JP2009175486A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の全体の光学特性を補正可能にすることによって、投射画像の色ムラを
低減する画像表示装置を提供すること。
【解決手段】第１ダイクロイックミラー３１ａがＡ−Ａ断面方向とＢ−Ｂ断面方向とに照
明光の入射角度α、β、γ、δに対応した光学特性を有することにより、照明光の入射角
度依存性に応じて生じる光学特性のずれを第１ダイクロイックミラー３１ａ全体において
正確に又は近似的に補正することができる。これにより、第１ダイクロイックミラー３１
ａの素子面３ｃの各領域ＡＬ、ＡＣ、ＡＲ、ＡＵ、ＡＤにおいて所定波長成分を適切に反
射又は透過させることができ、投射画像全体の色ムラを抑えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明光学系によって液晶パネル等を照明し、液晶パネル等に像を形成させる
画像表示装置に関する。

画像表示装置において、ダイクロイックミラー等の光学素子は、光線入射角度依存性が
あり、光線入射角度ごとに光学特性（具体的には例えばカットオフ半値波長）が変わる。
そのため、例えば色分離光学系内で光軸に対して傾斜して配置されるダイクロイックミラ
ーの光学特性が面内で変わり、画像表示装置の色特性にばらつきが生じるという問題があ
る。そこで、ダイクロイックミラーの多層膜の左右（面の長手の横方向に相当）に特性傾
斜をもたせることで、ダイクロイック特性を入射角に合わせて変化させ、入射光線の角度
依存性を打ち消すものがある（例えば、特許文献１参照）。また、ダイクロイックミラー
の位置に応じて特定方向に傾斜した厚さムラ又は屈折率ムラを設け、光学特性のずれを防
止するものがある（例えば、特許文献２参照）。ここで、カットオフ半値波長とは、透過
率が５０％となる波長をいう。
特開平３−２９１６４４号公報 特開平６−１８８３４号公報

しかしながら、上述のダイクロイックミラーのように、光学特性が例えば左右の方向（
長手の横方向）に変化するものでは、上下方向（縦方向）に入射する光線の角度依存性を
打ち消すことができない。そのため、上下方向に関しては入射光線の角度依存が残存する
ことになり、投射画像全体の色ムラを低減しきれていないという問題がある。

そこで、本発明は、光学素子の全体の光学特性を補正可能にすることによって、投射画
像の色ムラを低減する画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る画像表示装置は、光源光を射出する光源と、
光源光を均一化するための照明光学系と、照明光学系から射出された照明光を各色光に分
離する色分離光学系と、色分離光学系によって分離された各色光の光束によってそれぞれ
照明される各色の光変調装置とを備え、色分離光学系は、システム光軸に対して所定角度
に傾斜して配置され、照明光のうち所定の波長成分を反射し、他の波長成分を透過するこ
とによって照明光を分岐するとともに、反射率及び透過率の少なくとも一方が素子面に沿
って所定角度の傾斜方向に対応する第１の方向と素子面に沿って第１の方向に対して所定
角度を成す第２の方向とに関して変化する光学特性を有する平板状の光学素子を有する。

上記画像表示装置では、光学素子が第１の方向と第２の方向とに照明光の入射角度に対
応した光学特性を有することにより、照明光の入射角度依存性に応じて生じる光学特性の
ずれを光学素子全体において正確に又は近似的に補正することができる。これにより、光
学素子の素子面の各位置において所定波長成分を適切に反射又は透過させることができ、
投射画像全体の色ムラを抑えることができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点では、光学素子の光学特性は、多層膜の膜厚構成
に依存するカットオフの半値波長を変化させて補正される。この場合、カットオフの半値
波長を変化させることにより、光学素子の素子面の各位置での入射角度に依存する光学特
性のずれに対応することができる。

また、本発明の別の態様によれば、第１の方向と第２の方向とは垂直の関係にある。こ
の場合、例えば、光学素子の横方向及び縦方向の光学特性を変化させることにより、光学
素子全体の光学特性を補正することができる。

