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光电成像提问题答案

第一章

5•光学成像系统与光电成像系统的成像过程各有什么特点?

在光电

成像系统性能评价方面通常从哪几方面考虑?

答:

a、两者都有光学元件并且其目的都是成像。

而区别是光电成像系统中多了光电装换器。

b、灵敏度的限制,夜间无照明时人的视觉能力很差;

分辨力的限制,没有足够的视角和对比度就难以辨认;时间上的限制,变化过去的影像无法存留在视觉上;空间上的限制,隔开的空间人眼将无法观察;光谱上的限制,人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。

6.反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些?

表达形式有哪

答:

转换系数:

输入物理量与输出物理量之间的依从关系。

Gi,

在直视型光电成像器件用于增强可见光图像时,被定义为电镀增益

光电灵敏度:

 

8•怎样评价光电成像系统的光学性能?

有哪些方法和描述方式?

答,利用分辨力和光学传递函数来描述。

通常用光电成像系统在一定距离内能够

分辨力是以人眼作为接收器所判定的极限分辨力。

分辨的等宽黑白条纹来表示。

光学传递函数:

输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。

对于具有线性及时间、空间不

变性成像条件的光电成像过程,完全可以用光学传递函数来定量描述其成像特性。

第二章

6•影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些?

答:

景物细节的辐射亮度(或单位面积的辐射强度);

景物细节对光电成像系统接受孔径的张角;

景物细节与背景之间的辐射对比度。

第三章

13•根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型?

答:

根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类:

黑体,•=1;

灰体,瓯<1,与波长无关;

选择体,谢<1且随波长和温度而变化。

14•试简述黑体辐射的几个定律,并讨论其物理意义

普朗克公式描述了黑体辐射的光谱分布规律,是黑体理论的基础。

斯蒂芬-波尔滋蔓公式:

表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度

T的四次方成正比。

维恩位移定律:

他表示当黑体的温度升高时,其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。

最大辐射定律:

定温度下,黑体最大辐射出射度与温度的五次方成正比。

19•试归纳常见目标的热辐射特性(温度范围、辐射发射系数、信号的构成及可能的背景复杂程度等)(这道题不太会就放弃吧)

材料

温度

信号的构成

背景复杂程度

黄土

20

0.85

皮肤/人体

32

0.98

P209

1、像管的成像包括哪些物理过程?

其相应的理论或实验依据是

什么?

(1)像管的成像过程包括3个过程

A、将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图像

B、使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增

C、将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像

(2)A过程:

外广电效应、斯托列夫定律和爱因斯坦定律

B过程:

利用的是电子在静电场或电磁复合场中运动规律来获得能量增强;或者利用微通道板中二次电子发射来增加电子流密度来进行图像增强

C过程:

利用的是荧光屏上的发光材料可以将光电子动能转换成光能来显示光学图像

2、像管是怎么分代的?

各代的技术改进特点是什么?

(1)A、零代微光像增强器技术

B—代级联式像增强器技术

C采用微通道板(MCP)的二代像增强器

D、采用负电子亲和势光阴极的三代像增强器

E超二代像增强器

F、超三代像增强器

G第四代像增强器

(2)①一代和零代的区别在于一代像增强其采用了光学纤维面板将多级耦合起来,形成级联式的像增强器,一般为得到正像,耦合级数多取奇数,通常微三级

2二代和一代的根本区别在于:

它不是采用多级级联实现光电子图像倍增,而是采用在单级像增强器中设置MCP来实现光电子图像倍增。

3三代和二代近贴式像管类似,其根本区别在于光阴极,但对MCP也提出了更高的性能要求。

二代采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱光阴极,三代采用的则是负电子亲和势光阴极,因此三代具有高增益、低噪声的有点。

11、光电发射为什么会存在极限电流密度?

