具体描述
内容简介
红外光电工程涉及红外物理、光学、探测器、信号检测与处理等多个技术领域,是一门工程性强、知识覆盖面宽的综合性学科.高级红外光电工程导论是中国科学院大学推出的系列教材之一,重点介绍红外光电系统的基础理论和相关技术.按红外光电系统信息获取的流程,高级红外光电工程导论共分“红外辐射和辐射源”“红外光学系统”“红外探测器”“红外分光技术”“光机扫描技术”等五章,其中前三章是高级红外光电工程导论的重点.目录
前言 第1章 红外辐射和辐射源 1.1 红外辐射 1.1.1 电磁波频谱 1.1.2 波段划分方法 1.2 红外光电系统 1.2.1 探测对象 1.2.2 信息流程 1.2.3 系统特性 1.2.4 应用分类 1.3 辐射测量术语 1.3.1 常用辐射量 1.3.2 光谱辐射量 1.3.3 波段辐射量 1.3.4 光子辐射量 1.3.5 光度量 1.3.6 朗伯漫射体 1.4辐照度计算 1.4.1 面元之间的辐射传递 1.4.2 点源与面源 1.4.3 点源产生的辐照度 1.4.4 面源产生的辐照度 1.4.5 太阳常数计算 1.5 热辐射基本定律 1.5.1 辐射体的分类 1.5.2 基尔霍夫定律 1.5.3 普朗克定律 1.5.4 斯蒂芬一玻尔兹曼定律 1.5.5 维恩位移定律 1.5.6 微分辐亮度 1.5.7 光子形式的普朗克定律 1.6 反射率 1.6.1 镜面反射率 1.6.2 漫反射率 1.6.3 漫反射目标的辐射计算 1.7 发射率 1.7.1 发射率定义 1.7.2 黑体、灰体和选择性辐射体 1.7.3 辐射测温的温度定义 1.7.4 材料的发射率 1.7.5 热控涂层的辐射特性 1.8 自然辐射源 1.8.1 概述 1.8.2 太阳辐射 1.8.3 天体和宇宙背景 1.8.4 地球大气 1.8.5 地物 1.8.6 地球一大气系统 1.9 人工辐射源 1.9.1 概述 1.9.2 黑体型辐射源 1.9.3 积分球 1.9.4 非气体白炽光源 1.9.5 弧光灯 1.9.6 气体放电灯 1.9.7 发光二极管 1.9.8 激光器 1.10 人工目标辐射计算 1.10.1 有动力飞行器辐射计算 1.10.2 空间目标的平衡温度 1.11 红外辐射的大气传输 …… 第2章 红外光学系统 第3章 红外探测器 第4章 红外分光技术 第5章 光机扫描技术
精彩书摘
第1章红外辐射和辐射源1．1红外辐射
1．1．1电磁波频谱
1．1．1．1电磁辐射
电磁辐射是一种物质以电磁波形式发射、传播能量的物理现象.由于电场和磁场的变化能相互感应,电场和磁场的能量能在介质或真空中自行传播,形成电磁波.
电磁波可根据波长(频率)划分为g射线、X射线、紫外(UV)、可见光、红外(IR)、微波和无线电波等谱段,电磁波的频谱由这些谱段排列组成(见图1．1).光学研究的内容覆盖了电磁波谱中从远红外至紫外并延伸至软X射线的光谱范围,可见光只是电磁波谱中能被人眼所感知的极小部分.
图1．1电磁波频谱
不同谱段电磁波的波长、频率、光子能量有较大差别(见表1．1),但它们都遵守同样的反射、折射、衍射和偏振等定律,在真空中的传播速度相同,为3×105kms－1.电磁波在长波端(如微波、无线电波)表现出显著的波动性,在短波端(如g射线、X射线)表现出极强的粒子性,而光波具有显著的波粒二象性.
根据经典物理理论,物质带电粒子的加速运动会产生变化的电场.物质(包括固
体、液体和气体)内部的分子、原子或电子在加热、电子撞击、光照射以及化学反应等外部激发后能发生能级跃迁,产生各种光学波段的电磁辐射.真空腔、导体中电流振荡能产生微波、无线电波辐射,而光子能量更大的X射线是电子辐射,g射线则是原
子核的放射性衰变产生的辐射.
