DE2234455A1 - Elektro-optische bildwiedergabe- und speichervorrichtung - Google Patents

Description

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' '■ ZWAN/EVII.

Dr. Herbert Scholz Patentanwalt

10. juii 1972 , . 2234455

Elektro-optische Bildwiedergabe- und Speichervorricbtting'i.

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektro-optische Bildwiedergabe- und Speichervorrichtung mit einer Platte, welche unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zwischen auf der Platte befindlichen Elektroden Doppelbrechung aufweist.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus dem Artikel "Ferroelectric display's big bonus:· selective erase/write capability" in "Electronics" vom 1. Februar 1971, Seiten 3^-39. In diesem Artikel wird eine Vorrichtung beschrieben, die eine Platte aus Lanthan-dotierter Bleititanat-Bleizirkonat-Keramik enthält. Die Platte besteht aus einer transparenten ferroelektrischen Keramik, die eins hohe remanente Polarisation aufweist und elektro-optisch aktiv ist. Durch einen kurzen elektrischen Feldimpuls lässt sich - je nach Art der verwendeten

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Elektrodenkonfiguration lokal oder in der ganzen Platte -' ein bleibender Zustand optischer Anisotropie einstellen. Die' Richtung der wirksamen elektrischen Feldkomponente liegt in der Ebene der Keramikplatte und die Lichtausbreitung erfolgt senkrecht zur Plattenebene (transversaler elektrooptischer Effekt). Die als Doppelbrechungsänderung eingeschriebene Information kann im Prinzip gelöscht werden, indem die ferroelektrische. Keramikplatte bzw. einzelne ihrer Bildelemente über die Curietemperatur des Materials erhitzt werden; dabei stellt sich wieder eiii optisch isotroper Zustand ein, In dem erwähnten Artikel wird das "schreib-lösch"-Problem mittels einer Vorspannung gelöst, die sowohl elektrischer als auch mechanischer Art sein kann. Diese Vorspannung hat

eine einachsige Vorzugsorientierung dor polaren Achsen in der Plattene'oene und damit einen optisch anisotropen Ausgangszustand der Platte zur Folge. Information wird eingeschrieben, indem man ein geeignetes elektrisches Feld anlegt, welches die polaren Achsen lokaler Elemente (mehr oder minder vollständig) senkrecht zur PlatteneLene ausrichtet; dadurch wird in diesen Elementen ein Remanenzzustand geringerei· optischer Anisotropie (d.h. geringerer Doppelbrechung) eingestellt. Um die Information zu löschen, hat man einen besonderen. LcSschzyklus einzulegen, der die polaren Achsen der Elemente - entsprechend dem Ausgangszustand - wieder in die Plattenebene zurückschaltet.

Die Erfindung hat zum Zweck, eine einfachere Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben. Sie ist dadurch gel- =: -:/-.~'

,zeichnet, dass die Platte im wesentlichen aus einem Mats· „al

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besteht, welches die Eigenschaft der feldinduzierten Ferroelektrizität aufweist, - das sogenannte quasiferroelektrische Verhalten - und die Information durch Trennung der Elektroden vom Signalgeber hei noch währender Signalspannung remarient gespeichert wird und daß die gespeicherte Information - durch Kurzschließen von Elektroden löschbar ist. Bei quäsiferro¹-elektrischenMaterialien induziert ein elektrisches Feld einen ferroelektrischen Zustand,elektrischer und optischer Anisotropie, der aber bei abgeschaltetem elektrischen Feld instabil ist und in den isotropen Ausgangszustand fällt. Die Zeitkonstante ·"-■ dieses Prozesses hangt von den elektrischen, Randbedingungen a/b und kann extern beeinflusst werden. Mit· quasif erroelektri-.¹ ■ sehen Material!entlassen sich.ähnlich hohe elektro-optische - " ." Effekte wie mit fcrroelektrischen Materialien, erzielen. .:''." Zum Einschreiben von Information dienen elektrische Feldlmpulse,J die einzelne Flächenelemente der Keramikplatte Von einem optisch isotropen in einen optisch anisotropen Zustand schalten« Remanente Speicherung von Information v/ird bei der Torges eh lagen en' Vorrichtung einreicht, indem die zum Schalten eines .· Flächenelements der Keramikplatte- dienenden Elektroden, bei noch währendem Feldimpuls auf mechanischem oder elektronischem · Wege vom Impulsgenerator getrennt werden, Damit liegt"die volle Spannung zunächst· noch an der als steirk nicht lineare Kapazität zu denkenden Kercitnik-Elektrodoneinhelt» Im gleichen Masse, wie.diese Spannung nach der Zeitkonatante diesel· ■;

