JPS5824288A - カラ−固体撮像装置 - Google Patents

カラ−固体撮像装置

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JPS5824288A
JPS5824288A JP56122488A JP12248881A JPS5824288A JP S5824288 A JPS5824288 A JP S5824288A JP 56122488 A JP56122488 A JP 56122488A JP 12248881 A JP12248881 A JP 12248881A JP S5824288 A JPS5824288 A JP S5824288A
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JP
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color
solid
signal
filter
state image
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JP56122488A
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English (en)
Inventor
Tetsuo Kuwayama
桑山 哲郎
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Canon Inc
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/80—Camera processing pipelines; Components thereof
    • H04N23/84—Camera processing pipelines; Components thereof for processing colour signals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Color Television Image Signal Generators (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、固体撮像素子を用いて、カラー画像信号を得
るカラー固体撮像装置に関するものである。
カラー固体撮像装置として、電荷転送撮像素子(以下C
CDという)を、1枚、2枚あるいは3枚用いる、それ
ぞれ単板式、2板式、3板式カラーカメラが考えられて
いるが、本発明は特に、CCDを1枚用いる単板撮像装
置にかかわるものである。
従来、CCD等の固体撮像素子を用いた単板式固体撮像
装置では、カラーフィルタ・アレイと撮像素子の各撮像
セルを1対1(二重ね合わせて各色信号を分離すること
が行なわれている。この様な単板固体撮像装置に用いる
カラーフィルタ・アレイとしては、CCDの撮像セル数
を節約する意味から赤、緑および青等の各フィルタ・エ
レメントをモザイク状に配列する。例えばペイア配列と
よばれる様なカラーフィルタを用いるのが一般的である
。
この様なモザイク状に配列されたカラーフィルタをフレ
ーム転送型のCCDに組み合わせて単板式カラーカメラ
を作るつとすると、その構造上、隣接する各セル間でか
なりの信号漏洩があるため、混色が生じ、色分離が不確
実になるという問題が生ずる。
この問題を解決する方法が本出願人によりすでに提案さ
れており(例えば特願昭55−17968号を、参照)
、かなり混色の問題は解決されているが、この場合画面
(二垂直方向に相関関係が存在することを前提としてい
るために、例えばカラーフィルタ・アレイと平行な線を
境にして明暗が異なるように垂直相関の存在しない画像
では偽の色信号や輪郭が発生し得られる画像の画質を低
下させていた。
従って本発明はこのような従来の欠点を解消しフレーム
転送型のCCDと組み合わせ偽の色信号や輪郭を少なく
し、良質のカラー画像信号を得ることができるカラー固
体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明ではこの目的を達成するため(:結像光学系の光
