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JP2003295319A - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

光源装置及びプロジェクタ

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Publication number
JP2003295319A
JP2003295319A JP2002102778A JP2002102778A JP2003295319A JP 2003295319 A JP2003295319 A JP 2003295319A JP 2002102778 A JP2002102778 A JP 2002102778A JP 2002102778 A JP2002102778 A JP 2002102778A JP 2003295319 A JP2003295319 A JP 2003295319A
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JP
Japan
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light
phosphor
laser
light source
source device
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JP2002102778A
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Hideo Hara
秀雄 原
Fumiaki Koizumi
文明 小泉
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Nitto Optical Co Ltd
Original Assignee
Nitto Optical Co Ltd
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Publication date
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    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03BAPPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14Details
    • G03B21/20Lamp housings
    • G03B21/2006Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033LED or laser light sources
    • G03B21/204LED or laser light sources using secondary light emission, e.g. luminescence or fluorescence

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源として発光ダイオードを用いた場合、光
量が小さいため、高い出力を必要とする光源装置では、
発光ダイオードを複数個使用する必要があり、光源装置
の小型化に限界があるという問題があった。一方、レー
ザダイオードを用いれば十分な出力が得られるが、レー
ザ光はコヒーレント光であるため、人の眼に対する安全
性の面で問題があった。 【解決手段】 短波長のレーザ光を出射するレーザダイ
オードと、該レーザダイオードからのレーザ光を平行光
線束とするコリメータと、該コリメータからの平行光線
束のレーザ光を集光するコンデンサと、該コンデンサで
集光したレーザ光を吸収し自然放出光としてインコヒー
レント光を放出する蛍光体とを有するため、光量が大き
いがコヒーレント光であるレーザ光が蛍光体によって吸
収作用を受け、蛍光体からはインコヒーレント光が自然
放出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザダイオード
を用いた光源装置及びプロジェクタに関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、光源装置としては、一般に高
圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの放電系光源
を用いたものが知られているが、光源の集光効率が悪
い。そこで、特許第2567552号公報、特開平10−
269802号公報、特開昭61−41133号公報に
記載されるように、固体光源である発光ダイオードを光
源とする光源装置が知られている。また、固体光源とし
ては、エレクトロルミネッセンスやレーザダイオードも
知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、光源として発
光ダイオードを用いた場合、1つの発光ダイオードから
