新一代陣列式紅外光源及其在安防監控中的應用
引 言
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/168893.htm光是生命的源泉,它哺育了世間的萬(wàn)物,為人類(lèi)世界帶來(lái)了智慧和光明。如果沒(méi)有光,就不可能有我們現在的文明。因而,從抽象的藝術(shù)表現到有效的科學(xué)應用,光(光學(xué))為我們提供了很有價(jià)值的信息資源。1860年,麥克斯韋電磁理論建立后,才認識到光也是一種電磁現象。原來(lái)光和無(wú)線(xiàn)電波一樣,也是一種電磁波,只不過(guò)光的波長(cháng)比無(wú)線(xiàn)電波短得多而已。
電磁波譜及波段劃分如圖1所示。由圖1可知,電磁波包括的范圍很廣,如現在已經(jīng)發(fā)現的宇宙射線(xiàn),其波長(cháng)小于幾個(gè)皮米(1pm=10-12m),而廣播用的無(wú)線(xiàn)電波的波長(cháng)則達上千米,它們都屬于電磁波的范疇。光波僅僅是電磁波中的一小部分,它包括的波長(cháng)區間約從幾個(gè)納米(1nm=10-9m)到1mm左右。這些光并不是人眼都能看得見(jiàn)的。其中只有波長(cháng)從約380nm到780nm范圍內的電磁波,才能引起人眼感光細胞的直接感覺(jué)。這一段波譜我們稱(chēng)為可見(jiàn)光區。為了清楚起見(jiàn),分別將紫外、可見(jiàn)和紅外光部分放大如圖1下部分所示。在可見(jiàn)光中,波長(cháng)最短的是紫光,稍長(cháng)的是藍光,以后的順序是青光、綠光、黃光、橙光和紅光,紅光的波長(cháng)最長(cháng)。而在不可見(jiàn)光中,波長(cháng)比紫光短的光稱(chēng)為紫外線(xiàn),比紅光長(cháng)的叫紅外線(xiàn)。紅外光的波長(cháng)有3個(gè)區:波長(cháng)從0.78μm~1.5μm的光為近紅外光;波長(cháng)從1.5μm~10μm的光為中紅外光; 波長(cháng)從10μm~1000μm的光為遠紅外光。
顯然,那種說(shuō):“可見(jiàn)光的波長(cháng)是300nm~700nm”,“波長(cháng)超過(guò)700nm的光線(xiàn)叫做紅外線(xiàn)”,“715nm的紅外燈能使大多數黑白攝像機或晝夜轉換攝像機對該波長(cháng)范圍的紅外光都比較敏感,從而達到對攝像機選擇要求不高的效果,并且較于830 nm的紅外燈具有更遠的投射距離,但同時(shí)此波長(cháng)的紅外燈也特別容易在燈窗口處產(chǎn)生紅暴點(diǎn),從而使任何人都能夠遠距離看到紅外燈的工作狀態(tài)”(至今還有人在文章中這樣說(shuō))是錯誤的。在錯誤的結論下討論紅暴問(wèn)題自然也就不恰當了,因為700~780nm的光,本來(lái)就是看得見(jiàn)的紅光。
隨著(zhù)安防行業(yè)的發(fā)展,24小時(shí)不間斷地監控對夜視要求越來(lái)越高,紅外技術(shù)經(jīng)歷了不同時(shí)期的發(fā)展,已廣泛應用于監控夜視領(lǐng)域,尤其要求夜間隱蔽性監控。因為傳統式的照明燈光經(jīng)常會(huì )引起別人的注意,會(huì )提醒入侵者“裝有電視監控系統”,或者會(huì )影響周?chē)淖?hù)。而安裝紅外光源則不存在這些問(wèn)題。
目前,在安防監控領(lǐng)域主要是利用紅外光源照明的主動(dòng)紅外夜視系統。本文介紹紅外光源的種類(lèi)、發(fā)展,新一代陣列式紅外光源的特點(diǎn),與半導體激光紅外光源的區別與比較,以及它在安防視頻監控中的應用與發(fā)展前景。
紅外光源的種類(lèi)及發(fā)展
