(57)【要約】【課題】立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、多人数の人が同時に三次元立体像を観察することが可能な三次元表示装置を提供する。【解決手段】右目用の視差像と、左目用の視差像を表示する表示装置と、前記観察者の右目の眼前に設けられる第１の可変焦点レンズと、前記観察者の左目の眼前に設けられる第２の可変焦点レンズと、前記右目用の視差像および前記左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置に応じて、前記第１の可変焦点レンズの焦点距離および第２の可変焦点レンズの焦点距離を変化させる同期装置とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
右目用の視差像と、左目用の視差像を表示する表示装置と、
前記観察者の右目の眼前に設けられる第１の可変焦点レンズと、
前記観察者の左目の眼前に設けられる第２の可変焦点レンズと、
前記右目用の視差像および前記左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置に応じて、前記第１の可変焦点レンズの焦点距離および第２の可変焦点レンズの焦点距離を変化させる同期装置とを備えることを特徴とする三次元表示装置。
【請求項２】
前記観察者の右目の眼前に設けられる第１のシャッタ手段と、
前記観察者の左目の眼前に設けられる第２のシャッタとを備え、
前記表示装置は、前記右目用の視差像と前記左目用の視差像とを交互に表示し、
前記同期装置は、前記表示装置が前記右目用の視差像を表示するときに、前記第１のシャッタ手段を透過状態、前記第２のシャッタ手段を非透過状態にし、また、前記表示装置が前記左目用の視差像を表示するときに、前記第１のシャッタ手段を非透過状態、前記第２のシャッタ手段を透過状態とすることを特徴とする請求項１に記載の三次元表示装置。
【請求項３】
前記表示装置の前記観察者側に配置される偏光切替装置と、前記観察者の右目の眼前に設けられ、偏光方向が第１の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第２の偏光方向の光を遮断する第１の手段と、
前記観察者の左目の眼前に設けられ、偏光方向が第２の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第１の偏光方向の光を遮断する第２の手段とを備え、
前記表示装置は、前記右目用の視差像と、前記左目用の視差像とを交互に表示し、
前記同期装置は、前記偏光切替器を制御し、前記表示装置が前記右目用の視差像を表示するときに前記偏光切替装置から出力される視差像の偏光方向を第１の偏光方向に、また、前記表示装置が前記左目用の視差像を表示するときに前記偏光切替装置から出力される視差像の偏光方向を第２の偏光方向に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の三次元表示装置。
【請求項４】
前記観察者の右目の眼前に設けられ、偏光方向が第１の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第２の偏光方向の光を遮断する第１の手段と、前記観察者の左目の眼前に設けられ、偏光方向が第２の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第１の偏光方向の光を遮断する第２の手段とを備え、
前記表示装置は、偏光方向が第１の偏光方向である前記右目用の視差像と、偏光方向が第２の偏光方向である前記左目用の視差像とを同時に表示することを特徴とする請求項１に記載の三次元表示装置。
【請求項５】
前記同期装置は、前記第１の可変焦点レンズの焦点距離および第２の可変焦点レンズの焦点距離を、時分割で少なくともｎ（２≦ｎ≦１０）段階に変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の三次元表示装置。
【請求項６】
前記観察者がかけるメガネを備え、
前記メガネは、左右のレンズとして、前記第１および第２の可変焦点レンズを有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の三次元表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元表示装置に係わり、特に、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、多人数の人が同時に三次元立体像を観察できる三次元表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三次元立体像を表示する装置として、二眼式立体表示装置が知られている（例えば、特許文献参照）。
図８は、従来の二眼式立体表示装置の一例を示す図であり、この図８に示す二眼式立体表示装置は、前述の特許文献の図２７に記載されている液晶シャッタ眼鏡方式の立体表示装置である。
以下、この液晶シャッタ眼鏡方式の原理について説明する。
