具有相同數目個表面元件。現在將論述表面元件在窄束光源22、發散反射表面24及UWFOV反射表面20當中之映射之一實例。假定窄束光源22之表面元件包括像素。最初,發散反射表面24可具有一特定半徑之一球形形狀。一線28定位於窄束光源22之一像素30與發散反射表面24之一選定表面元件32之間。選定表面元件32之斜率之一切線34存在於選定表面元件32處。調整切線34之一個三維(3D)法線36,使得3D法線36平分由線28及選定表面元件32與UWFOV反射表面20上之一選定表面元件40之間的一線38形成之角。此調整識別發散反射表面24之選定表面元件32之一最終切線34,且因此識別選定表面元件32之斜率,且因此,發散反射表面24最終可變為非球形。
類似地,調整選定表面元件40處之一3D法線42以平分由線38及自選定表面元件40至眼睛16之預定位置26之一線44形成之角。一旦如此調整,便判定選定表面元件40之斜率。可遍及整個FOV針對窄束光源22之每一表面元件重複此程序以界定發散反射表面24及UWFOV反射表面20之總體表面。該程序係反覆的且可成千上萬次地重複該程序而以儘可能小的誤差界定發散反射表面24及UWFOV反射表面20。在反覆期間,可對斜率進行調整以最小化系統之總體誤差。UWFOV反射表面20之每一表面元件亦準直或實質上準直自發散反射表面24之對應表面元件接收之光,且因此亦包含用於多物鏡調適程序之物鏡中之準直能力,該多物鏡調適程序發生以形成發散反射表面24及UWFOV
反射表面20等表面。
系統產生表示UWFOV反射表面20之一點雲。舉例而言,該點雲可包括以三維形式沿著UWFOV反射表面20座落之500×300個點。此點雲可導入至一3D電腦輔助設計(CAD)系統(諸如,藉由非限制性實例之方式,Creo)中。然後,3D CAD系統可以一不均勻有理基礎雲規連接點雲中之所有點。然後該等經連接點可在一光學器件測試程式中進行測試,或利用3D打印或注入模製轉換為一實體透鏡。
圖4係根據另一實施例之使用者14利用一多反射器UWFOV顯示裝置10-1之一透視圖。除非本文中另有論述,否則UWFOV顯示裝置10-1實質上類似於上文所論述之UWFOV顯示裝置10。UWFOV顯示裝置10-1包含一發散透鏡45,該發散透鏡相對於窄束光源22固定且其經組態以接收由窄束光源22發射之光並將光朝向發散反射表面24傳輸。發散透鏡45遍及發散反射表面24散布光。發散透鏡45可固定至框架12、窄束光源22或發散反射表面24。在某些實施例中,發散透鏡45係一消色差透鏡以幫助避免光束之紅色、綠色及藍色分量之分離。
一組光束特性界定UWFOV顯示裝置10之每一態樣之焦距,使得至眼睛16之所得光實質上經準直,因此具有零屈光度之聚散度(有時稱為0D)。就此而言,圖5係根據一項實施例圖解說明發散光線46以零屈光度之聚散度反射至一眼睛16中之一圖式。光線46自窄束光源22之一位置48發射且沿一光學路徑行進以進入眼睛16之一瞳孔50且在視網膜或小窩處形成一中心52。由瞳孔50及視網膜或小窩處之中心52界定之錐體係基於在由發散反射表面24發散之後自UWFOV反射表面20反射之一光束54。將光線46準直至眼睛16之能力由窄束光源22與發散反射表面24之間的距離D1、發散反射表面24與UWFOV反射表面20之間的距離D2及UWFOV反射表面20與眼睛16之間的距離D3部分地提供。
由於UWFOV顯示裝置10係一近眼式系統且自窄束光源22至眼睛
16之距離比(舉例而言)在一望遠鏡系統中利用之距離實質上短,因此自窄束光源22發射之光之聚散度或屈光度貫穿UWFOV顯示裝置10而迅速改變。如上文所論述,在某些實施例中,窄束光源22之像素映射至UWFOV反射表面20上之對應位置,且UWFOV反射表面20上之該等位置經組態以將由該等對應像素發射之光朝向眼睛16反射並準直。