出射される光量は一般にきわめて小さいため、高い出力
を必要とする光源装置では、発光ダイオードを複数個使
用する必要があり、光源装置の小型化に限界があるとい
う問題があった。また、エレクトロルミネッセンスは、
低輝度面発光であるため、投射照明用の光源装置には適
さないという問題があった。
【0004】一方、レーザダイオードは、電力・光変換
効率が発光ダイオードの数倍高いため、レーザダイオー
ドを用いれば十分な出力が得られるが、レーザダイオー
ドから出射されるレーザ光はコヒーレント光であるた
め、人の眼に対する安全性の面で問題があった。
【0005】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてな
されたもので、小型でしかも十分な出力を有し、かつ人
の眼に対して安全な光源装置と、該光源装置を使用した
プロジェクタとを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項1記載の光源装置は、短波長のレーザ光を出射
するレーザダイオードと、該レーザダイオードからのレ
ーザ光を平行光線束とするコリメータと、該コリメータ
からの平行光線束のレーザ光を集光するコンデンサと、
該コンデンサで集光したレーザ光を吸収し自然放出光と
してインコヒーレント光を放出する蛍光体とを有するこ
とを特徴とする。
【0007】本発明における蛍光体とは、通常の蛍光物
質の他に色素や固体レーザ媒質等、短波長光を吸収して
それより長い波長の可視域の蛍光を発するものを含む。
【0008】本発明によれば、レーザダイオードの前方
にコリメータとコンデンサおよび蛍光体が設けられてい
るため、レーザダイオードから出射されたコヒーレント
光であるレーザ光は、コリメータを通過することによっ
て平行光線束となり、コンデンサによって集中して蛍光
体に入射する。レーザ光が蛍光体に入射することによっ
て、蛍光体内で励起が起こり、蛍光体内のエネルギーは
高いエネルギー準位(励起準位)に遷移するが、この状
態は不安定であるため一定時間経過後もとの基底準位ま
たは励起準位と基底準位の間の準安定準位に遷移し、自
然放出がなされる。ここで、蛍光体は、短波長光を吸収
してそれより長い波長の可視域の蛍光を発するものであ
るため、蛍光体からは自然放出光としてインコヒーレン
ト光が放出される。
【0009】ここで、光源装置をより小型化するため
に、請求項2記載の光源装置は、短波長のレーザ光を出
射するレーザダイオードと、該レーザダイオードのレー
ザ光出射端に密着して設けられレーザダイオードから出
射されたレーザ光を吸収し自然放出光としてインコヒー
レント光を放出する蛍光体とを有することを特徴とす
る。
【0010】本発明によれば、蛍光体がレーザダイオー
ドのレーザ光出射端に密着して設けられているため、レ
ーザダイオードから出射されたレーザ光は蛍光体に入射
し、蛍光体内で吸収され波長が弱められて、蛍光体から
はインコヒーレント光が自然放出される。
【0011】ところで、蛍光体から自然放出されるイン
コヒーレント光は四方に発散するため、このままでは一
定方向の光線として利用することができない。そこで、
請求項3記載の光源装置は、請求項1又は2記載の光源
装置において、前記蛍光体が放物反射面又は楕円反射面
のほぼ焦点に位置するように可視光反射鏡を設けたこと
を特徴とする。
【0012】本発明によれば、可視光反射鏡の放物反射
面又は楕円反射面のほぼ焦点に蛍光体が位置しているた
め、蛍光体から四方に自然放出されるインコヒーレント
光(可視光)が放物反射面又は楕円反射面で反射し、所
望の方向に出射する光線となる。
【0013】ここで、請求項3記載の光源装置において
は、前記レーザダイオードから出射されるレーザ光を放
物反射面又は楕円反射面の中心軸に沿って導入すること
が好ましい。
【0014】ところで、請求項1〜4記載の光源装置で
は、蛍光体のレーザ光の進行方向の大きさや蛍光体の種
類によっては、レーザ光の一部が蛍光体で吸収されずに
出射する。そこで、請求項5記載の光源装置は、請求項
1〜4記載の光源装置において、前記蛍光体を通過した
レーザ光を反射して蛍光体に集中させるレーザ光反射鏡
を有することを特徴とする。
【0015】本発明によれば、レーザ光反射鏡が蛍光体
の前方に設けられているため、一旦蛍光体から出射した
レーザ光はレーザ光反射鏡で反射して、蛍光体に集中し
て再び入射し、吸収作用を受ける。
【0016】請求項6記載のプロジェクタは、請求項1
〜5いずれか記載の光源装置を備えることを特徴とす
る。
【0017】本発明によれば、請求項1〜5いずれか記
載の光源装置を備えるため、小型でしかも十分な出力を
有し、かつ人の眼に対して安全な光源装置を有するプロ
ジェクタの実現が図れる。
【0018】請求項7記載のプロジェクタは、請求項6
記載のプロジェクタにおいて、赤緑青の三原色の光を出
射する光源装置を備えることを特徴とする。
【0019】本発明によれば、請求項1〜4いずれか記
載の光源装置であってR(赤)、G(緑)、B(青)の三
原色の光を出射するものを備えるため、小型でしかも十
