JP7447618B2 - 投光器 - Google Patents

Description

本発明は、投光器に関する。

競技場のスタジアムの投光照明（いわゆるスタジアム照明）に用いられる照明器具において、競技場の任意の位置から照明器具の発光面を観察したときの輝度に関し、所定の輝度以上の範囲を所定の立体角以下にすることで、競技者に眩しさを感じさせ難くする照明器具が知られている（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。
スタジアム照明の照明器具としては、透光性の光学部材であるレンズを用いて光源の光を制御する器具が知られている。レンズとしては、光源の光が入射する入射面となる凹面を有し、当該凹面が光源の基板に立設した円錐面と当該光源に対面し当該光源の側に凸状の凸レンズ面とを含み、凹面の周囲に外郭によって全反射面を形成したものが知られている（例えば、特許文献２、及び特許文献３参照）。

特開２０１７－６２９０１号公報 特開２０１７－９８０２８号公報 特開２０１９－９６５６４号公報

しかしながら、特許文献２、及び特許文献３に記載のレンズは、円錐面と凸レンズ面とが交わる境界で意図しない屈折が発生することでグレア源となる、といった問題がある。
また、所定の輝度以上の範囲を所定の立体角以下にすると競技場全体の明るさを確保できないこともあり得る。

本発明は、競技場において競技者が感じるグレアを抑制できるとともに、競技場の十分な明るさを確保することが可能な投光器を提供することを目的とする。

本発明は、複数の発光部を備え、前記発光部のそれぞれの光によって投光照明する投光器において、前記発光部は複数のＬＥＤ素子を樹脂で覆って構成され、前記発光部の光を制御する全反射放物面を有するレンズを、前記発光部の一つ一つに対応させて、前記発光部ごとに備え、前記発光部の発光中心から前記発光部の縁部までの距離が最大の箇所を最大外径部として、前記最大外径部と前記レンズの出射端縁部とを結び、かつ、前記発光部の光軸を通る直線と、前記発光部の光軸とが成す角度が１０度から３５度の間であることを特徴とする。

本発明は、上記投光器において、前記レンズは、前記発光素子の光が入射する凹状の入射面が、単一の球面形状に形成されている、ことを特徴とする。

本発明は、上記投光器において、前記レンズの出射端の出射面は、単一の平面形状、又は単一の曲面形状に形成されている、ことを特徴とする。

本発明は、上記投光器において、設置時に水平方向に並ぶそれぞれの前記レンズの間に遮光部を備えることを特徴とする。

本発明は、上記投光器において、前記レンズの焦点距離ＦＬと、前記発光素子の発光部の最大外径部の大きさＬＭとが、ＬＭ／７．２＜ＦＬの関係を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、競技場において競技者が感じるグレアを抑制できるとともに、競技場の十分な明るさを確保することができる。

本発明の実施形態に係る投光器の概略構成を示す図である。 光源ユニットの構成を示す斜視図である。 光源ユニットの内部を透視して示す斜視図である。 正面カバーを外した状態の光源ユニットを示す正面図である。 光源ユニットを図１に示すＶ－Ｖ線で切った断面図である。 光源部の断面構成を拡大して示す図である。 本実施形態の投光器と従来器具とのそれぞれの配光図である。 本実施形態の投光器と従来器具のそれぞれの水平方向における斜視角と最大発光面輝度との関係を示す図である。 本発明の変形例に係るレンズ配置の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態では、野球場や競技場等のスタジアムに設置され、競技面を投光照明する投光器を説明する。
図１は、本実施形態に係る投光器１の概略構成を示す図である。
投光器１は、器具本体２と、当該器具本体２を設置箇所に固定するためのアーム４とを備える。器具本体２は、左右の両側面２Ｒ、２Ｌがアーム４に軸支され、左右に延びる回転軸ＡＲの回りに角度調整自在に構成されている。投光器１は、回転軸ＡＲが水平方向ＤＨと略平行になる姿勢でスタジアムに設置され、回転軸ＡＲを中心に器具本体２を回動させることで、鉛直方向ＤＶにおける照射方向が調整される。