路中に走査方向と直交する方向の空間周波数成分を主と
して減衰させる特性を有する光学的ローパスフィルタを
設ける構成を採用した。
以下図面に示す実施例に基づき本発明の詳細な説明する
。
まず本発明に用いられるCCDについて説明すると、第
1図(二示す4相駆動型のCCDは第1図(a)に示す
様に、φ1.φ2.φ3.φ4より成る各電極を駆動す
るとき、ドライバ11に、直流バイアス電圧12をそれ
ぞれ加えることによりポテンシャルの形状13を図に示
す様に形成する。すなわちポテンシャル井戸の底の形状
が、電荷の転送方向に向かって下降階段状にすることが
可能である。点線で示したポテンシャルの形状13′は
、ポテンシャルの形状13を与える転送パルス波形の位
相を180°変化したときの状態を示す。2相駆動型の
CCDおよび1相駆動型のCODにおいても、第1図(
a)に示す様な下降階段状のポテンシャルの形状を形成
しうる。本発明はそれらのタイプのCCDにも、当然の
ことながら適用可能であるが、ここでは41相駆動型の
CCDについて説明よるものとする。
以上、説明したポテンシャルの形状は、電荷を転送する
ときに、本質的に必要な形状であるが、電荷を蓄積する
状態においては、転送電極に適当な電圧を印加すること
により、ポテンシャルの形状を第1図(blの状態にす
ることが可能である。このときの電荷捕獲の確率分布は
第1図(c)の様(:なる。
このCCDに、一つの色配列例である第2図に示す様な
色配列のカラーフィルタ15を図に示す様にそれぞれの
感光素子ζ二対窓させて設ける。なお図の様にカラーフ
ィルタ・エレメントは垂直方向に1つの電極の半ピッチ
分だけずらせて設置しである。
このフィルタ・エレメントの組は水平方向および垂直方
向に繰返し設けられるものとする。
第2図16,17,18および19は、それぞれ赤R1
緑G、青BおよびマゼンタMaの各成分光を通過させる
カラーフィルタ・エレメントを示し20は不透明なニレ
メン) 0paque およびチャlネルストッパ部分
の遮光層を示している。図の様にこのカラーフィルタは
φ1.φ2.φ3およびφ4の電極からなる一つのセル
に相異なる2つのカラーフィルタ・エレメントをそれぞ
れ対応させることを特徴としている。
なお第2図ではφ1.φ1′、φ1″はそれぞれ同じ電
極であるが、説明の都合上、異なるセルにある電極には
それぞれダアンユ記号をつけた。
このカラー撮像素子に第1図(b)に示す様なポテンシ
ャルの形状ができていると、第0列23のφ2電極下の
ポテンシャル井戸には4Rのカラーフィルタ・エレメン
トを通過した光分に対応して感光素子より得られた信号
電荷が蓄積されると同時に第1図(C)の電荷捕獲確率
分布より推測される様にRのカラーフィルタ・エレメン
ト15の上下にあるカラーフィルタ・エレメント15で
あるGを通過した光分により発生する電荷が蓄積され、
これが混色成分となる。今、各カラーフィルタ・エレメ
ント15を通過し、その直下にあるポテンシャル井戸に
蓄積される混色成分を含まない電荷量をそれぞれ、r、
  g、 b、 ma、  0paqueの様に小文字
で示すと、混色成分・もれ通量の係数なαとして、この
第n列φ2電極下のポテンシャル井戸に蓄積される電荷
量r′は r’=r+2α・g(1) で与えられる。
同様にして第n列、φ4電極下のポテンシャル井戸には
、 g′=α・r+f+α・b(2) 第n列、φ2′電極下のポテンシャル井戸には、b′=
2α・f 十b             (3)第n
列、φ4′電極下のポテンシャル井戸(二は、y’=α
・r十g+α・b(4) 第n+1列24、φ2電極下のポテンシャル井戸には、 ma’ = ma +2α・g(5) 第n+1列、φ4電極下のポテンシャル井戸には、 9’=α・ma + 9            (6
)第n + 1列、φ2′電極下のポテンシャル井戸に
は、 opaque’ = 2α−g(7) 第n + 1列、φ4′電極下のポテンシャル井戸に 
−は、 f’=α・ma + f             (
8)がそれぞれ蓄積されることになる。
以上は、蓄積モードにおける各電極下のポテンシャル井
