JP5012091B2 - 焦点調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、方式の異なる２種類の焦点検出方式を用いて光学系の焦点調節を行う焦点調節装置、および、該焦点調節装置を備えた撮像装置に関する。

カメラ等の撮像装置に用いられるオートフォーカス方式として、撮影レンズの焦点調節状態を表すデフォーカス量を検出して焦点調節を行う位相差ＡＦと、被写体像のコントラスト情報から得られる焦点評価値に基づいて焦点調節を行うコントラストＡＦとの両方式を併用し、例えば、位相差ＡＦの後にコントラストＡＦを行うハイブリッドＡＦ方式のカメラが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３２８２９３号公報

ところで、被写体の状況によっては、最初の位相差ＡＦでデフォーカス量が算出できても、その後のコントラストＡＦにおいて合焦レンズ位置とみなされる焦点評価値のピーク位置が検出できないおそれがある。しかし、上述した従来のカメラではそのような場合が考慮されていないという問題があった。

請求項１の発明による焦点調節装置は、光学系の一対の領域を透過した光束による像に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を表すフォーカス情報を検出する第１の焦点検出手段と、前記光学系の焦点調節レンズを光軸方向に所定のステップ幅で駆動制御したときの前記光学系による像のコントラスト情報により前記光学系の焦点評価値を検出する第２の焦点検出手段と、前記第１の焦点検出手段によるフォーカス情報に基づいて前記光学系の焦点調節レンズを第１合焦位置へ駆動する第１制御を行った後に、前記第２の焦点検出手段による前記焦点評価値の検出を行いつつ前記焦点調節レンズを駆動する第２制御を行い、前記第２制御により合焦位置を検出できなかった場合に、前記第１の焦点検出手段による新たなフォーカス情報に基づいて前記光学系の焦点調節レンズを第２合焦位置へ駆動する第３制御を行う制御手段とを備え、前記制御手段は、前記第１制御時の前記第１合焦位置と、前記第３制御時の前記第２合焦位置との差が所定値より小さいとき、前記第２の焦点検出手段の前記所定のステップ幅を狭めて、前記第２の焦点検出手段による前記焦点評価値の検出を行いつつ前記焦点調節レンズを駆動する第４制御を行い、更に、前記制御手段は、前記第１制御時の前記第１合焦位置と、前記第３制御時の前記第２合焦位置との差が前記所定値より大きいとき、前記第２の焦点検出手段の前記所定のステップ幅を変更せずに、前記第２の焦点検出手段による前記焦点評価値の検出を行いつつ前記焦点調節レンズを駆動する第５制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、第１の焦点調節により光学系を合焦状態に焦点調節できなかった場合でも、その時点でのレンズ位置で第１の焦点検出手段により新たなフォーカス情報を検出し、該新たなフォーカス情報に基づいて第２の焦点調節を実行することにより、合焦状態への焦点調節をより確実に行うことが可能となる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、デジタルスチルカメラの要部構成を示したものである。図１に示すカメラは、撮影光学系１、クイックリターンミラー２、サブミラー３、撮像素子４、ＡＦ駆動モータ５、位相差ＡＦ検出部６、制御部１０、レンズ駆動制御部１１、フォーカシングスクリーン１２、ペンタプリズム１３、接眼レンズ１４を備えている。制御部１０には、ＡＦ用ＣＣＤ制御部１０１、デフォーカス演算部１０２、レンズ駆動量演算部１０３、コントラスト演算部１０４が設けられている。ＳＷ１は不図示のレリーズ釦の半押し操作でオンする半押しスイッチ、ＳＷ２はレリーズ釦の全押し操作でオンする全押しスイッチである。

被写体像を撮像面上に結像させる撮影光学系１は、複数のレンズ１ａ，１ｂ，１ｃを備えている。撮影光学系１の焦点調節レンズ１ｂは、ＡＦ駆動モータ５により光軸方向に駆動される。