器具本体２は、本体ケース６と、当該本体ケース６に内設された複数の光源ユニット１０と、を備える。
本体ケース６は、照明光の出射口である照射開口６Ａが正面に形成された箱型を成し、例えばアルミダイキャストなどの適宜の成型手段によって形成される。光源ユニット１０のそれぞれは、照明光となる光を放射するユニットであり、互いに同一構成を有し、照射開口６Ａ内に、略隙間無く並べて設けられている。

なお、投光器１は、上述の構成要素の他にも、一般的な投光器が備える各種の構成要素（例えば電源装置など）を備えている。

図２は光源ユニット１０の構成を示す斜視図であり、図３は光源ユニット１０の内部を透視して示す斜視図である。図４は正面カバー１８を外した状態の光源ユニット１０を示す正面図である。また図５は光源ユニット１０を図１に示すＶ－Ｖ線で切った断面図である。
これらの図に示すように、光源ユニット１０は、矩形板状のベース部１２と、当該ベース部１２に載置された基板１４と、当該基板１４に設けられた複数の光源部１６と、これら光源部１６を覆う正面カバー１８と、を備えている。さらに光源ユニット１０は、ベース部１２の４辺のうちの１組の対辺のみに設けられた側壁２０と、光源部１６の間に設けられた複数の遮光部２２と、を備えている。

ベース部１２は、光源ユニット１０の構成要素を組み付けるベースとなる部材であり、適宜の材料から形成されており、器具本体２への光源ユニット１０の組込時には、本体ケース６に適宜の締結手段（例えば螺子止めなど）によって固定される。
光源部１６のそれぞれは、投光照明に適した所定ビーム角の照明光を出射するものであり、互いに同一構成を有する。これらの光源部１６は、図５に示すように、光軸ＡＬがベース部１２の取付面１２Ａに略垂直になる姿勢で、図４に示すように、正面視で縦横に格子状に、互いに略接触するほどに近付けて並べて配置されている。

正面カバー１８は、光源部１６の照明光を透過する透光性材料から形成され、ベース部１２の取付面１２Ａに配列された全ての光源部１６を覆う広さを有した板状部材である。かかる正面カバー１８は、ベース部１２の取付面１２Ａに、基板１４を貫通するように立設された複数（図示例では４本）の支柱２４によって、図５に示すように、ベース部１２の取付面１２Ａから所定高さＨＰの位置に支持されている。この正面カバー１８は、光源部１６が備える後述のレンズ４２と一体に構成されている。

一対の側壁２０は、図５に示すように、ベース部１２の側面１２Ｓから正面カバー１８まで延びる板状の部材であり、光源部１６から光源ユニット１０の側方に漏れる光を遮光する遮光板としても機能する。

遮光部２２は、各光源部１６の間を遮光する板状の部材であり、図４及び図５に示すように、一対の側壁２０の間に、当該側壁２０と平行に延びる姿勢で、かつ、互いに間隔をあけて配置される。そして、各遮光部２２の間には、図４に示すように、複数（図示例では３つ）の光源部１６が遮光部２２の延在方向ＤＥに並べて配置される。

かかる構成の光源ユニット１０は、図１に示すように、投光器１の設置時に、一対の側壁２０、及び各遮光部２２が水平方向ＤＨに並ぶ向きで（すなわち、それぞれが鉛直方向ＤＶに延びる向きで）器具本体２に取り付けられる。

図６は、光源部１６の断面構成を拡大して示す図である。
光源部１６は、発光素子の一態様たるＬＥＤ４０と、当該ＬＥＤ４０の光を制御するレンズ４２と、を備える。
ＬＥＤ４０は、白色光を発するＳＭＤ（Surface Mount Device）型の素子であり、発光部４４が上面４０Ａに設けられている。ＬＥＤ４０の上面４０Ａの平面視において、発光部４４は、円形状を成し、この上面４０Ａに対して略垂直に延びる方向を光軸ＡＭとするランバーシアン配光パターンの光を放射する。

なお、以下では、発光部４４の縁部（本実施形態では円周部）の中で発光中心Ｏまでの距離が最大の箇所を最大外径部ＰＭと称する。本実施形態では、発光部４４が平面視円形であるため、発光部４４の周縁上の各点が最大外径部ＰＭに該当する。発光部４４の平面視形状が多角形、楕円形、又は異形である場合には、発光部４４の外形線上で発光中心Ｏから最遠方の点が最大外径部ＰＭとなる。

