李相迪，黃 英，張培晴，宋寶安，戴世勛，徐鐵峰，聶秋華

(1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211;2.寧波大學(xué)紅外材料及器件實(shí)驗(yàn)室，浙江寧波315211)

1 紅外成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介

雖然早在1800年物理學(xué)家赫歇爾就發(fā)現(xiàn)了紅外線，但紅外成像技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用卻始于第二次世界大戰(zhàn)期間。紅外成像即根據(jù)熱力學(xué)零度以上一切物體都在發(fā)射熱紅外線的原理，通過(guò)感應(yīng)紅外線然后呈現(xiàn)出肉眼可見(jiàn)的圖像。紅外成像的發(fā)展來(lái)源主要是軍事需求，近年來(lái)，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的迅速發(fā)展及熱成像精度的提高，紅外熱成像技術(shù)的研究與應(yīng)用已逐漸擴(kuò)大到現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、食品和醫(yī)療等領(lǐng)域，呈現(xiàn)出越來(lái)越廣泛普及的趨勢(shì)［1］。

本文在簡(jiǎn)要闡述了紅外熱成像原理的基礎(chǔ)上，分析了紅外成像裝置各個(gè)組成部分的研究進(jìn)展，以及紅外熱成像技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，分析了目前存在的問(wèn)題，并展望了未來(lái)可能應(yīng)用研究的領(lǐng)域及方向。

2 紅外成像系統(tǒng)的原理及組成

2.1 紅外成像的原理及系統(tǒng)組成

自然界中波長(zhǎng)在2.0～1000μm之間的電磁波稱為熱紅外線(也叫熱輻射)，只要物體溫度在熱力學(xué)零度(－273℃)之上都可以發(fā)出紅外光。由于人眼無(wú)法識(shí)別紅外光，因此必需使用特殊的裝置實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的可視化，即紅外成像系統(tǒng)。典型的紅外成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)，紅外探測(cè)器和電子處理系統(tǒng)組成。光學(xué)系統(tǒng)主要的作用是將目標(biāo)物體熱輻射成像在紅外探測(cè)器的感光面上，探測(cè)器將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)量，最后通過(guò)電子處理系統(tǒng)把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成人眼能看到的圖像。

在紅外成像系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器是關(guān)鍵的組成部分，決定著紅外成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量和應(yīng)用范圍。隨著紅外光學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展及其實(shí)際應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，人們對(duì)于紅外成像的質(zhì)量和應(yīng)用范圍的要求日益增加，推動(dòng)了紅外成像技術(shù)的快速發(fā)展。

2.2 紅外鏡頭材料

目前常用的紅外透鏡材料主要有鍺單晶、硒化鋅(ZnSe)晶體和硫系玻璃等。鍺單晶是重要的半導(dǎo)體材料，是目前用來(lái)制造紅外光學(xué)鏡頭以及保護(hù)紅外鏡頭的紅外光學(xué)窗口的主要材料，目前60%以上的中低端紅外光學(xué)鏡頭和50%的高端紅外光學(xué)鏡頭均為鍺單晶制造。硒化鋅材料是另一種常用的紅外鏡頭材料，基本不存在雜質(zhì)吸收，散射損失極低，被廣泛應(yīng)用在紅外夜視裝置中。

近年來(lái)，隨著非制冷型探測(cè)器制造技術(shù)的突破性進(jìn)展，紅外成像系統(tǒng)在民用領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何降低其制造成本，而紅外鏡頭便是其重要的影響因素。由于鍺單晶和硒化鋅材料等都比較稀有昂貴，對(duì)于紅外熱成像系統(tǒng)中常用的非球面、衍射面等一直采用傳統(tǒng)的單點(diǎn)金剛石車削工藝加工，成本高、效率低。因此尋找一種性價(jià)比高而且易于加工的替代材料成為必然的選擇［2］。硫系紅外玻璃可以克服鍺單晶、硒化鋅單晶及多晶加工成本高、不能制造大尺寸光學(xué)元件的缺點(diǎn)，作為非晶態(tài)的物質(zhì)，而且轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到250℃以上，可以采用熱壓的方法加工成任意的形狀如圖1，從而大大降低紅外成像鏡頭的生產(chǎn)成本而備受紅外業(yè)界的關(guān)注［3－5］。