分な出力を有し、人の眼に対して安全な光源装置を備
え、かつ、ダイクロイックミラーなどにより3原色に分
光することなくカラー表示をすることができるプロジェ
クタの実現が図れる。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明による光源装置は、レーザ
ダイオードである紫外線LD素子1と、紫外線LD素子
1の前方に設けられたコリメータであるコリメートレン
ズ3と、コリメートレンズ3の前方に設けられたアパー
チャ4と、アパーチャ4の前方に設けられたコンデンサ
であるコンデンサレンズ5と、コンデンサレンズ5の前
方に設けられた蛍光体6と、蛍光体6の前方に設けられ
たレーザ光反射鏡である紫外線反射鏡7と、放物反射面
の内側にコンデンサレンズ5,蛍光体6および紫外線反
射鏡7が配置されるように設けられた可視光反射鏡9と
によって構成されている。
【0021】紫外線LD素子1は、コヒーレント光であ
る紫外線レーザ光を出射するものである。レーザ光2は
コリメートレンズ3に向けて出射される。
【0022】コリメートレンズ3は、光を平行にする機
能を有する平凸レンズであり、レンズの平坦面を外側に
向けた状態で、紫外線LD素子1の前方に所定の距離を
おいて配置されている。これにより、紫外線LD素子1
から出射されたレーザ光2は、コリメートレンズ3を通
過して平行光線束となり、アパーチャ4に向けて出射さ
れる。
【0023】アパーチャ4は、後述の可視光反射鏡9に
設けられた紫外線LD素子1からのレーザ光2を通す孔
9bに、コリメートレンズ3によって平行光線束となっ
たレーザ光2を通過させることが出来るように調節する
ためのものである。これにより、レーザ光2が可視光反
射鏡9に設けられた孔9bを通過し、可視光反射鏡9の
放物反射面の内面に設けられているコンデンサレンズ5
に照射される。
【0024】コンデンサレンズ5は、集光機能を有する
凸レンズであり、アパーチャ4を通過したレーザ光2の
平行光線束をコンデンサレンズ5の前方に設けられてい
る蛍光体6に集中させうる形状を有するとともに、所定
の位置に設けられている。これにより、平行光線束であ
ったレーザ光2が蛍光体6に集中して入射される。
【0025】蛍光体6は、入射するレーザ光2の波長が
該蛍光体6の吸収スペクトル領域に存在する特性を有す
る材料により作られている。蛍光体6は、集光したレー
ザ光2が入射しうる面積を有し、次式を勘案して設定さ
れた所定の長さ(厚さ)を有する。
【0026】 吸収強度:A0−A=A0(1−exp[−αL]) ここで、Aは蛍光体6のレーザ光透過強度、A0は蛍光
体6への入射光強度、αは吸収係数、Lは蛍光体6の長
さを表す。レーザ光2が蛍光体6に入射されると、これ
によって蛍光体6内で励起が起こり、蛍光体6内のエネ
ルギーは高いエネルギー準位(励起準位)に遷移する
が、不安定であるため一定時間経過後もとの基底準位ま
たは励起準位と基底準位の間の準安定準位に遷移する。
このとき、レーザ光2は蛍光体6内で吸収され強度が弱
められるため、蛍光体6からは自然放出光8aとしてイ
ンコヒーレント光が放出される。これを蛍光体6の吸収
・発光に関する利得スペクトルで表したものが図3であ
る。すなわち、蛍光体6は(B)に示すような吸収スペ
クトルを有するため、(A)に示すようなスペクトルを
有するレーザ光を吸収し、(C)に示すようなスペクト
ルを有する自然放出光を放出する。ここで、蛍光体6の
長さや蛍光体6の種類によっては、レーザ光2の一部が
蛍光体6内で吸収されずに紫外線反射鏡7に向けて出射
する。
【0027】紫外線反射鏡7は、放物面を有し、蛍光体
6を通過したレーザ光2を後方に設けられている蛍光体
6に集中させうる形状を有するとともに、所定の位置に
設けられている。これにより、蛍光体6に吸収されずに
蛍光体6から出射されたレーザ光2が全反射して再び蛍
光体6に入射される。なお、蛍光体6がレーザ光2を十
分に吸収しうる長さを有する場合には、紫外線反射鏡7
は省略することができる。
【0028】可視光反射鏡9は、放物反射面9aを有
し、蛍光体6からほぼ全立体角に出射される自然放出光
8aを所望の方向の平行光線束8bとしうる形状とし、
蛍光体6が放物反射面9aのほぼ焦点に位置するように
設けられている。この放物反射面9aの一部には、紫外
線LD素子1からのレーザ光2をコンデンサレンズ5さ
らには蛍光体6へ導く孔9bが、レーザ光2が放物反射
面9aの中心軸に沿って導入されるように設けられてい
る。
【0029】本発明による光源装置は、以上のような構
成であるため、紫外線LD素子1から出射されたコヒー
レント光であるレーザ光2は、コリメートレンズ3を通
過することによって平行光線束となり、アパーチャ4,
コンデンサレンズ5を通過することによって蛍光体6に
集中する。レーザ光2が蛍光体6に入射されると、蛍光
体6内で励起が起こり、レーザ光2は蛍光体6内で吸収
され強度が弱められて、蛍光体6からは自然放出光8a
としてインコヒーレント光が自然放出される。ここで、
蛍光体6に吸収されなかったレーザ光2は蛍光体6から
漏れ出すが、このレーザ光2は紫外線反射鏡7で反射