表1．1电磁波谱段的波长、频率和光子能量
谱段波长频率光子能量
g射线小于0．01nm大于10EHz100keV~300GeV
X射线0．01~10nm30EHz~30PHz120eV~120keV
紫外10~390nm30PHz~790THz3~124eV
可见光390~750nm790~405THz1．7~3．3eV
红外750nm~1mm405THz~300GHz1．24meV~1．7eV
微波1mm~1m300GHz~300MHz1．24meV~1．24meV
无线电波1mm~100000km300GHz~3Hz12．4feV~1．24meV
1．1．1．2热辐射
热辐射是物质中带电粒子热运动产生的电磁辐射.绝对温度非零的物体均有热辐射.热辐射可产生从紫外、可见光、红外至微波的连续光谱,其光谱分布随温度而异.常温、低温物体热辐射的能量主要集中在红外波段.
工程上,热辐射被认为是一种利用电磁波辐射、非接触的热传递方式.热辐射的基本定律有基尔霍夫定律、普朗克定律、维恩位移定律、斯蒂芬玻尔兹曼定律等.根据普朗克辐射定律,物体热辐射强度与物体的温度及表面的辐射能力有关,热辐射的光谱分布则与物体温度有关.
1．1．1．3红外线
电磁辐射频谱中,将介于可见光和微波之间、波长范围为0．76~1000mm的波段命名为红外.红外波段的电磁辐射称为红外辐射,又称红外线.
红外线的发现始于1800年,英国天文学家赫胥尔在寻找观察太阳时保护自己眼睛的方法时发现了这一“不可见光线”.由于常温、低温物体热辐射的能量主要集中
在红外波段,红外光电系统可采取无源、被动的方式,非接触地探测物体自身的热辐射,并反演物体表面的温度或辐射特性.
1．1．1．4可见光
电磁辐射频谱中,将介于紫外和红外之间、波长范围为390~750nm的波段命名为可见光.
可见光是能产生人眼视觉响应的电磁辐射,可见光波长范围根据人眼的视觉响应界定.不同波长可见光能产生不同视觉色彩,可根据视觉色彩将可见光划分为紫
光(390~450nm)、蓝光(450~495nm)、绿光(495~570nm)、黄光(570~590nm)、橙光(590~620nm)、红光(620~750nm)等波段.对人眼视觉最灵敏的单色光是波长
550nm附近的绿光.可见光能透过地球大气,其透射窗口也称大气光学窗口.硅探测器是最常用的可见光探测器.
1．1．1．5紫外线
电磁辐射频谱中,将介于X射线和可见光之间、波长范围为10~390nm的波段命名为紫外.紫外波段的电磁波称为紫外辐射,又称紫外线.
德国物理学家里特于1801年发现经氯化银溶液浸泡的纸片会在三棱镜可见光色散光谱的紫光外侧的某种射线的照射下变黑,由于此射线的波长位于可见光紫光区的外侧,因此被称为紫外线.
凡是温度达到1200℃以上的物体均有丰富的紫外辐射,大气层外太阳光能量的
10％为紫外辐射.利用电弧、气体放电、高温燃烧等原理可人工制造紫外源.紫外光
子能量较大,能引起物质化学反应、发光或发射荧光.
紫外波段可再划分为若干个子波段,如划分为近紫外、中紫外、远紫外、极远紫外等.根据太阳紫外线在地球大气中的透射特性,还可专门命名一些紫外光谱区,如可见盲紫外、日盲紫外、真空紫外等.
1．1．2波段划分方法
红外波段可划分为若干个子波段.不同专业领域根据各自的应用,提出了不同的波段划分方法.如国际照明委员会将红外划分为近红外(0．7~1．4mm)、中波红外(1．4~3mm)、远红外(50~1000mm)等波段.天文工作者同样将红外分为近红外、中波红外、远红外等波段,但波长范围不同.
目前较常见的红外波段划分方法兼顾了应用、大气窗口、探测器响应等因素,将整个红外波段划分为近红外、短波红外、中波红外、长波红外、远红外等5个子波段(见表1．2).