试分析并导出连续工作条件下和脉冲工作条件下的极限电流密度表达式。

(1)在工作状态下,像管维持光电发射要依赖于光阴极的真空界面有向内的电场场强,这一电场是由电子光学系统提供的。

光阴极的光电发射将产生空间电荷,此空间电荷所形成的附加电场与电子光学系统的电场方向相反。

随着光电发射电流密度的增大,空间电荷的电场会增加到足以抵消电子光学系统所提供的电场。

如果忽略光电子的初速度,当光阴极画的法向场强为零时,光电发射就要受到限制,这时像管的光电发射将呈饱和状态。

这一电流密度称之为光电发射的极限电流密度。

(2)见书P159~P160

17、试从静电场的高斯轨迹方程出发讨论其理想成像性质。

咼斯公式为:

理姮成像的枇念:

6輛平而上某点发出的軌予.虚场的

作用下能在像平面上舍聚与柏同的

mH秦松萄几何形状相极『携向敘大率与输的丸小无姜。

则只需要从高斯公式出发证明在轴上点和轴外点都能理想成像即可

疔'+丄0严+丄0牛=0

24

01=07&(?

)=^=const

说)=1

冷⑵)=0

户⑵二心⑵+B尸2⑵A=r(z^B=r\zQ)

r(z)^r(z0)/i(z)+rr(z0)^(z)

歹对于轴上点,r(z0)=O:

当电子受到向轴的饪向力时,柚上某点发出的轨迹总为g在某一点2=^处与轴相交。

即尽管各自斜率不同*轴上点发曲的电予耒均会会聚在同一点今处”这证明了轴止点的理履聚焦成

r(z)=r,(zoy2(z)?

心)=0=

旷(zj二严(勺比(石)二0

軒静电石歳场中带电粒子的运动

A对于轴外点成像性能的讨论:

由軌迹方程的通簞表达式可知.圾軸外任一点不同初始斟率的电孑轨迹>4平面上均可宵威下式。

尸(石)=尸(奄)耳(石)+严(石)巧(石)二呛胡(石)二

显签「何衣示轨迹疵离斯像面上

隊点的离抽高度「像离丿,口仗丿是

特鮮的像离,对于确岌的场,它是r(z)=r(夠)彳⑵+尹(却)2

(2)

确定的值,i即横旬敖丸率丿o通_

常将这一值立接称为赳子光学糸统

的娱向放大率O

18、什么样的透镜叫短透镜?

导出短透镜的焦距公式并分析其成像性

质。

答:

(1把对电子起有效作用的场一一透镜的作用区间限于一个有限的空间范围内,称此空间位透镜空间,在此空间内,电子轨迹在场的作用下是连续变化的,而物与像则位于透镜场外,透镜场外的空间位等位空间。

这种做了理想化的电子透镜称为短透镜(或薄透镜)。

(2)短透镜的焦距公式的推导见书P179~P180(包括像方焦距和物方焦距)成像性质:

1透镜作用区域较之透镜到物、像距离小得多,比焦距小得多,物、像、焦距均在场外。

2场划分为三个区域,物空间,透镜空间,像空间,在物、像空间,电位固定

不变,电子轨迹为直线

③①’’(z时透镜是会聚的(f为正),『’(Z时透镜是发散的(f为负),且f与『’成反比,即『’越大f越小,会聚本领越强

20、什么是荧光?

什么是磷光?

答:

晶态磷光体在受电子激发时产生的光发射称为荧光。

停止电子激发后持续产生的光发射称为磷光。

P210

21•荧光屏表面蒸镀铝膜的作用是什么?

(P185)在荧光屏的表层上蒸镀一层铝膜,厚度约为0.1um,其作用为:

弓I走积累的负

电荷;防止光反馈给光阴极;使荧光屏形成等电位;将光反射到输出方向。

22.受激辐射可见光的条件是什么?

(p185)受激辐射可见光的条件是电子跃迁的能级差必须与可见光光子的能量相同。

25.荧光屏的转换效率与哪些因素有关?

为什么说图像分辨力和发光效率对荧光粉颗粒度的要求是相互矛盾的?

(p192)荧光屏的转换效率与制作荧光屏本身的材料一晶态磷光体的转换效率有关,还

与屏的粉层厚度、粒度、入射电子的能量及铝膜的影响等因素有关。

一般,粒度越大转换效率越高。

但是,过厚的荧光屏将降低输出图像的分辨力。

厚度的增加会导致光扩散的增大,分辨力将随之下降。

因此,粒度应该适当。

通常选取颗粒直径与

荧光屏厚度相近,这样可获得发光效率与图像分辨力的最佳组合。

26•光纤面板(OFP的传像原理是什么?

