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機(jī)電一體化概論 第4-1章

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1、第四章第四章 典型的民用機(jī)電一體化產(chǎn)品典型的民用機(jī)電一體化產(chǎn)品第一節(jié)第一節(jié) 電子照相機(jī)電子照相機(jī) 一、傳統(tǒng)的照相機(jī)結(jié)構(gòu)一、傳統(tǒng)的照相機(jī)結(jié)構(gòu) 單鏡頭反光式照相機(jī)原理示意圖單鏡頭反光式照相機(jī)原理示意圖焦距調(diào)整焦距調(diào)整光圈光圈傳統(tǒng)的照相機(jī)是一個(gè)傳統(tǒng)的照相機(jī)是一個(gè)光學(xué)光學(xué)機(jī)械機(jī)械裝置,其主要的部件有:裝置,其主要的部件有:光圈 鏡間快門 目鏡 膠卷 焦距調(diào)整直接取景式照相機(jī)原理示意圖直接取景式照相機(jī)原理示意圖(1 1)鏡頭鏡頭(包括光圈機(jī)構(gòu))(包括光圈機(jī)構(gòu))(2 2)調(diào)焦機(jī)構(gòu))調(diào)焦機(jī)構(gòu)(3 3)快門機(jī)構(gòu))快門機(jī)構(gòu)(4 4)取景器取景器(5 5)輸片系統(tǒng)(包括卷片)輸片系統(tǒng)(包括卷片 機(jī)構(gòu)和倒片機(jī)構(gòu))機(jī)

2、構(gòu)和倒片機(jī)構(gòu))(6 6)機(jī)身)機(jī)身 其中其中光圈機(jī)構(gòu)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)、快門機(jī)構(gòu)、輸片系統(tǒng)光圈機(jī)構(gòu)、調(diào)焦機(jī)構(gòu)、快門機(jī)構(gòu)、輸片系統(tǒng)屬于機(jī)械裝屬于機(jī)械裝置,而置,而鏡頭鏡頭(其中的光圈機(jī)構(gòu)除外)、(其中的光圈機(jī)構(gòu)除外)、取景器取景器基本上屬于光學(xué)系基本上屬于光學(xué)系統(tǒng)。統(tǒng)。二、照相機(jī)的基本性能要求二、照相機(jī)的基本性能要求 若要獲得一張理想的照片,攝影時(shí)必須采用:若要獲得一張理想的照片,攝影時(shí)必須采用:正確的正確的曝光量曝光量 準(zhǔn)確的準(zhǔn)確的焦距焦距調(diào)整調(diào)整 相應(yīng)的相應(yīng)的光圈光圈大小大小 正確的曝光量使得照片的影像正確的曝光量使得照片的影像層次豐富層次豐富;準(zhǔn)確的焦距調(diào)整確保照片上的準(zhǔn)確的焦距調(diào)整確保照片上的影

3、像清晰影像清晰;光圈大小調(diào)節(jié)可以改變攝影的光圈大小調(diào)節(jié)可以改變攝影的景深范圍景深范圍,滿足攝影技巧的,滿足攝影技巧的要求。要求。后景深 前景深 H L 因此,照相機(jī)應(yīng)該具備的因此,照相機(jī)應(yīng)該具備的控制功能控制功能為:為:曝光量曝光量控制(包括控制(包括光圈光圈控制和控制和快門快門控制)控制)焦距焦距控制控制 光圈光圈控制控制 顯然顯然,對(duì)于照相機(jī)來說,對(duì)于照相機(jī)來說,光圈控制、快門控制光圈控制、快門控制和和焦距控制焦距控制是是其最基本的性能。其最基本的性能。在傳統(tǒng)的光學(xué)機(jī)械式照相機(jī)上:在傳統(tǒng)的光學(xué)機(jī)械式照相機(jī)上:準(zhǔn)確地準(zhǔn)確地調(diào)整焦距調(diào)整焦距和和選擇相應(yīng)的光圈選擇相應(yīng)的光圈大?。ù笮。ㄊ謩?dòng)手動(dòng)方