この液晶シャッタ眼鏡方式においては、カメラ（６０２，６０３）により、三次元物体６０１を異なる方向から撮影し、三次元物体６０１を異なる方向から撮影した像（視差像）を生成する。
カメラ（６０２，６０３）により撮影された映像を、映像信号変換装置６０４で合成して１つの映像信号とし、二次元表示装置（例えば、ＣＲＴ表示装置）６０５に入力する。観察者６０７は、液晶シャッタ眼鏡６０６をかけて二次元表示装置６０５の映像を観察する。
ここで、二次元表示装置６０５がカメラ６０３の映像を表示している時に、液晶シャッタ眼鏡６０６は左側が非透過状態、右側が透過状態とされ、また、二次元表示装置６０５がカメラ６０２の映像を表示している時に、液晶シャッタ眼鏡６０６は左側が透過状態、右側が非透過状態とされる。
前記動作を高速で切り替えると、眼の残像効果により両眼に視差像が見えるように感じる。したがって、両眼視差による立体視が可能となる。
【０００３】
なお、本願の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【特許文献】
特許第３０２２５５８号公報
【非特許文献】
「液晶・基礎編」、「液晶・応用編」（岡野、小林共編、培風館）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の図８に示す液晶シャッタ眼鏡方式は、立体視の生理的要因の中で、両眼視差、輻輳と、ピント調節との間に大きな矛盾が生じる。
即ち、液晶シャッタ眼鏡方式では、両眼視差と輻輳はほぼ満足できるが、ピント面が表示面にあるため、この矛盾により、眼精疲労などを生じるという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、多人数の人が同時に三次元立体像を観察することが可能な三次元表示装置を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
即ち、本発明は、右目用の視差像と、左目用の視差像を表示する表示装置と、前記観察者の右目の眼前に設けられる第１の可変焦点レンズと、前記観察者の左目の眼前に設けられる第２の可変焦点レンズと、前記右目用の視差像および前記左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置に応じて、前記第１の可変焦点レンズの焦点距離および第２の可変焦点レンズの焦点距離を変化させる同期装置とを備える。
【０００６】
また、本発明では、前記観察者の右目の眼前に設けられる第１のシャッタ手段と、前記観察者の左目の眼前に設けられる第２のシャッタとを備え、前記表示装置は、前記右目用の視差像と前記左目用の視差像とを交互に表示し、前記同期装置は、前記表示装置が前記右目用の視差像を表示するときに、前記第１のシャッタ手段を透過状態、前記第２のシャッタ手段を非透過状態にし、また、前記表示装置が前記左目用の視差像を表示するときに、前記第１のシャッタ手段を非透過状態、前記第２のシャッタ手段を透過状態となす。
また、本発明では、前記表示装置の前記観察者側に配置される偏光切替装置と、前記観察者の右目の眼前に設けられ、偏光方向が第１の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第２の偏光方向の光を遮断する第１の手段と、前記観察者の左目の眼前に設けられ、偏光方向が第２の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第１の偏光方向の光を遮断する第２の手段とを備え、前記表示装置は、前記右目用の視差像と、前記左目用の視差像とを交互に表示し、前記同期装置は、前記偏光切替器を制御し、前記表示装置が前記右目用の視差像を表示するときに前記偏光切替装置から出力される視差像の偏光方向を第１の偏光方向に、また、前記表示装置が前記左目用の視差像を表示するときに前記偏光切替装置から出力される視差像の偏光方向を第２の偏光方向に切り替える。
【０００７】
また、本発明では、前記観察者の右目の眼前に設けられ、偏光方向が第１の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第２の偏光方向の光を遮断する第１の手段と、前記観察者の左目の眼前に設けられ、偏光方向が第２の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第１の偏光方向の光を遮断する第２の手段とを備え、前記表示装置は、偏光方向が第１の偏光方向である前記右目用の視差像と、偏光方向が第２の偏光方向である前記左目用の視差像とを同時に表示する。
また、本発明では、前記同期装置が、前記第１の可変焦点レンズの焦点距離および第２の可変焦点レンズの焦点距離を、時分割で少なくともｎ（２≦ｎ≦１０）段階に変化させる。
また、本発明では、前記観察者がかけるメガネを備え、前記メガネは、左右のレンズとして、前記第１および第２の可変焦点レンズを有する。
【０００８】
