激光光斑形状及入射角对PSD位置输出影响的研究
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敏感 面 的 中 心 时 ，可 以 得 到 一 维 Ｐ Ｄ 的 线 性 位 置 Ｓ
公式 ：
基 金项 目：航空科学基金资 助项 目 （ ０ ０ Ｃ ９ ０ ） ２ １ Ｚ ０ ０ ３ ；江苏 高校 优 势学科建设工程资助项 目 作 者简介 ：张婷婷 （９ ６一） １８ ，女 ，硕士研究 生 ，研究方向为传 感器技术 ；姚 恩涛 （９ ５一） １６ ，男 ，教授 ，博 士 ，主要研究 方 向 为传感 器技术 、电磁及无损检测技术 、动态测试技术 。
性 的 变 化 。 本 文 通 过 计 算 得 出 圆 光 斑 和 “十 ” 字 形 光 斑 的 能 量 分 布 ， 光 阑 半 径 越 小 ， 光 波 长 越 长 ，衍 射 现 象 越 明
显 ， 对 Ｐ Ｄ 的输 出 影 响 越 大 。 通 过 分 析 入 射 角 变 化 对 Ｐ Ｄ 输 出特 性 的 影 响 得 出 ：入 射 光 线 在 Ｐ Ｄ 敏 感 面 垂 直 位 置 Ｓ Ｓ Ｓ 附 近 发 生 小 角 度 变 化 时 ， 重 心 的偏 移 会 很 微 小 ，对 Ｐ Ｄ 的 输 出特 性 影 响 较 小 。 Ｓ 关 键 词 ：Ｐ Ｄ；衍 射 ；角 度 ；输 出 特 性 Ｓ
位置 。
如果 Ｐ Ｄ在工作过程中满足如下条件 ：① 电阻率 Ｓ 分布均匀 ；②光激发 电流远大 于 ｐｎ 的反 向饱 和电 －结 流并且无漏 电流 ；③负载及 电极接触 电阻为零 ；④稳 态情况下 的响应 时问足够长 ；⑤光源为光束光强恒定 的连 续 光 ，光 斑 直 径 非 常 小 。 那 么 当 坐 标 设 在 Ｐ Ｄ Ｓ
收 稿 日期 ：２ １ — ９— ８ ０ １ ０ ２ ；收 修 改 稿 日期 ：２ １ —１ ０ １ ０—１ ７
１ 位 置 敏 感 探 测 器 的原 理
Ｐ Ｄ是 一种 基 于 ｐｎ结 的 横 向光 电效 应 器 件 ，它 Ｓ － 不仅 仅 是 光 电转 换 器 ，更 重 要 的是 光 电 流 的分 配 器 ， 通 过 合 理 的 分 流 层 和 收 集 电 流 的 电 极 确 定 入 射 光 的
是无 宽度且 能 量 均 匀 分 布 的 圆环 线 。各 级 光环 的衍 射 强度 及能量 分 布见表 １ ，其 中 ，Ｒ＝１ｍ ｍ，Ａ＝６０ｎ ３ ｍ。
二 维 Ｐ Ｄ的线 性位 置公 式 ： Ｓ
ｆ ， １ ２一， ｌ
’ ７
表 １ 圆孔的夫琅禾费衍射现象的衍射光强及能量分布
・
１ ６・
理 论与 实践
２１ 第 ３ 第 １ ０ ２年 ２卷 期
在 圆孔 的夫 琅禾 费衍 射 现 象 中 ，艾 里 光 斑 的光 能
。
式 中 ： 是光 入射位 置 ；，，， 是从 两 个 电极 输 出的 电 ２
流 ；Ｚ 是敏感 面 长度 。
占整个入射光束光能的 ８％左右 ，为 了使分析过程更 ４ 简化 、更清 晰 ，将 衍 射 分 布 中能 量集 中 的亮 条 纹 看 成
ｆ ｃｏ ．Ｆｎｌ ， ｅａａ ｚ ｅｅｅｔ ｆｎｉｅｔ ｎ ｅｏ ｅｏｔｕ ｐｓｉｎｏ Ｓ ． ｅ ｈ ｎｉｅｔｉ ｔ ｈ ｎｅ ｉ ｍ ｌ ａｇｅｎａ ｒ ｔ ｎ ｉａ ｙ ｗ ｎ ｙｅｔ ｆ ｃ ｏ ｃ ｎ ａｇ ｎｔ ｕ ｔ ｏｉｏ ｆ Ｄ Ｗｈｎｔｅｉｃ ｎ ｌｈ ａｇｓ ｔ ａｓ ａ ｎｌ ｅｒ ａｉ ｌ ｌ ｈ ｆ ｉ ｄ ｌ ｈ ｐ ｔ Ｐ ｄ ｇ ｃ ｗｈ ｌ
光 线垂 直入 射 到 Ｐ Ｄ 的敏 感 面 上 ，Ｐ Ｄ上 接 收 到 Ｓ Ｓ
一
的衍射 光 圈如 图 １所 示 ；如 果 与 垂 直敏 感 面 的方 向成 定 的角度 入射 ，那么 接 收到 的衍 射光 圈 如图 ２所 示 。
