專利名稱：用于機動車的具有部分的光學(xué)濾光器的夜視系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于機動車的夜視系統(tǒng)，該夜視系統(tǒng)包括一個照相機(Kamera)，該照相機(或攝像機)具有一個對輻射敏感的圖像傳感器面，被設(shè)置用于采集尤其是來自近紅外區(qū)域的電磁輻射。
背景技術(shù)：
屬于此的主要是在沒有接通傳統(tǒng)的遠光的情況下改善駕駛員的視野的夜視系統(tǒng)。
用于夜視輔助的系統(tǒng)越來越多地配備在機動車中。夜視系統(tǒng)的目標是，在夜晚通過使用照相機及顯示器或擋風(fēng)玻璃投影改善駕駛員的超過近光區(qū)域的視野。在此不應(yīng)使對面來車炫目，而這在使用也具有可見區(qū)域中的光的傳統(tǒng)遠光的情況中則可能是這種情況。夜視輔助通過使用及采集對于人眼不可見的波長范圍來實現(xiàn)。通過照相機借助于顯示器或擋風(fēng)玻璃投影(例如通過抬頭顯示器)使得這些波長范圍對于駕駛員可接近。
傳統(tǒng)的鹵素前照燈(遠光及近光)不僅包括可見光區(qū)域(VIS，380nm～780nm。參見DIN5030第二部分)中的光譜份額，而且包括近紅外(NIR IR-A，780nm～1400nm)中的光譜份額。當前結(jié)構(gòu)形式的NIR-遠光前照燈使用傳統(tǒng)的鹵素白熾燈并且借助于一些光學(xué)濾光器減弱可見光區(qū)域。將來也可使用基于激光器或LED的NIR-遠光前照燈?；贑CD-技術(shù)或CMOS-技術(shù)的攝像機具有這樣的光譜敏感度，該光譜敏感度從約380nm達約1100nm。NIR-IR-A-區(qū)域中因此僅780nm與1100nm之間的區(qū)域被利用。該區(qū)域在下面被稱為NIR-區(qū)域。
在已公知的各種夜視系統(tǒng)中使用波長從780至約1100nm的不可見的近紅外區(qū)域(NIR-區(qū)域)。在這些基于NIR的所謂的主動式系統(tǒng)(相對于基于遠紅外的熱輻射的系統(tǒng))中，由機動車的NIR-遠光前照燈照亮的區(qū)域作為用于駕駛員夜視輔助的近紅外圖像通過攝像機采集并且借助于顯示器(傳統(tǒng)的或抬頭顯示器)顯現(xiàn)給駕駛員。
在純NIR-系統(tǒng)(不使用VIS-區(qū)域)中，僅780nm～約1100nm的NIR-區(qū)域中的圖像被照相機攝取并且可讓駕駛員在一個顯示器或抬頭顯示器上看到。在Kunihiko Toyofuku等的《使用近紅外光的“夜視系統(tǒng)”》(“The“Night View System”using Near-Infrared Light”，in SAE2003-01-0018，第33頁～第38頁)中公開了一種這樣的系統(tǒng)。在該文獻中，圖像傳感器(成像器)前的光路中的一個遮光濾光器完全抑制可見光區(qū)域(VIS-區(qū)域)、即380至780nm的波長的攝取。但由此在對于夜視輔助至關(guān)重要的圖像區(qū)域中圖像質(zhì)量的可能的改善被可見光(VIS)區(qū)域中的輻射阻止并且對于駕駛員隱瞞了在前行駛的車輛的對安全性至關(guān)重要的信息如基于LED的制動信號燈，這些制動信號燈僅可在可見光區(qū)域中被使用。
此外公開了混合式NIR-VIS-系統(tǒng)。在此不僅采集NIR-區(qū)域中的輻射而且采集VIS-區(qū)域中的輻射，并且將圖像顯現(xiàn)在一個顯示器上。為此使用的照相機對約λ_下至λ_上的波長范圍敏感，其中λ_下位于380nm與780nm之間的可見光區(qū)域中，λ_上位于NIR-區(qū)域中的780nm與1100nm之間。
