(57)【要約】【課題】機械加工を利用して、形状や寸法の精度の高い溝を備えた光学素子を安価に製造可能な方法を提供すること。【解決手段】回折素子１０を機械加工により形成するにあたって、丸棒状のシャンクから径方向外側に単結晶ダイヤモンドからなる刃先３００が突出した切削工具３を軸線Ｌ周りに回転させながら、切削工具３を基材１１表面で相対移動させて検査溝３０を形成した後、検査溝３０を構成する凹部３１の底面３１１の傾き、あるいは凸部３２の上面３２１の傾きを検査し、この検査結果に基づいて基材１１と切削工具３の刃先３００の稜線３０１とがなす角度を補正する。しかる後に、同一の基材１１を切削工具３を同一の基材１１表面で相対移動させて基材１１の表面を削り直して回折素子用の溝列２０を形成する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子形成用の基材に微細な溝列が形成された光学素子の製造方法において、
前記基材に前記溝列を形成するにあたっては、
工具の軸線に対して所定の角度をなす方向に刃先が突出した切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面に検査溝を形成した後、当該検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査し、
該検査結果に基づいて前記基材と前記切削工具の軸線とがなす角度を補正し、
しかる後に、前記切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面を削り直して前記溝列を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記刃先の幅寸法は、前記溝列のピッチの１／２よりやや広いことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１において、前記刃先の下端縁で幅方向に延びる稜線と当該刃先の側面とがなす角度は、両端の角ともに等しく、かつ、９０°から１２０°までの間であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項４】
金型製作用の基材に微細な溝列が形成された金型を製作し、該金型に形成された前記溝列の凹凸形状を光学素子形成材料に転写する光学素子の製造方法において、
前記基材に前記溝列を形成するにあたっては、
工具の軸線に対して所定の角度をなす方向に刃先が突出した切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面に検査溝を形成した後、当該検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査し、
該検査結果に基づいて前記基材と前記切削工具の軸線とがなす角度を補正し、
しかる後に、前記切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面を削り直して前記溝列を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、前記刃先の幅寸法は、前記溝列のピッチの１／２よりやや広いことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４において、前記刃先の下端縁で幅方向に延びる稜線と当該刃先の側面とがなす角度は、両端の角ともに等しく、かつ、９０°から１２０°までの間であることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記刃先の下端縁で幅方向に延びる稜線が前記基材となす角度が前記溝列の設計角度に対して０．０２°以下のずれであることを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折素子のような微細な溝列を備えた光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤの記録、再生を行うための光ヘッド装置に用いられている回折素子は、光学素子形成用の基材表面に微細な溝列が所定のピッチで形成されており、このような微細な溝は、機械加工精度が０．１μｍの従来の機械加工では到底、形成できるものではなかった。従って、回折素子は、従来、半導体プロセスを利用して製造されている。
【０００３】
しかしながら、半導体プロセスを利用した光学素子の製造方法では、製造コストが高い。また、半導体プロセスで凹凸を形成するにはフォトリソグラフィ技術を利用してマスク層を形成し、このマスク層の開口を介して基材にエッチングを施すため、斜面を形成できない。このため、近年、分解能が１ｎｍの超精密加工機を用いて、回折素子の溝を形成することが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような超精密加工機を用いても、溝加工の際、溝列を構成する凹部の底部や凸部の上面部の傾きに高い精度が得られず、±１°の精度が限界である。このような精度の低さは、左右の段差に高さばらつきを発生させる原因となり、その結果、左右対称に回折される一次以上の回折光において効率バランスがくずれることになって好ましくない。