また、本発明のさらに別の態様によれば、光学素子の光学特性の変化率は、第１の方向
において単調増加又は単調減少し、第２の方向においてシステム光軸に対して素子面の一
端側で単調増加し他端側で他方で単調減少する。この場合、光学素子の素子面の各位置に
おける照明光の入射角度に対応して２つの方向の光学特性を変化させることにより、光学
素子全体の光学特性を補正することができる。

また、本発明のさらに別の態様によれば、光学素子の光学特性は、第１の方向において
一定の割合で変化し、第２の方向においてシステム光軸に対して対称に変化する。この場
合、光学素子の素子面上に第１の方向に関して対称な角度変化で入射する第２の方向に関
して一様な角度変化で入射する照明光の入射角度に対応して２つの方向の光学特性を変化
させることにより、光学素子全体の光学特性を補正することができる。

また、本発明のさらに別の態様によれば、光学素子は、ダイクロイックミラーである。
この場合、ダイクロイックミラーの光学特性を補正することにより、照明光のうち所定波
長を効率よく透過又は反射させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る画像表示装置の構造等について説明
する。

図１は、実施形態の画像表示装置の構造を説明するための概念図である。この画像表示
装置１００は、光源１０と、照明光学系２０と、色分離光学系３０と、光変調装置である
液晶ライトバルブ４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、クロスダイクロイックプリズム５０と、投
射光学系である投射レンズ６０とを備える。

上記画像表示装置１００において、光源１０は、例えば、高圧水銀ランプ等の像光形成
の必要に足る光量を有する略白色光を発生する光源装置であり、光源光を発生する発光管
１０ａと、発光管１０ａからの光源光を前方に反射する凹面鏡を有するリフレクタ１０ｂ
とを備える。

照明光学系２０は、光源光を平行化する光平行化手段である平行化レンズ２２と、光を
分割及び重畳によって均一化するためのインテグレータ光学系を構成する第１及び第２フ
ライアイレンズ２３ａ、２３ｂと、光の偏光方向を揃える偏光変換素子２４と、両フライ
アイレンズ２３ａ、２３ｂを経た光を重畳させる重畳レンズ２５とを備え、略白色の照明
光を形成する。照明光学系２０において、平行化レンズ２２は、光源１０から射出された
照明光の光束方向を略平行に変換する。第１及び第２フライアイレンズ２３ａ、２３ｂは
、それぞれマトリクス状に配置された複数の要素レンズからなり、第１フライアイレンズ
２３ａを構成する要素レンズによって平行化レンズ２２を経た光を分割して個別に集光し
、第２フライアイレンズ２３ｂを構成する要素レンズによって第１フライアイレンズ２３
ａからの分割光束を適当な発散角にして射出させる。偏光変換素子２４は、ＰＢＳ、ミラ
ー、位相差板等を一組の要素とするアレイで形成されており、第１フライアイレンズ２３
ａにより分割された各部分光束の偏光方向を一方向の直線偏光に揃える役割を有する。重
畳レンズ２５は、偏光変換素子２４を経た照明光を全体として適宜収束させて、後段の各
色の光変調装置である液晶ライトバルブ４０ａ、４０ｂ、４０ｃの被照明領域に対する重
畳照明を可能にする。

色分離光学系３０は、第１及び第２ダイクロイックミラー３１ａ、３１ｂと、反射ミラ
ー３２ａ、３２ｂ、３２ｃと、３つのフィールドレンズ３３ａ、３３ｂ、３３ｃとを備え
る。ここで、第１及び第２ダイクロイックミラー３１ａ、３１ｂは、図１に示すように、
照明光学系２０から延びるシステム光軸ＯＡに対して４５度傾斜して配置されている。色
分離光学系３０は、照明光学系２０により均一化された照明光を青（Ｂ）、緑（Ｇ）、及
び赤（Ｒ）の３色に分離するとともに、各色光を後段の液晶ライトバルブ４０ａ、４０ｂ
、４０ｃへ導く。より詳しく説明すると、まず、第１ダイクロイックミラー３１ａは、Ｂ
ＧＲの３色のうちＧ光及びＲ光を透過させＢ光を反射する。また、第２ダイクロイックミ
ラー３１ｂは、ＧＲの２色のうちＧ光を反射しＲ光を透過させる。次に、この色分離光学
系３０において、第１ダイクロイックミラー３１ａで反射されたＢ光は、反射ミラー３２
ａを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ３３ａに入射する。また、第１ダイ
クロイックミラー３１ａで透過し、第２ダイクロイックミラー３１ｂで反射されたＧ光は
、入射角度を調節するためのフィールドレンズ３３ｂに入射する。さらに、第２ダイクロ
イックミラー３１ｂを透過したＲ光は、リレーレンズＬＬ１、ＬＬ２及び反射ミラー３２
ｂ、３２ｃを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ３３ｃに入射する。