撮影光学系１からの光束はクイックリターンミラー２により反射され、予定焦点面と共役な位置に配置されたフォーカシングスクリーン１２上に結像する。フォーカシングスクリーン１２上に結像された被写体像は、ペンタプリズム１３および接眼レンズ１４を経て撮影者に観察される。撮影露光時には、クイックリターンミラー２およびサブミラー３は光路外に退避し、撮影光学系１からの被写体光束が撮像素子４に入射する。撮像素子４には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子が用いられる。なお、図１では図示を省略したが、撮像素子４の前面には、赤外光をカットするための赤外カットフィルタや、光学ローパスフィルタが配置されている。

クイックリターンミラー２に入射した光束の一部は、クイックリターンミラー２の中心部付近に形成されたハーフミラー部を透過し、サブミラー３により反射されて位相差ＡＦ検出素子６に入射する。位相差ＡＦ検出素子６には、ＡＦ用ＣＣＤセンサ（不図示）が設けられている。ＡＦ用ＣＣＤセンサは、結像光学１の瞳面上の一対の部分領域を通過した光束を受光する一対のラインセンサを各検出エリア毎に備えている。ＡＦ用ＣＣＤセンサから出力された信号は、制御部１０のＡＦ用ＣＣＤ制御部１０１に入力される。

ＡＦ用ＣＣＤ制御部１０１は、ＡＦ用ＣＣＤセンサのゲインおよび蓄積時間を制御するとともに、複数の検出エリアから必要なエリアを決定し、そのエリアの信号を読み出して補正データの算出を行う。デフォーカス演算部１０２は、ＡＦ用ＣＣＤ制御部１０１の算出結果から、被写体像のピントのズレを表すデフォーカス量を算出する。すなわち、デフォーカス演算部１０２は、一対のラインセンサのセンサ信号に基づいて公知の相関演算を行い、センサ上における像ズレ量を算出するとともに、その像ズレ量から撮影光学系１のフォーカス情報であるデフォーカス量を算出する。

レンズ駆動量演算部１０３は、デフォーカス演算部１０２で算出されたデフォーカス量に基づいて、焦点調節レンズ１ｂを駆動する際の目標となるレンズ目標位置を演算する。算出されたレンズ目標位置は、レンズ駆動制御部１１に入力される。なお、レンズ目標位置とは、その位置に焦点調節レンズ１ｂを駆動したときにデフォーカス量がゼロとなるレンズ位置である。

一方、制御部１０のコントラスト演算部１０４には、撮像素子４から出力される撮像データの内、位相差ＡＦ検出部６の検出エリアに対応する撮像領域の撮像信号が入力される。コントラスト演算部１０４は、撮像素子４から出力される撮像信号から高周波成分を抽出して周知の焦点評価値演算を行う。撮影光学系１が撮像素子４の撮像面上に尖鋭像を結ぶ合焦状態では、被写体像のエッジのボケが最小となりコントラストは最大になるので、焦点評価値も最大となる。

制御部１０は、レンズ駆動量演算部１０３で算出される目標レンズ位置およびコントラスト演算部１０４で算出される焦点評価値に基づく制御信号を、レンズ駆動制御部１１に出力する。レンズ駆動制御部１１は、その制御信号に基づいてＡＦ駆動モータ５を制御することで、撮影光学系１の焦点調節状態を調節する。

《本実施の形態における焦点調節動作》
次いで、図２，３のフローチャートを参照しながら本実施の形態における焦点調節動作について説明する。このフローチャートで示される一連の処理は、制御部１０で焦点調節処理プログラムを実行して行われる。ステップＳ１０１では、焦点調節動作の開始を指示するための半押しスイッチＳＷ１がオンであるか否かを判定する。ステップＳ１０１でオンと判定されると、位相差ＡＦを開始すべくステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、デフォーカス演算部１０２により相関演算を行いデフォーカス量を算出する。撮影レンズ１の異なる一対の領域を通過した光束は、それぞれ位相差ＡＦ検出部６に設けられた一対のＣＣＤラインセンサ上に結像される。そして、デフォーカス演算部１０２は、ＣＣＤラインセンサのセンサ信号に基づいて公知の相関演算を行い、センサ上における像ズレ量を算出するとともに、その像ズレ量から撮影光学系１のフォーカス情報であるデフォーカス量を算出する。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で行われた相関演算により焦点検出が可能である可否かを判定する。例えば、被写体が低コントラストであった場合、一対のデータ間の相関度が低くなり、相関演算値の信頼性が低下する。そのような場合には、焦点調節精度が低下するので、ステップＳ１０３において焦点検出不能（ＮＯ）と判定されステップＳ１１２へ進む。