戸に蓄積される電荷量を示したが、電荷蓄積のあと、信
号を読出すための転送モードに移るとき、各電極に加え
る転送パルス電圧を変化させ、ポテンシャルの形状を第
1図(b)より第1図(a)13′の様な下降階段状に
変換させる。このとき第n列、φ2電極下のポテンシャ
ル井戸に蓄積された電荷ビと第n列、φ4電極下のポテ
ンシャル井戸に蓄積された電荷y′は、それぞれ加え合
わされてφ4電極下に新゛シく形成された1つのポテン
シャル井戸に蓄積されることになる。また第n+1列、
φ2電極下のポテンシャル井戸に蓄積された電荷ma’
と、’in+1列、φ4電極下のポテンシャル井戸に蓄
積された電荷f′弓それぞれ加え合わされてφ4電極下
のポテンシャル井戸に蓄積される。
第2図に示したカラー固体撮像素子に組み合わせたカラ
ーフィルタの繰り返し配列の一実施例を第3図に示す。
図示のように、R(赤)のカラーフィルタ・エレメント
から右にはMa (マゼンタ)のカラーフィルり、B(
青)のカラーフィルタモして0paque (不透明)
のカラーフィルタ・エレメントの順(=繰り返し配列が
行なわれ、G(緑)フィルタは横方向に直線的に配列さ
れている。
カラーフィルタ・アレイの配列法が第3図図示の場合に
は、第2図C:おけるφ1′、φ2′、φ3′及びφ4
′電極よりなる水平ライン21からは(b’+y’)。
(0paque’+ f’ ) + (ビ+F’)、(
ma’+f’)が繰り返し読出されることになる。
従ってこの時の出力信号は、第3図で3.1゛で示した
範囲のフィルタを透過した色光と対応することになる。
又同様にしてφ1.φ2.φ3及びφ4電極よりなる水
平ライン22からは、(ビ+9’)、(rrd+9’)
、 (b’−H”)、 (Opaque’+f’)が繰
り返して読出され、これは第3図で32で示す色フイル
りの範囲に対応している。  。
インターレース動作特電;おいては第1図の13に示す
ポテンシャルの形状になるよう転送ノ(ルス電圧を変化
させるので、φ3.φ4.φ1′及びφ2′電極よりな
る水平ライン21′からは(g’+b’)、 (f’+
0paque’ )t (f’+ r’ )、 (f’
+ma’ )が繰り返し読み出されることになり、これ
は第3図において31′で示すフィルタの範囲(:対応
している。
この様にして読出されたカラー撮像素子からの出力信号
よりカラー信号を生ずるための一構成例を示す制御ブロ
ック図を第4図(=示す。
同図に於いて、35は信号発生器で電極駆動信号φ1〜
φ4を発生する。
′36はスイッチ回路で、信号発生器35の駆動信号φ
1〜φ4及びそれ!−直流バイアス電圧37を加えた駆
動信号を転送モード、蓄積モードに応じてカラー撮像素
子25(;切換えて印加する。スイッチ回路36はモー
ド信号Mの印加によってその出力を変える。
26はディレィラミンで、−水平走査期間、信号を遅延
させ垂直方向の相関を利用して輝度信号Y、赤信号R1
青信号Bを得ようとするものである。25は、すでに述
べたモザイク状のカラーフィルタとCCDを組合せたカ
ラー固体撮像素子で第2図に相当するものである。カラ
ー撮像素子25からの出力信号は、加算器27、ディレ
ィライン26および減算器43の入力端子に導かれてい
る。
加算器27より得られる信号は、第n列では第1式〜第
4式より導びかれ、今ここで、各電荷量に相当する信号
レベルをそれぞれの大文字で表わすと、 (R’十G’ )+(B’十G’ ) = (1+2α
)(R+2G+B)となり、また第n+1列では第5式
〜第8式より、(Ma’十G’ ) +(0paque
’+σ)=(1+2α)(Ma+2G)となりここでM
a=R+Bであるがら、それぞれ輝度信号Yとして用い
ることができる。
また、第(n+2 )列、第(n+3 )列においても
、得られる信号は、 (B’十σ)+(R’+G’)=(1+2α)(R+2
0+B)(0paque’十σ)+(Ma’+σ)=(
1+2α)(Ma+2G)となり、同様に輝度信号Yと
して用いることができる。上の結果な−゛みると、混色
の影響はR+2G+Bなる輝度信号に係数(1+2α)
がかかっているだけであるから特に問題とはならないこ
とがわかる。
また、1クロツク毎に、輝度信号が得られるので水平方