し、再び蛍光体6に入射して吸収作用を受け、自然放出
光8aが放出される。蛍光体6から自然放出された自然
放出光8aであるインコヒーレント光は、可視光反射鏡
9で反射し、所定の方向に進む平行光線束8bとなる。
【0030】以上より、本発明による光源装置によれ
ば、紫外線LD1からの十分な光量をもつコヒーレント
光であるレーザ光2をインコヒーレント光(自然放出光
8a)に変換することによって、小型でかつ光量が大き
く安全性の高い光束を得ることが出来る。
【0031】本実施の形態による光源装置の数値例とし
て、紫外線LD素子1から出射されるレーザ光2の出力
Pin=50mW、蛍光体6の長さL=1mm、蛍光体6
のレーザ光2の吸収係数α=2.0/mmとした場合、
紫外線LD素子1からのレーザ光2が蛍光体6に吸収さ
れずに一旦は蛍光体6から出射され紫外線反射鏡7によ
って反射されて、再び蛍光体6に入射されることによっ
て吸収されるものを含めると、紫外線LD素子1から出
射されたレーザ光2の約98%が蛍光体6により吸収さ
れる。ところで、蛍光体6に入射されたレーザ光2は、
蛍光体6内物質の価電子の励起に用いられそのほとんど
がより波長の長い光として再放出されるが、励起された
一部の価電子はその励起エネルギーを非放射過程で物質
内に散逸する。この際の蛍光体6に入射されるレーザ光
2が再放出に寄与する確率をηとすると、 Eph=ηEab である。ここで、Ephは蛍光体6から放出される自然放
出光8aの強度、Eabは蛍光体6に入射されるレーザ光
2の強度を表す。そこで、η=0.9とすると、蛍光体
6からの自然放出光8aの出力Pout=45mWとな
る。この値は、通用の発光ダイオード約10〜15個分
の出力である。したがって、発光ダイオード約10〜1
5個分の光源と同じ出力を1個の紫外線LD素子1と1
個の蛍光体6からなる光源によって実現することがで
き、部品点数が少なくてすむ。また、1個の紫外線LD
素子1と1個の蛍光体6の体積は、発光ダイオード10
個の集積体の体積よりはるかに小さいため、同じ出力で
より小さい光源を実現することができる。
【0032】図2は、上記光源装置であってR(赤)、
G(緑)、B(青)の三原色を発光するものを用いたプ
ロジェクタの構成を表す図である。
【0033】このプロジェクタは、R(赤)、G
(緑)、B(青)の三原色をそれぞれ発光する光源装置
11,12,13と、これらの光源装置11,12,1
3を三方から向かい合わせたその中央に設けられた色合
成プリズム14と、色合成プリズム14の前方に設けら
れたインテグレータ15と、偏光変換素子16とフィー
ルドレンズ17、及び集光レンズ18、液晶表示パネル
19と投射レンズ20とによって構成されている。
【0034】光源装置11,12,13は、上述の光源
装置を用いるが、光源装置11,12,13を構成する
蛍光体11a,12a,13aの材質として、蛍光体1
1a,12a,13aが自然放出する際にそれぞれR
(赤)、G(緑)、B(青)を発光するものを採用した
ものとする。例えば、R(赤)を発光させるためには蛍
光体11aの材質を硼酸カドミウムに、G(緑)を発光
させるためには蛍光体12aの材質を珪酸亜鉛に、B
(青)を発光させるためには蛍光体13aの材質をタン
グステン酸カルシウムにするとよい。これにより、紫外
線LD素子1から出射されたコヒーレント光であるレー
ザ光2は、コリメートレンズ3、アパーチャ4、コンデ
ンサレンズ5を通過することによって蛍光体11a,1
2a,13aに集中して入射し、蛍光体11a,12
a,13a内で吸収され強度が弱められて、蛍光体11
a,12a,13aからはそれぞれR(赤)、G
(緑)、B(青)のインコヒーレント光が放出される。
各光源装置11,12,13は三方から向かい合って配
置されており、その中央には色合成プリズム14が設け
られているため、各光源装置11,12,13から放出
された光は色合成プリズム14に入射する。
【0035】色合成プリズム14は、三方から入射した
R(赤)、G(緑)、B(青)の光を合成された状態で
所定の方向へ放出しうる形状を有する。これにより、各
光源装置11,12,13から放出されたR(赤)、G
(緑)、B(青)の光は、色合成プリズム14によって
それぞれ屈折し、三原色が合成された状態で色合成プリ
ズム14の前方に設けられたインテグレータ15に入射
する。
【0036】インテグレータ15は、入射光の照度分布
を均一化して出射させ、インテグレータ15から出射さ
れた光は偏光変換素子16に入射する。偏光変換素子1
6は、インテグレータ15からの出射光を特定の直線偏
光方向に揃えて出射させる。偏光変換素子16から出射
された光は、光を液晶表示パネル19に集光するための
フィールドレンズ17、集光レンズ18を介して、液晶
表示パネル19に照射され、ここで形成された画像が投
影レンズ20で図示しないスクリーンに拡大投影され
る。
【0037】以上より、本実施の形態によれば、小型で
しかも十分な出力を有し、かつ人の眼に対して安全な光
源装置11,12,13を有し、かつ、ダイクロイック
ミラーなどにより3原色に分光することなくカラー表示