紅外技術(shù)早在60年代初期由美國貝爾實(shí)驗室研發(fā)成功,到目前為止,廣泛應用于安防監控行業(yè),紅外技術(shù)的運用有兩種方式:第一種是被動(dòng)紅外夜視技術(shù)。它是借助于目標自身發(fā)射的紅外輻射來(lái)實(shí)現觀(guān)察的紅外技術(shù),它根據目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來(lái)發(fā)現目標,其對應裝備為紅外熱感應成像儀。熱成像儀具有不同于其它夜視儀的獨特優(yōu)點(diǎn),如可在霧、雨、雪的天氣下工作,作用距離遠,能識別偽裝和抗干擾等,已成國外夜視裝備的發(fā)展重點(diǎn),并將在一定程度上取代微光夜視儀。但畫(huà)面僅為物體的輪廓,無(wú)法做為呈堂的證據,而且它的價(jià)格極為昂貴,一旦價(jià)格下降,也將會(huì )用于監控系統。
第二種是主動(dòng)紅外夜視技術(shù)。它是通過(guò)主動(dòng)照射并利用目標反射紅外源的紅外光來(lái)實(shí)施觀(guān)察的夜視技術(shù),其對應裝備為主動(dòng)紅外夜視儀,是目前監控行業(yè)里普遍運用的一項技術(shù)。紅外線(xiàn)監控系統通過(guò)主動(dòng)發(fā)出紅外波長(cháng)的紅外燈光照亮物體,顯然紅外光的亮度決定了看清的程度。一般,產(chǎn)生這種不可見(jiàn)光的紅外光源的方法有下列三種:
(1)直接使用白熾燈或氙燈發(fā)出的紅外光,即在這兩種燈上安裝可見(jiàn)光濾鏡,即濾去可見(jiàn)光,只讓看不見(jiàn)的紅外射線(xiàn)射出;
(2)使用紅外發(fā)光二極管LED或LED陣列來(lái)產(chǎn)生紅外光。這種器件是通過(guò)半導體中的電子與空穴復合來(lái)產(chǎn)生紅外光的;
(3)使用紅外激光二極管LD作紅外光源。它把處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去,通過(guò)大量粒子分布反轉,共振而維持受激輻射。
第一種紅外燈在安防視頻監控領(lǐng)域使用的時(shí)間最長(cháng)、技術(shù)也最為成熟,直到現在以這種工作方式的產(chǎn)品也還有人在工程中運用。特別在一些室外環(huán)境中需要照射遠距離的環(huán)境中,這種紅外夜視系統能夠充分達到實(shí)際使用要求。目前效果比較好的鹵素燈生產(chǎn)廠(chǎng)商的產(chǎn)品可以達到300米左右。
相對于其它類(lèi)型紅外燈來(lái)講,這種熱光源的工作壽命(燈泡壽命)較短,一般通過(guò)光控開(kāi)關(guān)使鹵素紅外燈在環(huán)境照度低于一定照度值時(shí)自動(dòng)接通鹵素紅外燈工作電源,當整體環(huán)境照度高于一定照度值時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)鹵素紅外燈工作電源,從而使鹵素紅外燈能在白天或夜間自動(dòng)切換。實(shí)際上,這種光控開(kāi)關(guān)裝置的程序設置中還設有一段等待時(shí)間值,以保證讓燈泡慢慢變熱,防止突然變熱對燈泡產(chǎn)生的損害,這對于燈泡壽命提升非常有用。這種預熱時(shí)間的保證,使之不會(huì )自動(dòng)切斷鹵素燈工作電源,防止鹵素燈工作受到瞬間的干擾(如汽車(chē)大燈瞬間照射等)影響。但由于這種熱光源的體積大、效率低,發(fā)熱量巨大,使用壽命短,消耗品價(jià)格高,抗沖擊的能力差,有強烈的熱輻射等問(wèn)題,已經(jīng)被第二種紅外燈技術(shù)以體積小、壽命長(cháng)、價(jià)格低等優(yōu)勢而基本淘汰了。
第二種紅外燈是目前安防視頻監控領(lǐng)域常用的,從這種紅外光源的發(fā)展史來(lái)看,可分為下列幾代發(fā)展歷程。