ステップＳ１１２では、いわゆるスキャン動作（サーチ駆動）を行うようにし、焦点調節レンズ１ｂのレンズ位置が駆動範囲の端部（至近側端部または無限遠側端部）であるか否かを判定する。

ステップＳ１１２で駆動範囲の端部にあると判定された場合、位相差ＡＦによる合焦位置検出ができなかったので、ステップＳ１１３へ進んで非合焦処理を行う。非合焦処理としては、例えば、レンズを停止し、合焦位置が検出できなかったことをユーザに知らせる警告表示を行う等がある。一方、ステップＳ１１２でＮＯと判定された場合には、ステップＳ１１４へ進んで焦点調節レンズ１ｂを移動し、ステップＳ１０２へ戻る。ステップＳ１０２では、レンズ移動後の位置において相関演算を行う。そして、ステップＳ１０３でＹＥＳと判定されるか、ステップＳ１１２でレンズ位置が端部であると判定されるまでは、Ｓ１０２→Ｓ１０３→Ｓ１１２→Ｓ１１４→Ｓ１０２→…の処理を繰り返し実行する。これがいわゆるスキャン動作である。

一方、ステップＳ１０３でＹＥＳと判定された場合には、ステップＳ１０４へ進み、ステップＳ１０２の相関演算で算出されたデフォーカス量に基づいて、焦点調節レンズ１ｂを合焦位置へ駆動する。ステップＳ１０５では、移動後の現在レンズ位置を制御部１０の記憶部（不図示）に記憶する。ステップＳ１０６では、コントラストＡＦを行うために、クイックリターンミラー２をアップさせて光路上から退避させる。その結果、撮影光学系１により結像された被写体像が撮像素子４によって撮像される。このとき、撮影光学系１の結像位置と撮像素子４の撮像面の位置とが一致していれば、ピントのあった被写体像が撮像されるが、結像位置と撮像面の位置とにズレがあると、ピントの合っていないぼけた像が撮像されることになる。

ステップＳ１０７では、上述したように、撮像素子４で取得された撮像データに基づいて、コントラストの算出および焦点評価値の演算をコントラスト演算部１０４に行わせる。ステップＳ１０８では、複数のレンズ位置に関して得られた焦点評価値に基づいて、焦点評価値のピーク位置が検出可能か否かを判定する。なお、ステップＳ１０６→ステップＳ１０７→ステップＳ１０８と進んで、初めてステップＳ１０８を実行する場合には、焦点評価値は一つしか算出されていないので、ステップＳ１０８ではＮＯと判定されステップＳ１０９に進む。逆に、ステップＳ１０８で合焦位置検出可能と判定されるとステップＳ１１５へ進み、焦点評価値がピークとなるレンズ位置（合焦位置）へと焦点調節レンズ１ｂを移動する。

ステップＳ１０８でＮＯと判定されてステップＳ１０９へ進んだ場合、ステップＳ１０９において、コントラストＡＦのサーチ範囲における焦点評価値のピーク位置検出が終了したか否かを判定する。ステップＳ１０９でサーチ範囲におけるピーク位置検出が終了していないと判定されると、ステップＳ１１６へ進んで焦点調節レンズ１ｂを所定量だけ移動する。その後、ステップＳ１０７へ戻って、移動後のレンズ位置に関して相関演算処理を行う。ステップＳ１０７→Ｓ１０８→Ｓ１０９→Ｓ１１６→Ｓ１０７の処理は、ステップＳ１０９でＹＥＳと判定されるまで繰り返される。

ステップＳ１０９において、サーチ範囲におけるコントラストＡＦが終了したと判定されると、ステップＳ１１０へ進む。この場合、ステップＳ１０１からステップＳ１０４までの位相差ＡＦでは合焦位置が検出されたにもかかわらず、その合焦位置からコントラストＡＦを行ったならば合焦位置が検出できなかったことを表している。例えば、コントラストＡＦで合焦位置が検出し難い被写体であった場合や、位相差ＡＦ時とコントラストＡＦ時との間で被写体が急に移動した場合や、被写体の前に移動体が割り込んだような場合に、このような状況が起こり得る。