表1．2红外波段划分(常用)
波段名近红外英文名
neArＧinfrAred缩略语
NIR波长范围/mm
0．75~1．4
短波红外
中波红外长波红外远红外shortＧwAvelengthinfrAredmidＧwAvelengthinfrAredlongＧwAvelengthinfrAred
fArinfrAredSWIRMWIRLWIR
FIR1．4~3
3~8
8~15
15~1000
上海技术物理研究所从遥感应用、红外探测器和红外材料的角度,提议将红外波段划分为近红外、短波红外、中波红外、长波红外、远红外、甚远红外等6个子波段(见表1．3).
表1．3红外波段划分(上海技术物理研究所推荐)
波段名近红外英文名
neArＧinfrAred缩略语
NIR波长范围/mm
0．76~1．1
短波红外
中波红外长波红外远红外shortＧwAvelengthinfrAredmidＧwAvelengthinfrAredlongＧwAvelengthinfrAred
fArinfrAredSWIRMWIRLWIR
FIR1．1~3
3~6
6~25
25~100
甚远红外extremeinfrAredXIR100~1000
遵循相似的波段划分原则,在有些专业领域,红外子波段还可进一步细分.如在光通信领域,根据光源、光纤吸收、探测器响应的光谱特性,将波长1260~1675nm的短波红外再细分为O、E、S、C、L、U等带宽更窄的波段.
1．1．2．1近红外
对红外波段进行细分,将波长范围为0．76~1．1mm的波段命名为近红外.
近红外波段起始于人眼视觉响应的截止波长,即波长大于0．76mm.按硅探测
器响应的截止波长,可认为近红外波段终止于1．1mm.如按大气窗口划分,由于近
红外透射波长可延伸至1．4mm处的水汽吸收带处,可认为近红外波段的终止波长为
1．4mm.典型的近红外探测器有InGAAs等.
1．1．2．2短波红外
对红外波段进行细分,将波长范围为1．1~3mm的波段命名为短波红外.
自然景物的近红外、短波红外辐射主要来自太阳反射光.在短波红外,地物的太
阳反射光谱有丰富的光谱特征,又有1．15~1．35mm、1．5~1．8mm、2．1~2．4mm等大气透射窗口.因此,短波红外是对地观测遥感仪器的常选波段.考虑到激光器、大气传输特性,波长1．53~1．56mm的短波红外激光是远程激光通信系统设计的首选.典型的短波红外探测器有InGAAs、HgCdTe等.
1．1．2．3中波红外
对红外波段进行细分,将波长范围为3~6mm的波段命名为中波红外.
在波长为3~5mm的中波红外和波长为8~14mm的长波红外大气窗口之间有
波长6．3~7．4mm的水汽吸收带,该吸收带应归属于中波红外,还是长波红外,存在
意见分歧.常用的波段划分方法认为中波红外应包括水汽吸收带,即中波红外的波
长范围为3~8mm.上海技术物理研究所认为中波红外应终止于水汽吸收带起始波长,即波长范围为3~6mm.
自然景物的中波红外辐射包含自身热辐射和阳光反射,高温物体热辐射主要集中在短波和中波红外,因此,以导弹、飞机等有动力飞行器高温尾焰为目标的被动红外系统均采用短波或中波红外探测.典型的中波红外探测器有HgCdTe、InSb、
PtSi、PbSe等探测器.
1．1．2．4长波红外
对红外波段进行细分,将波长范围为6~25mm的波段命名为长波红外.
8~14mm是长波红外的大气窗口,也是常温物体热辐射能量集中的波段.常用
划分方法将长波红外的波长范围取作8~15mm,即认为长波红外终止于长波红外窗
口相邻的CO2吸收带.
考虑到红外探测器响应的长波限已可达25mm,许多空间遥感的温度探测范围
更宽,上海技术物理研究所从应用和探测器响应角度,建议将长波红外的波长范围确
定为6~25mm.
典型的长波红外探测器有光导和光伏型HgCdTe等光子探测器和V2O5、多晶硅等热敏探测器.
1．1．2．5远红外
对红外波段进行细分,将波长范围为25~100mm的波段命名为远红外.
红外天文观测、深空探测常选用远红外波段,并采用低温光学系统和超低温致冷
的SiX、GeX等掺杂非本征半导体探测器.
1．1．2．6甚远红外
对红外波段进行细分,将波长范围为100~1000mm的波段命名为甚远红外,也称太赫兹或亚毫米波.