圖1 硫系玻璃精密模壓示意圖

2.3 紅外鏡頭的設(shè)計(jì)

紅外熱成像技術(shù)的基礎(chǔ)是紅外探測(cè)器以及紅外透鏡材料。紅外透鏡材料較大的折射率會(huì)產(chǎn)生不可忽略的色散，尤其是當(dāng)入射光線具有寬的光譜范圍時(shí)，色散更為嚴(yán)重，且紅外成像設(shè)備通常需工作在較大的溫度范圍，對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造提出更高的要求。因此近年來(lái)，眾多學(xué)者提出含二元衍射面的非球面透鏡及具備溫度補(bǔ)償自適應(yīng)功能的紅外光學(xué)系統(tǒng)［6］。

在成像光學(xué)系統(tǒng)中，二元光學(xué)衍射透鏡同普通透鏡一樣會(huì)聚入射光線，但它不是根據(jù)折射，而是衍射原理。由于衍射作用透鏡產(chǎn)生色差的有效焦距同波長(zhǎng)成反比［7］:

式中，f0為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ0的焦距;m為衍射級(jí)次(一般取m=1)。從式(1)可以看出，隨著波長(zhǎng)變長(zhǎng)，其焦距成線性變短。而傳統(tǒng)的折射透鏡的隨著波長(zhǎng)變長(zhǎng)，折射率減小，焦距變長(zhǎng);因此二者產(chǎn)生的色差正好相反，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可以相互抵消。其示意圖如圖2所示。

圖2 含二元衍射面非球面消色差原理圖

含二元衍射面非球面在消除色差，簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面有著十分大的優(yōu)勢(shì)。特別是在中長(zhǎng)波紅外應(yīng)用中，鏡面熱輻射雜光減小，顯著提高光學(xué)系統(tǒng)校正球差、彗差、像散、畸變的能力，減小光學(xué)系統(tǒng)的零件數(shù)量，提高光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小光學(xué)系統(tǒng)體積?？梢蕴岣呦到y(tǒng)的信噪比，因此二元衍射面非球面中波紅外光學(xué)系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值［8－9］。

2.4 紅外探測(cè)器

紅外探測(cè)器是紅外成像系統(tǒng)的重要組成部分。紅外探測(cè)器的工作原理是以紅外輻射與敏感材料的相互作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的。敏感單元的某些物理量，如尺寸大小、溫度、電阻等會(huì)隨著紅外輻射強(qiáng)度的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)這些物理量的變化就可以對(duì)紅外輻射進(jìn)行探測(cè)。紅外探測(cè)器根據(jù)探測(cè)原理的不同可分為光子探測(cè)器與熱探測(cè)器兩大類［10－12］。

2.4.1 熱探測(cè)器

熱紅外探測(cè)器基于熱敏材料吸收紅外輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)，根據(jù)熱效應(yīng)的機(jī)制不同又可分為微測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電和熱堆3種類型［13］。

微測(cè)輻射熱計(jì)的主要工作原理是通過(guò)具有熱敏特性的探測(cè)材料，識(shí)別溫度的變換使其電阻發(fā)生變換的熱敏電阻效應(yīng)。目前研究的主要材料有半導(dǎo)體、Ti金屬薄膜及高溫超導(dǎo)材料［14］。在半導(dǎo)體材料中，VOx因其具有高的TCR值，低的熱導(dǎo)率，以及制備工藝與硅工藝兼容，較低的噪聲等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。

熱釋電探測(cè)器的主要工作原理在于外界的溫度迅速變化時(shí)導(dǎo)致晶體自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生改變。由于熱釋電探測(cè)器工作時(shí)需要以適當(dāng)?shù)念l率改變?nèi)肷涞膱?chǎng)景溫度和參考溫度以獲得目標(biāo)探測(cè)信號(hào)，因此熱釋電探測(cè)器的顯著特點(diǎn)是需要一個(gè)調(diào)制器，單片式紅外熱釋電探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖3。熱釋電探測(cè)器具有功耗小，攜帶方便，響應(yīng)速度快，工作頻帶寬等特點(diǎn)，但由于工作環(huán)境的變化需要用不同性質(zhì)的熱釋電敏感材料。

