CN113900168A - 扩散板及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种扩散板及其形成方法。该扩散板包括基底和一个或多个微透镜阵列单元，该一个或多个微透镜阵列单元设置于基底上并包括多个微透镜单元，其中，微透镜阵列单元中的任一个的任一边缘为平整的。根据本申请的扩散板可实现优异的消散斑效果，且特别适于幅面较大的扩散板的设计和加工。

Description

扩散板及其形成方法

技术领域

本申请涉及光学元件领域，更具体的，涉及一种扩散板及其形成方法。

背景技术

抬头显示系统(Head Up Display，HUD)、激光雷达、辅助驾驶系统等设备使用越来越广泛，这些设备通常需要应用扩散板。传统的扩散板可以是毛玻璃等种类的扩散板，而微透镜阵列型扩散板是新的发展方向。在微透镜阵列型扩散板的设计、制造过程中，微透镜的形态相比毛玻璃具有良好的可控性，可较准确的实现设计的诸如扩散角大小、光场均匀性以及清晰度等方面的效果。

随着HUD市场的发展，使用者对HUD产品的分辨率以及清晰度提出了越来越高的要求，从而对配套的图像生产模块的要求也越来越高。例如图像生成单元(PGU)的分辨率以及清晰度不断提高。例如以微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)型为代表的高分辨率PGU解决方案愈来愈成熟和完善，且应用越来越广。常规的微结构型扩散板由一系列相同的微结构阵列构成，应用于MEMS-PGU会产生散斑效应，从而使投影画面产生明显的颗粒感，降低画面的均匀性。

因此，期望一种可大幅度降低散斑效应，提高投影质量的扩散板。

发明内容

本申请的实施方式提供了一种扩散板，该扩散板可包括基底和一个或多个微透镜阵列单元，该一个或多个微透镜阵列单元可设置于基底上并包括多个微透镜单元，其中，微透镜阵列单元中的任一个的任一边缘均可为平整的。

在一个实施方式中，微透镜阵列单元中的任一个的任一边缘包括一条或多条直边。

在一个实施方式中，任意两个相邻微透镜阵列单元的相邻边缘的直边可互相无间隙的实现拼接。

在一个实施方式中，一个或多个微透镜阵列单元可具有正多边形、矩形、平行四边形、正三角形、等腰三角形、直角三角形等中的至少一种形状。

在一个实施方式中，每个微透镜阵列单元均可包括至少两种不同形状的微透镜单元。

在一个实施方式中，各个微透镜单元之间可以是均匀过渡的，任意两个相邻的微透镜单元的曲面可相互连接。

在一个实施方式中，微透镜单元中的每个的底部均可以是多边形，多边形的边数大于等于四。

在一个实施方式中，扩散板可包括多个微透镜阵列单元，多个微透镜阵列单元在基底上可通过各自平整的边缘依次沿着横向和纵向拼接而形成扩散板。

在一个实施方式中，多个微透镜阵列单元可包括多个基本微透镜单元组，其中，每个基本微透镜单元组中的微透镜单元可与其相邻微透镜单元组中的微透镜单元的排列顺序成镜像关系。

在一个实施方式中，多个微透镜阵列单元可具有彼此完全相同的结构。

在一个实施方式中，多个微透镜阵列单元可具有彼此不同的结构。

在一个实施方式中，多个微透镜单元中的每个的底部与基底的距离可以是预设范围内的随机值。该随机值是基于Rand函数在预设范围内得到的。

在一个实施方式中，扩散板中的各个微透镜单元的各个边中的至少一部分可相互不平行。

本申请的实施方式还提供了一种用于形成扩散板的方法，该方法可包括：形成多个微透镜阵列单元，其中每个微透镜单元的任一边缘均可以是平整的；以及将多个微透镜阵列单元在基底上通过平整的边缘进行横向拼接和纵向拼接，从而形成扩散板。

在一个实施方式中，横向拼接可包括：将微透镜阵列单元从左到右排列，再以从最右侧到最左侧的方式依次向右重复展开；以及纵向拼接可包括：将微透镜阵列单元从上到下排列，再以从最下侧到最上侧的方式依次向右重复展开设置。