レンズ４２は、放物面形状を成す中実の透過型の光学素子であり、当該放物面の頂点側の端部が光の入射端４２Ｔ１となり、他方の他端部が光の出射端４２Ｔ２となっている。レンズ４２の側面は、焦点Ｆで発した光を全反射し、かつ、放物面の回転中心軸ＡＰと平行な平行光を形成する全反射放物面５０であり、かかる全反射放物面５０の光学的機能によって、入射端４２Ｔ１から入射した光が上記所定ビーム角の光に制御され、当該光が回転中心軸ＡＰを光源部１６の光軸ＡＬとして出射端４２Ｔ２から出射される。

レンズ４２の全反射放物面５０は、焦点Ｆの焦点距離ＦＬと、ＬＥＤ４０の発光部４４の最大外径部ＰＭの大きさＬＭとが、ＬＭ／７．２＜ＦＬを満たす形状に成されている。焦点距離ＦＬは全反射放物面５０の放物面の頂点４２Ｋと焦点Ｆとの距離である。かかる焦点距離ＦＬと最大外径部ＰＭの関係は、実験等によって光源部１６の効率を発明者が求めることで得られたものであり、かかる関係を満たすことで、レンズ４２における光学損失の増加が抑えられている。

またレンズ４２の入射端４２Ｔ１には、出射端４２Ｔ２の側に凹む形状の入射面５２が形成されており、当該入射面５２の直下に、ＬＥＤ４０が発光中心Ｏを焦点Ｆに合わせ、かつ光軸ＡＭをレンズ４２の光軸ＡＬ（回転中心軸ＡＰ）に合わせて配置される。入射面５２の凹みの開口部５２Ａは、回転中心軸ＡＰの方向からみた場合に、ＬＥＤ４０の発光部４４よりも大きくなる寸法形状で形成されており、発光部４４から放射された多くの光が入射面５２に入射するようになっている。

また、入射面５２は、回転中心軸ＡＰ上の点を中心とした半球形状に形成されており、ＬＥＤ４０から入射面５２に入射する光の当該入射面５２での反射、及び屈折が抑えられている。反射が抑えられることで、ＬＥＤ４０からレンズ４２に光を取り込む効率が高められる。また屈折が抑えられることで、全反射放物面５０における光の制御精度の低下が抑えられる。さらにレンズ４２は、後述するように、図６に示す角度αが３５度以下になることで、回転中心軸ＡＰに沿った長さが既存のレンズに比べて長くなり、レンズ４２内で光学制御に寄与する部分が増え、より高精度に光が制御される。
このように、光の取り込み効率の向上、及び、光の制御精度の向上により、従前のレンズに比べて出射光の軸光度が高められる。

また本実施形態において、レンズ４２の出射端４２Ｔ２は、回転中心軸ＡＰに直交する単一の平面形状に形成される。本実施形態では、上記正面カバー１８と各レンズ４２とが一体成型によって形成されており、正面カバー１８と出射端４２Ｔ２とが物理的な境界を間に有さずに連続し、出射端４２Ｔ２からの出射光が効率良く正面カバー１８に入射するようになっている。またレンズ４２が正面カバー１８に結合されることで、正面カバー１８をベース部１２に取り付けるだけで、各レンズ４２の組み込みも完了し、光源ユニット１０の組立工程の省力化も図られる。

ここで、レンズ４２は、ＬＥＤ４０の光軸ＡＭと図６に示す直線ＬＡとが成す角度αが３５度以下となっている。この直線ＬＡは、ＬＥＤ４０の発光部４４の最大外径部ＰＭと、出射端４２Ｔ２の出射端縁部４２Ｔ２Ｅとを結び、かつ、ＬＥＤ４０の光軸ＡＭ（レンズ４２の光軸ＡＬと同軸）と交差する線である。
かかるレンズ４２においては、レンズ４２の側面が全反射を生じさせる全反射放物面５０であることから、出射端４２Ｔ２から出射する出射光の大部分は±（角度α＋屈折角β）の角度範囲に収まるようになる。なお、屈折角βは、出射端４２Ｔ２の出射面５４における出射光の屈折角である。