太赫兹波段处于红外和微波的交叠区,太赫兹波的发生和应用研究尚处于萌芽阶段.太赫兹波有粒子的属性,但不能用电子计数方法测量.太赫兹有波的属性,但太赫兹波的产生和相干调制不能用微波、无线电波常用的电子器件,需要采用新的器件和技术.
1．1．2．7热红外
热红外是红外遥感、热成像等仪器选用的用于常温目标热辐射探测的工作波段,
其波长范围通常与3~5mm和8~14mm大气红外透射窗口一致.
1．2红外光电系统
1．2．1探测对象
红外光电系统的探测对象统称为目标.目标可以是天然形成的自然辐射源或人工制造的辐射源.目标源辐射可来自它自身的辐射,或者与周边环境相互作用产生的辐射.相互作用的形式可以是反射、吸收、透射、偏振、荧光等.根据光电探测仪器自身是否带辐射源,红外光电系统可分为无源的被动式和有源的主动式两大类别.
工作在中波或长波红外波段的被动式光电系统主要探测目标源自身的热辐射,在军事上可用于目标捕获、监视、夜视、瞄准跟踪等,具有全天时、无源、隐蔽性好等特点.非军事应用包括热效率分析、环境监测、工业设备检测、温度遥感、天气预报、红外天文观察等.
可见光、近红外或短波红外的被动式光电系统可利用不同属性物质反射光谱或吸收光谱的特征差异,对物质进行识别、分类,或定量分析.如可见光遥感仪器主要接收地物对太阳的反射光,在这些波段,太阳有很强的辐射,地物反射光谱的特征也较显著.
主动式光电系统通常配置了激光源,探测对象是目标反射的激光回波,采用直接探测或相干探测等方法,可对目标进行照明指示或测距、测速.典型应用有激光指示器和被称为激光雷达或光学雷达的激光测距计或激光测高仪.
实验室或工业部门使用的检测色度、水分、材料组分之类的光电仪器,如色度计、红外水分仪、金属组分分析仪等,探测对象是被测物对人工辐射源辐射的反射光或透射光.这类仪器必须配备人工辐射源,应属有源探测.
1．2．2信息流程
被动式红外光电系统的信息流程通常包含辐射产生、大气传输、光学接收、探测器光电转换、信号处理等环节,如图1．2所示.
图1．2被动式光电系统的原理框图
与被动式系统相比较,激光雷达一类的主动式红外光电系统增加了脉冲或调制激光发射单元、激光回波信号的检测和处理,无论是直接探测或相干探测,均不同于被动式系统,如图1．3所示.其回波接收的过程包含了目标的激光散射、大气传输、光学接收、探测器光电转换等环节,与常见的被动光电系统辐射接收的过程相仿.
图1．3直接探测激光雷达的原理框图
前言/序言
用户评价
作为一个初入红外光电工程领域的研究生，我一直对这个方向充满好奇，但又感到信息庞杂，缺乏一个清晰的指引。当我拿到《高级红外光电工程导论》这本书时，简直像找到了救星。这本书以一种非常宏观的视角，系统地梳理了整个红外光电工程的知识体系。它并没有一开始就钻入晦涩的公式和复杂的模型，而是从红外线的物理本质、其在自然界和人造系统中的应用出发，循序渐进地引导读者建立起对这一领域的整体认知。书中关于红外光谱分析原理的部分，深入浅出地阐述了不同红外波段与物质相互作用的机制，这对于我理解后续的光源、探测器设计至关重要。我尤其喜欢其中对红外成像技术的历史演进的介绍，从早期的非制冷红外成像仪到如今的高分辨率、多光谱、高灵敏度探测器，每一次技术的飞跃都伴随着基础理论的突破和工程实现的创新，这让我对这个领域的发展充满了敬畏。此外，书中还涉及了红外通信、红外遥感等多个分支，虽然每个分支的篇幅可能不如专门的教材详尽，但它为我提供了一个广阔的视野，让我知道在学习过程中可以往哪些方向深入探索，避免了盲目摸索的尴尬。这本书的语言风格非常严谨而不失生动，即便是一些看似枯燥的物理概念，作者也能通过贴切的比喻和生动的案例进行阐释，使得阅读过程变得轻松愉快，大大降低了学习的门槛。对于任何想要系统性了解红外光电工程的初学者来说，这本书绝对是不可多得的入门佳作，它不仅奠定了坚实的理论基础，更点燃了我对这个交叉学科的热情。