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Kapazität abklingt, wird der feldinduzierte Polarisationszustand zu zerfallen versuchen. Dabei werden Ladungen frei,· die das elektrische Feld über der Kapazität weiter aufrechterhalten, Wegen der grossen Ladungsdichte, die mit den fe3dinduzierten Polarisätionszustand verbunden ist (in ihr spiegelt' sich das stark nichtlineare Verhalten der Dielektrizitätskonstanten wider), wird der Zerfallsvorgang des optisch anisotropen Zustandes der Keramik auf quasi-statische Zeiten von Minuten und länger verzögert, Viii man die eingeschriebene und gespeicherte Information löschen, so genügt es, die Elektroden dar Kerarnik-Elektrodeneinheit kurzzeitig kurzzuschliessen, Der feldinduzierte, ferroelektrisch und optisch anisotrope Zustand der Einheit zerfällt dann in den isotropen Ausgapgszustand, Ebenso gut lässt sich dt-rch einen neuen Feldimpuls die alte Information ohne vorherige Löschung überschreiben,

Quasiferroelektrische Materialien, die für eine Vorrichtung gemäss der Erfindung besonder geeignet sind, bestehen im wesentlichen aus Lanthan-haltigen Mischkristallen von Bleizirkonat und Bleititanat mit der Formel (•^^1 t v. ^-'^a ) (Zr_-Ti₁ )0„, Dass spezielle Zusammensetzungen dieses Materials die Eigenschaft, der feldinduziertcn Ferroelektrizität aufweisen, ist bereits auf S. 306 des Artikels "Improved Hot-Pressed Electrooptic Ceramics in the (Pb, La) (Zr, Ti)Or* System" in "Journal of The American Ceramic Society", 5*1·» Juni 1971 ι Seite 303 ff» angegeben. Die speziolle Eignung dieser Materialien für· eine Vorrichtung geinäsr, der Erfindung v:ird hier jedoch nicht or with η f.

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Bevorzugte Zusammensetzungen des Materials der Platte _f ausgedrückt in χ und y der Bruttoforniel (Pb _ς La )(Zr._rTi _ν)θ_α liegen in einem rechtviinkligen x-y-Koordinatensystem (Ursprung: x=0; y = θ) innerhalb eines durch die Punkte A(x = 0,1; y = 0,2), -B(x = 0,1; y = 0,25), C(x = 0,S; y = 0,1) und D(x = 0,8; y = 0,05) beschriebenen Vierecks, oder enger begrenzt innerhalb eines durch die Punkte E(x = 0_t6t γ — 0,095)j F(x = 0,6; y = 0,125), g(x = 0,7; y = O₅^) und H(x = 0,7r y — 0,075) beschriebenen Yiereckf., Als sehr geeignet erwies sich die Zusammensetzung K (x = 0,65» y = 0|09)·

Oie Erfindung wird anhand, der beiliegenden Zeichnung näher erläutert:

Die Fig. 1, 2 und 3 veranschaulichen das unterschiedliche dielektrische bzw. ferrcelektrische sowie elektrooptisch^ Verhalten von Lanthan-haltigen Bleizirkonat-Bleititanat-Mischkristallen unterschiedlicher Zusammensetzung,·

I^ig. k dient zur näheren Erläuterung der Zusammensetzung jener Materialien, die für eine Vorrichtung geniäss der Erfindung geeignet sind.