圖3 單片式紅外熱釋電探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

熱堆的主要原理是基于塞貝克效應(yīng)。早期的熱電堆材料主要是半金屬或復(fù)合半導(dǎo)體如鉍銻。這種材料具有低熱導(dǎo)、低電阻等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是制作工藝不能與硅集成電路工藝兼容。近年來(lái)采用復(fù)合微機(jī)械加工技術(shù)制作的 Si和 Al結(jié)構(gòu)熱電堆可以與CMOS工藝兼容，大大方便了后續(xù)讀出電路的工藝設(shè)計(jì)以及器件最終各向異性腐蝕技術(shù)的應(yīng)用。

2.4.2 光子探測(cè)器

光子探測(cè)器基于光電效應(yīng)，其對(duì)波長(zhǎng)的探測(cè)選擇性強(qiáng)，信噪比高，響應(yīng)速度快，但光子型探測(cè)器通常需要低溫工作，必須配備昂貴且笨重的制冷設(shè)備，高成本和難以小型化的缺點(diǎn)制約著其向民用領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)展。光子探測(cè)器中應(yīng)用最廣的紅外材料當(dāng)屬碲鎘汞(HgCdTe)，由于它具有較高的光子吸收率，在相同溫度下，HgCdTe材料熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子的暗電流較小，因而能獲得很高的信噪比。但是HgCdTe通常只能工作在低溫條件，高額的成本限制了其應(yīng)用的范圍，不能大規(guī)模的應(yīng)用于民用。之后人們發(fā)現(xiàn)了超晶格多量子阱，其結(jié)構(gòu)為:在構(gòu)成超晶格的兩種材料中，如果其中一種材料的禁帶能級(jí)完全包含在另一種材料的禁帶能級(jí)中，則由這兩種材料構(gòu)成的超晶格為Ⅰ類超晶格。圖4(a)為典型的GaAs/GaAlAsⅠ類超晶格能帶結(jié)構(gòu)圖［15］。雖然Ⅰ類超晶格的穩(wěn)定性好，能制造大規(guī)模雙色紅外焦平面器件陣列，但由于與碲鎘汞探測(cè)器之間在暗電流、探測(cè)器靈敏度還存在著較大的差距，因此難以大規(guī)模的使用。后來(lái)，人們的研究的目光開始轉(zhuǎn)向另一類超晶格結(jié)構(gòu)的材料:其中某一種材料的禁帶能級(jí)空間不完全包含在材料另一種材料禁帶能級(jí)空間之中，這兩種材料所構(gòu)成的超晶格能帶結(jié)構(gòu)為Ⅱ類超晶格結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示［16］。

圖4 超晶格能帶結(jié)構(gòu)示意圖

近年來(lái)科學(xué)家又研發(fā)出一類新型的量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)。與其他探測(cè)器相比，QWIP具有相應(yīng)速度快，探測(cè)率與HgCdTe相近和探測(cè)波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，而且可以利用MBE和MOCVD等先進(jìn)工藝生長(zhǎng)出高品質(zhì)、大面積和均勻的量子阱材料，用以制備大面積探測(cè)器陣列。表1對(duì)HgCdTe、ΙΙ類超晶格及量子阱三種材料的性能進(jìn)行了對(duì)比，可以看出InAs/InGaSb II類超晶格探測(cè)器具備能吸收正入射光能量、量子效率高、積分時(shí)間短(1～2 ms)和幀頻速率高的優(yōu)點(diǎn)，由于量子阱探測(cè)器不能吸收正入射光能量，因此需要在探測(cè)器表面需要制作復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)，增加了器件工藝的復(fù)雜性［17］。隨后在半導(dǎo)體超晶格、量子阱基礎(chǔ)上發(fā)展出了量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器(QDIP)，省去了表面光柵的制作，降低了器件工藝的復(fù)雜性和成本。

表1 HgCdTe、ΙΙ類超晶格及量子阱長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的性能比較(77K)

國(guó)外多家研究機(jī)構(gòu)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)自組織生長(zhǎng)量子點(diǎn)，先后研制出中波256×256、雙色(中、長(zhǎng)波)320×256、長(zhǎng)波640×512焦平面陣列，由于其自身具有的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將與HgCdTe、InSb和QWIP等探測(cè)器和非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)等探測(cè)器展開激烈的競(jìng)爭(zhēng)［18］。