本申请的实施方式还提供了一种用于形成扩散板的方法，该方法可包括：在基底上设置包括多个微透镜单元的初始微透镜阵列，微透镜单元的底部可以为边数大于等于四的多边形；

通过算法控制，使得：

初始微透镜阵列中的两个任意相邻微透镜单元的中心在第一方向和第二方向上的间距分别上下浮动第一阈值和第二阈值，其中，第一方向垂直于第二方向；

微透镜单元在第一方向和第二方向上的初始圆锥系数分别上下浮动第三阈值和第四阈值；以及

微透镜单元在第一方向和第二方向上的初始曲率半径分别上下浮动第五阈值和第六阈值；以及

基于Rand随机函数，将每个微透镜单元的底部添加预设范围内的随机高度。

在一个实施方式中，各个微透镜单元之间可以是均匀过渡的，任意两个相邻的微透镜单元的曲面可相互连接。

本申请提供的扩散板可具有以下至少一个有益效果：(1)微透镜单元的底部为边数大于等于四的各种无序多边形，这样的结构可大幅度提高消散斑的效果；(2)该扩散板由一个或多个任意边缘平整可拼接的微透镜阵列单元组成，在加工制造大幅面扩散板时，可进行拼接式加工，且拼接时不会产生拼接不完整的问题，大大降低了拼接难度，并且减少了扩散光场的均匀性降低的可能性；(3)通过降低多个微透镜阵列单元的拼接过程中的重复度，可提高扩散板消散斑的效果。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1示出了根据本申请的实施方式的扩散板的立体结构示意图；

图2示出了根据本申请的实施方式的扩散板加工所用灰度图；

图3示出了根据本申请的实施方式的扩散板的初始结构图；

图4和图5示出了根据本申请的实施方式的初始微透镜阵列的散斑效果图；

图6和图7示出了根据本申请的实施方式的随机微透镜阵列的散斑效果图；

图8示出了根据本申请的实施方式的一种可大幅面加工的灰度图拼接方式；以及

图9示出了根据本申请的实施方式的拼接后扩散板的消散斑效果图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一光扩散板也可被称作第二光扩散板。反之亦然。

在本说明书中，当特定组件(或区域、层、部分等)被称为在另一(些)组件“上”、“连接到”或“联接到”另一(些)组件时，该特定组件可直接设置在另一(些)组件上、直接连接到或直接联接到另一(些)组件，或者其之间可存在至少一个中间组件。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

出于描述的便利，诸如“下方”、“下”、“上方”、“上”等的空间相对措辞可在本文中用于描述如附图中所示的一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系。应理解的是，除了附图中描绘的取向之外，空间相对措辞旨在包括装置在使用或操作中的不同取向。例如，在实际应用，可将附图中所示出的光扩散系统翻转，则描述为在其它元件或特征“上方”的元件将取向为在其它元件或特征“下方”。因此，示例性措辞“下方”可包括上方和下方两种取向。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是根据本申请的实施方式的扩散板的立体结构示意图。图2是根据本申请的实施方式的扩散板加工所用灰度图。

参照图1和图2，根据本申请的实施方式的扩散板10包括基底101和一个或多个微透镜阵列单元102，该一个或多个微透镜阵列单元可设置于基底101上。每个微透镜阵列单元102均可包括多个微透镜单元103。从图1和图2中可看出，根据本申请实施方式的扩散板表面包含有各种无规则多边形(即，微透镜单元103)。这些微透镜单元103形成阵列。例如，多个微透镜单元103可布置成m×n矩阵形式，其中m和n均为大于1的整数，但是申请的实施方式不限于此。

基底101的材质可以是任意合适的透明或半透明的材质。本申请提供的扩散板所依附的基底并不限于此。基底101通常是平面，多个微透镜单元103在基底101的延展方向上形成阵列布置。基底101与由第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)限定的平面平行，微透镜单元103的纵轴方向与第三方向(Z方向)平行。第一方向、第二方向和第三方向基本上互相垂直。

应理解的是，根据本申请的实施方式的扩散板10可包括一个或多个微透镜阵列单元102。在包括多个微透镜阵列单元102的情况下，各个微透镜阵列单元102可具有相同的结构或不同的结构，本文不做出特别限制。另外，微透镜阵列单元102可具有任意合适数量的微透镜单元103，且不同的微透镜阵列102可具有相同或不同数量的微透镜单元103，本申请不对微透镜单元的数量做出特定限制。为便于说明，附图中仅示出了实际应用时所使用的微透镜阵列的一部分作为示例进行描述。