Fig. 5 zeigt eine Versuchsplatte, mit der die Lebensdauer des Materials K (Fig·. ^) gegenüber el ekfcrischer Iinpulsj°eldbela.stung geprüft wurde,

Fig. 6 stellt eine Versuchsanordnung für optische Messungen dar.

Fig. 7 zeigt eine mögliche Blektrodcnlconfiguration für eine \'^rorrichtutig gemäss der Erfindung«,

Fig. 8 y.c±-;t awej experimentelle Anordnungen arnr optisoJion Wiedergabe eloktriach in eine Keram.ikplatte einge-

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lesener und gespeicherter Information. Die Keramikplatte stellt eine Vorrichtiing gemäss der Erfindung dar und ist rnit einem geeigneten Elektrodensystem (z.B. nach Art der Fig. 6> 7 oder 9) versehen,

Fig. 9 ^eigt eine andere mögliche .Clektrodenkonfiguratior (Cross-bar-Systern) für eine Vorrichtung gemäss der Erfindung»

Die Fig. 1, 2 und 3 veranschaulichen das dielektrische bzw, ferroelektrische sowie elektrooptische Verhalten von drei Lanthan-haltigen Bleititanat-Bleizirkonat Keramiken unterschiedlicher Zusammensetzung, Fig. 1 zeigt das Verhalten, eines ferroeleictrischen Materials, Fig. 2 das Verhalten eines quasiferroelektrischen Materials (feldinduzierte Ferroelektrizität) und Fig. 3 das Verhalten eines paraelektrischen Material.·-. In den Fig. 1a, 2a und 3a ist die Polarisation P als Funktion der elektrischen Feldstärke E aufgetragen. Die elektrische Feldstärke E ist gemessen in lcV/citi und die Polarisation in Einheiten von Ladung pro Flächeneinheit nicht genau bekannter Grössenordmmg, da. für die Polarisation nur Relationsmessungen möglich waren. In den Fig. 1b, 2b und 3b ist die effektive Doppelbrechung Δη des transversalen elektrooptischen Effekts als Funktion der elektrischen Feldstärke E aufgetragen, ist ein Mass für die optische Anisotropie -des Materials

und ist definiert als Differenz der Brechungsindizes; n^ rinn 11,.. Dabei ist n.. der Brechungsindex für* Licht rait Polarisationsrichtung parallel zur Richtung des elektrischen Feldes uüd n„ der Brechungsindex 'für Licht :nit Polarirationsrichttuig senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes. Aus den Fig. 2a und 215 ist ersichtlich, dass bei Ucberschreiten

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einer gewissen elektrischen Feldstärke die Polarisation und die effektive Doppelbrechung quasiferroelektrischer Materialien stark ansteigen, und dass dieser anisotrope Zustand bei_ abnehmen dem elektrischen Feld vor· Erreichen von E-O wieder zerfällt (feldinduzierte Ferroelektrizität).'-

, - Figv h erläutert den Zusan'inensetzungsbereich quasi-"ferroelektrischer (P^1j-, ι - La ) (ZrTi₁ )O^-Mischkristalle. Durch die Angabe dieser Bruttofornel^ wird deutlich, dass sich die Lanthan-Tonen auf Pb-Plätzen des PbZrOo/P"bTiO_g-G-itters einbauen. Da Lanthan dreiwertig- und Blei, zweiwertig ist, besetzt jedes La --Ion 1,5 Pb~⁺-Plätze. Die Punkte A, B, G xaxd D definieren in Bild h ein Viereck, innerhalb dem die Zusammensetzungen χ und y jener Materialien liegen, die bei Zimmertemperatur quasiferroelektrisch sind. Für eine Vorri htung geraäss der Erfindung besonders geeignete Materialien liegen innerhalb des durch die Punkte EFGH definierten Zusammensetzungsbereichs; die mit K bezeichnete Zusammensetzung erwies sich als besonders günstig.