液晶ライトバルブ４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を変調
する非発光型の光変調装置であり、色分離光学系３０から射出された各色光に対応してそ
れぞれ照明される。第１ダイクロイックミラー３１ａで反射されたＢ光は、フィールドレ
ンズ３３ａ等を介して液晶ライトバルブ４０ａに入射する。第１ダイクロイックミラー３
１ａを透過し、第２ダイクロイックミラー３１ｂで反射されたＧ光は、フィールドレンズ
３３ｂ等を介して液晶ライトバルブ４０ｂに入射する。第１及び第２ダイクロイックミラ
ー３１ａ、３１ｂを透過したＲ光は、フィールドレンズ３３ｃ等を介して液晶ライトバル
ブ４０ｃに入射する。各液晶ライトバルブ４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、それぞれに対応す
る各色の像光を形成する。

クロスダイクロイックプリズム５０は、各液晶ライトバルブ４０ａ、４０ｂ、４０ｃか
らの各色の像光を合成する。より詳しく説明すると、クロスダイクロイックプリズム５０
は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼
り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の誘電体多層膜５１ａ、５１ｂが形成されて
いる。一方の第１誘電体多層膜５１ａは、Ｂ光を反射し、他方の第２誘電体多層膜５１ｂ
は、Ｒ光を反射する。クロスダイクロイックプリズム５０は、液晶ライトバルブ４０ａか
らのＢ光を誘電体多層膜５１ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶ライトバルブ４
０ｂからのＧ光を誘電体多層膜５１ａ、５１ｂを介して直進・射出させ、液晶ライトバル
ブ４０ｃからのＲ光を誘電体多層膜５１ｂで反射して進行方向左側に射出させる。このよ
うにして、クロスダイクロイックプリズム５０によりＢ光、Ｇ光及びＲ光が合成され、カ
ラー画像に対応する画像光である合成光が形成される。

投射レンズ６０は、投射光学系であり、クロスダイクロイックプリズム５０を経て形成
された合成光による画像光を所望の拡大率で拡大してスクリーン（不図示）上にカラーの
画像を投射する。

以下、図面を参照しつつ、色分離光学系３０を構成する第１ダイクロイックミラー３１
ａの構造及び機能について説明する。図２は、第１ダイクロイックミラー３１ａの概念図
であり、図２（Ａ）は、第１ダイクロイックミラー３１ａの正面図であり、図２（Ｂ）は
、そのＡ−Ａ断面図であり、図２（Ｃ）は、そのＢ−Ｂ断面図である。また、図３は、第
１ダイクロイックミラー３１ａの位置と誘電体多層膜３ｂの膜厚との関係を示す図であり
、図３（Ａ）は、図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面における膜厚特性を示す図であり、図３（Ｂ）
は、図２（Ｃ）のＢ−Ｂ断面における膜厚特性を示す図である。

また、第１ダイクロイックミラー３１ａに入射する照明光は、重畳レンズ２５によって
収束されており、一様でない。このため、以下に詳述するように、第１ダイクロイックミ
ラー３１ａは、長手の横方向及びこれに垂直な縦方向に２次的に分布する光学特性を有し
ている。第１ダイクロイックミラー３１ａは、図１に示すように、照明光学系２０から延
びるシステム光軸ＯＡに対して４５度傾斜して配置されている。図２に示すように、第１
ダイクロイックミラー３１ａは、基板である透明な平板ガラス３ａの一方の面に誘電体多
層膜３ｂが形成された構成となっている。誘電体多層膜３ｂは、平板ガラス３ａを例えば
自転及び公転等させつつ蒸着源に対向して配置され、蒸着源との間に介在させたマスク等
で平板ガラス３ａ面上の各位置への誘電体の蒸着量を調整することにより形成される。な
お、誘電体多層膜３ｂの表面は、第１ダイクロイックミラー３１ａの素子面３ｃとなって
いる。

