DE2260285A1 - VISIBLE LIGHT EMITTING DEVICE - Google Patents
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Description
173, Bd. Haussmann
Paris 8e/Frankreich -.173, vol. Haussmann
Paris 8e / France -.
undand
CENTRE NATIONAL D1ETUDES DES TELECOMMÖKLCATTOilSCENTER NATIONAL D 1 ETUDES DES TELECOMMÖKLCATTOilS
38-40 rue du General-Leclerc
Issy-les Moulineaux/Frankreich 38-40 rue du General-Leclerc
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Unser Zeichen: T 1312Our reference: T 1312
Sichtbares Licht emittierende VorrichtungVisible light emitting device
Die Erfindung betrifft sichtbares Licht aussendende Vorrichtungen, die aus einer Infrarotlicht emittierenden im festen Zustand elektrolumineszierenden Vorrichtung, gekoppelt mit einer die infrarotstrahlung absorbierenden fotolumineszierenden Vorrichtung bestehen, wobei die letztere dann sichtbares Licht aussendet.The invention relates to devices emitting visible light, the solid state electroluminescent device emitting infrared light, coupled with one that absorbs infrared radiation photoluminescent device exist, the latter then emits visible light.
Der Vorteil einer solchen sichtbares Lichtemittierenden · Vorrichtung besteht in der Möglichkeit, sichtbare Strahlung verschiedener Farben zu erhalten, indem man die sogenannten " Vandler"-Materialien in der fotolumineszierenden Vorrichtung in geeigneter Weise wählt.The advantage of such a visible light emitter Device consists in the possibility of obtaining visible radiation of different colors by using the so-called "Vandler" materials in the photoluminescent device chooses in an appropriate manner.
Dr.Ha/MkDr Ha / Mk
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Das Prinzip der Umwandlung von Infrarotstahlung in sichtbare Strahlung wird nachstehend erläutert. Infrarotphotonen werden beispielsweise von einer elektrolumineszierenden Diode aus mit Silizium dotiertem Galliumarsenid ausgesendet, wobei diese Diode in das Wandlermaterial eingebettet ist. Diese Infrarotphotonen werden von Ytterbiumioneh (Yb+) absorbiert; diese Absorption ist optimal, wenn die Wellenlänge des Infrarot 0,97 Mikron beträgt. Die so absorbierte Energie wird im Innern des Wandlermaterials ausgenutzt, um nacheinander beispielsweise Erbiumionen (Er+++) oder Thuliumionen (Tm+++) zu erregen, die sich dann unter Aussendung von Photonen mit der gleichen bzw. doppelten oder dreifachen der einfallenden Energie abreagieren und zwar ohne Verletzung des Prinzips der Umwandlung von Energie, da zwei oder drei Photonen dann ihre Energie auf ein einziges ausgesendetes Photon übertragen. Wenn die Verluste in Form von Wärme hoch sind, kann man ausgesandte Photonen mit einer geringeren Energie als das zweifache oder dreifache der Energie der einfallenden Photonen erhalten.The principle of converting infrared radiation into visible radiation is explained below. Infrared photons are emitted, for example, by an electroluminescent diode made of gallium arsenide doped with silicon, this diode being embedded in the converter material. These infrared photons are absorbed by ytterbium ion (Yb + ); this absorption is optimal when the infrared wavelength is 0.97 microns. The energy absorbed in this way is used inside the transducer material to excite, for example, erbium ions (Er +++ ) or thulium ions (Tm +++ ) one after the other, which then emit photons with the same or double or triple the incident energy react without violating the principle of the conversion of energy, since two or three photons then transfer their energy to a single emitted photon. When the losses in the form of heat are high, emitted photons can be obtained with an energy less than two or three times the energy of the incident photons.
Man kann somit Infrarotlicht in sichtbares Licht verschiedener Farbe Je nach der Art der zu Beginn verwendeten seltenen Erde umwandeln. Diete "Multiphoton"-Wandlerstoffe befinden sich in Form von Pulvern, und lassen praktisch alle gewünschten Farben erzielen.One can thus convert infrared light into visible light of various colors depending on the type of light used at the beginning convert rare earth. The "multiphoton" transducer substances are in the form of powders and can be used to achieve practically any desired color.