在该实施方式中，微透镜阵列单元102中的任一个的任一边缘均可为平整的，能够与另一微透镜阵列单元的边缘进行拼接。换言之，微透镜阵列单元102中的任一个的任一边缘可包括一条或多条直边。任意两个相邻微透镜阵列单元102的相邻边缘的直边可互相无间隙的实现拼接。具体地，微透镜阵列单元102可具有例如正多边形、矩形、平行四边形、正三角形、等腰三角形、直角三角形等规则形状中的至少一种，以利于形成具有平整可拼接的边缘。因为扩散板由一个或多个任意边缘平整可拼接的微透镜阵列单元组成，因此在加工制造大幅面扩散板时，可进行拼接式加工，且拼接时不会产生拼接不完整的问题，大大降低了拼接难度，并且减少了扩散光场的均匀性降低的可能性。

微透镜阵列单元102中的每个均可包括至少两种不同形状(即面型)的微透镜单元103。不同形状的微透镜单元103可有利于光的扩散作用。

每个微透镜单元103均具有垂直于基底101的中心轴，即该中心轴与基底101的法线方向Z平行。

微透镜单元103中的任一个微透镜单元的面型z可利用但不限于以下面型公式(1)进行限定：

其中，在此，将微透镜单元103的中心轴作为原点，r_x表示在第一方向x上距中心轴的距离，r_y表示在第二方向y上距中心轴的距离，C_x表示微透镜单元103在第一方向x上的曲率系数，C_y表示微透镜单元103在第二方向y上的曲率系数，k_x表示微透镜单元103在第一方向x上的圆锥系数，以及k_y表示微透镜单元103在第二方向y上的圆锥系数。

示例性地，各个微透镜单元103之间可以是均匀过渡的，任意两个相邻的微透镜单元103的曲面可相互连接。

示例性地，微透镜单元103中的每个的底部均可为多边形，该多边形的边数大于等于四。如图2中所示，扩散板10可由随机的边数大于等于四的多边形的微透镜单元103组成。微透镜单元103的底部设置为边数大于等于4的各种无序多边形，可大幅度提高扩散板消散斑的效果。

在示例性实施方式中，扩散板10可包括多个微透镜阵列单元102，多个微透镜阵列单元102在基底101上可通过各自平整的边缘依次沿着横向(即，第一方向x)和纵向(即，第二方向y)拼接而形成扩散板10。

在示例性实施方式中，多个微透镜阵列单元102可包括多个基本微透镜单元组，其中，每个基本微透镜单元组中的微透镜单元103可与其相邻微透镜单元组中的微透镜单元103的排列顺序成镜像关系。

在示例性实施方式中，多个微透镜单元103中的每个的底部与基底101的距离可以是预设范围内的随机值。该随机值可以是基于Rand函数在预设范围内得到的。可借助Matlab等软件，实现利用Rand函数随机出一个随机值。

在示例性实施方式中，利用Rand函数大约在0μm～5μm这个预设范围内随机出所需的随机值。阵列的多个微透镜单元需要多个随机值，因此可利用Rand函数在预设范围内随机出多个随机值。阵列的多个微透镜单元中，微透镜单元的底部与基底的距离随机设置，可有效地起到消散斑作用。应理解，上面的设定参数仅为举例说明，不具有限制性，预设范围高度在具体应用下可大于5μm。

在示例性实施方式中，扩散板10中的各个微透镜单元103是随机分布的，整个扩散板10中微透镜单元103的边中的至少一部分可相互不平行。换言之，各个微透镜单元103的各个边可以是相互平行与不平行的结合，部分边可相互平行，部分边不平行，本申请不做出具体限制。

利用底部为边数大于等于四的多边形的初始微透镜阵列单元，通过特定算法控制，并且利用随机添加的微透镜单元与基底之间的高度，可形成边缘平整可拼接的微透镜阵列单元102。通过一个或多个边缘平整可拼接的微透镜阵列单元102的拼接，可形成具有消散斑作用的扩散板10。该扩散板10形成的整体扩散光场的散斑效应较弱，且扩散光场的性能保持地很好，实现优异的消散斑效果。

下面参照图3至图9描述根据申请的扩散板及其散斑效果。

图3示出了根据本申请的实施方式的扩散板的初始结构图。

在示例性实施方式中，扩散板的初始微透镜阵列单元100’如图3中所示，该初始微透镜阵列单元100’为正四边形微透镜阵列结构，但应理解，这仅是示例，本申请的实施方式不限于此。其中，初始微透镜阵列单元100’中的任意两个微透镜单元103’之间的间距，即两个任意相邻的微透镜单元103的中心在第一方向x上和第二方向y上的距离分别为Px和Py，微透镜单元103在第一方向x上和第二方向y上的初始圆锥系数分别为Kx和Ky，以及微透镜单元103在第一方向x上和第二方向y上的初始曲率半径分别为Rx和Ry。在该实施方式中，间距Px＝Py＝40um，初始圆锥系数Kx＝-0.79，Ky＝-0.79；初始曲率半径Rx＝0.0308，Ry＝0.0556。应理解，上面各个设定参数仅为举例说明，不具有限制性。

