JP2010262033A - 自動焦点調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光軸方向に移動する被写体の動きや変化に対応するための複数の焦点検出系を備えた動画撮影装置の構成では、処理時間が増大し合焦状態の維持が困難であった。
【解決手段】複数領域のフォーカス状態を独立に検出する複数の焦点検出手段と、焦点検出手段の検出時間を計測する手段と、最大焦点検出時間を算出する手段と、焦点検出手段の出力に基づきデフォーカス量を算出する手段と、デフォーカス量に基づきフォーカスレンズを駆動する手段と、被写体予測位置を算出する手段と、を有する自動焦点調整装置において、焦点検出時間が最大焦点検出時間を超えたとき、焦点検出手段の全検出を終了させ、焦点検出手段によって検出された各領域のフォーカス状態に基づき、複数の領域各々に対応するデフォーカス量を算出し、被写体予測位置との差が許容範囲内となるフォーカス目標位置に対応する焦点検出手段の出力に従って、フォーカスレンズを駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テレビレンズやビデオレンズ等の光学機器に関し、特にオートフォーカス機能を備えた光学機器に関するものである。

従来、カメラやビデオカメラ等の撮影装置におけるオートフォーカス（ＡＦ）技術として様々な提案が成されている。例えば、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した被写体からの光束を、一対のラインセンサ上に結像させ、被写体像を光電変換して得られた一対の像信号の相対位置変位量を求める。この変位量を元に被写体のデフォーカス量を算出し、撮影レンズの駆動を行う自動焦点調整方法が良く知られている。
また、動画撮影においては、常に自動的にピント合わせを行うようにフォーカスレンズの位置を制御する必要がある。
特許文献１では一時的に焦点検出不能となった時に、過去の被写体の移動速度から被写体の移動位置を予測して合焦状態を維持する方法が開示されている。
また、特許文献２では合焦状態を得るために焦点検出結果によってレンズ駆動を適応的に切替える方法が開示されている。

特開平４−２１７２３７号公報 特開平８−１０１３３７号公報

高速に移動する被写体に対し、常に合焦状態を維持するため、動画撮影時には対象となる被写体を捕らえつづけるため、複数の焦点検出系を備えた構成にする必要がある。
しかしながら、上述の特許文献１及び特許文献２に開示された従来技術では、動画撮影時に被写体の動きや変化に対応することや、複数の焦点検出系を備える事による処理時間の増大やその時間による合焦状態への影響の考慮がなく、合焦状態を維持することが困難である。
そこで、本発明の目的は、様々な撮影環境および撮影する被写体の速度によらず、合焦状態を維持することが出来ることを可能とした自動焦点調整装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の領域におけるフォーカス状態をそれぞれ独立に検出する複数の焦点検出手段と、前記焦点検出手段による焦点検出時間を計測する計測手段と、最大焦点検出時間を算出し設定する手段と、前記焦点検出手段からの出力に基づいてデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、前記デフォーカス量に基づいてフォーカスレンズを駆動するフォーカス駆動手段と、前記デフォーカス量および前記焦点検出時間から被写体予測位置を算出する被写体予測位置算出手段と、を有する自動焦点調整装置において、前記焦点検出時間が前記最大焦点検出時間を超えたとき、前記複数の焦点検出手段によるフォーカス状態の検出の全てを終了させ、前記複数の焦点検出手段によって検出された各領域でのフォーカス状態に基づいて、前記デフォーカス量算出手段が前記複数の領域のそれぞれに対応するデフォーカス量を算出し、前記複数のデフォーカス量に基づくフォーカス目標位置のうち、前記被写体予測位置との差が許容範囲内となるフォーカス目標位置に対応する焦点検出手段の出力に従って、前記フォーカスレンズを駆動することを特徴とする。

本発明によれば、撮影環境および被写体速度によらず、被写体に対して常に合焦状態を維持することができる。

第１実施例及び第２実施例の構成図 第１実施例及び第２実施例のフローチャート図 本実施例の焦点検出構成図 第１実施例を適用したレンズの軌跡図 第１実施例のフローチャート図 第２実施例を適用したレンズの軌跡図 第２実施例のフローチャート図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の自動焦点調整装置の第１実施例であるズームレンズ装置１００の構成図である。フォーカスレンズ１０１は、光軸方向に移動してズームレンズ装置１００の結像面の位置を変化させる。