Leider bleibt die Absorption der das Wandlermaterial bildenden Stoffe im Infrarot immer gering, während die Absorption im Sichtbaren ziemlich groß ist; außerdem zeigt die Wahrscheinlichkeitsrechnung, daß beispielsweise im Fall eines "biphoton" Vorgangs der Grad der Energie-Unfortunately, the absorption of the substances forming the transducer material in the infrared always remains low while the absorption in the visible is quite large; moreover, the calculus of probability shows that, for example in the case of a "biphoton" process, the degree of energy
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umwandlung proportional dem Quadrat der absorbierten Infrarotstrahlung ist. Daraus folgt, daß in der Praxis die Umwandlung ■nur an Stellen hoher Dichte von Infrarotlicht wirksam ist.conversion is proportional to the square of the infrared radiation absorbed. It follows that in practice the conversion ■ is effective only in areas of high density of infrared light.
Um in den auf diesem Umwandlungsprinzip beruhenden Systemen eine gute Gesamtausbeute zu erzielen, müßten somit Vorrichtur»: gen verwendet werden in denen:Be used gen in which: to achieve a good overall yield in the conversion based on this principle systems, thus would Vorrichtur ":
1. Die Bahn der Infrarotphotonen in dem Wandlermaterial so lang wie möglich ist, damit die Absorption an Infrarotstrahlung hoch ist;1. The path of the infrared photons in the transducer material is as long as possible so that the absorption of infrared radiation is high;
2. hingegen die Bahn der Photonen von sichtbarem Licht in dem absorbierenden Material möglichst kurz ist, damit ihre Absorption gering ist.2. On the other hand, the path of the photons of visible light in the absorbing material is as short as possible, so that their absorption is low.
Die Erfindung ermöglicht die Lösung dieses Problems.The invention enables this problem to be solved.
Die erfindungsgemässe, sichtbares Licht emittierende Vorrichtung, die eine Quelle für energiearme Photonen (Infrarotstrahlung) besitzt, kennzeichnet sich dadurch, daß diese Quelle einem Wandlermaterial zugeordnet ist, das energiereiche Photonen (sichtbares Licht) aussenden kann und auf welches Reflektoren die energiearmen Photonen richten, wobei diese Reflektoren so ausgebildet sind, daß die energiearmen Photonen eine möglichst lange Bahn in dem Wandlermaterial zur Erhöhung der Volumendichte an energiearmen Photonen in dem Material zurücklegen und daß energiereiche Photonen vorhanden sind, die in dem Wandlermaterial eine möglichst kurze Bahn zurücklegen.The device according to the invention, emitting visible light, which is a source of low-energy photons (Infrared radiation) has, is characterized in that this source is assigned to a transducer material that high-energy photons (visible light) can emit and on which reflectors the low-energy photons direct, these reflectors are designed so that the low-energy photons as long a path as possible in the converter material to increase the volume density of low-energy photons in the material and that there are high-energy photons which travel as short a path as possible in the transducer material.
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Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich.The invention can be better understood from the following description in conjunction with the drawing.
In der Zeichnung zeigen:In the drawing show:
Fig. 1 und 2 Schnittansichten, welche die Zonen grösster Helligkeit in den bekannten Vorrichtungen zeigen;Fig. 1 and 2 sectional views showing the largest zones Show brightness in the known devices;
Fig. 3 bis 7 entsprechende Schnittansichten erfindungsgemässer Vorrichtungen.3 to 7 corresponding sectional views according to the invention Devices.