3 紅外成像系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

紅外成像技術(shù)起源于軍事技術(shù)，隨著紅外成像技術(shù)的發(fā)展與成熟，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。紅外夜視儀和紅外槍瞄系統(tǒng)可以使士兵在黑暗環(huán)境中發(fā)現(xiàn)潛在的“敵人”，并精確瞄準(zhǔn)，大大提高了單兵的作戰(zhàn)能力，目前紅外夜視儀已經(jīng)成為各國(guó)軍隊(duì)普遍采用的裝備。在制導(dǎo)領(lǐng)域，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)目前已經(jīng)成為研究的新熱點(diǎn)，這是一種可以使導(dǎo)彈威力倍增的高效費(fèi)比技術(shù)。其具備隱蔽性好、能晝夜工作、穿透煙霧能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種準(zhǔn)全天候的制導(dǎo)方式，具有在各種復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下自主搜索、識(shí)別和跟蹤目標(biāo)的能力。此外，紅外成像系統(tǒng)還可以應(yīng)用于各種實(shí)地戰(zhàn)爭(zhēng)中的偵查、探測(cè)裝置、自動(dòng)跟蹤、識(shí)別及抗干擾裝置等許多軍用設(shè)備［19－20］。

3.2 工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)中，大多設(shè)備發(fā)生故障的地方溫度都發(fā)生明顯變化，可以利用紅外成像及測(cè)溫技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備儀器的故障并及時(shí)進(jìn)行維修，而且紅外成像檢測(cè)裝置具備遠(yuǎn)距離非接觸操作，檢測(cè)速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)某些高溫、高壓、有毒、有害或帶電等環(huán)境的設(shè)備檢測(cè)具有其他手段不可比擬的優(yōu)勢(shì)。帶電設(shè)備的紅外診斷技術(shù)目前已經(jīng)成為一門新興的學(xué)科。它是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng)，采用紅外成像儀器獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信號(hào)，從而判斷出設(shè)備的工作狀況，如圖5所示。由于紅外檢測(cè)技術(shù)具有不需停電、準(zhǔn)確高效、遠(yuǎn)距離等優(yōu)點(diǎn)，克服了定期檢修的盲目性，具有很高的安全性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖5 帶電工作的電阻絲和電容器的紅外成像圖

3.3 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)從落后的傳統(tǒng)耕種逐漸發(fā)展到依賴高科技的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)與過(guò)去普通的農(nóng)業(yè)相比，機(jī)械自動(dòng)化是其主要特點(diǎn)，但紅外成像技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中也發(fā)揮著日益重要的作用。如將紅外成像技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、苗圃大棚室溫監(jiān)控、農(nóng)作物病蟲害預(yù)防等［21］，可以大大提高農(nóng)作物的生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)效率。此外，在農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)、深加工監(jiān)測(cè)控制、農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏控制等也離不開紅外成像和探測(cè)技術(shù)［22］。為確保食品質(zhì)量和安全，監(jiān)測(cè)其溫度是十分重要的。由于熱成像技術(shù)可以無(wú)損、快速、非接觸式測(cè)量，大大避免了食品的交叉感染和損壞?？紤]到食品上產(chǎn)生的細(xì)菌通常是在食品表面生長(zhǎng)，通過(guò)快速測(cè)量食品表面的溫度，紅外熱像儀可以提供有關(guān)危險(xiǎn)情況的重要信息。

3.4 安防領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)如今大多數(shù)的夜間監(jiān)控系統(tǒng)為可見(jiàn)光攝像頭進(jìn)行拍攝，除了需要人力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之外，尤其在光線差的地方成像十分模糊，監(jiān)測(cè)人員根本看不清錄像，以致于夜間犯罪案件頻頻發(fā)生。為了解決這一問(wèn)題，紅外夜視監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，如圖6所示，它可以無(wú)論白天黑夜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，即使在伸手不見(jiàn)五指的夜晚也能將周圍的環(huán)境看的一清二楚，既節(jié)省人力又有效阻止不法分子進(jìn)行盜竊等犯罪行為。在黑暗的夜晚，沒(méi)有強(qiáng)光，物體發(fā)出的紅外光，可以通過(guò)車載夜視儀，幫助我們識(shí)別路段，同時(shí)就算對(duì)面有強(qiáng)光過(guò)來(lái)，由于紅外光不受強(qiáng)光的影響，照?？梢詭椭覀兎謩e過(guò)來(lái)的車輛。此外，紅外成像裝置在火災(zāi)防治和消防救援等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。如對(duì)煤層自燃高溫火源區(qū)域的探測(cè)一直是煤礦防滅火治理中的重大難題。紅外成像探測(cè)法可以快速區(qū)分燃燒區(qū)與正常區(qū)域溫度的差異，準(zhǔn)確地測(cè)出煤層火源位置、范圍和燃燒程度［23］。