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评分在我对红外光电技术产生兴趣的初期，常常被其应用的多样性所震撼，但又不知道从何入手。《高级红外光电工程导论》这本书，就像一个经验丰富的向导，带领我一步一步地探索这个神秘而迷人的领域。它以一种非常系统化的方式，将红外光电工程的各个方面串联起来，让我能够清晰地看到整个技术体系的构成。书中在讲解红外探测器时，不仅仅局限于单一类型的器件，而是对不同工作原理（如光子型、热型）、不同材料体系（如II-VI族、III-V族化合物半导体）以及不同应用场景（如远程探测、近距离识别）下的探测器进行了深入的比较和分析。这让我能够根据具体的应用需求，选择最合适的探测器类型。书中对红外光学元件的设计和制造，也进行了详细的阐述，包括不同红外材料的光学常数、热学性能、机械性能的差异，以及如何根据这些差异选择合适的材料和设计加工工艺。我特别喜欢其中关于红外滤光片和分光元件的讨论，这对于实现多光谱和高光谱红外探测至关重要。书中还涉及了红外系统的校准和性能评估，这对于确保系统的准确性和可靠性具有决定性的意义。这本书的语言风格非常专业，但又不会让人望而却步，作者善于运用图表和实例来解释复杂的概念，使得读者能够轻松地掌握核心知识。对于任何想要深入了解红外光电工程的人来说，这本书都是一个极佳的选择。
评分近些年来，随着科技的飞速发展，红外光电技术在各个领域的应用越来越广泛。我一直在寻找一本能够全面、深入地介绍这一领域的书籍，《高级红外光电工程导论》的出现，无疑满足了我的这一需求。这本书的作者在红外光电工程领域具有深厚的学术造诣和丰富的实践经验，这使得书中的内容既有理论深度，又贴近实际应用。书中对红外辐射的物理基础进行了非常详尽的阐述，包括黑体辐射理论、选择性辐射以及与物质相互作用的机制，这为理解后续的红外探测和成像技术奠定了坚实的基础。我特别欣赏书中在讲解红外探测器时，对不同类型探测器的性能指标进行了详细的比较和分析，例如灵敏度、响应速度、噪声等效功率（NEP）、探测率（D）等，并深入探讨了影响这些指标的因素。这对于我进行实际的系统设计和器件选择非常有帮助。此外，书中还详细介绍了红外光学系统的设计原理，包括折射、反射和衍射光学元件的设计、红外材料的选择以及像差的校正方法。书中对红外成像系统的热设计和机械结构设计也进行了讨论，这些是保证系统在各种环境下稳定工作的关键。这本书的结构非常严谨，逻辑清晰，每一章节都围绕着红外光电工程的核心主题展开，内容充实，涵盖面广。对于想要系统学习和深入理解红外光电工程的读者而言，这本书绝对是一本不可或缺的参考书。
评分坦白说，在看到《高级红外光电工程导论》这个书名时，我曾有过一丝疑虑，担心它会过于偏重理论而缺乏实际应用。然而，当我翻开这本书，这种疑虑便烟消云散了。作者在书中巧妙地将深奥的理论知识与生动的工程实践相结合，使得这本书既具有学术价值，又兼具实用意义。书中在介绍红外探测器的工作原理时，不仅仅停留在理论层面，而是深入探讨了不同类型探测器的物理特性、制造工艺以及在实际应用中的优缺点。例如，在讲解非制冷红外探测器时，书中详细介绍了不同材料（如非晶硅、氧化钒）的热学和电学特性，以及像素结构和读出电路的设计对探测器性能的影响。这让我对如何优化探测器性能有了更深刻的理解。此外，书中还对红外系统的信号处理和图像重建技术进行了详细的阐述，例如数字信号处理、图像融合、目标识别等，这些都是现代红外光电系统不可或缺的关键技术。书中还涉及到红外辐射的测量和校准方法，这对于保证测量结果的准确性和可靠性至关重要。我尤其欣赏书中对红外成像系统在不同应用场景下的设计考量，例如夜视、安防、工业检测等，这些都能帮助读者更好地理解理论知识的实际应用价值。这本书的语言风格非常专业，但又充满条理，能够引导读者一步一步地深入理解红外光电工程的精髓。