Fig. 5 zeigt eine Versuchsplatte, mit der die Lebensdauer des in Fig. k mit Punkt K angegebenen Materials gegenüber elektrischer Impulsfeldbelastung geprüft wurde. Legt man nämlich wiederholt elektrische Feldimpulse an eine ferroelektr-ische Keramik, so führen die mit der Umpolarisation verbundenen mechanischen ' Spanmmgeja und Deformationen meist zu einer Degradation: die Proben zeigen Risse und ihre physikalischen Eigenschaften ändern sich recht drastisch. Mit einer (Pb_{Q (O}^La_{0 09})(Zr₀ ^./Ti₀ „_r)o_o-Keramik .wurde ds.he'r folgender Degradations-Test durchgeführt.. Die Versuchsplatte selbst ist

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in Fig. 5 mit 1 ,bezeichnet; sie ist mit den Elektroden 2, 3, ^t 5 und - 6 yersehen. Die Elektroden 3» ^» 5 und 6 sind gemeinsam geerdet. Vorder- und Rückseite der 0,2 mm dicken Platte enthalten die gleiche Elektrodenkonfiguration; entsprechende Elektroden von Vorder- und Rückseite sind miteinander verbunden. Die Spalten 7» 8, 9 und 10 zwischen den Elektroden (Spaltbreite 0,5 mm) repräsentieren die Bildelemente. Die Impulsspannung liegt zwischen Elektrode 2-und den geerdeten Elektroden 3, h, 5 void 6. Die Impuls spannung betrug 4θΟ V, die Impuls-

dauer 5.0 /Usec und die Impulsfolgefrequenz 1 kHz. Nach 10 Schaltzyklen wurde weder im Schaltverhalten noch in den Eigenschaften P(e) oder An(E) (Fig. '2a und 2b) eine Degradation beobachtet,

Fig. 6 zeigt die zur Durchführung optischer Messungen verwendete VerSuchsanordnung. Die Keramik-Platte 22 ist mit den Elektroden 11, 12, 13, 1Λ, 15 und 16 versehen, die, wie aus Fig. 6 ersichtlich, teilweise miteinander verbunden sind. Die Impulsspannung liegt zwischen dem Elektrodenpaar 12/15 und dem geerdeten Elektrodenpaar 11/14. Als Lichtquelle diente ein He-Ne-Laser 17 der Wellenlänge λ = 6328 R der ds Bündel 18 liefert. 19 bezeichnet einen Polarisator und 20 einen Analysator Die Schwingungsrichtungen von Polarisator und Analysator schliessen mit der Richtung des elektrischen Feidos einen Winkel von jeweils 45° und miteinander einen Winkel von 90° ein. Beobachtet bzw. gemessen wird die Intensität des auf einen Schirm bzw» Detektor 21 auf treffenden Lichts in Abhängigkeit vom elektrischen Feld E zwischen den' Elektroden 12/15 und 11/1*1. Befindet sich die Platte 1 im optisch isotropen Zustand (&n--0),

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so fMllt kein Lieht auf dhit Schirm bzw* Detektor 21» Erst das elelc"6:riscliG FeILd xndtizieart einen optisch, äiiisotropen Zustand txxi f 0, so dass auf dem Schirm Aufhellung· eintritt,

,Die in. der Anordnung von Fig. 6 auf den Detektor 21 fällende Intensität beträgt bekanntlich I=I sin^ (Γ*/&-)»'" wenn P die Phasendifferenz des; senkrecht und parallel izur elektrischen Feidrichtung polarisierten Lichtbündels nach Durchlaufen von Plätte 11 ist» In. Einheiten von Ä ist · gegeben durch -ι = &kXi » t, wobei t die Dicke der Probe ist* In der Anordnung, von Fig. 6 trat mit 7\ =. 6328 A das erste Helligkeitstaaxiinum ^P= ^/2) bei E K- 5 kV/cm auf« Gehaltet man die