第一代:傳統LED最早期的單個(gè)的紅外LED轉換效率很低(只有5%),多用在紅外遙控器等簡(jiǎn)單產(chǎn)品上。經(jīng)過(guò)在夜視應用中的反復實(shí)踐和發(fā)展,通過(guò)把單個(gè)的紅外LED封裝組合起來(lái),固定于鏡頭的周?chē)?,給監控攝像機取像進(jìn)行主動(dòng)補光。這種傳統的小功率LED燈是最先用于紅外攝像機并現在仍在大量使用的一種紅外光光源,它們是第一代LED。其主要優(yōu)勢是價(jià)格低,因而應用廣泛,占有了紅外機市場(chǎng)95%的份額。但品質(zhì)參差不齊,所以?xún)r(jià)格差異也大。其主要缺點(diǎn)是:①壽命短。因傳統LED散熱處理不良,造成周?chē)鷾囟忍叨绊懜浇娮釉骷膲勖?如攝像機板,控制電路板等易壞,使壽命縮短);②光衰減太快。因傳統LED用“環(huán)氧樹(shù)脂”作為透鏡的材料,但“環(huán)氧樹(shù)脂”遇熱后會(huì )產(chǎn)生斷裂,隨著(zhù)時(shí)間長(cháng)了,斷裂面就愈來(lái)愈多。紅外光線(xiàn)通過(guò)每個(gè)斷裂面時(shí),有部分光穿過(guò)了,也有部分光折射回來(lái)了。通過(guò)的斷裂面愈多則折射回的光就愈多,出去的光就愈少,因而傳統LED光衰減特快、這也是壽命縮短的主要原因。若采用其它不斷裂材料(如硅膠)取代環(huán)氧樹(shù)脂,則其生產(chǎn)成本又將上升(超過(guò)現在的數十倍以上),從而又失去了市場(chǎng)競爭力。③功率小等。
第二代:小功率陣列式LED點(diǎn)陣式的L E D稱(chēng)第二代陣列式LED,它集成了多顆小功率LED在一個(gè)小范圍內,并作了“熱電分離”處理,使整個(gè)零件能置于任意大小、任意形狀的散熱體上,從而解決了散熱問(wèn)題,不再會(huì )由于高溫而傷害了周?chē)渌娮釉骷?。并且,使用了不斷裂的封裝材料而極大地減少了光衰減,使壽命較傳統LED增長(cháng)了5~10倍。因而有體積小,散熱處理好,壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是:①小功率陣列式LED的價(jià)格較傳統LED高出甚多;②亮度比相同功率的傳統LED的低。因為它為了配合攝像機鏡頭的角度而使用透鏡來(lái)縮小送光角度時(shí),無(wú)可避免地有許多發(fā)光點(diǎn)偏離了透鏡的中央而造成送光效率不佳,因而“不夠亮”。
第三代:大功率陣列式LED第三代陣列式紅外LED采用了革新的半導體技術(shù),將高性能發(fā)光晶體陣列式排列,經(jīng)過(guò)特殊封裝,形成大功率發(fā)光二極管陣列(LED Array)。它首先由美國Pacific Cybervision公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn),其每顆LED Array可集成60粒LED發(fā)光晶體,當時(shí)光學(xué)輸出達到了800mw~1000mw。而目前,新一代的單個(gè)LED Array的光學(xué)輸出己最高作到4000mW。它既有第二代紅外LED燈的體積小,散熱處理好,壽命長(cháng)的優(yōu)勢,又解決了第二代紅外LED光源因偏心而不夠亮的缺點(diǎn)。這種大功率陣列式LED的價(jià)格接近或低于傳統LED,是集第一代、第二代優(yōu)點(diǎn)于一身,并完全避免了缺點(diǎn)的最新一代紅外LED光源。
第三種激光紅外光源的光束細而強,要照亮一定范圍的場(chǎng)景,需要通過(guò)擴束鏡頭擴束。這種光源應用的最大優(yōu)勢在于激光具有很高的發(fā)光效率、發(fā)光強度和方向性,其電光轉換效率最高可達80%,從而可大大降低能耗,增加照明距離,目前多用于1km以上距離的監控場(chǎng)景的夜視照明。