フォーカスレンズ１０１には、フォーカスモータ１０２が接続されている。フォーカスモータ１０２は、フォーカスドライバ１０３によって駆動され、フォーカスレンズ１０１を光軸方向に移動させる。フォーカスレンズ１０１の位置は、フォーカス位置検出部１０４によって検出される。

ズームレンズ１０５は、光軸方向に移動してズームレンズ１００の焦点距離を変化させる。ズームレンズ１０５には、ズームモータ１０６が接続されている。ズームモータ１０６は、ズームドライバ１０７によって駆動され、ズームレンズ１０５を光軸方向に移動させる。ズームレンズ１０５の位置は、ズーム位置検出部１０８によって検出される。

可動絞り１０９には、アイリスモータ１１０が接続されている。アイリスモータ１１０は、アイリスドライバ１１１によって駆動され、可動絞り１０９を駆動する。絞り１０９の位置は、アイリス位置検出部１１２によって検出される。

分光プリズム１１３は、フォーカスレンズ１０１とズームレンズ１０５を通過した光を２つの光束に分離する。分光プリズム１１３を透過した一方の光束は、リレーレンズ１２４を通って、撮像素子１２５に入射する。また、分光プリズム１１３で反射された他方の光束は、焦点検出部１１４に入射する。焦点検出部１１４は位相差検出レンズと複数の位相差検出センサで構成され、位相差検出レンズによって分割された２つの光束により形成された一対の像（２像）を各位相差センサにて光電変換する。

ズームレンズ制御部１１５のレンズ制御部１１６は、焦点検出演算部１１８の結果を基にフォーカスレンズ１０１を駆動し、ズームレンズ１０５、可動絞り１０９を制御する。

被写界深度演算部１１７は、フォーカス位置検出部１０４、ズーム位置検出部１０８およびアイリス位置検出部１１２からの各位置情報に基づき、現在のフォーカス位置における被写界深度を算出する（或いは、表から読み出してもよい）。焦点検出演算部１１８は、焦点検出部１１４にて光電変換された一対の像信号の位相差を算出し、デフォーカス量を算出する。焦点検出時間計測部１１９は、焦点検出部１１４のセンサが電荷を蓄積する時間（以後、蓄積時間と記す）を計測する。被写体速度算出部１２０は、焦点検出演算部１１８と焦点検出時間計測部１１９からの情報を元に被写体の移動速度を算出する。最大蓄積時間算出部１２１は、被写界深度演算部１１７からの被写界深度情報と、被写体速度算出部１２０からの被写体速度から、被写界深度内で制御可能となるセンサの最大の蓄積時間（以後、最大蓄積時間と記す）を算出する。すなわち、最大蓄積時間は、センサに許容される最大焦点検出時間である。被写体予測位置算出部１２２は、焦点検出時間計測部１１９の出力である蓄積時間と被写体速度算出部１２０の出力である被写体速度から、被写体の予測位置を算出する。ここで、最大蓄積時間は、算出されるものとして例示したが、表等から読み出してもよい。

焦点検出制御部１２３は、最大蓄積時間算出部１２１にて得られた最大蓄積時間によって位相差センサの制御を切替える。

以上、説明した構成において図２のフローチャートを使用して、制御方法を詳細に説明する。図２のステップＳ２０１ではフォーカス位置検出部１０４で検出したフォーカス位置を読込み、ステップＳ２０２へ移行する。ステップＳ２０２ではズーム位置検出部１０８で検出しているズーム位置を読込み、ステップＳ２０３へ移行する。ステップＳ２０３ではアイリス位置検出部１１２で検出しているアイリス位置を読込み、ステップＳ２０４へ移行する。ステップＳ２０４ではステップＳ２０１で読込んだフォーカス位置情報と、ステップＳ２０２で読込んだズーム位置情報と、ステップＳ２０３で読込んだアイリス位置情報を基に被写界深度演算部１１７にて次式によって前方被写界深度ｄ２および後方被写界深度ｄ１を算出し、ステップＳ２０５へ移行する。
前方被写界深度ｄ２＝σ・Fno・L^２／ｆ^２−σ・Fno・L
後方被写界深度ｄ１＝σ・Fno・L^２／ｆ^２＋σ・Fno・L
ここで、σは許容錯乱円、ｆは焦点距離、Lは被写体距離、FnoはＦナンバーを表す。また、ここでは、被写界深度は算出されるものとして例示したが、表等から読み出してもよい。