ＰＤ输出的电流信号与信号光源的重心位置有关 ， Ｓ 检测到的信息是光源的能量重心位置 。 Ｊ
ｃ ｒ ｃｅ ｓｉ ｓｏ Ｄ ｓ ａｓ ｍ ａ１ ｈａ ａ ｔ ｒ ｔｃ ｆＰＳ ｉ ｌｏ ｓ ｌ． ｉ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｐ Ｄ；ｃｉ ｆ ｏ ｎ ｌ ；ｏ ｔｕ ａ ａ ｔｒ ｔ ｃ ｉ ｃ
摘 要 ：位 置 敏 感 探 测 器 （Ｓ Ｐ Ｄ） 探 测 的是 光 斑 能 量 的 重 心 位 置 ， 通 常 利 用 半 导 体 激 光 器 作 为 Ｐ Ｄ 位 置 探 测 Ｓ
的 光 源 。 半 导 体 激 光 器 的 光 源 存 在 衍 射 现 象 ， 入 射 角 度 的 变 化 会 引 起 光 斑 能 量 重 心 的 变 化 ， 从 而 导 致 Ｐ Ｄ 输 出特 Ｓ
２ ２ 圆形光 斑 以不 同角 度照 射对 Ｐ Ｄ输 出特 性 的影 响 ． Ｓ
与光波 长 成 正 比。 圆孔 半径 越 小 ，光 波 长 越 长 ，衍 射
２ 圆形 光点 及 其 入射 角 度 对 Ｐ Ｄ输 出特性 的 Ｓ
影 响
２ １ 圆孔 的夫琅 禾 费衍射 现象 的衍射 光强 及能 量分 布 ．
…
Ｙ ５‘ －
Ｚ 厶 一， ２ ３
ｚ Ｊ
式 中 ： ，Ｙ是 光 入 射 的位 置 ；，，， ２是 方 向的 电 极 输 出 ；１，，是 Ｙ方 向的 电极 输 出 ；ｚ，ｚ 别 为 ，Ｙ ３ ４ 分 方 向的敏感 面长 度 。 在 实 际的工 程 应 用 中 ，入 射 光 的光 斑 总 是 有 一 定 形状 和大小 的。例 如 常 用 的半 导 体激 光 器 有 十字 形 光 斑和 圆点 光 斑 两 种 类 型 ，并 且 在 大 多数 应 用 场 合 中 ， 光源 与位 置敏感 探测 器 的距 离 远大 于 光 阑孔径 的大 小 ， 因此 十字形 光斑 可 看 作 激 光 器 的 入 射光 经 过 了一 个 矩 形 的光 阑而产 生 的矩 形 夫 琅禾 费衍 射 ，圆点 形 光 斑 可 看作 入射 光经 过 了一 个 圆孔 光 阑 而 产 生 的 圆孔 夫 琅 禾 费衍 射现 象 。 圆孔夫 琅禾 费衍射 的光斑 大 小 与 圆孔半 径 成 反 比 ， 现象越 明显 ，对 Ｐ Ｄ的位置 输 出影 响越 大 。 Ｓ
Ｐ Ｄ的输 出特性 。 Ｓ
紧凑的结构以及简单的信号 处理电路而被广泛应 用于 各种高准确度非接触测量 当中。在采用 Ｐ Ｄ作为位置 Ｓ
敏感 探测 器 的非 接 触 动 态 测 量 系统 中 ，半 导 体激 光 器 常常 被用作 发 光 光 源 。在利 用 半 导体 激 光 二极 管作 为 激 光 器光 源时 ，为 了保 证 光 束 质量 而 附加 了一 定 的光 阑 ，会 产生 衍 射现 象 ，导致 在 Ｐ Ｄ敏 感 面 上 接 收到 的 Ｓ
ｌ ｈ ｏ ｒｅｏ Ｓ ｉ ｔｓ ｕ ｃ ｆＰ Ｄ， ａ ｄ ｔｅ ｙ ｂ ｎ ｂ ｕ ｈ ｈ ｎ ｍｅ ｏ ｉ ｒｃ ｉｎ ｇ ｎ ｈ ｙ ｍａ ｒ ｇ ａ ｏ ｔｔ ｅ ｐ ｅ ｏ ｎ ｎ ｏ ｄｆ ａ ｔ ．Ｃｈ ｎ ｅ ｆｔｅ ｉ ｃｄ ｎ ｎ ｌ ｌ ｌ ａ ｏ ｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｓ ｏ ｒ ｖ ｔ ｉ ｆ ｏ ａ ｇ ｓ ｏ ｎ ｉｅ ｔａ ｇｅ ｗｉ ｅ ｄ ｔ ｈ ｈ ｎ ｅ ｆｇ ａ ｉ ｈ ｌ ｙ ｐ ｉ ｔｏ ｈ ｇ ｔ ｐ ｔ ｎ ｒ ， ｉｈ ｅ ｅ ｔ ａ ｌ ａ ｏｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｓｉ ｕ ｐ ｔｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｓｏ Ｓ ｏｎ ｆｔ ｅ ｌ ｈ ｏ ｅ ｇ ｗｈ ｃ ｖ ｎ ｕ ｌ ｌ ｄ ｔ ｈ ｈ ｎ ｅ ｎ ｏ ｔ ｕ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｆＰ Ｄ．