をすることができるため、安全で小型なプロジェクタが
実現できる。
【0038】なお、紫外線とは一般に波長400nm以
下の光をいうが、本発明における紫外線には400nm
から410nm程度の波長の光も含まれる。
【0039】また、発明の実施の形態では、本発明によ
る光源装置を利用するものとしてプロジェクタを記載し
たが、これに限るものではなく、本発明による光源装置
は、車載のヘッドランプやサーチライト等にも利用する
ことができる。
【0040】
【発明の効果】本発明によれば、レーザダイオードの前
方にコリメータとコンデンサおよび蛍光体が設けられて
いるため、光量が大きいがコヒーレント光であるレーザ
光が、コリメータ,コンデンサを通過することによって
集中して蛍光体に入射し吸収作用を受け、蛍光体からは
インコヒーレント光が自然放出されるので、小型でしか
も十分な出力を有し、かつ人の眼に対して安全な光源装
置が実現できる。ここで、コリメータ,コンデンサを省
略しレーザダイオードに密接して蛍光体を設ければ、さ
らに小型化することができる。
【0041】また、レーザ光が集中して蛍光体に入射し
吸収作用を受け、蛍光体からインコヒーレント光が四方
に自然放出されるため、蛍光体が放物反射面又は楕円反
射面のほぼ焦点に位置するように可視光反射鏡を設けれ
ば、蛍光体から四方に放出されるインコヒーレント光が
可視光反射鏡で反射するので、容易に平行光線束を得る
ことができる。
【0042】また、蛍光体のレーザ光の進行方向の大き
さや蛍光体の種類によっては、レーザ光の一部が蛍光体
で吸収されずに出射するするが、レーザ光反射鏡を蛍光
体の前方に設けることにより、一旦蛍光体から出射した
レーザ光がレーザ光反射鏡で反射して、蛍光体に再び入
射し吸収作用を受けるため、より効率的で安全な光源装
置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光源装置の構成を示した図であ
る。
【図2】本発明に係るR(赤)、G(緑)、B(青)の各
色を発光する光源装置を組み合わせたプロジェクタの構
成を示した図である。
【図3】本発明に係る光源装置を構成する蛍光体の吸収
・発光に関する利得スペクトルで表した図であり、
(A)はレーザダイオードから出力される光のスペクト
ルを表したもので、(B)は蛍光体の吸収スペクトルを
表したもので、(C)は蛍光体から出力される光のスペ
クトルを表したものである。
【符号の説明】
1 紫外線LD素子 2 レーザ光 3 コリメートレンズ 4 アパーチャ 5 コンデンサレンズ 6 蛍光体 7 紫外線反射鏡 8 インコヒーレント光(可視光) 9 可視光反射鏡 11 赤色発光光源装置 12 緑色発光光源装置 13 青色発光光源装置 14 色合成プリズム 15 インテグレータ 16 偏光変換素子 17 フィールドレンズ 18 集光レンズ 19 液晶表示パネル 20 投射レンズ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 短波長のレーザ光を出射するレーザ
    ダイオードと、該レーザダイオードからのレーザ光を平
    行光線束とするコリメータと、該コリメータからの平行
    光線束のレーザ光を集光するコンデンサと、該コンデン
    サで集光したレーザ光を吸収し自然放出光としてインコ
    ヒーレント光を放出する蛍光体とを有することを特徴と
    する光源装置。
  2. 【請求項2】 短波長のレーザ光を出射するレーザ
    ダイオードと、該レーザダイオードのレーザ光出射端に
    密着して設けられレーザダイオードから出射されたレー
    ザ光を吸収し自然放出光としてインコヒーレント光を放
    出する蛍光体とを有することを特徴とする光源装置。
  3. 【請求項3】 前記蛍光体が放物反射面又は楕円反
    射面のほぼ焦点に位置するように可視光反射鏡を設けた
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の光源装置。
  4. 【請求項4】 前記レーザダイオードから出射され
    るレーザ光を放物反射面又は楕円反射面の中心軸に沿っ
    て導入することを特徴とする請求項3記載の光源装置。
  5. 【請求項5】 前記蛍光体を通過したレーザ光を反
    射して蛍光体に集中させるレーザ光反射鏡を有すること
    を特徴とする請求項1〜4いずれか記載の光源装置。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5いずれか記載の光源装
    置を備えることを特徴とするプロジェクタ。
  7. 【請求項7】 赤緑青の三原色の光を出射する光源
    装置を備えることを特徴とする請求項6記載のプロジェ
    クタ。
JP2002102778A 2002-04-04 2002-04-04 光源装置及びプロジェクタ Expired - Fee Related JP4054594B2 (ja)

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