向の絵素数として、比較的少ない数のCCDで十分解像
度を得られる可能性を示している。
一方、減算器43の出力信号としては第n列で、(R’
+G’)−(B’+σ) = (R−B )第(n+1
)列で、 (Ma’+σつ−(0paque’十σ) =Ma =
 (R+B )第(n+2 )列で、 (「十σ)−(R’十G’)=B−R=−(R−B)第
(n+3 )列で、 (0paque’+σ) −(Ma’+G’ ) =−
Ma=−(R+B )が得られる。反転器44によりこ
の信号は反転されて、(R−B)、(R+B)、(、R
−B)、(R+B)の信号が繰り返し得られることとな
る。このとき混色成分は上記の様にすべて減算処理で補
正され     1てしまい得られる信号は混色成分を
全く含まない信号となる。
以上の様にして交互に得られる(R+B)、 (R−B
)信号は、分離回路45により分離された後、出力レベ
ルの調整を行なうための増幅器46.46’を通って正
規の大きさの(R+B)、(R−B)信号となる。なお
ここでR信号、B信号はNTSC信号として用いる際、
0.5 MHz程度の比較的低い周波数成分しか必要と
しないため増幅器46.46’はそれほど広い帯域を必
要とせず、適当なローパスフィルタ回路や、サンプルア
ンドホールド回路等を回路中に含んでいることが望まし
い。
(R十B)信号と(R−B)信号は、加算器47により
加算されてR信号となり、減算器48により減算されて
B信号となる。
上記の様にして得られたY、R,Bの各信号はローパス
フィルタ回路、ガンマ補正回路、マトリックス回路およ
びカラーエンコーダー回路等からなるプロセス回路34
に入り、このプロセス回路34の出力として、NTSC
カラー信号が得られることとなる。
このようCニジてフレーム転送型OCDとカラーモザイ
クフィルタを組み合わせて混色を完全に防止することが
できるが、このような実施例では入力画像が垂直、方向
の相関を用いて色信号を取り出すようにしているため、
画像に垂直相関のない場合には偽の色信号が発生し画質
を低下させてしまう。
すなわち第3図と同一配列のカラーフィルタである第5
図(a)に図示したカラーフィルタを用いて、第5図(
b)に図示したような垂直方向のナイキスト周波数(N
TSCテレビジョン方式では約500本に相当)に相当
する空間周波数を有する白黒パターンを処理する場合に
は以下に説明するように偽の色信号が発生してしまづ。
すなわち第5図(a)に示す色フィルタ配列に第5図(
b)に示した明暗分布が対応している場合には、入力画
像の明部はR,B、Maフィルタに対応し、入力画像の
暗部はGフィルタに対応している。このため、入力画像
は白黒画像であるのに、得られる画像は一様なマゼンタ
色の画像となってしまう。
また、入力画像が上または下(;移動し、明暗が反転し
た場合にはGフィルタだけを通して光が入射し、この結
果得られる画像は一様な緑色となってしまう。
この様にして生じる偽の色信号は、物体の移動(二伴っ
て色を変化して非常に目ざわりであり画質を低下させる
大きな原因となっている。一方、第5図(c)に示す約
250 TV本の腫の空間周波数をもつ白黒の入力画像
の場合はR,B、 Ma、 G各フィルタに画像の明部
および暗部が対応しており、部分的に発生した偽の色信
号は、すぐに隣接した部分より発生する逆向きの偽の色
信号により打消されてしまうため、最終的に得られる画
像C:は有害な色づきは生じない。
上述したような垂直方向(:高い空間周波数成分を有す
る入力画像により発生する偽色信号を防止する実施例が
第6図ζ:図示されている。同図において画像は結像レ
ンズ系61を介して固体撮像素子64上に結像されるが
、この結像レンズ系61と固体撮像素子64間には結晶
板62、フィルタける光学的ローパスフィルタを構成す
る。いま、この複屈折性結晶がその光学軸を光学系の光
軸と適当な角度をなして配置されているとき結晶中に入
射した光束はその偏光状態に応じて常光線62aと異常
光線62bとに分かれ、その結果固体撮像素子64には
間隔δだけ分離した二重像が生じる。
この場合第5図(b)に−示した空間周波数成分を減衰
させるためには、この二重像は走査方向と直交した方向