在此實例中,假定自窄束光源22之位置48發射光線46。進一步假定位置48經由發散反射表面24之一位置59映射至UWFOV反射表面20之一位置58。聚散度定義為1/S,其中S以米為單位來表達。因此,若初始距離D1係4cm,則光線46針對距離D1具有-1/0.04=-25D之一聚散度。該聚散度係負的,此乃因光線46係發散的。舉例而言,若發散反射表面24藉助於具有(舉例而言)5cm之一焦距且聚散度=1/(焦距,以米為單位)而提供-20D之一進一步發散度,則光線46之當前聚散度係-25D+(-20D)=-45D,此乃因聚散度係線性加性的。光線46由發散反射表面24朝向UWFOV反射表面20反射。UWFOV反射表面20之位置58經組態以準直源自窄束光源22之位置48之光線46以使光線46之聚散度為0D,使得經準直光線46朝向眼睛16反射。若一透鏡定位於窄束光源22與發散反射表面24之間,則將進一步修改光線46之聚散度。
UWFOV顯示裝置10藉由使沿著UWFOV反射表面20之反射點成角度而產生一寬FOV以自窄束光源22之正確像素反射光,此引入對光線46之彎曲之一進一步約束,該彎曲隨顯示器寬度及預期FOV而變化。
如先前所論述,UWFOV反射表面20不僅將自窄束光源22發射之光朝向眼睛16之預定位置26反射,而且亦準直或實質上準直該光,使得該光可由使用者14聚焦。圖6係根據一項實施例圖解說明用於判定用以將來自UWFOV反射表面20之一表面元件之光朝向眼睛16之預定
位置26反射且準直的此表面元件之一曲率半徑之一實例性計算之一圖式。假定自窄束光源22發射一光線60。最初,判定窄束光源22處之聚散度。依據窄束光源22之規格,假定自窄束光源22發射之一光錐之一半角係11.2度。根據以下公式來判定在窄束光源22後面之一距離62(LClcos),其中將需要定位一虛擬光源64以產生具有11.2度之一半角之一光錐(給定窄束光源22之大小之一光圈):(LClcos)=(display_width_mm/2)/(tan(thetaL2))* 0.001;%[m]
其中,display_width_mm係窄束光源22之寬度且thetaL2係光錐之半角(在此實例中,係11.2度)。
以上計算使距離62(LSlcos)以米為單位。現在可將距離62(LSlcos)轉換為一聚散度。該聚散度係負的,此乃因光係發散的。聚散度(Vlcos)以屈光度[D]來量測。距離62 LSlcos係至虛擬光源64之焦距。可根據以下公式來判定聚散度(Vlcos):Vlcos=-1/(LSlcos).[D]
一般而言,在一高位準處,發散反射表面24及UWFOV反射表面20之曲率半徑之一組值經循環通過且測試以判定發散反射表面24及UWFOV反射表面20將場點(FOV之外邊緣)反射至眼睛16中之程度如何,同時亦將光準直至眼睛16。UWFOV反射表面20之每一表面元件處之聚散度應係零使得所反射之光經準直。根據以下公式來判定到達發散反射表面24(VatD)處之光線60之聚散度:VatD=-(1/(LSlcos+Lld))
其中,LSlcos=距離62且Lld=窄束光源22與發散反射表面24之間的一距離66。
VatD係負的,此乃因光係發散的。根據以下公式來判定窄束光源22與發散反射表面24之間的介入空間中的傳送聚散度(Vtld):Vtld=VatD-Vlcos;
發散反射表面24(Vdcalc)之焦度係基於發散反射表面24之曲率半徑(以米為單位),其係根據以下公式在經由該曲率半徑之複數個可能值之各別多個反覆期間選定的:Vdcalc=-2/(Rd),其中Rd係發散反射表面24之曲率半徑。
可根據以下公式藉由將先前在上文中所判定之所有聚散度求和來判定離開發散反射表面24之光之聚散度(Vcurr):Vcurr=Vlcos+Vtld+Vdcalc。