純NIR-系統(tǒng)中及尤其是組合的NIR-VIS-系統(tǒng)中的問題是通過照相機采集的區(qū)域的不均勻的照亮。對于在夜晚的視野的改善感興趣的主要是超過近光區(qū)域的視野域的直觀化。近光區(qū)域(下面被稱為近區(qū)域)被已通過近光充分照亮并且因此意義不大，但盡管如此還是被(至少部分地)呈現(xiàn)出，以便使駕駛員在觀察夜視圖像時容易地定向。產(chǎn)生了用于這個區(qū)域的照相機圖像的亮的照射，因為補充了傳統(tǒng)的近光及NIR-遠光。此外，近區(qū)域由于原理而被較更強地照亮并且比位于遠處的地帶更亮地成像。由此照相機及顯示器的受限制的亮度動態(tài)的一部分由于亮的近區(qū)域而“喪失”，以至例如遠光區(qū)域(下面被稱為遠區(qū)域)的暗區(qū)域不可再被這樣好地分辨。此外，駕駛員的注意力增多地轉(zhuǎn)移到亮的近區(qū)域上，由此，對遠區(qū)域中的緊急的的感覺變難。
不期望地亮的區(qū)域的由軟件算法在圖像處理(在純顯視系統(tǒng)中也被稱為圖像加工)中在計算上進行的色度加深要求高的計算耗費和附加的存儲單元，這提高了相應(yīng)地被裝備的夜視控制儀器的成本。在不包括圖像處理計算機的簡單夜視系統(tǒng)中，照相機圖像的這樣一個軟件支持的后處理是不可能的。由于受限制的亮度動態(tài)，通過軟件支持的后處理不可再校正成像器的過調(diào)。此外，近區(qū)域的與波長相關(guān)的衰減通過軟件算法在灰度照相機中是不可能的，在彩色照相機中耗費高。

發(fā)明內(nèi)容
通過獨立權(quán)利要求的措施實現(xiàn)在不借助于處理圖像的軟件算法的情況下在夜視系統(tǒng)的照相機的圖像傳感器面的預(yù)先確定的部分區(qū)域上進行所采集的輻射的衰減，不期望地高的輻射強度通常否則會分攤給這些部分區(qū)域。輻射的衰減根據(jù)本發(fā)明在一些預(yù)先確定的部分區(qū)域中通過一個相應(yīng)地設(shè)置在夜視系統(tǒng)的光路中的光學(xué)濾光器元件產(chǎn)生，由此，已經(jīng)在圖像傳感器面中采集前就在期望的圖像區(qū)域中、如尤其是在過亮的近區(qū)域的圖像中降低了輻射。對于本發(fā)明的目的，所述光路理解為從被照射的物體到成像器的路徑，其中對于本發(fā)明，濾光器元件的合適的位置優(yōu)選區(qū)段地位于照相機的緊前面和/或內(nèi)部。
用于圖像后加工的、成本高的軟件算法對于通?？赡懿黄谕亓恋膱D像區(qū)域的色度加深則是可有可無的。駕駛員的視野以并不復(fù)雜的方式更多地轉(zhuǎn)移到對于夜視輔助有益的圖像片斷上。圖像傳感器面的部分區(qū)域的過調(diào)被避免并且照相機及顯示器的可供使用的亮度動態(tài)就對于夜視輔助至關(guān)重要的圖像區(qū)域而言被很好地利用。
從屬權(quán)利要求中給出了本發(fā)明的相應(yīng)主題的有利的構(gòu)型、進一步構(gòu)型及改進。
本發(fā)明的系統(tǒng)的一個有利的構(gòu)型包括一個照相機，該照相機對380至1100nm的波長范圍敏感。在此不僅采集VIS-區(qū)域中的輻射而且采集NIR-區(qū)域中的輻射，這提高了夜視輔助的質(zhì)量(例如LED制動信號燈及尾燈也可被看到)。
本發(fā)明的夜視系統(tǒng)的另一個有利的構(gòu)型是圖像傳感器面的至少部分的輻射的由濾光器引起的衰減，駕駛員視野中的近區(qū)域成像在該部分上。在此涉及機動車緊前面的區(qū)域，駕駛員視野中的該區(qū)域借助于近光就可被充分看清。尤其是通過近光及NIR-遠光的組合造成的高亮度由此在對于夜視輔助不感興趣的區(qū)域中根據(jù)本發(fā)明被衰減，這造成超過近光區(qū)域的夜視的改善。駕駛員的注意力不由于近區(qū)域中的高亮度轉(zhuǎn)移。此外，照相機的動態(tài)區(qū)域被更好地利用，使得暗的圖像區(qū)域(尤其在遠光區(qū)域中)可被更高地分辨。
本發(fā)明的一個有利的進一步構(gòu)型是光學(xué)濾光器的與波長相關(guān)的濾光特性，其中，該濾光特性具有個別地與該系統(tǒng)的特定使用相匹配的透過功能。因此通過光學(xué)濾光器的反相的波長特性考慮例如照相機中的圖像傳感器的波長特性和/或前照燈，由此，超過一個大的波長范圍達到總系統(tǒng)的均勻的光譜敏感性。