4、式)方式)曝光量的確定憑經(jīng)驗(yàn)或借助其它檢測手段曝光量的確定憑經(jīng)驗(yàn)或借助其它檢測手段 三、自動(dòng)曝光控制技術(shù)三、自動(dòng)曝光控制技術(shù) 能夠?qū)ζ毓饬繉?shí)施控制的照相機(jī)出現(xiàn)于七十年代。當(dāng)時(shí),日能夠?qū)ζ毓饬繉?shí)施控制的照相機(jī)出現(xiàn)于七十年代。當(dāng)時(shí),日本的一些廠家開始生產(chǎn)有自動(dòng)曝光(控制)功能的照相機(jī)。本的一些廠家開始生產(chǎn)有自動(dòng)曝光(控制)功能的照相機(jī)。根據(jù)其控制方式方面的差別,可分為:根據(jù)其控制方式方面的差別,可分為:自動(dòng)光圈自動(dòng)光圈(快門先決或快門優(yōu)先)式(快門先決或快門優(yōu)先)式 自動(dòng)快門自動(dòng)快門(光圈先決或光圈優(yōu)先)式(光圈先決或光圈優(yōu)先)式 程序程序式式 1 1自動(dòng)光圈控制技術(shù)自動(dòng)光圈控制技術(shù) 自動(dòng)光圈式照

5、相機(jī)在使用時(shí),根據(jù)被攝物的狀況和拍攝目的,自動(dòng)光圈式照相機(jī)在使用時(shí),根據(jù)被攝物的狀況和拍攝目的,先用手動(dòng)方式將快門速度調(diào)好先用手動(dòng)方式將快門速度調(diào)好,然后通過然后通過測光量測光量和和膠片的感光度膠片的感光度自動(dòng)控制光圈大小。自動(dòng)控制光圈大小。由于七十年代的電子技術(shù)和集成電路制造水平還不高,早期由于七十年代的電子技術(shù)和集成電路制造水平還不高,早期的自動(dòng)光圈控制是用表頭控制實(shí)現(xiàn)的。的自動(dòng)光圈控制是用表頭控制實(shí)現(xiàn)的。表頭控制方式的測光元件采用表頭控制方式的測光元件采用硫化鎘硫化鎘(CdSCdS)光敏電阻,其)光敏電阻,其阻阻值值隨隨照射光強(qiáng)度增加而減小照射光強(qiáng)度增加而減小。由于外界光線強(qiáng)度不同,外電

6、源通由于外界光線強(qiáng)度不同,外電源通過光敏電阻所產(chǎn)生的電流與光線強(qiáng)度成正比。此電流流過一個(gè)靈過光敏電阻所產(chǎn)生的電流與光線強(qiáng)度成正比。此電流流過一個(gè)靈敏的小型電流表,表針的敏的小型電流表,表針的偏轉(zhuǎn)角度偏轉(zhuǎn)角度與與電流大小成正比電流大小成正比,即表針的即表針的偏轉(zhuǎn)角度與光線強(qiáng)度成正比。偏轉(zhuǎn)角度與光線強(qiáng)度成正比。光線光線,R ,電流,電流,表針擺動(dòng)角度,表針擺動(dòng)角度光線光線,R ,電流,電流,表針擺動(dòng)角度,表針擺動(dòng)角度 攝影時(shí),硫化鎘光敏電阻進(jìn)行測光,電流表的指針攝影時(shí),硫化鎘光敏電阻進(jìn)行測光,電流表的指針R R隨光線強(qiáng)隨光線強(qiáng)度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如果如果被攝物較暗,指針偏轉(zhuǎn)角度就小被攝物較暗,