本発明によれば、観察者が、第１および第２の可変焦点レンズが左右のレンズとして取り付けられたメガネをかけるなどの方法により、観察者の右目の眼前に第１の可変焦点レンズと、観察者の左目の眼前に第２の可変焦点レンズとを配置し、当該第１および第２の可変焦点レンズを通して、表示装置に表示される右目用の視差像と左目用の視差像を観察する時に、同期装置により、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置に応じて、第１の可変焦点レンズの焦点距離および第２の可変焦点レンズの焦点距離を変化させるようにしたので、右目用および左目用の視差像のピント面を、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置にほぼ一致させることができる。これにより、従来の二眼式立体表示装置で問題となっていた眼精疲労などを軽減することができ、多人数の人が同時に長時間、三次元立体像を観察することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１は、本発明の実施の形態の三次元表示装置の基本構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の三次元表示装置は、表示装置２００と、観察者１００の右目の眼前に配置される第１の可変焦点レンズ１３１と、観察者１００の左目の眼前に配置される第２の可変焦点レンズ１３２と、同期装置２１０とを備える。ここで、表示装置２００は、右目用の視差像（二次元像）と、左目用の視差像を観察者１００に表示する。
また、第１の可変焦点レンズ１３１と、第２の可変焦点レンズ１３２とは、例えば、図１に示すように、メガネの左右のレンズとして取り付けられ、観察者１００は、このメガネをかけて表示装置２００を観察する。
【００１０】
図２は、従来の二眼式立体表示装置における三次元立体像の奥行き位置と、右目用および左目用の視差像におけ表示装置上の位置を示す模式図であり、同図において、１０は表示装置２００の表示面、１１は、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置を表す。
この図２において、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置１１の中の位置ｘ０の画素の、観察者１００が実際に観察する表示装置２００の表示面１０の位置は、右目用の視差像では２１の位置で、左目用の視差像では２２の位置となる。
このように、従来の二眼式立体表示装置では、立体視の生理的要因の中で、両眼視差と輻輳はほぼ満足できるが、右目用および左目用の視差像のピント面が表示面にあるため、この矛盾により、眼精疲労などを生じるという問題点があった。
なお、図２において、ｄＲ、ｄＬを視差量とすると、位置ｘ０、位置ｘ０の奥行き位置ｚ０、視距離（観察者と表示装置の表示面との間の距離）Ｄ、観察者の両眼間隔Ｅとの間には、下記（１）、（２）式の関係がある。
【数１】
ｄＬ＝ｚ０×（Ｅ／２−ｘ０）／（Ｄ−ｚ０）  ・・・・・・・・  （１）
ｄＲ＝ｚ０×（Ｅ／２＋ｘ０）／（Ｄ−ｚ０）  ・・・・・・・・  （２）
【００１１】
この問題点を解決するために、本実施の形態の三次元表示装置では、観察者１００の右目の眼前に第１の可変焦点レンズ１３１と、観察者１００の左目の眼前に第２の可変焦点レンズ１３２とを設け、同期装置２１０により、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置（図２の１１）に応じて、第１の可変焦点レンズ１３１の焦点距離および第２の可変焦点レンズ１３２の焦点距離を変化させて、表示装置２００に表示される右目用の視差像の、第１の可変焦点レンズ１３１による結像位置と、表示装置２００に表示される左目用の視差像の、第２の可変焦点レンズ１３２による結像位置を、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置（図２の１１）に一致させることを基本的な特徴とする。この場合、位置ｘ０の奥行き位置は、前述の（１）、（２）式により求めることができる。
しかしながら、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の全ての奥行き位置に、表示装置２００に表示される右目用および左目用の視差像の、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）による結像位置を一致させるためには、表示装置２００に表示される右目用および左目用の視差像の各画素毎に、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）の焦点距離を変化させる必要があり、技術的に可能であるとしても現実的ではない。
【００１２】
そこで、本実施の形態の三次元表示装置では、一般のコンパクトカメラに採用されているように、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）の焦点距離を、ｎ（２≦ｎ≦１０）段階に変化させる。
図３に、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）の焦点距離を、３段階に変化させた場合の結像面（１０１１〜１０１３）を示す。