Probe mit einem elektrischen Feldimpuls iit einen optisch anisotropen Ztista.nd (z.B. P= λ/S) und trennt die Probe bei noch währendein Feldimpuls von der Spannungsquelle, so wird der Zerfallvorgang dieses optisch anisotropen Zustaiides auf quasistatische Zeiten verzögert. In der Anordnung von' Fig. 6 sank die Intensität des ersten Hel3.igkeitsmaximums einer elektrisch offenen Probe in vingefähr 8 Minuten auf die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes ab. Trennte 'man die Probe nicht vom Impiilsgenerator, so zerfiel der feldinduzierte, optisch anisotrope Zustand innerhalb der Abfallflanlce des· Spajmungsinipulses, die einige 10~ see betrug, in den optisch isotropen Zustand.

Zur Messung der effektiven Doppelbrechung in Abhängigkeit vom elektrischen Feld (Fig. 2b) diente ein Kompensatorj der sich in der Anordnung von Fig. 6 zwischen Polarisator 19 und, Probe 22 befand» Kurven, vcio die in Fig. 2a und 2b gc-κοίί-ΐοη, yurJen unter statischen Bedingungen gemessen« Die

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unter dynamischen Bedingungen (d.hi mit elektrischen Impulsfeldern) erzielbare effektive Doppelbrechung /^n kann von den statisch gemessenen "Werten abweichen. So hängt z.B. die erzielbare Doppelbrechung nicht nur von der Höhe des eleKtrisehen Feldinipulses, sondern auch von dessert Datier ab,

Fig. 7 zeigt die Geometrie und Elcktrodenkonfiguration einer Keramikplatte für eine Vorrichtung gemltss der Erfindung, und zuar für eine spezielle Vorrichtung mit acht Bildeleraenton. Vorder- und Rückseite der Keramikplatte 23 sind mit der gleichen Elektrodenkonfignration versehen; einander entsprechende Elektroden auf Vorder- und Rückseite sind miteinander verbunden, Die Spalte zwischen der geerdeten Zentralelektrode Zk und den Steuerelektrode!! 25-32 stellen di ° Bildeleraente dar. Diese Bildelemente werden mit elektrischen Spannungsimpuls ~n, die zwischen der Zentralelektrode und den Steuerelektroden liegen, "ein"- und "aus"-geschaltet; die Ansteuerung des jeweiligen Elements erfolgt durch einen an sich bekannten Programmgeber mit. angeschlossenem Impulsgenerator, "Ein" bodeutet Helligkeit, "aus" bedeutet Dunkelheit; gelöscht wird durch kurzzeitiges Kurzschliessen de,r jeweiligen Steuerelektrode mit d«· *? Zentral- ~ elektrode Zk,

Fig. 8a zeigt eine Anordnung zur visuellen l.^ried ergäbe der elektrisch in eine Keramikplatte z.B. nach Fig. 7 eingeschriebenen Information, Die Keramikplatte ist mit 23 bezeichnet. Ein He-Ne-Laser 33 liefert ein Licht bund el "}h, welches durch die Linsen 35 und 36 in ein breites Parallelbündel 37 aufgefächert wird. Dieses Bündel 37 passiert·einen schematisch 'eingezeichneten Polarisator 38, die Keramikplatte 23, einen

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schema.tisch eingezeichneten Analysator 39 i*nd wird durch · die Linsen 4θ und 4i auf einen Schirm kZ projiziert. Die Schwingungsrichtungen, von Polarisator 38 und Analysator 39 stehen in bekannter Weise senkrecht zueinander; mit der Richtung des elektrischen Feldes schliessen sie einen Winkel von 45° ein. Die angesteuerten Bildeleinente machen aus dem den Polarisator verlassenden, linear polarisierten Lichtbündel ein elliptisch polarisisrtes, sodass nach Passieren des Anal3^rsators .39 nur die. angesteuerten Bildeleipente als helle Flächen auf den Schirm hZ projiziert werden. ,

Fig. 8b zeigt eine andero Anordnung zur Visuellen Viedergaoe der elektrisch in eins Keramikplatte z.B. nach Fig. 7 eingeschriebenen Information. Die Keramikplatte 23 befindet sich zwischen Kondensor 43 und Objektiv 44 eines Projektionsapparates 45 (z.B. Dias-Projektor), Unmittelbar vor und hinter der Keramikplatte 23 stehen ein Polarisator und ein Analysator 47 in gekreuzter Stellung. Auch hier werden nur die angesteuerten Bildelemente als helle Flächen auf den Schirm 48 projiziert.