図７は本実施形態の投光器１と従来器具とのそれぞれの配光図である。なお、従来器具は、発光素子の光を従前形状のレンズで制御するスタジアム照明用の投光器である。従前形状のレンズは、特許文献２、及び特許文献３のように、光源であるＬＥＤ４０の光が入射する入射面となる凹面を有し、当該凹面がＬＥＤ４０の基板１４に立設した円錐面と当該ＬＥＤ４０に対面し当該ＬＥＤ４０の側に凸状の凸レンズ面とを含み、凹面の周囲に外郭によって全反射面を形成した構成のものである。また、投光器１については、レンズ４２の上記角度αが３０度である場合の配光を示す。
図７に示すように、従来器具においては、０度から±９０度の広い角度範囲に亘って光が出射されている。これに対し、本実施形態の投光器１においては、上述の通り、出射光の大部分が±（角度α＋屈折角β）の角度範囲に収まることで、光の角度範囲が０度から約±６０度に狭められていることが分かる。

したがって、投光器１を用いたスタジアム照明によれば、出射光の角度範囲が従前器具よりも狭いため、投光器１の正面を競技者が水平方向ＤＨに横断するように移動した際、競技者が光を直接視認する範囲が従前器具に比べて狭くなり、グレアが低減されることとなる。

また本実施形態の投光器１は、各光源ユニット１０が遮光部２２、及び側壁２０を備えることで、図７に示すように、水平方向ＤＨにおける出射光の角度範囲が鉛直方向ＤＶに比べ更に狭くなっており、水平方向ＤＨでは、光の角度範囲が０度から約±４０度まで狭められている。
詳述すると、出射光の角度範囲が設計値よりも拡がる要因の１つに、ＬＥＤ４０以外の外乱光がレンズ４２に入射することが挙げられる。投光器１においては、複数の光源部１６が近接配置されているため、各光源部１６のレンズ４２に入射する他の光源部１６の光が存在し、当該光が外乱光の要因となる。
本実施形態では、上述の通り、鉛直方向ＤＶに延びる遮光部２２及び側壁２０が、水平方向ＤＨに並ぶ各光源部１６の間に設けられているため、各光源部１６では水平方向ＤＨからの外乱光の入射が遮光される。これにより、水平方向ＤＨについては、出射光の角度範囲の拡がりが抑えられ、概ね設計値通り（図７の例では±４０度）となる。一方、鉛直方向ＤＶについては、各光源部１６の間に遮光部材が設けられておらず、上述の外乱光も各光源部１６から照明光として照射されるため、器具効率の低下が抑えられる。

図８は本実施形態の投光器１と上記従来器具のそれぞれの水平方向ＤＨにおける斜視角と最大発光面輝度との関係を示す図である。なお、投光器１においてレンズ４２の上記角度αは３０度である。
図８に示すように、従来器具では、斜視角が４５度でも１メガｃｄ／ｃｍ^２を超えており、また斜視角が６０度でも０．８メガｃｄ／ｃｍ^２を超えている。人が感じる残像感は１メガｃｄ／ｃｍ^２を超えると顕著に酷くなることを考慮すると、従来器具では、水平方向ＤＨの広範囲に亘ってグレアが感じられていることが分かる。
これに対し、本実施形態の投光器１では、斜視角が約３０度までは最大発光面輝度が従来器具と同等であるものの、斜視角が約３０度を超えると最大発光面輝度は大きく低下する。これにより、本実施形態の投光器１によれば、水平方向ＤＨにおいて、±３０度以上の角度範囲でのグレア感が従来器具に比べて大きく低減されていることが分かる。

ここで、レンズ４２において、上記角度αが小さくなるほど、入射端４２Ｔ１からの入射光が全反射放物面５０で反射する回数が増え、全反射放物面５０を透過して上述の外乱光となる光を増加させる要因となる。外乱光の増加は、上述したように、出射光の角度範囲の広がりの原因となり、また、遮光部２２や側壁２０で遮光される分、器具効率を低下させる。
発明者は、出射光の角度範囲及び器具効率と、角度αとの関係を実験やシミュレーションによって求めることで、角度αが少なくとも１０度以上であり、なおかつ、出射端４２Ｔ２の出射面５４を発光部４４より大きくする角度であれば、従来器具よりも狭い角度範囲を実現でき、また十分な器具効率が維持されるとの知見を得た。換言すれば、角度αが１０度よりも小さいか、又は、出射端４２Ｔ２の出射面５４を発光部４４より小さくする角度である場合、出射光の角度範囲が従前器具に近くなり、優位性が損なわれる。