In allen dargestellten Vorrichtungen sind die Abmessungen der Diode vergrößert gegenüber denjenigen der gesamten Vorrichtung.In all of the devices shown, the dimensions of the diode are larger than those of the entire device Contraption.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer bekannten Vorrichtung. Sie besitzt eine elektrolumineszierende Diode 10, die aus einer η-dotierten Zone gebildet ist, welche mit einer p-dotierten Zone einen Flächenübergang 1 bildet. Bekanntlich besitzen solche Dioden einen lichtemittierenden Übergang, wenn sie aus geeignetem Material, z.B. Galliumarsenid, bestehen und sie sind in gerader Richtung polarisiert. Ein Mittel, ure Dioden mit grosser Helligkeit zu erhalten, besteht darin, durch Epitaxie in flüssiger Phase auf einem ebenen, beispielsweise p-dotierten Material ein η-dotiertes Material abzuscheiden. Man erhält so Dioden mit ebenen pn-übergang in Form eines Zylinders oder Quaders. Man erhält eine Zone grosser Helligkeit 5, welche den Übergang umgibt. Die an den verschiedenen Stellen des Übergangs ausgesendeten Photonen bildenFig. 1 shows a sectional view of a known device. It has an electroluminescent diode 10, which consists of an η-doped zone is formed, which forms a surface transition 1 with a p-doped zone. As is well known Such diodes have a light-emitting junction if they are made of a suitable material, e.g. gallium arsenide, exist and they are polarized in a straight line. A means of obtaining very bright diodes, consists in epitaxy in the liquid phase on a flat, for example p-doped material η-doped material to be deposited. This gives diodes with a flat pn junction in the form of a cylinder or Cuboid. A zone of great brightness 5 is obtained which surrounds the transition. The ones at the different Form places of transition emitted photons
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in dieser Zone dichte Lichtströme. Das Wandlermaterial 4 umgibt die Diode und seine Lumineszenz ist in der Zone 5, die eine Krone rund um die Diode bildet, maximal. Die Anschlüsse 2 und 3 sind die Polarisationsansehlüsse der Diode, die, um Licht auszusenden von einem Gleichstrom durchflossen werden muß.dense luminous fluxes in this zone. The converter material 4 surrounds the diode and its luminescence is in zone 5, which forms a crown around the diode, maximum. The connections 2 and 3 are the polarization connections of the Diode through which a direct current must flow in order to emit light.
Die Figur 2 (in welcher gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind) unterscheidet sich von Flg. 1 dadurch, daß die Diode in Form eines Kegelstumpfs ausgebildet ist, dessen Basis mit geringerem Querschnitt einem auf der Achse XX der Diode plazierten Beobachter auf der η-dotierten Seite des Übergangs zugewendet ist, was es ihm ermöglicht, die lümineszierende Zone besser zu sehen.FIG. 2 (in which the same parts are provided with the same reference numerals) differs from FIG. 1 in that the diode is in the form of a truncated cone the base of which is of smaller cross-section to an observer placed on the axis XX of the diode on the η-doped side of the junction is facing, which enables him to better the luminescent zone to see.
Diese beiden Vorrichtungen sind bekannt und besitzen zwei Nachteile: ■These two devices are known and have two disadvantages: ■
a) Die Bahn der von der Diode ausgesendeten energiearmen Photonen ist kurz; sie werden daher wenig absorbiert;a) The path of the low energy emitted by the diode Photon is short; they are therefore little absorbed;
b) die lümineszierende Zone befindet sich nicht in unmittelbarer Nähe der Trennfläche des Materials 4 und des Umgebungsmilieus; ein Beobachter sieht sie nur durch eine energiereiche Photonen absorbierende Zone, die aus dem Material 4 besteht.b) the luminescent zone is not in the immediate vicinity Proximity of the interface of the material 4 and the surrounding environment; an observer sees them only through a high-energy photon-absorbing zone, which consists of the material 4.
Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie ermöglicht die Beseitigung dieser Nachteile.A first embodiment of a device according to the invention is shown in FIG. It enables the elimination of these disadvantages.