そのような場合には、ステップＳ１０９からステップＳ１１０、ステップＳ１１１と進み、ステップＳ１１１においてハイブリッドＡＦの再起動処理を実行する。ステップＳ１１０では、ステップＳ１０５で記憶されたレンズ位置とコントラストＡＦ終了時（すなわち、サーチ終了時）のレンズ位置とから、コントラストＡＦにおけるレンズ駆動量Ｘを算出する。なお、算出されたレンズ駆動量Ｘは記憶部に記憶される。

（ハイブリッドＡＦ再起動処理の詳細）
図３は、ステップＳ１１１のハイブリッドＡＦ再起動処理の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ２０１では、コントラストＡＦが終了した時点での焦点調節レンズ１ｂの現在レンズ位置を記憶する。続くステップＳ２０２、ステップＳ２０３，ステップＳ２１１，ステップＳ２１２は、それぞれ図２のステップＳ１０２、ステップＳ１０３，ステップＳ１１２，ステップＳ１１４と同様の処理を行う。

すなわち、ステップＳ２０２では、現在位置において位相差ＡＦ検出部６から出力されるセンサ信号に基づいて相関演算を行い、デフォーカス量を算出する。ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２で行われた相関演算により焦点検出が可能であるか否かを判定する。ステップＳ２０２で焦点検出可能と判定されるとステップＳ２０４へ進む。一方、ステップＳ２０２で焦点検出ができないと判定されると、ステップＳ２１１へ進んで焦点調節レンズ１ｂのレンズ位置が駆動範囲の端部に達したか否かを判定する。

ステップＳ２１１で端部に達していないと判定されると、ステップＳ２１２へ進んで焦点調節レンズ１ｂを所定量だけ移動し、ステップＳ２０２へ戻る。一方、ステップＳ２１１でＮＯと判定されると、ステップＳ２１０へ進んで上述した非合焦処理を行う。図３のフローチャートの場合も、ステップＳ２０３でＹＥＳと判定されるか、ステップＳ２１１でレンズ位置が端部であると判定されるまでは、Ｓ２０２→Ｓ２０３→Ｓ２１１→Ｓ２１２→Ｓ２０２→…の処理を繰り返し実行する。

ステップＳ２０３で焦点検出可能と判定されてステップＳ２０４へ進んだ場合には、ステップＳ２０２で算出されたデフォーカス量に基づいて焦点調節レンズ１ｂを駆動する。ステップＳ２０５では、ステップＳ２０１で記憶されたレンズ位置とステップＳ２０４におけるレンズ駆動後のレンズ位置とからレンズ駆動量Ｙを算出し、そのレンズ駆動量ＹとステップＳ１１０で算出されたレンズ駆動量Ｘとの差分｜Ｙ−Ｘ｜が所定値δよりも小さいか否かを判定する。

ここで、所定値δはＡＦ時の誤差に相当する量である。そして、｜Ｙ−Ｘ｜＜δである場合には、図２の初回コントラストＡＦ時のレンズ駆動量Ｘと、図３の２回目位相差ＡＦ時のレンズ駆動量Ｙとがほぼ同じであって、初回コントラストＡＦ開始時のレンズ位置と２回目位相差ＡＦ終了時のレンズ位置とがほぼ同一位置であると判断することができる。すなわち、初回位相差ＡＦ時の合焦位置と２回目位相差ＡＦ時の合焦位置とがほぼ同じであると判断でき、位相差ＡＦによる焦点調節に再現性があると考えることができる。一方、｜Ｙ−Ｘ｜≧δである場合には、初回位相差ＡＦ時の合焦位置と２回目位相差ＡＦ時の合焦位置とが異なっていて、初回と２回目との間で被写体距離が変化したと考えることができる。そこで、この場合には、２回目の位相差ＡＦ終了時のレンズ位置から、コントラストＡＦを再度行わせることにする。