したがって、スタジアム照明に用いる投光器１にあっては、レンズ４２の上記角度αが１０度から３５度の範囲とすることで、競技者が投光器１の正面を水平方向ＤＨに移動する際に感じるグレアを従前器具よりも低減し、かつ、十分な器具効率を維持し十分な明るさを確保できることとなる。

またレンズ４２において、入射端４２Ｔ１の入射面５２、及び出射端４２Ｔ２の出射面５４のそれぞれの面内に、異なる面同士が接合されることで生じる境界が存在すると、この境界を通過した光は意図しない方向に屈折することがありグレア源となる。
そこで、本実施形態では、入射面５２を単一の半球面形状とし、また出射面５４を単一の平面形状とすることで、入射面５２、及び出射面５４のいずれも単一の面によって構成し、グレア源の発生を防止している。これにより、よりグレアを抑えた照明が実現されている。

上述の通り、本実施形態のレンズ４２は、上記角度αが３５度以下に設定されることで、従前のレンズよりも回転中心軸ＡＰ方向に長くなっている。このため、従前のレンズの成型に一般に用いられるアクリル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）を材料として樹脂成形すると、歪みやヒケと呼ばれる凹みが生じ、光学制御の精度が低下することで、出射光の角度範囲の拡がりの要因となる。そこで本実施形態では、シリコーン樹脂やガラス材を材料としてレンズ４２が成型されており、高精度な光学制御を維持し、出射光の角度範囲の拡がりが抑えられている。

上述した実施形態によれば、次のような効果を奏する。

本実施形態の投光器１は、ＬＥＤ４０の光を制御する全反射放物面５０を有するレンズ４２をＬＥＤ４０ごとに備え、ＬＥＤ４０の発光部４４の最大外径部ＰＭとレンズ４２の出射端縁部４２Ｔ２Ｅとを結び、かつ、ＬＥＤ４０の光軸ＡＭを通る直線ＬＡと、ＬＥＤ４０の光軸ＡＭとが成す角度αが１０度から３５度の間となっている。
これにより、投光器１をスタジアム照明に用いた場合に、競技者が投光器１の正面を水平方向ＤＨに移動する際に感じるグレアを従前器具よりも低減することができる。さらに十分な明るさを確保できる。

本実施形態の投光器１によれば、レンズ４２は、ＬＥＤ４０の光が入射する凹状の入射面５２が、単一の半球面形状に形成されているため、ＬＥＤ４０からレンズ４２に光を取り込む効率を高めることができ、また、全反射放物面５０における光の制御精度の低下を抑えることができる。さらに、当該入射面５２でグレア源となる光が生じることがない。

本実施形態の投光器１によれば、レンズ４２の出射端４２Ｔ２の出射面５４は、単一の平面形状に形成されているため、当該出射面５４でグレア源となる光が生じることがない。

本実施形態の投光器１によれば、設置時に水平方向ＤＨに並ぶそれぞれの光源部１６の間に遮光部２２を備えるため、水平方向ＤＨについては、外乱光に起因した出射光の角度範囲の拡がりを抑えることができる。

本実施形態の投光器１によれば、レンズ４２の焦点距離ＦＬと、ＬＥＤ４０の発光部４４の最大外径部ＰＭの大きさＬＭとが、ＬＭ／７．２＜ＦＬの関係を満たす構成となっている。
これにより、レンズ４２における光学損失の増加を抑えることができる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様の例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲において任意に変形、及び応用が可能である。

上述した実施形態において、ＬＥＤ４０の発光部４４の色分布によっては、照射光とは異なる色のスポットが照射面内に発生する場合があり、この場合は、ＬＥＤ４０の発光部４４内において、レンズ４２の回転中心軸ＡＰを変更することで、スポットの発生を抑えることが可能であり、以下、この事について詳述する。