【０００５】
すなわち、従来の機械加工では、機械自身の加工精度に起因する誤差、工具の形状あるいは工具の機械への取り付け誤差、加工される基材の形状あるいは基材の機械への取り付け誤差が全て、積算された誤差がそのまま、溝を構成する凹部の底部や凸部の上面部の傾きの誤差となるからである。
【０００６】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、機械加工を利用して、形状や寸法の精度の高い溝を備えた光学素子を安価に製造可能な方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、光学素子形成用の基材に微細な溝列が形成された光学素子の製造方法において、前記基材に前記溝列を形成するにあたっては、工具の軸線に対して所定の角度をなす方向に刃先が突出した切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面に検査溝を形成した後、当該検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査し、該検査結果に基づいて前記基材と前記切削工具の軸線とがなす角度を補正し、しかる後に、前記切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面を削り直して前記溝列を形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、切削工具をその軸線周りに回転させながら切削工具と基材とを相対移動させて切削工具の刃先で溝列を形成する。その際、予め、同様な方法で基材の表面に検査溝を形成した後、この検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査し、その検査結果に基づいて、基材と切削工具の軸線とがなす角度の補正、すなわち、基材と切削工具の刃先の下端部（稜線）とがなす角度の補正を行ってから、切削工具の刃先で基材の表面を削り直して溝列を形成する。従って、工具の形状あるいは工具の機械への取り付け誤差、加工される基材の形状あるいは基材の機械への取り付け誤差は、溝を構成する凹部の底部や凸部の上面部などの傾きの誤差に影響を及ぼすことがない。それ故、形状や寸法の精度の高い溝列を備えた光学素子を機械加工により安価に形成できる。
【０００９】
本発明において、前記刃先の幅寸法は、前記溝列のピッチの１／２よりやや広いことが好ましい。刃先の幅寸法が溝列のピッチの１／２より狭い場合には、矩形回折格子を形成する際、凹部および凸部のうちの少なくとも一方は複数回の切削で形成する必要があるのに対して、刃先の幅寸法を溝列のピッチの１／２よりやや広くしておくと、凹部も凸部も１回の切削で形成できる。
【００１０】
本発明において、前記刃先の下端縁で幅方向に延びる稜線と当該刃先の側面とがなす角度は、両端の角ともに略等しく、かつ、９０°から１２０°までの間の角度であることが好ましい。
【００１１】
本発明において、前記刃先の下端縁で幅方向に延びる稜線が前記基材となす角度が前記溝列の設計角度に対して０．０２°以下のずれであることが好ましい。このように構成すると、１次光以上の回折光のバランスずれを、例えば３％以内に抑えることができる。
【００１２】
本発明の別の形態では、金型製作用の基材に微細な溝列が形成された金型を製作し、該金型に形成された前記溝列の凹凸形状を光学素子形成材料に転写する光学素子の製造方法において、前記基材に前記溝列を形成するにあたっては、工具の軸線に対して所定の角度をなす方向に刃先が突出した切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面に検査溝を形成した後、当該検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査し、該検査結果に基づいて前記基材と前記切削工具の軸線とがなす角度を補正し、しかる後に、前記切削工具をその軸線周りに回転させながら前記切削工具と前記基材とを相対移動させて前記切削工具の刃先で前記基材の表面を削り直して前記溝列を形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明では、切削工具をその軸線周りに回転させながら切削工具と基材とを相対移動させて切削工具の刃先で溝列を形成する。その際、予め、同様な方法で基材の表面に検査溝を形成した後、この検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査し、その検査結果に基づいて、基材と切削工具の軸線とがなす角度の補正、すなわち、基材と切削工具の刃先の下端部（稜線）とがなす角度の補正を行ってから、切削工具の刃先で基材の表面を削り直して溝列を形成する。従って、工具の形状あるいは工具の機械への取り付け誤差、加工される基材の形状あるいは基材の機械への取り付け誤差は、溝を構成する凹部の底部や凸部の上面部などの傾きの誤差に影響を及ぼすことがない。それ故、形状や寸法の精度の高い溝列を備えた金型を機械加工により形成できるので、それを用いて光学素子を成形すれば、形状や寸法の精度の高い溝列を備えた光学素子を安価に形成できる。