隨著(zhù)光電信息技術(shù)的發(fā)展,半導體激光器發(fā)展很快,由最初的同質(zhì)PN結式,到異質(zhì)結式、分布反饋式、量子阱式、垂直腔表面發(fā)射式、微腔式,以及光纖激光器與光子晶體激光器等等,發(fā)光功率由小到大,種類(lèi)齊全,應有盡有,可供安防需要選擇。一般,半導體紅外激光器采用金屬封裝和專(zhuān)用電源,并通過(guò)先進(jìn)的半導體溫控技術(shù)使得產(chǎn)品始終在設定的合理溫度下工作,壽命能夠較好地得到保證。紅外激光光源與配有長(cháng)焦距鏡頭的攝像機組合,可以較好地實(shí)現夜間遠距離監控。特別適合應用于國家邊防、海防、森林防火、交通工程等大型項目。但由于工藝比較復雜、產(chǎn)量比較低,其價(jià)格比LED光源高;且激光燈功率過(guò)大對人身體健康有一定的副作用,因而需選擇在安全值。
第三代紅外光源的特點(diǎn)
與前述的第一、二代紅外LED相比,其主要特點(diǎn)是:
體積小
由于LED-Array為高度集成的LED,60粒LED發(fā)光晶體集成后的體積也只有指甲蓋大小。單個(gè)LED的光學(xué)輸出為5mw~15mw,而一個(gè)LEDArray的光學(xué)輸出至少可達到1000mw以上。由于LED-Array為高度集成的LED,故體積比其他產(chǎn)品小很多。顯然,體積小更便于應用,同時(shí)也簡(jiǎn)化了成本。
亮度高
它將幾十個(gè)高效率和高功率的晶元通過(guò)革新的半導體技術(shù)封裝在一個(gè)平面上,配置以良好的導熱裝置,使電光轉換率達25%以上,是傳統單顆LED燈的100倍。顯然,亮度越高,光線(xiàn)的照射距離就越遠,因而亮度的高低決定了光線(xiàn)的照射距離。由于LEDArray的亮度高,這就為中遠距離紅外攝像機的應用打下了良好基礎。
壽命長(cháng)
普通LED產(chǎn)品的壽命一般為6000個(gè)小時(shí),而LED-Array的壽命為50000個(gè)小時(shí)。因此,其使用壽命是普通LED燈的9倍。普通的LED紅外攝像機是將LED發(fā)光管和攝像機置于一個(gè)腔體內,LED管的熱量無(wú)法通過(guò)PCB板得到有效散發(fā),溫度升高嚴重制約了CCD攝像機的使用壽命。通常在使用3個(gè)月后,便開(kāi)始出現老化跡象:畫(huà)面模糊、發(fā)白、對比度缺乏等,直接影響攝像機的使用效果,甚至使攝像機報廢。而LED-Array燈的特殊封裝使散熱性能好,在2~3年內光線(xiàn)都無(wú)明顯衰減,因而使用壽命長(cháng)。
效率高
由于LED-Array的最大優(yōu)勢在于解決了LED光源散熱的問(wèn)題,因而具有極高的發(fā)光效率和發(fā)光強度,其光電轉換效率比普通紅外LED攝像機提高了25%左右,效率可達到45%,大大地降低了能耗、增加了照明距離。因為發(fā)光效率與散熱性能是一個(gè)良性循環(huán)。散熱性能越好,工作溫度就越低,工作溫度低又能更好的保障其發(fā)光效率。反之,則陷入效率不斷衰減的惡性循環(huán)。而LED-Array經(jīng)過(guò)特殊封裝,有效解決了散熱問(wèn)題,使發(fā)光體時(shí)刻處于正常工作溫度,在相當長(cháng)的時(shí)間內可得到穩定的功率輸出。此外,還可采用高頻尖脈沖供電,以保證獲得更高的效率。
光線(xiàn)勻