此轉譯為下式的至新虛擬光源64之一距離:Lcurr=-1/Vcurr:[m]
可根據以下公式判定UWFOV反射表面20處之聚散度(Vatc):Vatc=-1/(Lcurr+Ldc);其中Ldc係自發散反射表面24至UWFOV反射表面20之一距離。
為了將光準直至眼睛16中,UWFOV反射表面20之功率消除到達UWFOV反射表面20鏡之聚散度(Vatc)。因此,UWFOV反射表面20上之此點處之曲率半徑(Rc)係:Rc=-2/Vatc。
熟習此項技術者將認識到對本發明之較佳實施例之改良及修改。所有此等改良及修改視為在本文中所揭示之概念及隨後申請專利範圍之範疇內。
Claims (14)
- 一種頭戴式顯示裝置,其包括:一框架;一窄束光源,其相對於該框架固定,該光源被配置以發射一靜態之發散光束之光;一超廣視角(UWFOV)反射表面,其相對於該框架固定;及一發散反射表面,具有負光學倍率(negative optical power),其相對於該框架固定,該發散反射表面經組態以接收自該窄束光源發射之靜態發散光束以發散該光以降低該光之聚散度,且將該光朝向該UWFOV反射表面反射且使該光完全散布遍及該UWFOV反射表面,其中該UWFOV反射表面經組態以將該光朝向一預定位置準直且反射。
- 如請求項1之頭戴式顯示裝置,其中該窄束光源包括一矽上液晶(LCoS)顯示器及一數位光處理(DLP)顯示器。
- 如請求項1之頭戴式顯示裝置,其進一步包括相對於該窄束光源固定之一發散透鏡,該發散透鏡經組態以接收自該窄束光源發射之該光、發散該光以降低該光之聚散度且將該光朝向該發散反射表面傳輸且使該光散布遍及該發散反射表面。
- 如請求項1之頭戴式顯示裝置,其中該UWFOV反射表面具有大於約100度之一視角(FOV)。
- 如請求項1之頭戴式顯示裝置,其中該UWFOV反射表面具有大於約120度之一FOV。
- 如請求項1之頭戴式顯示裝置,其中該UWFOV反射表面具有大於約140度之一FOV。
- 如請求項1之頭戴式顯示裝置,其中:該窄束光源包括第一複數個表面元件;該UWFOV反射表面包括第二複數個表面元件;該發散反射表面包括第三複數個表面元件;且該第一複數個表面元件中之表面元件分別對應於該第二複數個表面元件中之表面元件及該第三複數個表面元件中之表面元件。
- 一種用於將一影像呈現給一眼睛之方法,其包括:自一窄束光源發射包括影像之非準直光之一靜態光束;藉由具有負光學倍率之一發散反射表面接收該靜態之非準直光之光束;藉由該發散射表面將該非準直光發散,以降低該非準直光之發散度且藉由該發散反射表面將該非準直光朝向一超廣視角(UWFOV)反射表面反射以將該非準直光散布遍及該超廣視角反射表面之一面上;及藉由該超廣視角(UWFOV)反射表面將該非準直光準直以產生準直光且朝該眼睛反射該準直光。
- 如請求項8之方法,其中該窄束光源包括一矽上液晶(LCoS)顯示器及一數位光處理(DLP)顯示器。
- 如請求項8之方法,進一步包括:藉由相對於該窄束光源固定之一發散透鏡接收自該窄束光源發射之該非準直光,將該非準直光發散以降低該準直光之發散度,且將該非準直光朝向該發散反射表面傳輸。
- 如請求項8之方法,其中該UWFOV反射表面具有大於約100度之一視角(FOV)。
- 如請求項8之方法,其中該UWFOV反射表面具有大於約120度之一FOV。
- 如請求項8之方法,其中該UWFOV反射表面具有大於約140度之一FOV。
- 如請求項8之方法,其中:該窄束光源包括第一複數個表面元件;該UWFOV反射表面包括第二複數個表面元件;該發散反射表面包括第三複數個表面元件;及該第一複數個表面元件中之表面元件分別對應於該第二複數個表面元件中之表面元件及該第三複數個表面元件中之表面元件。
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