ステップS２０５では、焦点検出時間計測部１１９にて計測されたセンサ蓄積時間と、焦点検出演算部１１８においてデフォーカス量の算出に必要な時間との和から処理時間Ｔを求める。さらに、処理時間Ｔとフォーカスレンズの焦点距離の変化量から、被写体速度算出部１２１によって次式にて被写体速度θを算出し、ステップＳ２０６へ移行する。
処理時間Ｔ＝センサ蓄積時間＋デフォーカス量算出時間
被写体速度θ＝Atan（フォーカスレンズの焦点距離の変化量／処理時間Ｔ）

ステップS２０６では、ステップＳ２０４で算出した被写界深度と、ステップＳ２０５で算出した被写体速度から最大蓄積時間MaxTを次式にて算出し、ステップＳ２０７へ移行する。
（被写体が至近方向に移動している時）
最大蓄積時間MaxT＝（ｄ１−Δ１）／tanθ−デフォーカス量算出時間
（被写体が無限遠方向に移動している時）
最大蓄積時間MaxT＝（ｄ２−Δ２）／tanθ−デフォーカス量算出時間
ここで、ｄ１は後方被写界深度を、ｄ２は前方被写界深度を表す。Δ１，Δ２は，フォーカス状態を被写界深度内に維持するための定数である。

ステップＳ２０７にて焦点を検出する対象となる全ての位相差センサを起動し、電荷の蓄積を開始し、ステップＳ２０８へ移行する。ステップＳ２０８では起動したセンサのいずれかが電荷の蓄積が終了しているかを判定し、終了していない時はステップＳ２１１へ移行し、蓄積が終了している時はステップＳ２０９へ移行する。

ステップＳ２１１では焦点検出時間計測部１１９によって計測されたセンサ蓄積時間が最大蓄積時間MaxTを超過しているかどうかを判定し、超過していなければステップＳ２０８へ戻り、再度蓄積状態を判定する。最大蓄積時間MaxTを超過していれば、ステップＳ２１２へ移行する。ステップＳ２１２では、起動した全てのセンサの蓄積動作を強制的に終了させ、ステップＳ２１３へ移行する。ステップＳ２１３では、電荷の蓄積を強制的に終了させたセンサから出力を読込み、それぞれの出力に基づくデフォーカス量を算出し、フォーカス駆動量を求め、ステップＳ２１４へ進む。

ステップＳ２０９では電荷の蓄積が終了したセンサから出力を読込み、デフォーカス量を算出し、フォーカス駆動量を求め、ステップＳ２１０へ移行する。ステップＳ２１０では、起動した全てのセンサが蓄積終了したかどうかを判定する。蓄積終了していないセンサが存在するときは、ステップＳ２０８に戻り、蓄積待ちの状態となる。全てのセンサの蓄積が終了した場合はステップＳ２１４へ移行する。従って、複数の位相差センサの出力に基づくデフォーカス量が全て算出されるまで、またはセンサ蓄積時間が最大蓄積時間MaxTを超えるまで、同一フォーカス位置での焦点検出を繰り返すことになる。ステップＳ２１４では、被写体予測位置算出部１２２にてステップＳ２０５で算出した被写体速度と焦点検出時間計測部１１９にて計測したセンサ蓄積時間から、被写体予測位置を算出し、ステップＳ２１５へ移行する。ここで、被写体予測位置は、たとえば、
処理時間Ｔ ＝ センサ蓄積時間 ＋ デフォーカス量算出時間
被写体予測位置 ＝ tanθ × 処理時間Ｔ
により算出することができる。

ステップＳ２１５では、ステップＳ２０９およびステップＳ２１３にて算出された複数のセンサから算出されたデフォーカス量から最適なデフォーカス量に相当するセンサを選択し、ステップＳ２１６へ移行する。ステップＳ２１６ではステップＳ２１５で選択したセンサから算出したフォーカス駆動量に基づいてフォーカスレンズを駆動後、ステップＳ２０１へ戻り、一連の動作を繰り返す。