Fig. 9 zeigt eine Elektrodenkonfiguration,' die besonders für eine elektro-optische Bildwiedergabe- und Speichervorrichtung mit einer grosseren Anzahl Bildelementen geeignet ist. Diese Konfiguration stellt ein ah sich bekanntes sogenanntes "cross-bar" Elektrodensystem dar. Mit 49 ist die Keramikplatte bezeichnet und 50 bzw. 51 stellen das Leiterbahnen- und Elektrodensystem auf Vorder- bz\\^r. Rückseite der Keramikplatte dar. Hierbei ist auf eine identische Elektrodenk on f iiTu rat ion aiif Vorder- und Rückseite verzieht et, Das

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■wirksame elektrische Feld ist dabei die Feldkomponente in der Plattenebene. Zxir Vermeidung des kapazitiven TJebersprechens verschiedener Leiterbahnen und des Aufhellens von anderen Zonen als den angesteuerten Bildelenienten empfiehlt es sich, Keramikplatte und Elektrodensystem teilweise durch eine isolierende dielektrische Zwischenschicht kleiner Dielektrizitätskonstante zu trennen.

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Claims (1)

1. DPHN, 6^20,

   1y ElektiO-optiscbe Bildwiedergabe- und Speiehei'voi-'richtung- .■■' mit einer Platte, welche unter dem Einfluss eines elektrischen Feld-es zwischen auf der Platte befindlichen Elektroden Doppelbrechung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte im wesentlichen aus einem Material besteht, Vielehes die Eigenschaft der feldin^zierten Ferroelektrizität quasiferroelektrischen Verhaltens aufweist, und die Information durch- Trennung der Elektroden vom Signalgeber "bei noch währender Signal spannung remanent gespeichert wird, und daß die gespeicherte Information durch Kurzschließen von Elektroden löschbar ist.

   2, Elektro-optische Bildwiedergabe- und Speichervorrichtungnach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet-, dass das Material der Platte im wesentlichen aus Lanthan«haltigen Mischkristallen aus Bleizirkonat und- Bleititanat mit der Formel .

   3. · Elektro-optische Bildwiedergabe^ und Speichervor« "richtung na.ch Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziiäammensetzung des Materials dex- Platte, atisgedrückt in . - χ und y, in einem rechtwinkligen Koordinatens3^rstem mit Ursprung X=O und y - 0 innerhalb eines durch die Punkte Ä(x~0,1;'· y ~ 0,2), B(x = 0,1; y -. 0,25), c(x - 0,8; y ~ 0,1 ) und D(x - 0,8j y :- 0,0p) beschiel ebenen'Vioi'ecks. liegt, h_t Elelctro-optische Bildwiedergabe« und Speichervor-

   nach Anspruch 3> deidurch gok onnz ei ebnet, dass die· iotzmig des Materials dor Platte, ausgedrückt in . κ in id y j . in einem rechtwinkligem Koordinatensystem mit Ursprung- :c. ■■■ 0 und y ·-- 0 innerhalb eines drasch die Punkte E(t<: - 0,6;

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   y = 0,095), F(x = 0,6; y = 0,125), G(x = 0,7; y = 0,1). und H(x = 0,7» y = 0,075) beschriebenen Vierecks liegt. 5. Elektro-optische Bildwiedergabe- und Speichervorrichtungnach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zusammensetzung des Materials der Platte, ausgedrückt in χ und y, praktisch, gilt: χ = 0,65; y = 0,09.

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