この図３において、第１の可変焦点レンズ１３１による右目用の視差像、および、第２の可変焦点レンズ１３２による左目用の視差像のピント面は、結像面（１０１１〜１０１３）以外の位置では一致しないが、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）の被写界深度により、観察者１００にはピントが一致しているように感じられる。
このように、本実施の形態の三次元表示装置では、右目用および左目用の視差像のピント面を、右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置にほぼ一致させることができるので、従来の二眼式立体表示装置で問題となっていた眼精疲労などを軽減することができ、これにより、多人数の人が同時に長時間、三次元立体像を観察することが可能となる。
【００１３】
図４は、本発明の実施の形態の三次元表示装置の一例の概略構成を示す図である。
図４に示す三次元表示装置は、第１の可変焦点レンズ１３１の表示装置側に第１のシャッタ装置１４１が配置され、また、第２の可変焦点レンズ１３２の表示装置側に第２のシャッタ装置１４２が配置されている点で、図１に示す三次元表示装置と相異する。
図４に示す三次元表示装置では、表示装置２００が、右目用の視差像および左目用の視差像を交互に表示し、それに合わせて、同期装置２１０は、表示装置２００が右目用の視差像を表示するときに、第１のシャッタ装置１４１を透過状態、第２のシャッタ装置１４２を非透過状態となし、また、表示装置２００が左目用の視差像を表示するときに、第２のシャッタ装置１４２を透過状態、第１のシャッタ装置１４１を非透過状態となす。
これにより、観察者１００は、右目用の視差像を右目で、左目用の視差像を左目で交互に観察することができる。なお、図４に示す３次元表示装置において、第１および第２のシャッタ装置（１４１，１４２）は、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）の観察者側に設置してもよい。
【００１４】
図５は、本発明の実施の形態の三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
図５に示す三次元表示装置は、表示装置２００の観察者側に偏光切替装置１３５が配置されるとともに、第１の可変焦点レンズ１３１の表示装置側に、第１の直線偏光子１５１が配置され、また、第２の可変焦点レンズ１３２の表示装置側に第２の直線偏光子１５２が配置されている点で、図１に示す三次元表示装置と相異する。
図５に示す三次元表示装置では、表示装置２００が、右目用の視差像および左目用の視差像を交互に表示し、それに合わせて、同期装置２１０が、偏光切替装置１３５を制御し、偏光切替装置１３５から出力される右目用の視差像の偏光方向を第１の偏光方向に、偏光切替装置１３５から出力される左目用の視差像の偏光方向を第２の偏光方向に切り替える。
また、直線偏光子１５１は、偏光方向が第１の方向であり、偏光方向が第１の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第２の偏光方向の光を遮断する。
同様に、直線偏光子１５２は、偏光方向が第２の方向であり、偏光方向が第２の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第１の偏光方向の光を遮断する。
これにより、観察者１００は、右目用の視差像を右目で、左目用の視差像を左目で交互に観察することができる。なお、図５に示す３次元表示装置において、第１および第２の直線偏光子（１５１，１５２）は、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）の観察者側に設置してもよい。
【００１５】
なお、図４、図５に示す三次元表示装置において、同期装置２１０は、表示装置２００が右目用の視差像を表示するときに、第１の可変焦点レンズ１３１の焦点距離をｎ段階に時分割で変化させ、また、表示装置２００が左目用の視差像を表示するときに、第２の可変焦点レンズ１３２の焦点距離をｎ段階に時分割で変化させる。
また、図５に示す偏光切替装置１３５としては、例えば、電界や電圧により複屈折性を変化できる媒質（例えば、液晶やＰＬＺＴ等）を用いた装置がよく知られている。液晶を用いた装置としては、例えば、前述の非特許文献などに多くの種類が記載されている。
また、図４、図５に示す三次元表示装置において、表示装置２００としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどが使用される。
【００１６】
図６は、本発明の実施の形態の三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
図６に示す三次元表示装置では、表示装置２００が、偏光方向が第１の方向である右目用の視差像と、偏光方向が第２の方向である左目用の視差像を同時に表示するとともに、第１の可変焦点レンズ１３１の表示装置側に、第１の直線偏光子１５１が配置され、また、第２の可変焦点レンズ１３２の表示装置側に第２の直線偏光子１５２が配置されている点で、図１に示す三次元表示装置と相異する。