通過選擇近光及NIR-遠光的不同的光譜區(qū)域可強地簡化近光的衰減。如果這樣地選擇NIR-遠光的及傳統(tǒng)的近光的光譜，使得這些光譜不重疊(例如通過借助于近光前照燈中的光學(xué)濾光器阻斷NIR-份額)，則可完全抑制NV-圖像中的近光份額(光譜分離)。特別有利的是，阻斷近光光譜中的大于約600nm的所有光譜份額，因為于是可這樣地設(shè)計夜視照相機(透過范圍從600nm至1100nm)，使得盡管近光被抑制但還是可采集波長例如為625nm的LED尾燈或制動信號燈。在設(shè)計與波長相關(guān)的濾光特性時一起考慮(例如瀝青)道路的光譜反射性質(zhì)。
一個附加的改善方案是光學(xué)濾光器的可更換性。這可實現(xiàn)與不同的車輛型號或車輛變型相匹配。改裝系統(tǒng)由此也可簡單地與不同的車輛型號相匹配。
對于有效地衰減一個確定的目標區(qū)域、例如近區(qū)域中的輻射特別適合的是在圖像傳感器面的緊前面定位濾光器。一個作為圖像傳感器面上的涂層的光學(xué)濾光器在此情況下是有利的變型，因為由此取消了用于濾光器的固定裝置。替換地，該濾光器可作為涂層設(shè)置在用于圖像傳感器的保護玻璃(玻璃蓋)上，該保護玻璃保護真正的圖像傳感器及其連接導(dǎo)線免受損害。替換地，該蓋本身也可壓制成光學(xué)濾光器。也可有利地將濾光器集成在物鏡中。在此尤其是所述涂層適合于最后的、朝著成像器的透鏡。


下面借助附圖來描述本發(fā)明的實施例。附圖表示圖1根據(jù)本發(fā)明的用于機動車的夜視系統(tǒng)的一個實施形式的框圖；圖2具有根據(jù)本發(fā)明設(shè)置在夜視系統(tǒng)的光路中的、用于衰減從近區(qū)域中采集的輻射的濾光器元件的照相機的橫截面的示意圖；圖3用于表示一個可根據(jù)本發(fā)明使用在夜視系統(tǒng)的光路中的濾光器元件的例子的與波長相關(guān)的帶通特性的曲線圖；圖4具有根據(jù)本發(fā)明的起濾光器作用的涂層的被設(shè)置用于使用在機動車的夜視系統(tǒng)中的圖像傳感器面的實施形式的示意圖；圖5近光的局部的強度分布的示意圖，用于說明用于衰減近區(qū)域的被設(shè)置使用在用于機動車的夜視系統(tǒng)中的光學(xué)濾光器的實施形式的盡可能反相的局部的特性。
具體實施例方式
在附圖中，相同的參考標號表示相同的或功能相同的部件。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于機動車的夜視系統(tǒng)1的一個實施形式的框圖。夜視系統(tǒng)1具有一個控制單元3，該控制單元與該系統(tǒng)的其它部件連接、控制這些部件并且處理這些部件的信號及數(shù)據(jù)。
在通過一個操作單元13激活該夜視系統(tǒng)之后，控制單元3接通NIR-遠光前照燈5。這些前照燈5以NIR-波長范圍(780至約1100nm)照亮機動車前方的一個與在傳統(tǒng)遠光的情況中類似的空間區(qū)域。有效距離約為250米。
一個也對NIR-區(qū)域敏感的、具有CCD-圖像傳感器或CMOS-圖像傳感器(分別具有線性的或非線性的強度特性曲線)的、景深范圍約為2m至無窮大的照相機7主要采集由位于NIR-遠光區(qū)域中的物體反射的NIR-輻射。根據(jù)本發(fā)明，照相機7裝備有一個設(shè)置在夜視系統(tǒng)1的光路中的光學(xué)的濾光器元件9，通過該濾光器元件衰減照相機7中的圖像傳感器面11的預(yù)先確定的部分區(qū)域上的輻射。該圖像傳感器面例如是CCD-芯片或CMOS-芯片。
由照相機7采集的圖像數(shù)據(jù)通過控制單元3傳輸給顯示單元15。在該顯示單元15中，照相機的圖像在用于駕駛員的顯示器17上被直觀化。顯示器17例如是一個所謂的“抬頭顯示器”，通過該顯示器可使照相機的直觀化的圖像對于駕駛員可很好看到地投射在擋風(fēng)玻璃的下部上。