に、はぼ走査線1本分だけの長さであることが望ましい
。
結晶光学の原理に従い結晶の光学軸65が面の法線に対
して約45°をなす時、二重像の分離量が最大になる事
が知られている。いま、固体撮像素子の大きさを杓イン
チサイズ(縦6.611 X横8.8MM )としたと
きに、走査線間隔は約147a となり、複屈折性結晶
として結晶板を用いた場合、結晶板の厚さdはδ=14
/aC対してd = 2.4 、mとなる。従ってこの
実施例に従ってカラー固体撮像装置を構成するには厚さ
2.4Hの結晶板を走査方向に直交した方向に二重像が
生じる様装置すれば良い。
本発明を用いること(:より、第5図(b)に示す高い
空間周波数の入力画像より生じる偽色信号をほぼ完全に
防止することが可能となる。また、本発明で用いている
光学的ローパスフィルタは画面の水平方向の解署度をほ
とんど低下させないので、光学的ローパスフィルタを用
いたことζ;よる解像力低下を補うため、水平方向の画
素数を増加させる必要は全く生じず、作用効果は非常に
大きい。
また本発明によると、画面の垂直方向の解像度は低下し
ているはずであるが、テレビジョン画面(−おいて垂直
方向の解像度低下はあまり目につかずしかも本発明にお
いては光学的ローパスフィルタを用いる前の解像度と比
較してごくわずかの解像度低下であるので問題はない。
本発明の詳細な説明する上で第5図(a)に示す配列の
色フィルタに関して説明を行なったが他の色フィルタ配
列に対しても適用可能である。
第7図(a)(:はフィルタを市松に配列した色フィル
タの例を示し、第7図(b)にはGフィルタと対応して
明るい部分が存在する入力画像を示す。この場合におい
ても、画面垂直方向の空間周波数成分は同一であり、本
発明は同一の効果を有する。本発明が対象とする色フィ
ルタ配列の例を第8図(a)〜(g)に示す。なお同図
においてYeはイエロフィルタ、Cyはシアンフィルタ
、σは透過度の異なる緑フィルタ、N−Dは灰色フィル
タ、Mat 、 Ma2は透過度の異なるマゼンタフィ
ルタ、Wは透明フィルタである。これらは偽信号として
生じる色や、本発明の効果に関して多少の差はあるが、
いずれにおいても本発明は有効に機能する。
上述した実施例ではナイキスト周波数相当の空間周波数
を有する入力画像とほぼ完全にうち消す様な光学的ロー
パスフィルタを示したが、実用的には一12dB以上の
減衰を与える様な光学的ローパスフィルタであれば十分
である。この条件に従う光学的σ−パスフィルタの第2
の実施例が第9図に図示されている。第9因消)は二枚
の複屈折性結晶板64’、 64“を組合せて構成した
光学的ローパスフィルタにより、一本の光束が4本に分
割される様子を示した図である。二枚の結晶板の光学軸
は面法線に対して約45°の角度をなし、面内方向では
相互に約45°の角度をなしている。このとき第1の結
晶板64’(二より、常光線66a、異常光線66dの
二本C;分割された光線は第2の結晶板64“により、
それぞれ2本、全体として4本の光束66a〜66dに
分割されることとなる。
この光学的ローパスフィルタを本発明に用いる場合には
、第9図(b)に示す様に主として画面の上下方向(図
においてAが画面上、Bが画面下)に光束が大きく分離
される様装置すれば良い。なおこの時水平方向に生じる
解像度の低下はほとんど無視できる程度である。走査線
間隔を14Plとしたとき、1枚の結晶板により作り出
される像の間隔は10μmであることが必要であり、こ
のときの夫々の結晶板の厚さボは1.7ffとなる。
本発明に使用される光学的ローパスフィルタとしては、
二次元画像の特定の方向の空間周波数成分を選択的に低
下させる様な特性を有するものであればどの様なもので
も使用可能であり、また、その置かれる位置も結像光学
系中であればどのような位置でもよい。
たとえば、第10図(a)に示すレンチキュラーン−)
67、第10図(b)に示す回折格子68、第10図(
cl(:示すブレーズド回折格子69等、種々のものが
使用でき、二つ以上の光学的ローパスフィルタを組合せ
たものも使用可能である。
また、上述した実施例において4相駆動のフレーム転送
型CCDについて説明を行なったが、同一の色フィルタ
および信号処理回路を用いて2相駆動、1相駆動のCC