在初始微透镜阵列单元100’的基础之上，通过利用算法控制，使间距Px和Py上下浮动第一阈值和第二阈值，初始圆锥系数Kx和Ky上下浮动第三阈值和第四阈值，以及初始曲率半径Rx和Ry分别上下浮动第五阈值和第六阈值，与此同时，利用Rand函数在每个微透镜单元103’底部添加预设范围内的随机高度，就可实现如图1和图2中所示的扩散板10。在该实施方式中，具体地，间距Px和Py上下浮动10％(即，第一阈值与第二阈值相同)，初始圆锥系数Kx和Ky上下浮动6.33％(即，第三阈值与第四阈值相同)，以及初始曲率半径Rx和Ry分别上下浮动19.48％和36％(即，第五阈值与第六阈值不相同)。应理解，上面各个设定参数仅为举例说明，不具有限制性。还应理解，第一方向x与第二方向y上的各个浮动阈值可相同也可不同，本申请不做具体限制。

示例性地，在每个微透镜单元103’底部添加预设范围内的随机高度可通过Matlab等软件利用Rand函数实现，预设范围内的随机高度大约为0μm～5μm或更大。微透镜单元的底部与基底的距离随机设置，可有效地起到消散斑作用。

图4和图5示出了根据本申请的实施方式的初始微透镜阵列100’的散斑效果图。图6和图7示出了根据本申请的实施方式的随机微透镜阵列扩散板10的散斑效果图。

其中，图4和图5是利用衍射的角谱传播理论计算得到的初始微透镜阵列100’的散斑效果图。图6和图7是利用衍射的角谱传播理论计算得到的随机微透镜阵列扩散板10(即为本申请的扩散板)的散斑效果图。通过对比可以看出，图6中的扩散光场的散斑效果相比于图4有了明显的减弱。图7中的扩散光场的强度相比于图5明显更均匀。因此，本申请所提供的扩散板10可大幅减弱散斑效果，且扩散光场的均匀性更好。

另外，在实际加工过程中，如果扩散板的幅面较大，加工时通常需要利用灰度图拼接的方式进行加工。在这种情形下，常规的随机微透镜阵列单元因边缘不平整不可拼接，因此用于拼接的灰度图边缘四周通常是不完整的，这样微透镜阵列单元在拼接时就会大幅的加大拼接难度，同时存在的拼接误差会引起扩散光场的变化，降低扩散光场的均匀性或者消散斑效果。

图8示出了根据本申请的实施方式的一种可大幅面加工的灰度图拼接方式。图9示出了根据本申请的实施方式的拼接后扩散板的消散斑效果图。

本申请提供的扩散板10通过特殊的算法控制可使得用于拼接的灰度图四周边缘为整齐、完整、可拼接的微透镜阵列，这样在加工时就不会因为拼接增大加工难度。

如图8中所示，示出了一种示例性拼接方法：首先提供图2中所示的多个微透镜阵列单元，多个微透镜阵列单元在基底101上通过各自平整的边缘依次沿着横向(即，第一方向x)和纵向(即，第二方向y)进行拼接，从而形成扩散板10。具体地，将多个微透镜阵列单元从左到右排列，再以从最右侧到最左侧的方式依次向右重复展开进行横向拼接，例如，从左到右排列的不同微透镜阵列单元可用数字表示为1234，则再以从最右侧到最左侧的方式依次向右重复展开的微透镜阵列单元可用数字表示为12344321；然后将横向拼接微透镜阵列单元的方法用于纵向展开。由于微透镜阵列单元的四周边缘为完整透镜，因此按照以上方式不存在拼接问题。

基于本申请的灰度图进行拼接后的扩散板10可包括多个基本微透镜单元组，例如基本微透镜单元组1234、基本微透镜单元组4321等，其中，每个基本微透镜单元组中的微透镜单元103可与其相邻微透镜单元组中的微透镜单元103的排列顺序成镜像关系。

基于本申请的灰度图进行拼接后的扩散板的消散斑效果如图9中所示，从图9中可看出拼接后的扩散板其散斑效果得到了大幅度的抑制。通过一个或多个任意边缘平整可拼接的微透镜阵列单元组成扩散板，在加工大幅面扩散板时，可进行拼接式加工，且拼接时不会产生拼接不完整的问题，减少了扩散光场的均匀性降低的可能性。通过控制多个微透镜阵列单元的拼接过程中的重复度，可很好的控制消散斑的效果，重复度越低，消散斑的效果越好。