圖2中示意性地描繪了一個具有根據(jù)本發(fā)明設(shè)置在夜視系統(tǒng)的光路中的、用于衰減從近區(qū)域中采集的輻射的濾光器元件9的照相機7的橫截面。在圖2中所示的實施形式中，一個這樣的濾光器元件9位于圖像傳感器的部分區(qū)域的緊前面，該近區(qū)域在其上被成像。虛線表示從近區(qū)域20的前端部及后端部出發(fā)的射線束的邊緣射線。濾光器元件的位置這樣地選擇，使得所有從近區(qū)域投在圖像傳感器面上的射線透過濾光器元件9。實線表示近區(qū)域的前邊緣點的或后邊緣點的主點射線。點線反映了來自遠區(qū)域的一個確定的、任意選擇的點，該點如可從該圖中看到的那樣不通過濾光器元件9衰減。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所看到的那樣，有利的是，濾光器元件9盡可能靠近圖像傳感器面11地設(shè)置，以便以盡可能少的重疊獲得近區(qū)域成像與遠區(qū)域成像之間的盡可能清晰的邊界，由此，來自遠區(qū)域的圖像點的、盡可能少的射線被過濾地成像，而來自近區(qū)域20的、盡可能多的射線被濾光器9過濾。
在此情況下，來自近區(qū)域20的由照相機7采集的輻射通過概括地作為透鏡示出的照相機物鏡22投射到圖像傳感器面11的上區(qū)域、即所謂的近區(qū)域-圖像區(qū)域24上。根據(jù)本發(fā)明，濾光器元件9被設(shè)置在這個近區(qū)域-圖像區(qū)域24的緊前面。濾光器元件9可由市場上常見的干涉濾光器或吸收濾光器材料的一些層構(gòu)成。這個濾光器9按照其波長特性衰減來自近區(qū)域20的輻射。來自遠區(qū)域的未被過濾的輻射投射在圖像傳感器面11的其余部分上。例如一個濾光器被設(shè)置在圖像傳感器面11之前，該濾光器對輻射的衰減具有機動車的近光的成像的與位置相關(guān)的反相特性。也可以使用其它一些濾光器元件，這些濾光器元件遮蓋一個超過純粹的近區(qū)域的區(qū)域。這些濾光器元件例如具有與位置相關(guān)的濾光特性，這些濾光器元件借助于由照相機7采集的輻射的總強度定向并且由此不僅校正近區(qū)域的過輻射，而且通過反相特性附加地補償遠區(qū)域中的不均勻性。因此可實現(xiàn)照相機的總的可見光區(qū)域的均勻的強度，由此例如補償漸暈。濾光器9或濾光器涂層由此可影響總的成像器面，或者僅影響該總的成像器面的部分。
濾光器9也可具有與波長相關(guān)的帶通特性。此外與位置相關(guān)的特性和與波長相關(guān)的特性的組合也是可能的。
圖3中以曲線圖形式示出了濾光器的這樣一個與波長相關(guān)的帶通特性或者說透射特性的例子。
透射率T是關(guān)于波長A的函數(shù)。對于可見光區(qū)域(380～780nm)的衰減約為90％，非常強。而對NIR-區(qū)域(780～1100nm)中的輻射的抑制僅約為4％。為了例如實現(xiàn)來自近區(qū)域的NIR-輻射的同樣強的衰減及實現(xiàn)VIS-輻射及NIR-輻射的對于其余的圖像傳感器面區(qū)域同樣好的透過，與位置相關(guān)的特性同波長特有的帶通特性的組合也是有利的。
圖4中簡單示出了根據(jù)本發(fā)明涂層有光學(xué)濾光器的、被設(shè)置用于使用在機動車的夜視系統(tǒng)中的圖像傳感器面11。圖像傳感器面11具有一個涂層，該涂層與位置相關(guān)地僅對于圖像傳感器面的部分區(qū)域24衰減在那里入射的輻射。涂層24由一種合適的、如上面已經(jīng)提到的材料構(gòu)成。濾光作用在此除了始終存在的與波長相關(guān)的特性之外還具有與位置相關(guān)的特性，后者例如通過在不同的位置上施加不同的涂層實現(xiàn)。