【００１４】
本発明において、前記刃先の幅寸法は、前記溝列のピッチの１／２よりやや広いことが好ましい。刃先の幅寸法が溝列のピッチの１／２より狭い場合には、矩形回折格子製造用の金型を形成する際、凹部および凸部のうちの少なくとも一方は複数回の切削で形成する必要があるのに対して、刃先の幅寸法を溝列のピッチの１／２よりやや広くしておくと、凹部も凸部も１回の切削で形成できる。
【００１５】
本発明において、前記刃先の下端縁で幅方向に延びる稜線と当該刃先の側面とがなす角度は、両端の角ともに略等しく、かつ、９０°から１２０°までの間の角度であることが好ましい。このように構成すると、金型の溝は、底部より開口部の面積が広いため、金型からの成形品の抜けがよいので、生産性が高い。
【００１６】
本発明において、前記刃先の下端縁で幅方向に延びる稜線が前記基材となす角度が前記溝列の設計角度に対して０．０２°以下のずれであることが好ましい。このように構成すると、１次光以上の回折光のバランスずれを、例えば３％以内に抑えることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
図１は、本発明が適用される光学素子としての回折素子の溝形状を示す説明図である。図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、本発明の回折素子の製造に用いた微細加工機の説明図、および切削工具の説明図である。図３、図４および図５はそれぞれ、本発明の光学素子の製造工程のうち、検査溝形成工程の説明図、補正工程の説明図、および仕上げ工程の説明図である。
【００１９】
ＣＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤの記録、再生を行うための光ヘッド装置では、図１に示すように、光学素子形成用の基材１１表面に、光の波長と同程度のピッチで溝列２０が基材１１に垂直に形成された回折素子１０が用いられている、このような回折素子１０において、溝列２０を構成する凹部２１と凸部２２とは同一の幅寸法Ｗ１、Ｗ２に形成されるのが一般的である。
【００２０】
このような回折素子１０を機械加工により形成するために、本形態で用いた微細加工機１は、図２（Ａ）に示すように、スピンドル台２上に搭載されたスピンドル４と、基材１１を載置するためのステージ５とを有しており、スピンドル４には、丸棒状のシャンク３１０の先端でシャンク３１０の径方向外側に向けて刃先３００が工具の軸線Ｌに対して垂直に突出した切削工具３が保持されている。
【００２１】
スピンドル台２は、矢印θで示す方向に角度調整可能に構成されており、スピンドル台２を矢印θで示す方向に角度調整することにより、切削工具３の軸線Ｌの傾き、すなわち、刃先３００の傾きを調整可能である。
【００２２】
ステージ５に対しては、ステージ５を矢印Ｘで示す方向にスライドさせるＸ方向スライド用ブロック５１が構成され、Ｘ方向スライドブロック５１に対しては、このＸ方向スライドブロック５１を矢印Ｙで示す方向にスライドさせるＹ方向スライド用ブロック５２が構成されている。このため、基材１１は、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能である。
【００２３】
切削工具３の刃先３００は、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、下端部に平坦な稜線３０１を備えた単結晶ダイヤモンドからなる刃部を有しており、その幅寸法Ｄは、図１に示した回折素子１０の溝を構成する凹部２１の幅寸法Ｗ１と等しく、凸部２２の幅寸法Ｗ２よりやや広い。また、切削工具３の刃先３００において、稜線３０１と側面３０２とがなす隅角αは、いずれの箇所においても９０°になっている。
【００２４】
このように構成した微細加工機１を用いて、図１に示す回折素子１０を製造するにあたっては、まず、図３に示すように、検査溝形成工程において、一点鎖線で示すように、切削工具３を軸線Ｌ周りに回転させながら、切削工具３を基材１１表面で溝の延設方向（Ｙ方向）に相対移動させて切削工具３の刃先で基材１１の表面に検査溝３０を形成し、それをＸ方向に寸法Ｗ１（≒Ｗ２）分だけずらすたびに切削工具３と基材１１とをＹ方向に相対移動させることによって、検査溝３０を形成する。
【００２５】
その際には、矢印Ａで示すように、切削工具３を軸線Ｌ周りに回転させながら、切削工具３を刃先３００が凹部３１の底部に届く位置まで下方に移動させて検査溝３０の凹部３１を形成した後、切削工具３をＸ方向に寸法Ｗ１（≒Ｗ２）分だけずらし、今度は切削工具３の刃先３００を基材１１に浅く沈み込ませて検査溝３０の凸部３２の上面を削っていく。