因每個(gè)普通的紅外LED前面都有一個(gè)球面,用來(lái)改變光斑的大小,是一個(gè)獨立的光學(xué)設計。當多個(gè)紅外LED組合在攝像機鏡頭的周?chē)?,發(fā)射出來(lái)的光線(xiàn)就是多個(gè)光斑重疊組成,重疊的部分就會(huì )亮度特別高,同時(shí)還形成一個(gè)圓圈,即“手電筒效應”,使夜視畫(huà)面效果不均勻。而LED-Array相當于是一個(gè)大的點(diǎn)光源,發(fā)光體半功率為10度~120度(可變角)的發(fā)光面,且通過(guò)特殊的光學(xué)設計,在光路結構上使用非球面光學(xué)玻璃透鏡,使投射光斑非常均勻地照射被監控物體,因而所得到的監控畫(huà)面的中間和四周的亮度是一致的,大大提高了監控夜視畫(huà)面的清晰度。
第三代紅外光源與紅外激光光源的區別與比較
第三代紅外光源填補了第一代傳統LED、第二代陣列式光衰快,使用壽命短,電光轉換效能低,亮度不足,散熱性能不良,功耗大等缺點(diǎn),是全球紅外夜視技術(shù)領(lǐng)域的新的突破。這種新一代的紅外光源在產(chǎn)品性能與應用等方面與激光紅外相比,也有明顯的優(yōu)勢。它以先進(jìn)的集成與獨特的封裝技術(shù),類(lèi)似單顆燈形式完全取代第2代多顆燈模式,不僅電光轉化效率高,而且降低了功耗。又由于散熱性能良好,使用壽命是激光紅外與傳統紅外燈的4~5倍,因而必將廣泛應用于安防視頻監控市場(chǎng)。下面從以下幾個(gè)方面看第三代紅外光源與激光紅外光源的區別與比較。
(1)從發(fā)光原理上看:第三代紅外LED光源是由于電子從高能帶(導帶)到低能帶(價(jià)帶)與空穴復合釋放能量而發(fā)光;而半導體紅外激光光源是通過(guò)泵源將較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上,使粒子分布反轉受激輻射,并通過(guò)共振腔提供正反饋及增益維持受激輻射的持續振蕩。因此,激光器一般由激發(fā)裝置(泵源)、工作物質(zhì)及共振腔3部分組成,顯然其結構比LED要復雜一些。
(2 ) 從輸入功率上看:第三代紅外LED光源的輸入功率可以從幾瓦到幾十瓦;而半導體紅外激光光源在安防上一般用幾瓦,最高只能到20瓦。
( 3 )從光束角度上看:第三代紅外LED光源的發(fā)光體半功率角是10度~120度(可變角)的發(fā)光面,即光束角最大可達120度;而半導體紅外激光光源發(fā)出的光束細而亮,其光束角小,需加裝擴束透鏡擴束才行。
(4)從照射距離上看:第三代紅外LED光源的照射距離根據功率的大小一般為幾十米~幾百米;而半導體紅外激光光源的照射距離則一般可到1km以上。
( 5 )從散熱性能上看:第三代紅外LED光源經(jīng)特殊封裝散熱處理較好,因而可用于各種類(lèi)型攝像機,如可用于球機;而半導體紅外激光光源因結構其散熱處理上不適用于球機,所以有局限性。
(6)從壽命上看:第三代紅外LED光源采用獨創(chuàng )的長(cháng)晶技術(shù),特殊設計有效解決光衰問(wèn)題,其使用壽命是傳統紅外LED與激光紅外的5~10倍,5年內光衰小于等于10%,而明顯優(yōu)于半導體紅外激光光源。
(7)從體積上看:第三代紅外LED光源為高度集成的LED,60粒LED發(fā)光晶體集成后的體積也只有指甲蓋大小;而半導體紅外激光光源由于光束細要擴束,且擴束的角度越大,其體積就越大,因而體積比紅外LED-Array光源要大些。
(8)從成本上看:第三代紅外LED光源由于結構簡(jiǎn)單,應用量巨大,所以可以大規模生產(chǎn),從而能大大降低產(chǎn)品成本,因而價(jià)格較低;而半導體紅外激光光源由于結構較復雜,且市場(chǎng)需求量偏小,使生產(chǎn)量明顯偏低,因而產(chǎn)品成本較高。
(9)從應用上看:第三代紅外LED光源應用較廣,特別適用于公安系統、社會(huì )治安監控、道路交通、銀行、機場(chǎng)、博物館、監獄、學(xué)校、住宅小區、商場(chǎng)等大大小小民用與工程市場(chǎng);而半導體紅外激光光源主要應用于國家邊防、海防、軍事基地、森林防火、防汛指揮、油田等遠距離夜間監控。