よって、ステップＳ２０５で｜Ｙ−Ｘ｜＜δと判定した場合には、ステップＳ２１３へ進み、合焦位置である現在のレンズ位置に焦点調節レンズ１ｂを停止した後に、図２のフローにリターンする。一方、ステップＳ２０５で｜Ｙ−Ｘ｜≧δと判定された場合には、コントラストＡＦを再度行うべく、ステップＳ２０６へ進んでクイックリターンミラー２をアップさせる。

続くステップＳ２０７，Ｓ２０８，Ｓ２０９，Ｓ２１４およびＳ２１５の各処理は、図２の対応するステップＳ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１０９，Ｓ１１５およびＳ１１６の各処理と同様である。すなわち、ステップＳ２０７でコントラスト演算部１０４により焦点評価値の演算を行い、次のステップＳ２０８で焦点評価値のピーク位置が検出可能か否か、すなわち合焦位置が検出可能か否かを判定する。

ステップＳ２０８で合焦位置検出可能でない（ＮＯ）と判定されると、ステップＳ２０９に進んでコントラストＡＦのサーチ範囲における焦点評価値のピーク位置検出が終了したか否かを判定する。ステップＳ２０９でサーチ範囲が終了していない（ＮＯ）と判定されると、ステップＳ２１５へ進んで焦点調節レンズ１ｂを所定量だけ駆動した後に、ステップＳ２０７へ戻る。一方、ステップＳ２０９でサーチ範囲終了（ＹＥＳ）と判定された場合、位相差ＡＦの結果がばらついていて、かつ、コントラストＡＦでも合焦位置が検出不能であるので、ステップＳ２１０へ進んで前述したステップＳ１１３と同様の非合焦処理を行う。

［ハイブリッドＡＦ再起動処理の第２の例］
図４は、ハイブリッドＡＦ再起動処理に関する第２の例を示すフローチャートである。上述した図３のハイブリッドＡＦ再起動処理とは、ステップＳ３０１，Ｓ３０２の処理が異なり、他の処理は図３に示した同一符号の処理と同様である。図３のハイブリッドＡＦ再起動処理では、ステップＳ２０５で｜Ｙ−Ｘ｜＜δと判定された場合には、位相差ＡＦの結果を優先して合焦動作を行った。しかし、図４に示す第２の例では、差分｜Ｙ−Ｘ｜の大きさに関わらず、コントラストＡＦを再度行うようにした。

ステップＳ３０１ではレンズ駆動量の差分｜Ｙ−Ｘ｜が所定量λより小さいか否かを判定する。なお、所定量λは、上述した所定量δを同じであっても良いし、異なっていても良い。第２の例の場合も、｜Ｙ−Ｘ｜＜λと判定された場合には、初回位相差ＡＦ時のレンズ位置と２回目の位相差ＡＦ時のレンズ位置とがほぼ同一であると判断することができ、｜Ｙ−Ｘ｜≧λと判定された場合には初回位相差ＡＦの合焦位置と２回目位相差ＡＦの合焦位置とが異なっていると判断することができる。

そして、ステップＳ３０１で｜Ｙ−Ｘ｜≧λと判定された場合には、ステップＳ２０６以降の処理を実行して、２回目位相差ＡＦ終了時のレンズ位置からコントラストＡＦを再度行う。一方、ステップＳ３０１で｜Ｙ−Ｘ｜＜λと判定された場合には、ステップＳ３０２へ進んでコントラストＡＦ時のレンズ駆動の際のステップ幅を変更する。例えば、初回のコントラストＡＦ時と同一ステップ幅で再度のコントラストＡＦを行っても、同様に合焦位置を検出できない可能性が大きいので、ここでは、ステップ幅を小さくして評価値のピーク位置検出の精度を向上させる。

ステップＳ３０２でステップ幅の変更を行ったならば、ステップＳ２０６に進んでクイックリターンミラー２をアップし、ステップＳ２０７以降の２回目のコントラストＡＦを変更したステップ幅で行う。この場合も、２回目位相差ＡＦ終了時のレンズ位置からコントラストＡＦを行う。