與位置方面的濾光特性相關(guān)地，圖5再現(xiàn)了照相機的視野中的近光的在位置上的強度分布。用灰色示出的框19及19′大致表示近區(qū)域并且由此表示(反相地設(shè)置的)光學(xué)濾光器9的位置和大小。容易看出，該濾光器不必絕對地占據(jù)圖像傳感器的整個寬度。因為濾光器9(圖5中未示出)應(yīng)具有強度的反相特性，以便為駕駛員產(chǎn)生亮度盡可能均勻的圖像，所以有對于暗的區(qū)域應(yīng)優(yōu)選不被濾光器衰減，對于亮的區(qū)域應(yīng)被濾光器9強地衰減。位于中間的亮度級應(yīng)盡可能連續(xù)地并且反相地成像。位置上不同的衰減及濾光器9的透射能力的盡可能無級的變化可以以不同的方式實現(xiàn)一方面通過位置不同地施加不同數(shù)量的相同透射性的衰減層一個衰減層例如具有95％的透射性。如果現(xiàn)在上下重疊地施加例如5個層，則得到總透過率為95％的5次方＝77％。在不同位置上的不同數(shù)量的層例如可通過掩模及多次的涂層實現(xiàn)。
另一方面通過在不同位置施加具有不同的透射性的不同的層。由此一個接一個地將例如透射性為95％、90％、85％、……的層施加在不重疊的多個掩模上。也可組合這兩種方法。
盡管上面借助于一些優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不被限制于此，而是可以以多種方式變型。因此光學(xué)濾光器可已經(jīng)在照相機之前就設(shè)置在夜視系統(tǒng)的光路中。例如可考慮擋風(fēng)玻璃的局部的、起濾光作用的涂層。
最后，只要從屬權(quán)利要求的特征彼此獨立，這些特征就基本上可彼此無關(guān)地并且不按照權(quán)利要求中存在的順序地彼此組合。
權(quán)利要求
1.用于機動車的夜視系統(tǒng)(1)，該夜視系統(tǒng)包括一個照相機(7)，該照相機具有一個圖像傳感器(11)，被設(shè)置用于采集尤其是來自可見光區(qū)域(VIS)及紅外區(qū)域(NIR)的電磁輻射，其特征在于該夜視系統(tǒng)包括一個濾光器元件(9)，該濾光器元件被這樣地設(shè)置在該夜視系統(tǒng)(1)的光路中，使得它從圖景(11)的預(yù)先確定的部分區(qū)域(24)引起所采集的輻射的衰減，所述圖景成像在該圖像傳感器的預(yù)先確定的部分區(qū)域上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于該照相機(7)對400至1100nm的波長范圍或其中的一些部分范圍敏感，但這些部分范圍至少也包含近紅外(波長＞780nm)中的一個份額。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于輻射的由濾光器引起的衰減包括該圖像傳感器面(11)的至少部分，駕駛員視野中的近區(qū)域(20)成像在該部分上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中一項的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于該濾光器元件(9)具有與波長相關(guān)的濾光特性，其中，該濾光特性具有個別地與該系統(tǒng)(1)的特定使用相匹配的透過功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中一項的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于該濾光器元件(9)具有與位置相關(guān)的濾光特性，其中，該濾光特性具有個別地與該系統(tǒng)(1)的特定使用相匹配的透過功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于，該與位置相關(guān)的濾光特性被根據(jù)整個光學(xué)系統(tǒng)的反相的與位置相關(guān)的敏感性來調(diào)節(jié)，以便平衡尤其是來自遠區(qū)域的