像管应用光纤面板有什么优

点?

(p193)光纤面板是基于光线的全反射原理进行传像的,由于光导纤维的芯料折射率高

于皮料的折射率,因此入射角小于全反射临界角的全部光线都只能在内芯中反射。

所以每一

根光导纤维能独立地传递光线,且相互之间不串光。

由大量光导纤维所组成的面板则可以传递一幅光学图像。

光纤面板使像增强器获得以下优点:

①增加了传递图像的传光效率;②提供了采用准球对称

电子光学系统的可能性,从而改善了像质;③可制成锥形光纤面板或光学纤维扭像器。

32•为什么MCP大多采用斜通道或弯曲通道的形式?

(196、205)通常MCP不垂直于端面,而具有7°—15°的斜角。

一方面可提高通道内的二次电子发射次数,另一方面也可使正离子不能穿出通道,消除或减少离子反馈。

P244

8.夜视成像系统对物镜的基本要求是什么?

(p213)夜视成像系统对物镜的基本要求大致有以下几点:

1大的同光口径和相对孔径。

2小的渐晕。

3宽光谱范围的色差校正。

4物镜有好的调制传递特性。

5最大限度的消除杂散光,杂散光对低信噪比的光电成像的影响比较明显,减小物镜的杂散光可减小像质的变坏。

6在红外光学系统中,必须同时可虑聚光系统和扫描系统。

7尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。

P244

9.成像物镜主要分为哪几种类型?

各种类型的典型形式是怎样的?

答:

光电成像系统用物镜系统分为三类:

折射系统、反射系统和折反射系统。

(1)光电成像系统中常用折射物镜有双高斯型和匹茲伐型。

双高斯结构是微光成像系统中大相对孔径的基本型,由于这种结构较容易在较宽光谱范围内修正像差,属于基本对称型结构,使轴外像差能自动抵消。

在仪器视场不大的情况下,可用匹茲伐型物镜,其基本结构是两个正光焦度的双胶透镜,结构简单,球差和慧差校正较好,但视场加大时场曲严重。

(2)反射物镜分为单反射镜和双反射镜。

最常见的是双反射镜。

单反射镜分为球面镜喝非球面镜(抛物面、椭球面和双曲面镜)系统。

球面反射镜和抛物面反射镜可单独使用,椭球面和双曲面反射镜由于其光学焦点和几何焦点不重合,慧差大,像质欠佳,通常和其他反射镜组合成双反射镜系统。

(3)把反射镜的主镜和次镜都采用球面镜,而用加入补偿透镜的方法校正球面镜的球差,构成折反射物镜系统。

折反射物镜可实现大口径长焦距,常用的折反射物镜有施密特系统、曼金折反射镜、包沃斯-马克苏托夫系统以及包沃斯-卡塞格伦系统。

10.红外物镜相对于可见光物镜有什么不同?

答:

(1)大的通光孔径和相对孔径。

限制微光成像系统视见能力的主要因素之一是来自景物的辐射噪声。

加大物镜的孔径能最大限度地接

收来自目标的辐射,获得大的靶面照度,即大的通光孔径有利于提高微光系统的信噪比。

(2)小的渐晕。

(3)宽光谱范围的色差校正。

校正色差的光谱范围取决于系统光谱

响应波段,对主动红外成像系统为0.65〜1.2微米(,对微光成像系

统为0.4〜0.9微米,对热成像系统为1.5〜14微米)。

(4)物镜有好的调制传递特性。

像管为低通滤波器,目前的极限分

辨力为30〜70lp/mm,通常要求物镜在10lp/mm的空间频率时MTF

不低于75%。

(5)最大限度地消除杂散光,杂散光对低信噪比的光电成像的影响

比较明显,减小物镜的杂散光可减小像质的变坏。

(6)在红外光学系统中,必须同时考虑聚光系统和扫描系统。

(7)尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。

11、在直视型成像系统中对目镜的基本要求是什么?