此外,半導體紅外激光光源由于光束細而強,在功率大時(shí)易傷害人眼;并且由于要擴束,其光線(xiàn)的均勻性也比第三代紅外LED光源差些。第三代紅外LED光源與半導體紅外激光光源的比較如表1所示。
由表1可看出,這二種紅外光源各有其優(yōu)劣。LED-Array是高度集成的LED,其體積小、亮度高、壽命長(cháng)、發(fā)光角度可調寬,是高質(zhì)量夜間監控的一種理想選擇。但目前僅適用于中、短距離場(chǎng)景的監控,對于1km以上的超遠距離場(chǎng)景的監控,還是要選擇紅外LD光源。
第三代紅外光源在安防監控中的應用
由前可知,新一代陣列式紅外光源LED-Array是高度集成的LED,其體積小、亮度高、壽命長(cháng)、發(fā)光角度可調寬,是高質(zhì)量夜間監控的一種理想選擇。如國內某公司生產(chǎn)的三種新一代紅外光源如圖2所示。
圖2中,陣列式紅外半球型光源;室內吸頂半球,內置12V DC電源;紅外輸出功率為1.7W;獨立散熱結構,功耗為2W;紅外發(fā)射角90°;紅外波長(cháng)850nm,可視面積可達90m2;陣列式紅外筒型光源;室內外通用,16顆大功率第三代光源芯片;12VDC/24VAC電源;獨立散熱結構;紅外發(fā)射角30°;紅外波長(cháng)850nm,識別距離(可看清人的臉部)80m,可視距離可達150m;陣列式紅外板型光源;室內外通用,12VDC/24VAC電源;紅外輸出功率為8.4W;獨立散熱結構;紅外發(fā)射角30°;紅外波長(cháng)850nm,識別距離100m,可視距離可達200m。
某公司生產(chǎn)的紅外攝像機(光源與攝像機裝在一起的)如圖3所示。
圖3中,有1/3 Sony攝像機,獨一無(wú)二的單點(diǎn)紅外光源,功率小,發(fā)熱少,亮度高;有15、30、45度發(fā)光角度搭配6mm~25mm鏡頭,一般在8mm以上基本無(wú)手電筒效應。某公司生產(chǎn)的紅外攝像機(光源與攝像機分別安裝的)如圖4所示。
圖4是紅外光源與攝像機分體設計,使高熱的紅外光源與攝像機機芯分居兩個(gè)腔體。這樣,光源導熱體與機芯腔壁完全分開(kāi),光源工作時(shí)的熱量只會(huì )從內部扇型導熱體導向遠離機芯一側的外壁散熱片,使之能迅速散去紅外光源工作時(shí)的熱量,以保證機芯工作在健康溫度。顯然,這種措施可保證機芯較低的工作溫度,從而使機芯故障率遠遠低于第一、二代紅外攝像機。圖4中二個(gè)紅外攝像機不是同一公司產(chǎn)品,右圖的紅外夜視一體機是筒形陣列紅外光源; 1/3 SONYHAD CCD;可選多種中、長(cháng)廣角鏡頭; 120°/45°/30°/22°多種光學(xué)角度;是中、短矩離室內/外廣角日夜監控首選;此外,新一代紅外光源適用性強,還可以安裝在球機與半球機中??傊?,裝有新一代紅外光源的紅外攝像機完全改變了夜視面貌,它不僅看得比較遠,而且還可看得清。未來(lái),加上智能化功能,即可確保夜晚的安全。
結束語(yǔ)
以上介紹了新一代紅外光源的特點(diǎn),與紅外激光源的比較及其應用。這種新興光源的性?xún)r(jià)比大大優(yōu)于目前行業(yè)主流的產(chǎn)品,它必將在夜視監控領(lǐng)域引起一場(chǎng)新的技術(shù)革命,并最大限度地滿(mǎn)足不同應用領(lǐng)域對夜視監控的要求。隨著(zhù)光電信息技術(shù)的快速發(fā)展,隨著(zhù)安防夜視的要求越來(lái)越高,這種光源還將更進(jìn)一步地更新,使之能完全滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )化、集成化、高清化、智能化的要求。
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