図９は、ＬＥＤ４０の発光部４４を平面視した平面図である。
ＬＥＤ４０は、青色光と、当該青色光を蛍光体樹脂に通すことで当該蛍光体樹脂の蛍光によって得られる黄色光と、の混合によって白色光を放射する構成の白色ＬＥＤであり、図９に示すように、発光部４４は、青色光を発する複数のＬＥＤ素子４４Ａが配置され、これらのＬＥＤ素子４４Ａを蛍光体樹脂が覆って構成されている。
かかる構成において、ＬＥＤ素子４４Ａのいずれも発光部４４の発光中心Ｏに配置されていない場合、発光部４４の色分布において発光中心Ｏが黄色に偏ることで、黄色のスポットが照射面内に生じることがある。
この場合、レンズ４２の回転中心軸ＡＰを発光中心Ｏから外れた位置であって、いずれかのＬＥＤ素子４４Ａ（好ましくは発光中心Ｏに最も近いＬＥＤ素子４４Ａ）の直上の位置ＱＡに移動することで、黄色のスポットの発生を抑えることができる。

上述した実施形態において、レンズ４２の出射端４２Ｔ２の出射面５４は、単一の平面形状ではなく、単一の曲面形状としてもよい。さらに出射面５４を曲面形状とすることで、出射面５４での屈折角βを小さくしてもよい。

上述した実施形態において、遮光部２２は、側方からレンズ４２に入射する外乱光を遮光できる形状、及び寸法であればよい。すなわち、遮光部２２は、図５の断面図において、ＬＥＤ４０からレンズ４２の出射端４２Ｔ２まで延びる高さを必ずしも有する必要はなく、遮光部２２は、この高さ範囲のうち、外乱光を遮光すべき範囲に存在すればよい。この場合において、遮光部２２は、板状である必要もなく、例えば棒状であってもよい。

上述した実施形態において、ＬＥＤ４０は、ＣＯＢ（Chips on Board）型の素子でもよい。またＬＥＤ４０に代えて任意の発光素子を用いることができる。

上述した実施形態における水平、及び垂直等の方向や各種の数値、形状は、特段の断りがない限り、それら方向や数値、形状と同じ作用効果を奏する範囲（いわゆる均等の範囲）を含む。

本発明は、スタジアム照明用の投光器に限らず、任意の投光器に適用することができる。

１ 投光器
１０ 光源ユニット
１６ 光源部
１８ 正面カバー
２２ 遮光部
４０ ＬＥＤ（発光素子）
４２ レンズ
４２Ｔ１ 入射端
４２Ｔ２ 出射端
４２Ｔ２Ｅ 出射端縁部
４４ 発光部
５０ 全反射放物面
５２ 入射面
５４ 出射面
ＡＬ、ＡＭ 光軸
ＤＨ 水平方向
ＤＶ 鉛直方向
Ｆ 焦点
ＦＬ 焦点距離
ＬＡ 直線
Ｏ 発光中心
ＰＭ 最大外径部
α 角度

Claims (5)

1. 複数の発光部を備え、前記発光部のそれぞれの光によって投光照明する投光器において、
   前記発光部は複数のＬＥＤ素子を樹脂で覆って構成され、
   前記発光部の光を制御する全反射放物面を有するレンズを、前記発光部の一つ一つに対応させて、前記発光部ごとに備え、
   前記発光部の発光中心から前記発光部の縁部までの距離が最大の箇所を最大外径部として、前記最大外径部と前記レンズの出射端縁部とを結び、かつ、前記発光部の光軸を通る直線と、前記発光部の光軸とが成す角度が１０度から３５度の間である
   ことを特徴とする投光器。
2. 前記レンズは、
   前記発光部の光が入射する凹状の入射面が、単一の球面形状に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の投光器。
3. 前記レンズの出射端の出射面は、単一の平面形状、又は単一の曲面形状に形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の投光器。
4. 設置時に水平方向に並ぶそれぞれの前記レンズの間に遮光部を備える
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の投光器。
5. 前記レンズの焦点距離ＦＬと、前記最大外径部の大きさＬＭとが、
   ＬＭ／７．２＜ＦＬ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の投光器。

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