次に図３、図４および図５のフローチャートを使用して、ステップＳ２１５のセンサを選択する動作について詳細に説明する。図３に示すように光軸方向に移動する複数の被写体３１０、３１１、３１２に対し、焦点検出領域３００を設定し、この焦点検出領域内に複数の焦点検出用センサ３０１、３０２、３０３が構成されている。各焦点検出用センサは、それぞれの検出領域に対応するフォーカス状態をそれぞれ独立に検出することができる。被写体３１０、３１１、３１２のそれぞれの距離の軌跡、レンズの焦点距離の軌跡を図４に示す。図４において、縦軸は距離（上側が至近側、下側が無限遠側を示す）、横軸は時間を示す。

図４において時刻ｔ２まで焦点検出用センサ３０２が採用され、被写体３１１に対して合焦状態が維持されている。次に時刻ｔ３時の動作について図５のフローチャートに基づき説明する。

最初にステップＳ５００において、フォーカスレンズを駆動させる目標駆動位置（以後、採用候補値と記す）に初期値を設定し、最初に判定に供する焦点検出用センサを選択する。ここでは、最初に焦点検出用センサ３０１が選択された場合を考える。ステップＳ５００において、採用候補値の初期値として、例えば、ステップＳ２１４で算出された被写体予測位置を使用することができる。

ステップＳ５０１では焦点検出用センサ３０１にて検出されたデフォーカス量を読込み、ステップＳ５０２にてフォーカス目標位置（図４のＰ１）が算出される。ステップＳ５０３ではステップＳ２１４にて算出されている被写体予測位置に対して、図４に点線で示される所定の許容範囲内かどうかが判定される。図４のフォーカス目標位置Ｐ１は許容範囲外であるためステップＳ５０７へ移行する。ここで、許容範囲は、ステップＳ２１４で算出された被写体予測位置及びステップＳ２０４で算出された光軸方向の被写体速度θ等の情報に基づいて設定される範囲である。

ステップＳ５０７では全ての焦点検出用センサでの判定が終了しているかが判定される。本例では、全てのセンサに対する判定が終了していないので、ステップＳ５０９で次の焦点検出用センサ３０２を選択して、ステップＳ５０１に戻る。

ステップＳ５０１では次の焦点検出用センサ３０２にて検出されたデフォーカス量を読込み、ステップＳ５０２にてフォーカス目標位置（図４のＰ２）が算出される。ステップＳ５０３ではステップＳ２１４にて算出されている被写体予測位置に対して、所定の許容範囲内かどうかが判定される。図４のフォーカス目標位置Ｐ２は許容範囲内であるため、ステップＳ５０４へ移行する。ステップＳ５０４では被写体予測位置とフォーカス目標位置Ｐ２との差分値Ｐが算出されステップＳ５０５へ移行する。ステップＳ５０５では、被写体予測位置と採用候補値との差分値が差分値Ｐと比較され、差分値Ｐの方が小さい時はステップＳ５０６へ移行する。差分値Ｐの方が大きい場合はステップＳ５０７へ移行する。

ステップＳ５０６ではフォーカス目標位置Ｐ２を新たに採用候補値として登録し、ステップＳ５０７へ移行する。ステップＳ５０７で再度全ての焦点検出用センサでの判定が終了しているかが判定される。本例では、全てのセンサに対する判定が終了していないので、ステップＳ５０９で次の焦点検出用センサ３０３を選択して、ステップＳ５０１に戻る。

ステップＳ５０１では次の焦点検出用センサ３０３にて検出されたデフォーカス量を読込み、ステップＳ５０２にてフォーカス目標位置（図４のＰ３）が算出される。ステップＳ５０３ではステップＳ２１４にて算出されている被写体予測位置に対して、所定の許容範囲内かどうかが判定される。図４のフォーカス目標位置Ｐ３は許容範囲外であるため、ステップＳ５０７へ移行する。ステップＳ５０７にて再度全ての焦点検出用センサでの判定が終了しているかが判定され、終了しているのでステップＳ５０８へ移行する。