上述したように、本実施の形態では、初回の位相差ＡＦでデフォーカス量が算出され、かつ、初回のコントラストＡＦにより合焦位置が検出されなかった場合、すなわち、ハイブリッドＡＦにより撮影光学系１を合焦位置に焦点調節できなかった場合には、その時点でのレンズ位置で２回目の位相差ＡＦを行い、そのときのレンズ駆動量Ｙと初回コントラストＡＦ時のレンズ駆動量Ｘとの差分の大きさに応じて、再度の焦点調節を行うようにした。そのため、初回の位相差ＡＦとコントラストＡＦで合焦位置に焦点調節ができない場合であっても、再度の焦点検出動作（位相差ＡＦおよびコントラストＡＦ）を行うことで、より確実に焦点調節レンズ１ｂを合焦レンズ位置に駆動することができる。

さらに、差分｜Ｙ−Ｘ｜が所定量δより小さい場合、すなわち、初回の位相差ＡＦによる合焦位置と２回目の位相差ＡＦによる合焦位置とがほぼ同一である場合には、位相差ＡＦの結果に基づいて焦点調節を行うことで、コントラストＡＦで合焦位置が検出し難い被写体であっても、より確実に合焦させることができる。また、図４に示す第２の例のように、差分｜Ｙ−Ｘ｜が所定量λより小さい場合に、２回目のコントラストＡＦにおけるステップ幅を小さくすることで、２回目のコントラストＡＦによる合焦位置の検出をより確実にすることができる。

上述した実施の形態では、撮影光学系１を介した被写体光を検出してデフォーカス量を算出する焦点検出装置を備えるハイブリッドＡＦ方式の焦点調節装置を例に説明したが、外光パッシブ方式の焦点検出装置とコントラスト方式の焦点検出装置とを備えたハイブリッドＡＦ方式の焦点調節装置にも同様に適用することができる。また、撮影用撮像素子４の撮像データを用いてコントラストＡＦを行ったが、コントラストＡＦ専用の撮像素子を別に設けた構成でも構わない。なお、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図である。 焦点調節動作を説明するフローチャートである。 ハイブリッドＡＦ再起動処理の詳細を説明するフローチャートである。 ハイブリッドＡＦ再起動処理の第２の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１：撮影光学系、４：撮像素子、５：ＡＦ駆動モータ、６：位相差ＡＦ検出部、１０：制御部、１１：レンズ駆動制御部、１０１：ＡＦ用ＣＣＤ制御部、１０２：デフォーカス演算部、１０３：レンズ駆動量演算部、１０４：コントラスト演算部

Claims (1)

1. 光学系の一対の領域を透過した光束による像に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を表すフォーカス情報を検出する第１の焦点検出手段と、
   前記光学系の焦点調節レンズを光軸方向に所定のステップ幅で駆動制御したときの前記光学系による像のコントラスト情報により前記光学系の焦点評価値を検出する第２の焦点検出手段と、
   前記第１の焦点検出手段によるフォーカス情報に基づいて前記光学系の焦点調節レンズを第１合焦位置へ駆動する第１制御を行った後に、前記第２の焦点検出手段による前記焦点評価値の検出を行いつつ前記焦点調節レンズを駆動する第２制御を行い、前記第２制御により合焦位置を検出できなかった場合に、前記第１の焦点検出手段による新たなフォーカス情報に基づいて前記光学系の焦点調節レンズを第２合焦位置へ駆動する第３制御を行う制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記第１制御時の前記第１合焦位置と、前記第３制御時の前記第２合焦位置との差が所定値より小さいとき、前記第２の焦点検出手段の前記所定のステップ幅を狭めて、前記第２の焦点検出手段による前記焦点評価値の検出を行いつつ前記焦点調節レンズを駆動する第４制御を行い、
   更に、前記制御手段は、前記第１制御時の前記第１合焦位置と、前記第３制御時の前記第２合焦位置との差が前記所定値より大きいとき、前記第２の焦点検出手段の前記所定のステップ幅を変更せずに、前記第２の焦点検出手段による前記焦点評価値の検出を行いつつ前記焦点調節レンズを駆動する第５制御を行うことを特徴とする焦点調節装置。
   

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