図２に示すように、上述の画像表示装置１００において、光源１０からの照明光が完全
な平行光線ではないため、照明光の第１ダイクロイックミラー３１ａの素子面３ｃへの入
射角度α、β、γ、δは、第１ダイクロイックミラー３１ａの位置によって異なる。した
がって、素子面３ｃには、素子面３ｃ上の位置に応じて入射角が４５度からずれた照明光
が入射する。このため、第１ダイクロイックミラー３１ａの誘電体多層膜３ｂは、照明光
の入射角度α、β、γ、δに対応して異なる厚さに設定されており、光学特性、例えば透
過率特性が変化する構成となっている。つまり、誘電体多層膜３ｂは、第１の方向、すな
わちＡ−Ａ断面方向及びＡ−Ａ断面方向に対して垂直である第２の方向、すなわちＢ−Ｂ
断面方向において素子面３ｃに沿って透過率特性が変化する構成となっている。具体的に
説明すると、図１及び図２において、第１ダイクロイックミラー３１ａの左側に入射する
光線ａの入射角度βは第１ダイクロイックミラー３１ａの中心に入射する光線ｂの入射角
度αよりも大きくなり誘電体多層膜３ｂの領域ＡＬの厚さが領域ＡＣの厚さよりも薄くな
る。一方、第１ダイクロイックミラー３１ａの右側に入射する光線ｃの入射角度γは入射
角度αよりも小さくなり誘電体多層膜３ｂの領域ＡＲの厚さが領域ＡＣの厚さよりも厚く
なる。また、第１ダイクロイックミラー３１ａの上下に入射する光線ｄ１、ｄ２の入射角
度δは入射角度αよりも大きくなり誘電体多層膜３ｂの領域ＡＵ、ＡＤの厚さが領域ＡＣ
の厚さよりも薄くなる。つまり、図３に示すように、Ａ−Ａ断面方向において領域ＡＬか
ら領域ＡＲにかけて誘電体多層膜３ｂの膜厚が一定の割合で増加し、Ｂ−Ｂ断面方向にお
いてシステム光軸ＯＡに対して対称に領域ＡＵ、ＡＤの誘電体多層膜３ｂの膜厚が外側に
向かって減少している。ここで、領域ＡＬ、ＡＣ、ＡＲ、ＡＵ、ＡＤは、素子面３ｃの各
領域ＡＬ、ＡＣ、ＡＲ、ＡＵ、ＡＤと連続的な関係にある。

図４は、第１ダイクロイックミラー３１ａに入射する照明光の波長とその透過率との関
係を示す図である。また、図５は、第１ダイクロイックミラー３１ａの領域ＡＣにおける
透過率特性の入射角依存性を示す。なお、図４に示す透過率特性ｅ、ｆ、ｇは、素子面３
ｃへの入射角が４５度のときのものであり、それぞれ図１及び図２の光線ａ、ｂ、ｃが入
射する領域ＡＬ、ＡＣ、ＡＲにおける透過率特性に対応する。また、図５に示す透過率特
性ｈ、ｉ、ｊは、領域ＡＣにおいて素子面３ｃへ入射する照明光の入射角度αがそれぞれ
３０度、４５度、６０度のときの透過率特性である。