圖6 利用紅外熱成像裝置監(jiān)控小區(qū)安全

3.5 醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

由于紅外波段包含了大量生物分子的特征譜線，因此可以利用紅外成像技術(shù)對(duì)人體進(jìn)行醫(yī)療診斷。如利用紅外熱像儀在海關(guān)出入境檢疫口岸對(duì)大量出入境人群的體溫進(jìn)行非接觸式快速測(cè)量，根據(jù)體溫的變化及時(shí)發(fā)現(xiàn)病患，在SARS和禽流感期間發(fā)揮了巨大的作用。另一方面，由于紅外波段包含大量分子特診譜，可以將紅外成像技術(shù)用于癌癥的識(shí)別。紅外顯微成像技術(shù)能夠在分子水平上反映組織中生物大分子結(jié)構(gòu)組成及官能團(tuán)振動(dòng)方式的改變［24］，當(dāng)自身的細(xì)胞發(fā)生病變時(shí)，通過(guò)此技術(shù)就可以分別出來(lái)，而且此技術(shù)用的是被動(dòng)成像原理，因此對(duì)人體的傷害十分小。腫瘤是嚴(yán)重威脅人類健康和生命的疾病，盡管目前腫瘤診斷技術(shù)(內(nèi)窺鏡技術(shù)、影象技術(shù)和腫瘤標(biāo)志物檢查技術(shù)等)迅速發(fā)展，但最終還是依賴于形態(tài)學(xué)的診斷來(lái)確定腫瘤的性質(zhì)，分化程度及預(yù)后等。由此導(dǎo)致對(duì)腫瘤診斷存在一定的主觀性，而紅外顯微成像技術(shù)是一種準(zhǔn)確、高效、客觀的腫瘤診斷技術(shù)［25］。圖7為利用LI－COR公司開發(fā)出的商品化的紅外熒光探針和紅外熒光染料，在小白鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種腫瘤細(xì)胞如A431(表皮癌)，SW620(結(jié) 腸 癌)，22Rv1(前 列 腺 癌)，PC3MLN4(前列腺癌)標(biāo)記的示意圖，此方法可實(shí)現(xiàn)活動(dòng)生物的紅外成像，為腫瘤的研究提供了新的途徑［26］。

圖7 利用紅外熒光探針檢測(cè)

4 總結(jié)和展望

紅外材料及光學(xué)集成技術(shù)在不斷進(jìn)步，但仍然存在一些問(wèn)題和困難有待進(jìn)一步探討。由于其研究技術(shù)水平尚未成熟，所用材料特殊性使其價(jià)格遠(yuǎn)超非紅外成像設(shè)備，這阻礙了其在軍用、民用領(lǐng)域的普遍應(yīng)用。在我國(guó)，紅外成像的仿真手段、測(cè)試方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外有著很大差距，沒(méi)有一套完整統(tǒng)一的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上制約了紅外技術(shù)的發(fā)展。

雖然紅外成像技術(shù)存在一定的問(wèn)題，但是它潛在的能力不可以低估。隨著硅集成電路技術(shù)和工藝的日益成熟，紅外成像技術(shù)的缺點(diǎn)將會(huì)逐步得到改善;在納米技術(shù)的幫助下，測(cè)量的精度也將得到大量的提高;同時(shí)第二類超晶格材料和量子點(diǎn)探測(cè)器的發(fā)展，也將大幅度的改善光探測(cè)器工作條件。隨著紅外新材料和新技術(shù)的進(jìn)步，紅外成像設(shè)備的成本將逐漸降低，其在民用的道路上將會(huì)有更大的突破。

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