合适的焦距。

q镜魚距:

通fA10-55mm.

足够的视场。

通f2®A30o-90°之间。

含适的岀瞰距壽和岀膛直役°一般视不同的应用条件.成像纟统出膛直隹取人膿夜间瞳孔直程5〜7mm◎岀距畜镜后表面列人限膛孔的距青)一般A8-50mma适当的裔节距(目铳筍在面和前JL氏之间的距青),玖锋衽工作对的视友谓整o

此升.闘舟Hit魂埼大.轴升徐垂是彰嗨徐厦的婁要国盍;

12、像管直流高压电源的特点是什么?

其主要包括哪几部分?

答:

特点

(1)提供稳定的直流高压,使像管工作时保持合适的输出亮度;

(2)性能稳定,在高低温环境下保证仪器正常工作;

(3)实现自动亮度控制(ABC功能;

(4)对于选通系统,应提供选通周期、脉宽以及延时可调的选通电压;

(5)对自动快门,能够根据像管电流自动调整工作电压的占空比;

(6)防潮、防震、体积小、质量轻、耗电省。

包括以下几个部分:

直流低压电源、晶体管变换器、升压变压器、倍压整流电路以及稳压电路。

13、试以二倍压电路为例,说明倍压电路的工作原理。

答:

把变压器次级绕组上的交流高压整流并倍压到所需直流高压的过程。

变压器T的次级绕组输出峰值电压为V2的交流,贝卩:

(1)正半周:

假设T的输出端上负、下正,贝SD2因反向偏置截

止,D1回路导通,对C1充电,在正半周结束前,C1两端电压为V2;

(2)负半周:

T的输出端上正、下负,贝SD1因反向偏置截止,

D2回路导通,对C2充电,在负半周结束前,C2两端电压为2倍V2,送至输出端口为2倍V2的直流。

T

二倍压电路

P245

15、为什么说大气后向散射对主动红外夜视仪性能将产生不利影响?

答:

在主动红外成像系统中,照明系统安装在接收器附近,在照射远距离目标时,探照

灯光轴非常接近系统光轴。

照射光束在大气传输过程中被大气散射,其中一部分后向散射将

进入观察视场,在成像面上造成一个附加背景,从而降低成像的对比度和清晰度。

在能见度

差的情况下,这一影响是主动红外成像系统性能的一个基本限制因素,会对主动红外夜视仪

性能产生不利影响。

16、选通技术用于主动红外夜视仪可取得怎样的效果?

激it发主器!

大吒

延迟器

监控咏冲

tt发脉冲

「一

脉冲发生养

延迟计«需

延迟调节器

高压供电

沖度节

U长调

 

选通成像系统原理框图

答:

选通技术是利用短脉冲光照明器和选通型像管,从时间上分开不同距离上的散射

光和目标的反射光,使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在像管选通工作时到达像管并成像。

由于辐射脉冲在投向目标过程中所产生的后向散射辐射到达接收器时,像管处于非工

作状态,可减小后向散射对成像系统的影响。

佃、简述直视微光成像系统对像增强器的要求。

答:

在设计直视型夜视成像系统时,应当提高增强器极限分辨力mo;为使系统性能尽

可能达到光子噪声限,像增强器暗背景噪声应尽可能减小,通常要求

2

兀Ra(2—C)

Eb--;还要求像增强器有较高的G;还需注意几点:

像增强器的输入

8

输出窗类型、荧光屏类型以及调制传递函数(MTF)。

20、试述像管使用自动亮度增益(ABC电路的目的及其工作原理。

答:

目的:

自动亮度控制电路的作用是通过控制像增强器外加电压的办法来控制它的增益,以达到控制荧光屏输出图像亮度的目的,扩大了微光成像系统的使用光度范围。

级联像增强器高压电源及ABC电路

工作原理:

图为级联像增强器高压电源,其中包括典型的ABC电路。

ABC电路实际是

一个带负反馈的直流低压电源,输出的直流电压Ei到直流变换电路,变为交流电压后再经

升压变压器及倍压整流滤波电路后供给像增强器。

图中冃、R2和稳压二极管Di构成比较电

压回路;Rw为取样电阻;Ci为高频旁路电容;CCs为低频旁路电容。

当比较回路电流大于BGi的基极电流Ibi时,分压电阻Ri和Di上的电压为标准电压。

当光阴极入射照度Ec上

升时,供给像增强器的电流上升,ABC电路的输出电压Ei下降,最终导致供给像增强器的

直流高压下降而降低了像管的增益,起到维持荧光屏亮度基本不变的作用。

21、物镜和像增强器的参数如何影响系统的极限分辨力的?