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评分当我对红外技术产生浓厚兴趣，却苦于找不到一本能够系统梳理相关知识的书籍时，《高级红外光电工程导论》如同一盏明灯，照亮了我前行的道路。这本书以其独特的视角和严谨的论述，为我打开了红外光电工程的广阔天地。书中在讲解红外光源时，不仅仅罗列了不同种类的光源，更是深入探讨了它们的工作原理、辐射特性以及在不同应用场景下的优缺点。例如，对黑体辐射、LED、激光器等光源的特性分析，以及如何根据具体需求选择最合适的光源。我特别喜欢书中关于红外探测器设计的部分，它从最基础的物理原理出发，层层递进地介绍了不同类型探测器的结构、工作机制和性能指标。特别是对红外材料的选取和器件制造工艺的讨论，让我在理论学习的同时，也对实际的生产过程有了初步的了解。书中还对红外光学系统的设计进行了详尽的阐述，包括不同红外材料的光学性能、像差的类型和校正方法。此外，书中还涉及了红外成像系统的信号处理和图像分析技术，这对于提升红外图像的质量和提取有效信息至关重要。这本书的语言风格非常专业，但又易于理解，作者善于运用图示和表格来解释复杂的概念，使得阅读过程更加生动有趣。对于任何想要系统性地学习红外光电工程的初学者来说，这本书无疑是一个绝佳的起点。
评分在我职业生涯的早期，我对红外光电技术一直保持着一种敬畏而又好奇的态度，但总觉得缺乏一个清晰的框架来系统性地理解它。《高级红外光电工程导论》这本书，恰好填补了这一空白。它以一种极其系统和全面的方式，将红外光电工程的各个方面进行了梳理和阐释。书中对于红外辐射的物理基础，例如普朗克定律、温室效应等，进行了深入浅出的讲解，这对于理解后续的红外探测和成像原理至关重要。我尤其欣赏书中在介绍红外探测器时，对不同技术路线（如光子型、热型）的比较和分析，涵盖了它们的工作原理、材料选择、性能特点以及各自的优缺点。这让我能够根据不同的应用需求，做出更明智的选择。此外，书中还对红外光学系统的设计进行了详细的介绍，包括透镜设计、反射镜设计、材料选择、像差校正等，这为我解决实际设计中的光学难题提供了宝贵的指导。书中还涉及了红外图像处理和目标识别技术，以及红外系统的校准和性能评估方法，这些都是将理论转化为实际应用的必经之路。这本书的语言风格严谨而不失生动，作者能够将复杂的科学原理用易于理解的方式呈现出来，并且通过大量的实例来印证理论的正确性。对于任何想要在红外光电领域有所建树的人来说，这本书都是一本不可多得的经典著作。
评分一直以来，红外光电技术给我一种神秘而又充满力量的感觉，但真正深入了解却发现其门槛不低。《高级红外光电工程导论》这本书，以其清晰的逻辑和详实的论述，极大地降低了我理解这一领域的难度。书中从红外辐射的物理本质出发，逐步深入到红外探测器、红外光学系统、红外成像技术等各个方面，构建了一个完整的知识体系。我特别欣赏书中在讲解红外探测器时，对不同材料体系（如HgCdTe, InSb, VOx等）的特性进行细致的比较，并分析了它们在响应范围、灵敏度、制冷需求等方面的差异，这对于我理解不同探测器的适用场景非常有帮助。此外，书中对红外光学元件的设计和制造过程也进行了详尽的介绍，包括材料的选取、几何设计、加工工艺以及表面涂层等，这些细节对于保证红外系统的性能至关重要。书中还涉及了红外成像系统的信号处理和图像增强技术，以及在实际应用中遇到的各种挑战和解决方案，例如杂散光抑制、热噪声消除等。这本书的语言风格非常专业，但又不失趣味性，作者善于用形象的比喻和生动的案例来解释抽象的物理概念，使得阅读过程充满乐趣。对于任何渴望掌握红外光电工程核心技术的读者来说，这本书都绝对是开启探索之旅的最佳指南。
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