図６に示す表示装置２００の一例を図７に示す。
図７に示す表示装置２００は、第１および第２のプロジェクタ型二次元表示装置（例えば、ＣＲＴ型、ＬＣＤ型、ＩＬＶ型、ＤＭＤ型など）（１６１，１６２）と、スクリーン１６３とで構成される。
ここで、スクリーン１６３は、透過型のスクリーン、あるいは、反射型のスクリーンのどちらでもよい。
【００１７】
スクリーン１６３が透過型のスクリーンの場合は、第１および第２のプロジェクタ型二次元表示装置（１６１，１６２）が、スクリーン１６３の、観察者と反対側に配置され、スクリーン１６３が反射型のスクリーンの場合は、第１および第２のプロジェクタ型二次元表示装置（１６１，１６２）が、スクリーン１６３の観察者側に配置される。
第１のプロジェクタ型二次元表示装置１６１は、偏光方向が第１の方向の第３直線偏光子１５３を有し、右目用の視差像として、偏光方向が第１の方向の視差像をスクリーン１６３に投影する。
第１のプロジェクタ型二次元表示装置１６２は、偏光方向が第２の方向の第４直線偏光子１５４を有し、左目用の視差像として、偏光方向が第２の方向の視差像をスクリーン１６３に投影する。
【００１８】
また、直線偏光子１５１は、偏光方向が第１の方向であり、偏光方向が第１の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第２の偏光方向の光を遮断する。
同様に、直線偏光子１５２は、偏光方向が第２の方向であり、偏光方向が第２の偏光方向の光を通過させ、偏光方向が第１の偏光方向の光を遮断する。
これにより、観察者１００は、右目用の視差像を右目で、左目用の視差像を左目で同時に観察することができる。
なお、図６に示す３次元表示装置において、第１および第２の直線偏光子（１５１，１５２）は、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）の観察者側に設置してもよい。
【００１９】
また、図６に示す三次元表示装置において、同期装置２１０は、第１の可変焦点レンズ１３１の焦点距離をｎ段階に時分割で変化させ、また、第２の可変焦点レンズ１３２の焦点距離をｎ段階に時分割で変化させる。
なお、前述の説明では、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）を、観察者１００の眼前に配置する方法として、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）が左右のレンズとして取り付けられたメガネを用意し、観察者１００が、このメガネをかける方法を採用したが、第１および第２の可変焦点レンズ（１３１，１３２）を、観察者１００の眼前に配置する方法は、これに限定されるものではなく、その他の方法を用いてもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明の三次元表示装置によれば、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、多人数の人が同時に三次元立体像を観察することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の三次元表示装置の基本構成を示す図である。
【図２】従来の二眼式立体表示装置における三次元立体像の奥行き位置と、右目用および左目用の視差像における表示装置上の位置を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態の三次元表示装置において、第１および第２の可変焦点レンズの焦点距離を、３段階に変化させた場合の結像面を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の三次元表示装置の一例の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態の三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
【図７】図６に示す表示装置の一例を示す図である。
【図８】従来の二眼式立体表示装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０…表示装置の表示面、１１…右目用の視差像および左目用の視差像による三次元立体像の奥行き位置、２１…観察者が実際に観察する右目用の視差像の表示装置の表示面の位置、２２…観察者が実際に観察する左目用の視差像の表示装置の表示面の位置、１００，６０７…観察者、１３１，１３２…可変焦点レンズ、１３５…偏光切替装置、１４１，１４２…シャッタ装置、１５１〜１５４…直線偏光子、２００…表示装置、２１０…同期装置、１６１，１６２…プロジェクタ型二次元表示装置、１６３…スクリーン、６０１…三次元物体、６０２，６０３…カメラ、６０４…映像信号変換装置、６０５…ＣＲＴ表示装置、６０６…液晶シャッタ眼鏡、１０１１〜１０１３…結像面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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