図５に示すように、領域ＡＣでは入射角度αが大きくなるほど半値波長が短波長側に移
動し、入射角度αが小さくなるほど半値波長が長波長側に移動する。これは他の領域ＡＬ
、ＡＲでも同様である。つまり、入射角度β、γが大きくなるほど半値波長が短波長側に
移動し、入射角度β、γが小さくなるほど半値波長が長波長側に移動する。よって、図４
の関係を利用して、入射角度βが一般的に大きくなる領域ＡＬにおいて入射角度βの増加
を相殺するように膜厚を薄くすることで、透過率特性ｅを透過率特性ｆに見かけ上シフト
させて領域ＡＣの透過率特性と見かけ上一致させることができる。また、入射角度γが一
般的に小さくなる領域ＡＲにおいて入射角度γの増加を相殺するように膜厚を厚くするこ
とで、透過率特性ｇを透過率特性ｆに見かけ上シフトさせて領域ＡＣの透過率特性と見か
け上一致させることができる。このように、第１ダイクロイックミラー３１ａのＡ−Ａ断
面方向の光学特性は、照明光の入射角度α、β、γに対応しているため、Ａ−Ａ断面方向
の照明光の入射位置における透過率が補正され、所定波長を透過又は反射させることがで
きる。

以上のことは、第１ダイクロイックミラー３１ａのＢ−Ｂ断面方向の光学特性について
も同様であり、Ｂ−Ｂ断面方向の光学特性は、照明光の入射角度δに対応しているため、
Ｂ−Ｂ断面方向の照明光の入射位置における透過率が補正され、所定波長を透過又は反射
させることができる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の画像表示装置１００では、第１ダイクロ
イックミラー３１ａが照明光の入射角度α、β、γ、δに対応した透過率特性を有するこ
とにより、例えば図４に示すように照明光の入射角度依存性に応じて生じる透過率特性ｅ
、ｇのずれを透過率特性ｆに見かけ上シフトさせることができる。本実施形態では、Ａ−
Ａ断面方向とＢ−Ｂ断面方向とにおいてカットオフの半値波長を変化させているので、第
１ダイクロイックミラー３１ａ全体において補正することができる。これにより、第１ダ
イクロイックミラー３１ａの素子面３ｃの各領域ＡＬ、ＡＣ、ＡＲ、ＡＵ、ＡＤにおいて
所定波長成分を反射又は透過させることができ、投射画像全体の色ムラを抑えることがで
きる。

なお、この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能
である。

以上で説明した画像表示装置１００において、第１ダイクロイックミラー３１ａの膜厚
特性は、上述したものに限らず、照明光の入射角度に対応して適切な膜厚特性とすること
ができる。

また、上記実施形態では、第１ダイクロイックミラー３１ａの光学特性を補正したが、
第２ダイクロイックミラー３１ｂの光学特性も補正してもよい。この場合、例えば第２ダ
イクロイックミラー３１ｂの透過率特性ずれに応じて補正がなされる。

また、上記実施形態では、照明光が収束する場合の第１ダイクロイックミラー３１ａの
光学特性を補正したが、照明光が発散する場合においてもその光学特性に応じて補正をす
ることができる。

また、上記実施形態では、第１ダイクロイックミラー３１ａはＢ光を反射するものであ
ったが、Ｒ光を反射するものを用いた場合でもその光学特性に応じて補正をすることがで
きる。

また、上記実施形態では、光源１０に用いるランプとして高圧水銀ランプを用いたが、
メタルハライドランプ等を用いてもよい。

また、上記実施形態では、第１ダイクロイックミラー３１ａを照明光学系２０のシステ
ム光軸ＯＡに対して４５度に配置したが、光学素子によって光学特性が最適となる任意の
角度に配置してよい。

また、上記実施形態では、第１ダイクロイックミラー３１ａが図３に示すような膜厚特
性を有するとしたが、図３は例示にすぎず、膜厚特性は誘電体多層膜３ｂの構造に応じて
変わるので、第１ダイクロイックミラー３１ａに対する光線の入射角度に対応させて膜厚
特性の傾斜量等を調整すればよい。

また、上記実施形態では、光源１０からの光を複数の部分光束に分割するため、一対の
フライアイレンズ２３ａ、２３ｂを用いていたが、この発明は、このようなフライアイレ
ンズすなわちレンズアレイを用いない画像表示装置にも適用可能である。さらに、フライ
アイレンズ２３ａ、２３ｂをロッドインテグレータに置き換えることもできる。