ステップＳ５０８では登録済みのフォーカス目標位置Ｐ２をフォーカスレンズの駆動位置として採用する。

以上のように、本実施例によれば、最大蓄積時間内にて被写体の移動軌跡から被写体の位置を予測する。複数の焦点検出領域の焦点を複数の焦点検出センサで検出し、前記被写体予測位置との比較により採用するセンサを選択しフォーカス制御することによって、合焦状態を維持することが出来る。

第２実施例の構成とフローチャートは、それぞれ、図１及び図２に示され、第１実施例と同様であるので説明は省略する。

図２のフローチャートのステップＳ２１５の採用センサ選択動作を、図３、図６及び図７を使用して詳細に説明する。

図３に示すように光軸方向に移動する複数の被写体３１０、３１１、３１２に対し、焦点検出領域３００を設定し、この焦点検出領域内に複数の焦点検出用センサ３０１、３０２、３０３が構成されている。各焦点検出用センサは、それぞれの検出領域に対応するフォーカス状態をそれぞれ独立に検出することができる。この時の被写体３１０、３１１、３１２のそれぞれの距離の軌跡、レンズの焦点距離の軌跡を図６に示す。図６において、縦軸は距離（上側が至近側、下側が無限遠側を示す）、横軸は時間を示す。

図６において時刻ｔ２まで焦点検出用センサ３０２が採用され、被写体３１１に対して合焦状態が維持されている。次に時刻ｔ３時の動作について図７のフローチャートに基づき説明する。

最初にステップＳ７００において、第１実施例のステップＳ５００と同様に、初期条件が設定される。ステップＳ７０１では焦点検出用センサ３０１にて検出されたデフォーカス量を読込み、ステップＳ７０２にてフォーカス目標位置（図６のＰ１）が算出される。ステップＳ７０３ではステップＳ２１４にて算出されている被写体予測位置に対して、フォーカス目標位置（図６のＰ１）が、図６において点線で示される所定の許容範囲内にあるかどうかが判定される。図６のフォーカス目標位置Ｐ１は許容範囲内であるため、ステップＳ７０４へ移行する。ここで、許容範囲は、第１実施例での場合と同様に定義することができる。

ステップＳ７０４では採用候補値とフォーカス目標位置Ｐ１が比較され、フォーカス目標位置Ｐ１の方が大きい（採用候補値よりもフォーカス目標位置Ｐ１の方が近い）ためステップＳ７０５へ移行する。ステップＳ７０５では採用候補値として目標位置Ｐ１が登録され、ステップＳ７０６へ移行する。ステップＳ７０６では全てのセンサ判定が終了しているかの判定が行なわれる。終了していない時は、ステップＳ７０８で次の焦点検出用センサを選択して、ステップＳ７０１に戻る。

ステップＳ７０１では、ステップＳ７０８で選択された次の焦点検出用センサ３０２にて検出されたデフォーカス量を読込み、ステップＳ７０２にてフォーカス目標位置（図６のＰ２）が算出される。ステップＳ７０３ではステップＳ２１４にて算出されている被写体予測位置に対して、所定の許容範囲内かどうかが判定される。図６のフォーカス目標位置Ｐ２は許容範囲内であるため、ステップＳ７０４へ移行する。ステップＳ７０４では採用候補値として既に登録済みのフォーカス目標位置Ｐ１とフォーカス目標位置Ｐ２が比較され、フォーカス目標位置Ｐ１が大きい（フォーカス目標位置Ｐ２よりも採用候補値であるフォーカス目標位置Ｐ１の方が近い）ためステップＳ７０６へ移行する。ステップＳ７０６では全てのセンサ判定が終了しているかの判定が行なわれる。終了していない時は、ステップＳ７０８で次の焦点検出用センサを選択して、ステップＳ７０１に戻る。