7、指針偏轉(zhuǎn)角度就?。ㄆㄆ獳端),端),梯級(jí)定位梯級(jí)定位板與指針相遇板與指針相遇時(shí)的時(shí)的位移量較小位移量較小。當(dāng)被攝物當(dāng)被攝物較亮較亮?xí)r,指針偏轉(zhuǎn)角度較大,梯級(jí)定位板的時(shí),指針偏轉(zhuǎn)角度較大,梯級(jí)定位板的位移量位移量也也較大較大。2 2自動(dòng)快門控制技術(shù)自動(dòng)快門控制技術(shù) 自動(dòng)快門式照相機(jī)在攝影時(shí),首先自動(dòng)快門式照相機(jī)在攝影時(shí),首先手動(dòng)設(shè)定光圈手動(dòng)設(shè)定光圈大小,然后大小,然后通過通過測光量測光量和和膠片的感光度膠片的感光度自動(dòng)控制自動(dòng)控制快門速度快門速度。這種自動(dòng)曝光方這種自動(dòng)曝光方式的特點(diǎn)是能夠滿足攝影時(shí)對(duì)式的特點(diǎn)是能夠滿足攝影時(shí)對(duì)景深景深的要求。的要求。自動(dòng)控制快門也被稱為自動(dòng)控制快門也被稱為電子

8、快門電子快門。電子快門一般是由電子快門一般是由機(jī)械快機(jī)械快門門機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)和電子延時(shí)器電子延時(shí)器組成。快門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是機(jī)械彈簧的拉力或組成。快門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是機(jī)械彈簧的拉力或扭力,扭力,快門的最高速度仍受彈簧動(dòng)力和機(jī)械傳動(dòng)的限制快門的最高速度仍受彈簧動(dòng)力和機(jī)械傳動(dòng)的限制,而電子而電子延時(shí)器只是在低于快門最高速度的范圍以內(nèi)控制曝光時(shí)間長短的延時(shí)器只是在低于快門最高速度的范圍以內(nèi)控制曝光時(shí)間長短的作用。作用。3 3程序式自動(dòng)曝光技術(shù)程序式自動(dòng)曝光技術(shù) 只要攝影者確定了攝影方式,通過程序式自動(dòng)曝光控制就可只要攝影者確定了攝影方式,通過程序式自動(dòng)曝光控制就可自動(dòng)優(yōu)先選定光圈自動(dòng)優(yōu)先選定光圈大小大小或快門或

9、快門速度,然后再進(jìn)行自動(dòng)曝光控制。速度,然后再進(jìn)行自動(dòng)曝光控制。通常程序式自動(dòng)曝光的攝影方式有:通常程序式自動(dòng)曝光的攝影方式有:(1 1)人像方式人像方式采用采用大光圈大光圈(小景深)(小景深),自動(dòng)快門自動(dòng)快門控制;控制;(2 2)風(fēng)景方式風(fēng)景方式采用采用小光圈小光圈(大景深),(大景深),自動(dòng)快門自動(dòng)快門控制;控制;(3 3)運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)方式采用較高的采用較高的快門快門速度,保證得到動(dòng)作停頓速度,保證得到動(dòng)作停頓的清晰照片,的清晰照片,自動(dòng)光圈自動(dòng)光圈控制。控制。四、自動(dòng)調(diào)焦控制技術(shù)四、自動(dòng)調(diào)焦控制技術(shù) 1 1光電式自動(dòng)調(diào)焦光電式自動(dòng)調(diào)焦 用于柯尼卡用于柯尼卡C3535AF照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦

10、機(jī)構(gòu)是一種微型光電式照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)是一種微型光電式自動(dòng)調(diào)焦組件,其工作原理見下圖。自動(dòng)調(diào)焦組件,其工作原理見下圖。這種自動(dòng)調(diào)焦方式的缺點(diǎn)主要是:這種自動(dòng)調(diào)焦方式的缺點(diǎn)主要是:(1 1)不能對(duì))不能對(duì)線條結(jié)構(gòu)重復(fù)線條結(jié)構(gòu)重復(fù)而又有一定而又有一定規(guī)律規(guī)律的景物(如磚墻、的景物(如磚墻、鐵絲網(wǎng)等)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦;鐵絲網(wǎng)等)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦;(2 2)自動(dòng)調(diào)焦必須在)自動(dòng)調(diào)焦必須在光線充足光線充足的條件下進(jìn)行,如果光線較的條件下進(jìn)行,如果光線較暗,調(diào)焦精度明顯下降。暗,調(diào)焦精度明顯下降。2 2超聲波式自動(dòng)調(diào)焦超聲波式自動(dòng)調(diào)焦 這種自動(dòng)調(diào)焦方式主要用在美國寶麗來(這種自動(dòng)調(diào)焦方式主要用在美國寶麗來(Po

11、laroidPolaroid)公司生)公司生產(chǎn)的一次成像照相機(jī)上。產(chǎn)的一次成像照相機(jī)上。在這種照相機(jī)上裝有在這種照相機(jī)上裝有聲納測距系統(tǒng)聲納測距系統(tǒng),工作時(shí)主動(dòng)工作時(shí)主動(dòng)發(fā)射超聲波發(fā)射超聲波,再根據(jù)再根據(jù)回波的延時(shí)回波的延時(shí)來測定被攝物到照相機(jī)的來測定被攝物到照相機(jī)的距離距離。主動(dòng)式主動(dòng)式超聲波自動(dòng)調(diào)焦方式在黑暗環(huán)境下也不會(huì)失靈,因此超聲波自動(dòng)調(diào)焦方式在黑暗環(huán)境下也不會(huì)失靈,因此這種照相機(jī)可以在夜間用閃光燈拍攝出清晰的照片。這種照相機(jī)可以在夜間用閃光燈拍攝出清晰的照片。這種自動(dòng)調(diào)焦方式的這種自動(dòng)調(diào)焦方式的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是:是:玻璃和雨水玻璃和雨水等會(huì)等會(huì)反射超聲波反射超聲波,因此在透過玻璃、雨水?dāng)z影

12、時(shí),調(diào)焦效果較差。因此在透過玻璃、雨水?dāng)z影時(shí),調(diào)焦效果較差。3 3紅外線(主動(dòng))自動(dòng)調(diào)焦紅外線(主動(dòng))自動(dòng)調(diào)焦 近年來,在自動(dòng)調(diào)焦的照相機(jī)中,大多裝備了近年來,在自動(dòng)調(diào)焦的照相機(jī)中,大多裝備了紅外線自動(dòng)調(diào)紅外線自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。焦機(jī)構(gòu)。這類照相機(jī)通過這類照相機(jī)通過紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線,然后由發(fā)出紅外線,然后由光電元光電元件件接收被攝物接收被攝物反射回來的光束反射回來的光束,測量被攝物到照相機(jī)的,測量被攝物到照相機(jī)的距離。距離。較多的紅外線自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)采用電荷耦合器件較多的紅外線自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)采用電荷耦合器件CCD(Charge Couple Device)傳感器作為光電元件,其原理如下

13、圖傳感器作為光電元件,其原理如下圖所示。所示。通過照相機(jī)的通過照相機(jī)的紅外發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光,經(jīng)鏡片聚焦后射發(fā)出紅外光,經(jīng)鏡片聚焦后射向前方。由于被攝物到照相機(jī)的距離不同,反射到向前方。由于被攝物到照相機(jī)的距離不同,反射到CCD上的紅外上的紅外線照射位置不同。線照射位置不同。根據(jù)反射回來的紅外線光點(diǎn)在根據(jù)反射回來的紅外線光點(diǎn)在CCD上的位置上的位置,確定被攝物與照相機(jī)之間的距離。確定被攝物與照相機(jī)之間的距離。固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器的功能是把傳感器固態(tài)圖像傳感器的功能是把傳感器受光面受光面的的光像光像分解成許多分解成許多像元像元,并將它們轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后順