また、上記実施形態では、光源１０からの光を特定方向の偏光とする偏光変換素子２４
を用いていたが、この発明は、このような偏光変換素子２４を用いない画像表示装置にも
適用可能である。

また、上記実施形態では、透過型の画像表示装置に本発明を適用した場合の例について
説明したが、本発明は、反射型画像表示装置にも適用することが可能である。ここで、「
透過型」とは、液晶パネル等を含む液晶ライトバルブが光を透過するタイプであることを
意味しており、「反射型」とは、液晶ライトバルブが光を反射するタイプであることを意
味している。なお、光変調装置は液晶パネル等に限られず、例えばマイクロミラーを用い
た光変調装置であってもよい。

また、画像表示装置としては、投射面を観察する方向から画像投射を行う前面画像表示
装置と、投射面を観察する方向とは反対側から画像投射を行う背面画像表示装置とがある
が、図１に示す画像表示装置の構成は、いずれにも適用可能である。

また、上記実施形態では、３つの液晶ライトバルブ４０ａ〜４０ｃを用いた画像表示装
置１００の例のみを挙げたが、本発明は、１つの液晶パネルのみを用いた画像表示装置、
２つの液晶パネルを用いた画像表示装置、或いは、４つ以上の液晶パネルを用いた画像表
示装置にも適用可能である。

また、上記実施形態では、色分離光学系３０や液晶ライトバルブ４０ａ、４０ｂ、４０
ｃ等を用いて各色の光変調を行っているが、これらに代えて、例えば光源１０及び照明光
学系２０によって照明されるカラーホイールと、マイクロミラーの画素によって構成され
カラーホイールの透過光が照射されるデバイスとを組み合わせたものを用いることによっ
て、カラーの光変調及び合成を行うこともできる。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図１の第１ダイクロイックミラーの概念図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、図１の第１ダイクロイックミラーの膜厚特性を示す図である。 図１の第１ダイクロイックミラーの透過率特性を示す図である。 第１ダイクロイックミラーの領域ＡＣにおける透過率特性の入射角依存性を示す図である。

符号の説明

１０…光源、 ２０…照明光学系、 ３０…色分離光学系、 ３１ａ、３１ｂ…ダイク
ロイックミラー、 ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ…液晶ライトバルブ、 ５０…クロスダイク
ロイックプリズム、 ６０…投射レンズ、 １００…画像表示装置、 ＯＡ…システム光
軸

Claims (6)

1. 光源光を射出する光源と、
   前記光源光を均一化するための照明光学系と、
   前記照明光学系から射出された照明光を各色光に分離する色分離光学系と、
   前記色分離光学系によって分離された各色光の光束によってそれぞれ照明される各色の
   光変調装置とを備え、
   前記色分離光学系は、システム光軸に対して所定角度に傾斜して配置され、前記照明光
   のうち所定の波長成分を反射し、他の波長成分を透過することによって前記照明光を分岐
   するとともに、反射率及び透過率の少なくとも一方が素子面に沿って前記所定角度の傾斜
   方向に対応する第１の方向と前記素子面に沿って前記第１の方向に対して所定角度を成す
   第２の方向とに関して変化する光学特性を有する平板状の光学素子を有する、画像表示装
   置。
2. 前記光学素子の光学特性は、多層膜の膜厚構成に依存するカットオフの半値波長を変化
   させて補正される、請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記第１の方向と前記第２の方向とは垂直の関係にある、請求項１及び請求項２のいず
   れか一項記載の画像表示装置。
4. 前記光学素子の光学特性の変化率は、前記第１の方向において単調増加又は単調減少し
   、前記第２の方向において前記システム光軸に対して前記素子面の一端側で単調増加し他
   端側で単調減少する、請求項３記載の画像表示装置。
5. 前記光学素子の光学特性は、前記第１の方向において一定の割合で変化し、前記第２の
   方向において前記システム光軸に対して対称に変化する、請求項４記載の画像表示装置。
6. 前記光学素子は、ダイクロイックミラーである、請求項１から請求項５までのいずれか
   一項記載の画像表示装置。

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