ステップＳ７０１では、ステップＳ７０８で選択された次の焦点検出用センサ３０３にて検出されたデフォーカス量を読込み、ステップＳ７０２にてフォーカス目標位置（図６のＰ３）が算出される。ステップＳ７０３ではステップＳ２１４にて算出されている被写体予測位置に対して、所定の許容範囲内かどうかが判定される。図６のフォーカス目標位置Ｐ３は許容範囲内であるため、ステップＳ７０４へ移行される。ステップＳ７０４では採用候補値である既に登録済みのフォーカス目標位置Ｐ１とフォーカス目標位置Ｐ３が比較され、フォーカス目標位置Ｐ１が大きい（フォーカス目標位置Ｐ３よりも採用候補値であるフォーカス目標位置Ｐ１の方が近い）ためステップＳ７０６へ移行する。ステップＳ７０６では全ての焦点検出用センサの判定が終了しているかどうかの判定が行なわれる。この例では全てのセンサに対する判定が終了しているのでステップＳ７０７へ移行する。ステップＳ７０７では登録済みのフォーカス目標位置Ｐ１をフォーカスレンズの駆動位置として採用する。

以上のように、本実施例によれば、最大蓄積時間内にて被写体の移動軌跡から被写体の位置を予測し、複数の焦点検出領域内の被写体の焦点を複数の焦点検出センサで検出する。被写体予測位置に対して許容範囲内にある検出された複数の焦点検出領域内の被写体の焦点のうち、最も至近側に位置する被写体を検出したセンサを選択しフォーカス制御をすることによって、合焦状態を維持することが出来る。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１０１：フォーカスレンズ
１０４：フォーカス位置検出部
１０８：ズーム位置検出部
１１２：アイリス位置検出部
１１４：焦点検出部
１１７：被写界深度演算部
１１９：焦点検出時間計測部
１２０：被写体速度算出部
１２１：最大蓄積時間算出部
１２２：被写体予測位置算出部

Claims (5)

1. 複数の領域におけるフォーカス状態をそれぞれ独立に検出する複数の焦点検出手段と、
   前記焦点検出手段による焦点検出時間を計測する計測手段と、
   最大焦点検出時間を算出し設定する手段と、
   前記焦点検出手段からの出力に基づいてデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、
   前記デフォーカス量に基づいてフォーカスレンズを駆動するフォーカス駆動手段と、
   前記デフォーカス量および前記焦点検出時間から被写体予測位置を算出する被写体予測位置算出手段と、を有する自動焦点調整装置において、
   前記焦点検出時間が前記最大焦点検出時間を超えたとき、前記複数の焦点検出手段によるフォーカス状態の検出の全てを終了させ、
   前記複数の焦点検出手段によって検出された各領域でのフォーカス状態に基づいて、前記デフォーカス量算出手段が前記複数の領域のそれぞれに対応するデフォーカス量を算出し、
   前記複数のデフォーカス量に基づくフォーカス目標位置のうち、前記被写体予測位置との差が許容範囲内となるフォーカス目標位置に対応する焦点検出手段の出力に従って、前記フォーカスレンズを駆動する
   ことを特徴とする自動焦点調整装置。
2. 前記複数の焦点検出手段に基づくデフォーカス量が全て算出されるまで、または前記焦点検出時間が前記最大焦点検出時間を超えるまで、同一フォーカス位置での焦点検出を繰り返すことを特徴とする請求項１の自動焦点調整装置。
3. 前記被写体予測位置との差が許容範囲内となるフォーカス目標位置に対応する焦点検出手段の選択において、前記被写体予測位置に最も近い前記フォーカス目標位置を示す前記焦点検出手段を選択し、前記焦点検出手段に基づく前記デフォーカス量に従ってフォーカスを駆動することを特徴とする請求項１の自動焦点調整装置。
4. 前記被写体予測位置との差が許容範囲内となるフォーカス目標位置に対応する焦点検出手段の選択において、最も至近側の前記フォーカス目標位置を示す焦点検出手段を選択し、前記焦点検出手段による前記デフォーカス量に従って前記フォーカスレンズを駆動することを特徴とする請求項１の自動焦点調整装置。
5. 前記被写体予測位置との差が許容範囲内となるフォーカス目標位置に対応する焦点検出手段の選択において、全ての前記フォーカス目標位置が前記所定の許容範囲外である場合は、前記被写体予測位置に基づいて前記デフォーカス量算出手段にてデフォーカス量を算出し、前記フォーカスレンズを駆動することを特徴とする請求項１の自動焦点調整装置。

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