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Diese Figur zeigt einen Schnitt durch eine Metallmulde mit ebenem Boden 31 und zylindrischen Seitenwänden 32. Diese Mulde ist mit dem Wandlermaterial 4 gefüllt. Am Boden ist die p-leitende Zone der Diode 10 abgeschieden. Die Innenfläche dieser Metallmulde (z.B. aus Kupfer) wurde vorher so vergoldet, daß sie einen ausgezeichneten Reflexionskoeffizienten für Lichtstrahlung besitzt. Ein von dem Übergang ausgesendeter Infrarotstrahl, z.B. der Strahl EIJK wird bei I an der Wand 33 reflektiert und am Punkt J gebrochen, wo er die Trennfläche zwischen dem Material 4 und der Umgebungsluft durchquert. Man sieht, daß der Weg- der Infrarotstrahlen in dem Material 4 langer ist als er ohne Wand 32 wäre. Wenn man ausserdem einen inThis figure shows a section through a metal trough with a flat bottom 31 and cylindrical side walls 32. This The trough is filled with the transducer material 4. The p-conductive zone of the diode 10 is deposited on the bottom. The inner surface This metal trough (e.g. made of copper) was previously gilded in such a way that it has an excellent reflection coefficient for light radiation. One of that Transition of the emitted infrared beam, e.g. the beam EIJK, is reflected at I on the wall 33 and at point J. broken where it crosses the interface between the material 4 and the ambient air. You can see that the Path of the infrared rays in the material 4 is longer than it would be 32 without wall. If you also have an in
der Bahn EI des Strahls gelegenen Punkt M1 und einenthe orbit EI of the beam located point M 1 and a
ι j ι j
auf der Bahn IJ giLegenen Punkt Mp betrachtet, weiß man, daß Photonen sichtbaren Lichts an diesen Punkten durch die dort befindlichen Emitterionen ausgesendet werden. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß diese Photonen eine kürzere Bahn beschreiben müssen, um in die Umgebung auszutreten, wenn sie vom Punkt Mp kommen als wenn sie vom Punkt M>· kommen. Das heißt, daß auf dieser Bahn IJ Photonen entstehen, deren Chance, absorbiert zu werden geringer ist als der auf der Bahn EI entstehenden Photonen. Die Licht emittierende Zone findet sich daher in einem Bereich konzentriert, der sehr nahe an der Trennfläche liegt, was die Helligkeit verbessert.Looking at point Mp on the IJ giLegenen railway, one knows that photons of visible light are emitted at these points by the emitter ions located there. From Fig. 3 it follows that these photons must describe a shorter path in order to exit into the environment, if they come from point Mp than if they come from point M> come. This means that photons arise on this orbit IJ, whose chance of being absorbed is lower is than the photons arising on the orbit EI. the The light-emitting zone is therefore concentrated in an area that is very close to the interface lies, which improves the brightness.
In Fig. 4 und 5 besitzt die Mulde die Form eines Kegelstumpfs ( ebener Boden 41, Seitenwand 42, Fig. 4) bzw. die Form eines Abschnitts eines Umdrehungsparaboloids um die Achse XX, dessen Fokus in der Ebene des pn-übergangs liegt ( ebener Boden 51, Seitenwand 52, Fig. 5). Der inIn Fig. 4 and 5, the trough has the shape of a truncated cone (flat bottom 41, side wall 42, Fig. 4) or the shape of a section of a paraboloid of revolution around the axis XX, its focus in the plane of the pn junction lies (flat floor 51, side wall 52, Fig. 5). The in
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den beiden Figuren gezogene Strahl EI liegt in der -Ebene des pn-Übergangs. Genau in Nähe dieser Ebene ist jedoch der entlang der Achse EI gerichtete Strom von,Infrarotphotonen am grössten, denn hier addieren sich die aus dem gesamten pn-übergang kommenden Ströme. infolgedessen nützt man in den Vorrichtungen von Fig. 4 und 5 die in der Ebene des pn-Übergangs ausgesendeten Strahlen am besten.The ray EI drawn in the two figures lies in the plane of the pn junction. However, exactly in the vicinity of this plane is the stream of infrared photons directed along the axis EI the greatest, because this is where the currents coming from the entire pn junction add up. Consequently In the devices of FIGS. 4 and 5, use is made of the beams emitted in the plane of the pn junction preferably.
Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung analog derjenigen von Fig. 5, jedoch mit einem zusätzlichen Vorteil. Diese Vorrichtung besitzt einen Spiegel 60, der die aus dem Metallspiegel 32 gebildete Mulde abschließt, jedoch zwischen dem Material 4 und dem Spiegel selbst einen %Zwischenraum 61 läßt. Der Spiegel 60 ist selektiv, d.h. er reflektiert die Infrarotstrahlung ( mit einer Wellenlänge von 0,97 Mikron im Fall von mit Silizium dotiertem Galliumarsenid). Der Spiegel ist durchlässig für Strahlung geringerer Wellenlänge. Er besteht beispielsweise aus dielektrischen Schichten mit jeweils einer Dicke, die gleich dem Viertel der Wellenlänge ist, die er reflektieren kann. Man kann solche Spiegel herstellen, · welche selektiv das nahe Infrarot reflektieren, wie das erfindungsgemäß der Fall ist.FIG. 6 shows a device analogous to that of FIG. 5, but with an additional advantage. This apparatus has a mirror 60 which closes the cavity formed by the metal mirror 32, but between the material 4 and the mirror itself leaving a gap% 61st The mirror 60 is selective, that is, it reflects infrared radiation (with a wavelength of 0.97 microns in the case of silicon-doped gallium arsenide). The mirror is permeable to radiation of shorter wavelengths. It consists, for example, of dielectric layers, each with a thickness that is equal to a quarter of the wavelength that it can reflect. Such mirrors can be produced which selectively reflect the near infrared, as is the case according to the invention.
Fig. 6 zeigt die Bahn eines an einem Punkt E des pn-Übergangs, an der Perepherie desselben ausgesendeten Infrarotstrahls. Der Strahl EI wird in dem (z.B. mit Luft von Atmosphärendruck gefüllten) Zwischenraum 61, der das Material 4 von dem Spiegel 60 trennt, entlang IJ gebrochen. Er wird an der Wand 32 entlang JK, dann an dem Spiegel 60 entlang KL und an der Wand 32 entlang LM reflektiert, wird in dem Material 4 entlang MQ, in dem Zwischenraum 61 entlang QRFig. 6 shows the path of a at a point E of the pn junction, at the perepheria of the same emitted infrared ray. The jet EI is in the (e.g. with air at atmospheric pressure filled) gap 61, which separates the material 4 from the mirror 60, broken along IJ. He is going to the wall 32 along JK, then reflected on the mirror 60 along KL and on the wall 32 along LM, is reflected in the Material 4 along MQ, in the space 61 along QR
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gebrochen, wird an dem Spiegel 60 entlang RS und an der Wand 32 entlang ST reflektiert und so fort.refracted, is reflected on mirror 60 along RS and on wall 32 along ST, and so on.