【００２６】
次に、補正工程においては、図４に示すように、検査溝３０を構成する凹部３１の底面３１１の傾き、あるいは凸部３２の上面３２１の傾きを検査し、この検査結果に基づいて、切削工具３を実線で示すように、基材１１と切削工具３の軸線Ｌとがなす角度、すなわち、基材１１と切削工具３の刃先３００の稜線３０１とがなす角度を溝列の設計角度に対して０±０．０２°以下に補正する。
【００２７】
しかる後に、仕上げ工程においては、図５に示すように、検査溝形成工程および補正工程を経た同一の基材１１をステージ５上に保持したまま、矢印Ａで示すように、切削工具３を軸線Ｌ周りに回転させながら、切削工具３を同一の基材１１表面で溝の延設方向（Ｙ方向）に相対移動させて切削工具３の刃先で基材１１の表面を削り直して溝を形成し、それをＸ方向に寸法Ｗ１（≒Ｗ２）分だけずらすたびに切削工具３と基材１１とをＹ方向に相対移動させて溝列２０を形成する。その際には、切削工具３を軸線Ｌ周りに回転させながら、切削工具３を刃先３００が凹部２１の底部２１１に届く位置まで下方に移動させて溝の凹部２１を形成した後、切削工具３をＸ方向に寸法Ｗ１（≒Ｗ２）分だけずらし、今度は切削工具３の刃先３００を基材１１に浅く沈み込ませて溝の凸部２２の上面を削っていく。
【００２８】
その結果、基材１１の表面では、検査溝３０を構成する凹凸が全て削られて完全に消失し、図１に示すように、基材１１の新たな表面に溝列２０が形成される。そして、基材１１を所定の寸法に切断すれば、回折素子１０が得られる。
【００２９】
ここで、回折素子１０の表面に形成されている溝列２０では、切削工具３の幅寸法Ｄによって、凹部２１の幅寸法Ｗ１、および凸部２２の幅寸法Ｗ２と等しい寸法に規定される。また、溝列２０を構成する凹部２１の隅角βは、切削工具３の先端部で稜線３０１と側面３０２とがなす隅角αと等しい９０°の角度に規定される。
【００３０】
このように本形態の回折素子１０の製造方法では、検査溝３０を構成する凹部３１の底面３１１の傾き、あるいは凸部３２の上面３２１の傾きを検査し、その検査結果に基づいて、基材１１と切削工具３の刃先３００の稜線３０１とがなす角度を補正してから、切削工具３の刃先３００で基材１１の表面を削り直して溝列２０を形成する。このため、切削工具３の形状あるいは切削工具３の機械への取り付け誤差、加工される基材１１の形状あるいは基材１１の機械への取り付け誤差は、溝列２０を構成する凹部２１の底部２１１や凸部２２の上面部２２１の傾きの誤差に影響を及ぼすことがない。それ故、溝列２０を構成する凹部２１の底面２１１の傾き、あるいは凸部２２の上面２２１の傾きの精度は、±０．０２°と極めて高い。それ故、本形態によれば、形状や寸法の精度の高い溝列２０を備えた回折素子１０を機械加工により安価に形成できる。また、本形態の方法で製造した回折素子１０は、溝列２０の形状や寸法の精度が高いため、一次以上の回折光のバランスずれを±３％以内に押えることができるなど、回折効率のバランスがよく、かつ、最大の透過効率が得られる。
【００３１】
また、本形態では、溝列２０を構成する凹部２１の幅寸法Ｗ１と等しく、凸部２２の幅寸法Ｗ２よりやや広い幅寸法Ｄの切削工具３を用いて溝列２０を形成する。すなわち、刃先３００の幅寸法Ｄは、溝列のピッチの１／２よりやや広い。このため、凹部２１を形成する際、切削工具３をＸ方向に１回移動させるだけでよく、凸部２２を形成する際も切削工具３をＸ方向に１回移動させるだけでよい。それ故、本形態によれば、回折素子１０の溝列２０を効率よく形成することができる。
【００３２】
逆に、刃先３００の幅寸法Ｄが溝列のピッチの１／２より狭い場合には、矩形回折格子を形成する際、凹部２１および凸部２２のうちの少なくとも一方は複数回の切削で形成する必要がある。例えば、切削工具３の幅寸法Ｄが凹部２１の幅寸法Ｗ１、および凸部２２の幅寸法Ｗ２よりも小さい場合、凹部２１を形成するにも凸部２２を形成するにも切削工具３を複数回、Ｘ方向に移動させる必要があり、切削時間が長くなるとともに、刃先の寿命が短くなる。
【００３３】
なお、刃先３００の下端縁で幅方向に延びる稜線３０１と、刃先３００の側面３０２とがなす角度（隅角α）は、両端の角ともに略等しく、かつ、９０°から１２０°までの間の角度であることが好ましい。
【００３４】
［実施の形態２］
実施の形態１は、光学素子形成用の基材１１に微細な溝列２０を機械加工により形成して回折素子１０を製造する方法であったが、金型製作用の基材に微細な溝列を形成して金型を製作し、この金型に形成された溝列の凹凸形状を光学素子形成材料に転写して回折素子１０を製造する場合に本発明を適用してもよい。
【００３５】