综上所述，本申请在大幅度降低加工难度的前提下，实现了优异的消散斑效果，特别适用于幅面相对大的扩散板的设计与加工。

另外，本申请的实施方式还提供了一种用于形成扩散板10的方法，该方法可包括：形成多个微透镜阵列单元102，其中每个微透镜单元102的任一边缘均可以是平整的；以及将多个微透镜阵列单元102在基底上通过平整的边缘进行横向拼接和纵向拼接，从而形成扩散板。

在示例性实施方式中，横向拼接可包括：将微透镜阵列单元102从左到右排列，再以从最右侧到最左侧的方式依次向右重复展开；以及纵向拼接可包括：将微透镜阵列单元102从上到下排列，再以从最下侧到最上侧的方式依次向右重复展开设置。

本申请的实施方式还提供了另外一种用于形成扩散板10的方法，该方法可包括：

在基底上设置包括多个微透镜单元103’的初始微透镜阵列100’，该微透镜单元100’的底部为边数大于等于四的多边形；

通过算法控制，使得：

初始微透镜阵列100’中的两个任意相邻微透镜单元103’的中心在第一方向x和第二方向y上的间距分别上下浮动第一阈值和第二阈值，其中，第一方向x垂直于第二方向y；

微透镜单元103’在第一方向x和第二方向y上的初始圆锥系数分别上下浮动第三阈值和第四阈值；以及

微透镜单元103’在第一方向x和第二方向y上的初始曲率半径分别上下浮动第五阈值和第六阈值；以及

基于Rand随机函数，将每个微透镜单元103’的底部添加预设范围内的随机高度。

在示例性实施方式中，根据上述方法形成的扩散板10中的各个微透镜单元103之间可以是均匀过渡的，任意两个相邻的微透镜单元103的曲面相互连接。

以上描述仅为本申请的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种扩散板，包括：

基底；以及

一个或多个微透镜阵列单元，设置于所述基底上并包括多个微透镜单元，其中，所述微透镜阵列单元中的任一个的任一边缘为平整的。

2.根据权利要求1所述的扩散板，其中，所述微透镜阵列单元中的任一个的任一边缘包括一条或多条直边。

3.根据权利要求1所述的扩散板，其中，所述微透镜阵列单元具有正多边形、矩形、平行四边形、正三角形、等腰三角形、直角三角形中的至少一种形状。

4.根据权利要求1所述的扩散板，其中，每个所述微透镜阵列单元均包括至少两种不同形状的微透镜单元。

5.根据权利要求1所述的扩散板，其中，所述微透镜单元中的每个的底部均为多边形，所述多边形的边数大于等于四。

6.根据权利要求1所述的扩散板，其中，所述扩散板包括多个所述微透镜阵列单元，多个所述微透镜阵列单元在所述基底上通过各自平整的边缘依次沿着横向和纵向拼接而形成所述扩散板。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的扩散板，其中，

所述多个微透镜单元中的每个的底部与所述基底的距离是预设范围内的随机值。

8.一种用于形成扩散板的方法，包括：

形成多个微透镜阵列单元，其中每个所述微透镜单元的任一边缘均是平整的；以及

将所述多个微透镜阵列单元在所述基底上通过所述平整的边缘进行横向拼接和纵向拼接，从而形成所述扩散板。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述横向拼接包括：

将微透镜阵列单元从左到右排列，再以从最右侧到最左侧的方式依次向右重复展开；以及

所述纵向拼接包括：将微透镜阵列单元从上到下排列，再以从最下侧到最上侧的方式依次向右重复展开设置。

10.一种用于形成扩散板的方法，包括：

在基底上设置包括多个微透镜单元的初始微透镜阵列，所述微透镜单元的底部为边数大于等于四的多边形；

通过算法控制，使得：

所述初始微透镜阵列中的两个任意相邻微透镜单元的中心在第一方向和第二方向上的间距分别上下浮动第一阈值和第二阈值，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向；

所述微透镜单元在所述第一方向和所述第二方向上的初始圆锥系数分别上下浮动第三阈值和第四阈值；以及

所述微透镜单元在所述第一方向和所述第二方向上的初始曲率半径分别上下浮动第五阈值和第六阈值；以及

基于Rand随机函数，将每个微透镜单元的底部添加预设范围内的随机高度。

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