答:

图见P2296-29。

在像增强器暗噪声可忽略的前提下,物镜和像管参数对系统极限分辨特性的影响如图所示。

1物镜焦距从f'增大到10f'在大于星光照度10-3|x情况下,系统分辨力得到明显改善,反之则改善很小;

2物镜直径从D增大到10D,在低于满月光10-1|x情况下,系统分辨力得到明显改善,

大于满月光改善很小;

3光阴极灵敏度从s提高到10s,在低于10-2|x照度范围,系统得到最大改善;;

4增加系统积累时间t得与光灵敏度s类似的改善;

5提高像增强器极限分辨力m。

,在10-4~10-1lx目标照度范围对系统分辨力提供一般的

改善。

当D、s、t一起增加时这种改善更有意义。

P245

22、为什么要对像增强器进行强光保护?

如何实现?

答:

因为若观察场景中一直存在强光源,则像管荧光屏会出现局部

饱和,影响像管寿命,甚至造成像管不可逆的损坏。

传统的防护方法有分压法和散焦法,但对观察有不利影响。

自动快门电路根据像管光电源大小对像管实施自动间断供电,可以防

强光。

23、试述像管增强器背景噪声对系统极限分辨特性的影响

答:

像增强器存在的噪声(如暗噪声)将使像管输出图像对比度恶化,分辨力下降。

像增强器存在等效背景照度Eo时,系统极限分辨

角增大,表示如下

DCnL^.tS

nLsvR2A(2-C)

]+(厶)

庇声;(2-C)

8

P295

1、何为摄像管?

简述摄像管的工作原理?

答、电视摄像是将两维空间分布的光学图像转换为一维时间变化的视频信号的过程,完成这一过程的器件称为摄像管。

工作原理:

A、摄像管光敏元件接受输入图像的副照度进行光电转换,将两维空间分布的光强转变为两维分布的电荷量。

B、摄像管电荷存储元件在一帧周期内连续积累光敏元件产生的电荷,并保持电荷量的空间分布,这一存储电荷的元件称之为靶。

C、摄像管电子枪产生空间两维扫描的电子束,在一帧周期内完成全靶面的扫描,逐点扫描的电子束到达靶面的电荷量与靶面存储的电荷量相关,受靶面存储的电荷量的调制,在输出电路上产生与被扫描点辐照射强度成比例的信号,即视频信号。

3、摄像管的结构由几部分组成?

各部分的作用是什么?

答:

主要由光电变换与存储部分和信号阅读部分两大部分组成。

A、光电变换与存储部分:

将光学图像变成电荷图像,并在整个帧周期内在靶上连续地对图像上的任一像元积累电荷信号。

B、信号阅读部分:

从靶面上取出信号

4、摄像管是怎样分类的?

按光电变换的形式可分为哪几类?

按视频信号读出方式又可分为哪几类?

答:

可按下面3种方法分类:

a按电荷积累方式分类b按光电变换形式分类c按视频信号读出方式分类

其中按b可分为:

外光电变换型和内光电变换型

按c可分为:

信号板输出型和双面靶输出型

17、热释电摄像管的靶有什么特点?

具有什么性质?

答:

(1)热释电摄像管的靶是热释电靶,是具有热释电效应的铁电体材料所制成的;

(2)性质:

①利用热释电效应工作,仅对随时间变化的热辐射有响应;

②是良好的绝缘体,容易积累电荷。

20、简述热释电摄像管的工作过程。

为什么要给热释电摄像管靶加基

底电荷?

目前产生基底电荷有哪几种方式?