この場合の具体的な方法は、実施の形態１と同様であるため、図面を参照しての詳細な説明を省略するが、金型製作用の基材に溝列を形成する際、まず、切削工具３をその軸線周りに回転させながら切削工具３と基材とを相対移動させて切削工具３の刃先で基材の表面に検査溝を形成した後、検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査する。次に、この検査結果に基づいて基材と切削工具の刃先の稜線とがなす角度を補正し、しかる後に、切削工具３をその軸線周りに回転させながら切削工具３と基材とを相対移動させて切削工具３の刃先で基材の表面を削り直して溝列を形成する。
【００３６】
このような方法で金型を製造すれば、形状や寸法精度の高い金型を機械加工により安価に製造できる。それ故、この金型を用いて回折素子１０などの光学素子を成形すれば、形状や寸法の精度の高い溝列２０を備えた回折素子１０などの光学素子を安価に形成できる。
【００３７】
なお、本形態でも、刃先３００の下端縁で幅方向に延びる稜線３０１と、刃先３００の側面３０２とがなす角度（隅角α）は、両端の角ともに略等しく、かつ、９０°から１２０°までの間の角度であることが好ましい。このように構成した金型を用いると、溝の底部より開口部の面積が広いため、金型からの成形品の抜けがよいので、生産性が高い。
【００３８】
また、本形態でも、刃先３００の幅寸法は、前記溝列のピッチの１／２よりやや広いことがこのましい。刃先３００の幅寸法が溝列のピッチの１／２より狭い場合には、矩形回折格子製造用の金型を形成する際、凹部および凸部のうちの少なくとも一方は複数回の切削で形成する必要があるのに対して、刃先の幅寸法を溝列のピッチの１／２よりやや広くしておくと、凹部も凸部も１回の切削で形成できる。
【００３９】
さらに、刃先３００の下端縁で幅方向に延びる稜線３０１が基材となす角度が溝列の設計角度に対して０．０２°以下のずれであることが好ましい。このように構成すると、１次光以上の回折光のバランスずれを、例えば３％以内に抑えることができる。
【００４０】
［その他の実施の形態］
上記形態では、断面矩形の溝列２０を備えた回折格子を製造したが、回折格子に限らず、表面に微細な溝列２０を備えた光学素子を製造するのに本発明を適用すればよい。例えば、バイナリブレーズド回折格子と称せられる階段状の回折格子を製造するのに本発明を適用してもよい。
【００４１】
また、上記形態では、補正工程においては、基材１１と切削工具３の刃先３００の稜線３０１とがなす角度を溝列の設計角度に対して０±０．０２°以下に補正したが、所定の角度に対して±０．０２°以下の角度をなすように補正して、切削工具３の隅部分でＶ溝を形成してもよい。
【００４２】
また、刃先がＶ字形状の回転工具を用いてＶ溝グレーティングの製造に本発明を適用してもよく、このような形状の溝は半導体プロセスでは形成しにくいので、本発明の効果が顕著である。この場合、Ｖ溝を構成する左右の切削面の傾きが等しくなるように切削工具の姿勢を補正すればよい。さらには、回折格子を備えたレンズの製造に本発明を適用してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明ように、本発明では、切削工具をその軸線周りに回転させながら切削工具と基材とを相対移動させて切削工具の刃先で溝列を形成する。その際、同様な方法で基材の表面に検査溝を形成した後、この検査溝を構成する凹部あるいは凸部の切削面の傾きを検査し、その検査結果に基づいて基材と切削工具の刃先の稜線とがなす角度を補正してから、切削工具の刃先で基材の表面を削り直して溝列を形成する。従って、工具の形状あるいは工具の機械への取り付け誤差、加工される基材の形状あるいは基材の機械への取り付け誤差は、溝を構成する凹部の底部や凸部の上面部などの傾きの誤差に影響を及ぼすことがない。それ故、形状や寸法の精度の高い溝列を備えた光学素子や金型を機械加工により安価に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される光学素子としての回折素子の溝形状を示す説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、本発明の回折素子の製造に用いた微細加工機の説明図、切削工具の刃先の正面図、および刃先の側面図である。
【図３】本発明の光学素子の製造工程のうち、検査溝形成工程の説明図である。
【図４】本発明の光学素子の製造工程のうち、補正工程の説明図である。
【図５】本発明の光学素子の製造工程のうち、仕上げ工程の説明図である。
【符号の説明】
１  微細加工機
３  切削工具
４  スピンドル
５  ステージ
１０  回折素子
１１  光学素子形成用の基材
２０  溝列
２１、３１  凹部
２２、３２  凸部
３０  検査溝
３００  刃先
３０１  刃先の稜線
３０２  刃先の側面
【図１】
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【図２】
2004219494.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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