14、序地輸送出去。,并將它們轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后順序地輸送出去。大部分固態(tài)圖像傳感器的核心部分是大部分固態(tài)圖像傳感器的核心部分是 CCD(Charge Couple Device,電荷耦合器),其原理如下圖所示。,電荷耦合器),其原理如下圖所示。CCD作為作為讀出移位寄存器讀出移位寄存器,順序地將電信號(hào)在輸出端,順序地將電信號(hào)在輸出端串行輸出。串行輸出。根據(jù)光敏二極管的排列方式,根據(jù)光敏二極管的排列方式,CCD可分為:可分為:線陣線陣 CCD 和和面陣面陣CCD。線陣線陣 CCD 已能達(dá)到已能達(dá)到 4096 像素;像素;面陣面陣 CCD 已能達(dá)到已能達(dá)到 1G 像素。像素。由于光敏二極管排列整齊、尺

15、寸和位置精確,每個(gè)光敏二極由于光敏二極管排列整齊、尺寸和位置精確,每個(gè)光敏二極管的光電荷量不僅含有管的光電荷量不僅含有光照度光照度的信息,而且還含有的信息,而且還含有位置位置信息。信息。固態(tài)圖像傳感器具有小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定固態(tài)圖像傳感器具有小型、輕便、響應(yīng)快、靈敏度高、穩(wěn)定性好和壽命高等優(yōu)點(diǎn),并且以光為媒介進(jìn)行非接觸測量,可以達(dá)性好和壽命高等優(yōu)點(diǎn),并且以光為媒介進(jìn)行非接觸測量,可以達(dá)到危險(xiǎn)地點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用。其主要用途為:到危險(xiǎn)地點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用。其主要用途為:(1)物位、尺寸、形狀、表面質(zhì)量、表面溫度等;物位、尺寸、形狀、表面質(zhì)量、表面溫度等;(2)作為)作為光學(xué)信息

16、處理的輸入環(huán)節(jié)光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié),例如電視攝像、傳真、掃,例如電視攝像、傳真、掃描儀、數(shù)字化的復(fù)印機(jī)等。描儀、數(shù)字化的復(fù)印機(jī)等。五、傻瓜照相機(jī)五、傻瓜照相機(jī) 對(duì)于生活照片,一般人只要求對(duì)于生活照片,一般人只要求畫面清晰畫面清晰,曝光正確曝光正確。此外,。此外,大多數(shù)大多數(shù)業(yè)余攝影者業(yè)余攝影者要求照相機(jī)的結(jié)構(gòu)越簡單越好,操作越簡便越要求照相機(jī)的結(jié)構(gòu)越簡單越好,操作越簡便越好,價(jià)錢越低越好。好,價(jià)錢越低越好。因此,隨著自動(dòng)曝光技術(shù)、自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,照因此,隨著自動(dòng)曝光技術(shù)、自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,照相機(jī)生產(chǎn)廠家根據(jù)市場的需要,生產(chǎn)出一種使用簡便、價(jià)格低廉、相機(jī)生產(chǎn)廠家根據(jù)市場的需要

17、,生產(chǎn)出一種使用簡便、價(jià)格低廉、室內(nèi)外拍攝均可的照相機(jī),俗稱室內(nèi)外拍攝均可的照相機(jī),俗稱傻瓜照相機(jī)傻瓜照相機(jī)。這類照相機(jī)有一些共同的特點(diǎn):這類照相機(jī)有一些共同的特點(diǎn):(1 1)小型化)小型化 (2 2)操作簡便)操作簡便 (3 3)內(nèi)藏閃光燈)內(nèi)藏閃光燈 (4 4)適于抓拍和快拍)適于抓拍和快拍 (5 5)價(jià)格低廉)價(jià)格低廉 (6 6)可靠性高,故障率低)可靠性高,故障率低 傻瓜照相機(jī)雖然幾乎不用攝影者進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制就可完成拍傻瓜照相機(jī)雖然幾乎不用攝影者進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制就可完成拍攝,但攝,但傻瓜照相機(jī)不屬于真正意義上的自動(dòng)照相機(jī)傻瓜照相機(jī)不屬于真正意義上的自動(dòng)照相機(jī),它們一般只它們一般只采用了自