Die an verschiedenen Punkten der Bahn des in Fig. 6 dargestellten Strahls und insbesondere in Punkt 0 ausgesendeten Photonen sichtbaren Lichts durchqueren praktisch ohne Abschwächung den Spiegel 60. Man kann somit den Spiegel 60 als Filter betrachten, der selektiv die Infrarotstrahlung zurückhält und das sichtbare, durch die Doppelpfeile angezeigte Licht durchläßt. Im Innern der Vorrichtung besitzen die Infrarotphotonen eine Konzentration, die rasch vom Beginn der Emission an bis zum Erreichen einer Grenze zunimmt, und die in erster Linie von der Absorption durch das Wandlerraaterial und in zweiter Linie von der Absorption durch das Halbleitermaterial abhängt.Those emitted at various points along the path of the beam shown in FIG. 6 and in particular at point 0 Photons of visible light pass through the mirror 60 with practically no attenuation Consider mirror 60 as a filter that selectively retains the infrared radiation and the visible, through the double arrows lets through the displayed light. Inside the device, the infrared photons have a concentration that is rapid increases from the beginning of the emission until it reaches a limit, and that primarily depends on the absorption by the Transducer material and, secondly, absorption depends on the semiconductor material.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall bildet das Wandlermaterial 4 in Richtung der Achse XX eine Halbkugel. Ein Spiegel 70 wird durch Abscheidung eines Stoffs, z.B. Kryolith, auf dem Material 4 in Form einer Schicht erhalten, deren Dicke gleich einem ungeraden Vielfachen des Viertels der von der Diode ausgesendeten Infrarotwellenlänge ist, wobei dieser Stoff sichtbares Licht durchläßt. Die orrichtung wird auf der gegenüberliegenden Seite durch eine reflektierende Wand 71 abgeschlossen, die analog wie die Wand 32 in Fig. 3 bis 6 ausgebildet, jedoch eben ist.Fig. 7 shows a further embodiment of the invention. In this case, the transducer material 4 forms in the direction the axis XX is a hemisphere. A mirror 70 is created by depositing a substance such as cryolite on the material 4 obtained in the form of a layer, the thickness of which is equal to an odd multiple of a quarter of that emitted by the diode Is infrared wavelength, this substance allows visible light to pass through. The device will open the opposite side is closed off by a reflective wall 71, which is analogous to the wall 32 in Fig. 3 to 6, but is flat.
Eine solche Vorrichtung besitzt den Vorteil, nicht richtungsgebunden zu sein, d.h. sie ermöglicht eine Lumineszenz, welche für auf Achsen, wie z.B. XX, YY und ZZ placierte Beobachter gleich ist, mit anderen Worten in einemSuch a device has the advantage of not being directional i.e. it enables a luminescence which is placed on axes such as XX, YY and ZZ Observer is the same, in other words all in one
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"beliebigen Teil des räumlichen Winkels auf einer Seite von der Ebene der Wand 71."any part of the spatial angle on one side from the plane of wall 71.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht im Falle der Vorrichtungen von Fig. 6 und 7 darin, daß man den -Interferenzspiegel durch eine selektiv Infrarot reflektierende diChromatisehe dünne Platte ersetzt, z.B. durch eine Spat platte.Another embodiment of the invention consists in the case of the devices of FIGS. 6 and 7 in that one of the -Interference mirror replaced by a selective infrared reflecting diChromatic thin plate, e.g. by a spatula.
Nachstehend wird ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel für die Grössenordnungen der Abmessungen einer erfindungsgemässen Vorrichtung gegeben. Die Diode überschreitet nicht 0,2 mm in ihrer größten Abmessung und der Durchmesser der Trennoberfläche von Wändlermaterial 4 und Umgebungsluft ( Fig. 3 bis 5 ) liegt bei etwa 2 mm.The following is a non-limiting embodiment for the orders of magnitude of the dimensions of a given device according to the invention. The diode does not exceed 0.2 mm in its largest dimension and the diameter of the separating surface of the converter material 4 and the ambient air (FIGS. 3 to 5) is approximately 2 mm.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Vorrichtungen beschränkt. Außerdem ist sie für die meisten Zwecke verwendbar, bei welchen sichtbares Licht verschiedener Farbe aussendende Vorrichtungen Verwendung finden, z.B.:The invention is not restricted to the devices described and illustrated. Besides, she is useful for most purposes in which devices emitting different colors of visible light Find use, e.g .:
Sichtfenster für telefonische Einrichtungen, Bordeinrichtungen von Fahrzeugen und Flugzeugen;Viewing windows for telephone equipment, on-board equipment of vehicles and aircraft;
Steuerkonsolen und Geräte zur Informationsfernübertragung; numerische oder alphanumerische Anzeigevorrichtungen; ebene Fernsehschirme mit schwacher Auflösung*Control consoles and remote information transmission devices; numeric or alphanumeric display devices; flat TV screens with poor resolution *
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- 1972-12-08 JP JP12262072A patent/JPS4866382A/ja active Pending
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