Dにも本発明は適用でき、さらにインターライン転送型
CCDをフィールド蓄積モードで使用する場合にも、本
発明に示した色フィルタおよび光学的ローパスフィルタ
は適用可能である。
以上説明したように本発明によれば走査方向と直交する
方向の空間周波数成分を主として減衰させる光学的ロー
パスフィルタを設け、固体撮像素子とカラーモザイクフ
ィルタを組み合わせてカラ    1−画像信号を得る
ようにしているので得られる画像の解像度をほとんど低
下させることなく偽の色信号を実用上十分押さえること
ができ良質なカラー画像信号を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、 (b)、 (c)は本発明によるカラ
ー固体撮像装置の固体撮像素子を示す説明図、第2図は
第1図における固体撮像素子とカラーフィルタの位置関
係を示す説明図、第3図は本発明(:用いられるカラー
フィルタの色配列の一例を示した説明図、第4図は第2
図の素子を用いた場合における信号処理回路を示したブ
ロック図、第5図(a)、 (b)、 (c)は偽の色
信号を生じるカラーフィルタと入力画像用 の強度分布を示した説明図、第6図は本発明に設いられ
る複屈折性結晶板を用いた光学的ローパスフィルタの配
置を示した構成図、第7図(a)、 (b)は偽の色信
号を生じるカラーフィルタと入力画像の強度分布の他の
例を示した説明図、第8図(a)〜(g)は本発明に用
いられるカラーフィルタの他の配列例を示した説明図、
第9図(a)、 (b)は本発明に用いられる光学的ロ
ーパスフィルタの2枚の複屈折性結晶板の特性を示した
説明図、第10図(a)、 (b)。 (C)は本発明(:用いられる光学的ローパスフィルタ
の他の実施例を示した断面図である。 25・・・カラー固体撮像素子26・・・IHディレィ
ライン27.47・・・加算器     35・・・信
号発生器36・・・スイッチ回路     43.48
・・・減算器44・・・反転器      45・・・
分離回路46.46’・・・増幅器     34・・
・プロセス回路61・・・結像レンズ系    62・
・・結晶板63・・・フィルタ基板   64・・・固
体撮像素子64’、64“・・・結晶板 第7図 (0) (b) 第8図 第8rIJ (d) (e) 第8図 (f) (9)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)カラーフィルタ・アレイを固体撮像素子の各画素に
    対応して配置させ、固体撮像素子の直接の出力信号と一
    水平走査期間前の出力信号の差に相当する差分信号より
    色信号を得るカラー固体撮像装置において、結像光学系
    の光路中(:前記走査方向とほぼ直交する方向の空間周
    波数成分を主として減衰させる特性を有する光学的ロー
    パスフィルタを配置したことを特徴とするカラー固体撮
    像装置。 2)前記光学的ローパスフィルタは前記走査方向と直交
    する方向のナイキスト周波数相当の空間周波数を有する
    入力画像の変調度を所定量以上減衰させることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項(:記載のカラー固体撮像装
    置。
JP56122488A 1981-08-06 1981-08-06 カラ−固体撮像装置 Pending JPS5824288A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6147716U (ja) * 1984-08-31 1986-03-31 マツダ株式会社 自動車のル−フ構造
JPS61134186A (ja) * 1984-12-04 1986-06-21 Toshiba Corp 固体撮像デバイス

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6147716U (ja) * 1984-08-31 1986-03-31 マツダ株式会社 自動車のル−フ構造
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