18、動(dòng)光圈控制技術(shù)。采用了自動(dòng)光圈控制技術(shù)。后景深 前景深 H L超焦距超焦距調(diào)焦方式調(diào)焦方式 六、數(shù)碼照相機(jī)六、數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼照相機(jī)數(shù)碼照相機(jī)也被稱為也被稱為數(shù)字式照相機(jī)數(shù)字式照相機(jī)。數(shù)碼照相機(jī)在測光方式、。數(shù)碼照相機(jī)在測光方式、曝光方式和對(duì)焦方式的曝光方式和對(duì)焦方式的控制技術(shù)控制技術(shù)方面與普通照相機(jī)基本相同,但方面與普通照相機(jī)基本相同,但在在影像的記錄方式上影像的記錄方式上截然截然不同不同。數(shù)碼照相機(jī)采用數(shù)碼照相機(jī)采用CCD器件代替膠卷器件代替膠卷,把影像的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?,把影像的光信?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào),經(jīng)過模擬電信號(hào),經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,存入存儲(chǔ)器(主要為半導(dǎo)體存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后,存入存儲(chǔ)器(主要為半

19、導(dǎo)體存儲(chǔ)器)。器)。數(shù)碼照相機(jī)一般都帶有數(shù)碼照相機(jī)一般都帶有液晶顯示液晶顯示,在攝像時(shí)可作為取景器,在攝像后及時(shí)在攝像時(shí)可作為取景器,在攝像后及時(shí)觀看攝取的影像,有選擇地存儲(chǔ)影像。觀看攝取的影像,有選擇地存儲(chǔ)影像。數(shù)碼照相機(jī)上有與計(jì)算機(jī)的數(shù)碼照相機(jī)上有與計(jì)算機(jī)的接口接口(USB接口),可把存儲(chǔ)的影像信息輸接口),可把存儲(chǔ)的影像信息輸入到計(jì)算機(jī),進(jìn)行影像入到計(jì)算機(jī),進(jìn)行影像顯示、編輯、修顯示、編輯、修改、存儲(chǔ)和打印輸出改、存儲(chǔ)和打印輸出,還可以通過,還可以通過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)傳輸傳輸照片。照片。有些數(shù)碼照相機(jī)還有有些數(shù)碼照相機(jī)還有視頻輸出插口視頻輸出插口,可接到電視機(jī)顯示影像??山拥诫娨暀C(jī)顯示影像。七、小結(jié)七、小結(jié) 1 1外部因素外部因素往往是機(jī)電一體化技術(shù)往往是機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的原因和動(dòng)力。發(fā)展的原因和動(dòng)力。2 2了解產(chǎn)品的了解產(chǎn)品的應(yīng)用背景和技術(shù)要求應(yīng)用背景和技術(shù)要求是機(jī)電一體化產(chǎn)品是機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)開發(fā)的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。3 3當(dāng)產(chǎn)品或系統(tǒng)內(nèi)的信息以當(dāng)產(chǎn)品或系統(tǒng)內(nèi)的信息以數(shù)字量形式存在時(shí)數(shù)字量形式存在時(shí),機(jī)電一體,機(jī)電一體化技術(shù)可以化技術(shù)可以充分發(fā)揮其作用。充分發(fā)揮其作用。4 4產(chǎn)品的產(chǎn)品的使用方法使用方法應(yīng)盡量應(yīng)盡量簡單簡單,盡可能使之傻瓜化。,盡可能使之傻瓜化。5 5產(chǎn)品和系統(tǒng)的產(chǎn)品和系統(tǒng)的自動(dòng)化程度應(yīng)適度。自動(dòng)化程度應(yīng)適度。

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