輻射強度的不均勻性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中一項的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于該濾光器元件(9)可更換地被固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中一項的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于該濾光器元件(9)位于該圖像傳感器(11)緊前面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6中一項或8的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于該濾光器元件(9)作為涂層(24)設(shè)置在該圖像傳感器(11)上。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求1至6中一項的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于，該濾光器元件(9)被構(gòu)造成用于該圖像傳感器(11)的保護玻璃的集成的部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中一項的夜視系統(tǒng)(1)，其特征在于，NIR-遠光的光譜與傳統(tǒng)的近光的光譜具有盡可能小的重疊或不具有重疊。
12.用于機動車的夜視系統(tǒng)(1)的照相機(7)，該照相機包括一個對輻射敏感的圖像傳感器面(11)，被設(shè)置用于采集尤其是來自紅外區(qū)域的電磁輻射，其特征在于該圖像傳感器面(11)包括一個濾光器元件(9)，該濾光器元件被這樣地設(shè)置在該夜視系統(tǒng)(1)的光路中，使得它在圖像傳感器面(11)的預(yù)先確定的部分區(qū)域上引起所采集的輻射的衰減。
13.用于機動車的夜視系統(tǒng)(1)的濾光器元件(9)，其中，該夜視系統(tǒng)包括一個照相機(7)，該照相機具有一個對輻射敏感的圖像傳感器面(11)，被設(shè)置用于采集尤其是來自紅外區(qū)域的電磁輻射，其特征在于該濾光器元件(9)被設(shè)置用于這樣地設(shè)置在該夜視系統(tǒng)(1)的光路中，使得在圖像傳感器面(11)的預(yù)先確定的部分區(qū)域(24)上引起所采集的輻射的衰減。
14.用于機動車的夜視系統(tǒng)(1)中的照相機(7)的圖像傳感器面(11)，被設(shè)置用于采集尤其是來自紅外區(qū)域的電磁輻射，其特征在于該圖像傳感器面(11)包括一個涂層(24)，其中，該涂層(24)在該圖像傳感器面(11)的預(yù)先確定的部分區(qū)域上導(dǎo)致該照相機中所采集的輻射的衰減。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于機動車的夜視系統(tǒng)，該夜視系統(tǒng)包括一個照相機(7)，該照相機具有一個對輻射敏感的圖像傳感器面(11)，被設(shè)置用于采集尤其是紅外區(qū)域中的電磁輻射。為了在超過近光區(qū)域的遠視野方面改善這樣的系統(tǒng)，該夜視系統(tǒng)包括一個濾光器元件(9)，該濾光器元件被這樣地設(shè)置在該夜視系統(tǒng)的光路中，使得它在圖景(11)的預(yù)先確定的部分區(qū)域(24)上引起所采集的輻射的衰減。由此來自近光區(qū)域(20)的在其它情況下過強的輻射被衰減。
文檔編號G01S17/00GK1902522SQ200480040207
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月10日
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