答:

(1)工作过程:

具体答案在课本742节(P285~P289),这里只写大标题

1热释电靶的单筹化;

2靶面电荷图像的形成;

3热释电靶电荷图像的读出。

(2)加基底电荷的原因:

①靶面电荷图像形成时:

靶面的信号电荷是由扫描电子束的负电荷着靶后才形成视频信号的,故靶面信号电荷必须为正。

而靶是绝缘体,信号电荷又是静电的束缚电荷,扫描

电子束着靶的负电荷不能在帧周期内导走,所以为了防止热释电摄像管中靶面上产生负电荷

积累,必须在每次电子束扫描后都给靶面提供一定量的正电荷;

②电荷图像读出时:

同上

(3)方法:

二次电子发射法;摄像管内充气法;泄漏电流法。

21、热释电摄像管工作时有什么要求?

对应这几种要求又哪几种工作

方式?

各有何优缺点?

答:

热释电靶面上的静电电荷面密度随靶温度变化而产生相应的变化。

为了能连续摄取图像,

要求热释电摄像管在每次电子束扫描靶面后,能够重新产生靶面的静电电荷图像。

具体方法:

厂平移式:

I

摄全景式:

J—优点:

装置简单。

但图像总在运动,不便于观察,热目标后边缘有黑色拖尾

匸斩光式——缺点:

附加斩光装置及其相关系统,斩光速度与扫描速度协调,必须加校正电路

将负极性新后倒相

P366

3、什么是CCD的开启电压?

为什么实际工作中CCD的开启电压必须

考虑平带电压?

平带电压又是怎样的?

解:

CCD开始产生沟道所需要的栅压就是开启电压。

理想的MOS系统的C(Vg)特性往往与实际测得的C(V』特性不完全一致,这是因为没有考虑金属电极和半导体的功函数差①ms、Si-SiO2界面上存在的表面电荷Qs以及在SiO2

中因玷污产生的可动电荷等因素的影响作用,所以,必须对理想情况下的结果进行修正。

由于上述因素的影响,表面能带向下弯曲,为了使表面能带由弯曲变成平直,恢复平带

状态,而在金属栅极上所加的负的偏压就是平带电压。

(P302)

5.什么是界面态?

怎样减少界面态的影响?

什么是“胖零”工作

模式?

为什么SCCD要采用“胖零”工作模式?

解:

界面态即界面陷阱电荷,主要是指Si-SiO2界面处处于禁带中的局部能级,它可在短时

间与衬底半导体交换电荷,是表面复合和散射的主要成因,它主要是对表面沟道的CCD的转移效率产生重大影响。

采用埋沟CCD可避开界面态俘获信号电荷的不良影响。

要减少界面态的影响,可采用“胖

零”工作模式。

“胖零”工作模式:

用一定数量的基底电荷先将界面态填满,当信号电荷注入时,信号

电荷被俘获的几率变小,而从界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包。

信号电荷包

损失到界面态中去的电荷,可能与它从界面态得到的电荷相等,从而在一定程度上减少了界

面态带来的影响。

SCCD的电荷转移损失很大,引入“胖0”电荷后,可使CCD界面引起的电荷转移损失降到最小。

6、简述BCCD工作原理,说明BCCD工作的特点,并与SCCDt匕较各自的优缺点。

体內(變)沟道(變沟CCD-BCCD):

过盛哇*面注入棗贋.使之形周N矍蒔层,幷盛两構加上N+层,起遴、輻住审。

■粛者携秦傅息的电手曼N层中的乡子.

而后者是P嘉中的*子

■蔻面CCD中的倍号亀肩集中壶弄而#t狠等的反魄厲”丽毁內CCD傅号电荷集中蛊体由jz平面附近。

«*CCD优于

■園馆号电撐盛体由舂鮭和转移”连幵了JT面患俘抿癮号的不罷越哈》脯以转移

+面CCDJ.1〜2金承量su

■由于各孙枫电压间有较强的赭合,运种斜金醴西道加灌而姜从而增加了匹蜒炀心加之硅律南迁爭卒比套面嵩均一故埋洶CCD工作亮率较嵩,可在W5M卜佝时针下工作©

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