Ｂ ａｃ ｌｔ ｇ ｅ ｋ ｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｇ ｉ ｒ ｕ ｉ ｓ ｅ ｙ ｙｅ ｉ ｃ ｙ ｃ ｌｕ ａｉ ，ｗ ｎ ｗ ｎ ｒ ｄ ｓ ｉ — ｎ ｈ ｙ ｔｂ ｔ ｎ ｈ ｏ ｎ ｎ Ｒ Ｓ ｅ ｍ ｐ ｔ ，ｗｈｃ ｈ ｗ ｔ ａ ｅｓ ｌｌ ｒ ｐ ｒ ｒ ａ ｉ ｓａ ｄ ｌ ｎ ｅ ｖ ｌｎ ｔ ｆ ｉｈ ｌ ｃ ｕ ｅ ｍｏ ｅｓｇ ｉ ｃ ｎ ｉ ｉ ｓ ｏ ｔ ｅ ｒ ｕ ｄ ａ ｄ Ｃ Ｏ Ｓｂ ａ ｓ ｏ ｓ ｏ ｆ ｉｈ ｓ ｏ ｈ ｔ ｈ ｍａ ｅ ｅ ｔ ｅ ｒｄ ｕ ｎ ｏ ｇ ｒ ｔ ａ ｕ ｗａ ｅ ｅ ｇｈ ｏ ｇ ｔ ｌ ａ ｓ ｒ ｉｎｆ ａ ｔｄｆ ｌ ｗｉ ｉ －
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计 测 技 术
理 论 与实践
・ ５・ ｌ
激 光 光 斑 形 状及 入 射 角 对 Ｐ Ｄ位 置 输 出影 响 的研 究 Ｓ
张婷婷 ，姚恩涛 ，贾俊 涛
（ ．南京航 空航 天大 学 自动化 学院 ，江苏 南京 ２ ０ １ ２ １ １０ ６； ．中航 ５ 业洛 阳 电光设 备研 究所 ，河南 洛 阳 ４ １０ ） １ ２ ７００
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ １；Ｔ ３ Ｎ４ Ｎ６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ７ ６ ４—５ ９ ７ ５一 （ ０１ ） ０ ２ ２ １—０ １ ０ ５—０ ４
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｆｅ ｔｏ ｓ ｒ Ｓ ａ ｅ ａ ｄ Ｉ ｃｄ ｎ ｇ ｅ ｏ Ｄ ｃ ｔ ｎ ｔ ｄ ｎ Ｅ ｃ ｆＬａ ｅ ｈ ｐ ｎ ｎ ｉ ｅ ｔＡｎ ｌ ｎ ＰＳ Ｌｏ ａ ｉ ｏ
Ｏ 引 言
Ｐ Ｄ是 一种 基 于 横 向光 电效 应 的光 电位 置 敏 感 探 Ｓ 测 器 。 由 于 其 具 有 很 高 的分 辨 力 、 良好 的 瞬 态 响 应 ，
不是 一个 无 限小 的 光 点 ，而 是 一 组 以艾 里 光 斑 为 中心 的衍 射 环 Ｈ 。当入射 光 线 照 射 在 Ｐ Ｄ敏 感 面上 的角 度 ］ Ｓ 发生 变化 时 ，会 导致 衍 射 光 圈重 心 的变 化 ，从 而 影 响
ｔｅｖｒｃｌ ｏｉｏ ｆｈ ｅｓ ｉ ｕｆｃ ｆ Ｓ ｔｅｏ ｓｔ ｆ ｒｖ ｙｐｉ ｆｈ ｇｔ ｐｔ ｎｒ ｅ ｍａ ， ｎ ｔ ｅｅｔ ｎｔｅｏ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｓｉｎｏ ｅｓｎｉｖ ｓｒ ｅｏ Ｄ， ｈ ｆｅ ｏ ｇａｉ ｏｎ ｏ ｅｌ ｏ ｅｅｇ ｉ ｖｒ ｓ ｌ ａｄｉ ｆ ｃ ｏ ｕｐ ｔ ａｐ ｔ ｔ ｔｅ ａ Ｐ ｆ ｔ ｔ ｔ ｉ ｓ ｙ ｓ ｙ ｈ ｌ ｓ ｈ ｕ
公式 ：
基 金项 目：航空科学基金资 助项 目 （ ０ ０ Ｃ ９ ０ ） ２ １ Ｚ ０ ０ ３ ；江苏 高校 优 势学科建设工程资助项 目 作 者简介 ：张婷婷 （９ ６一） １８ ，女 ，硕士研究 生 ，研究方向为传 感器技术 ；姚 恩涛 （９ ５一） １６ ，男 ，教授 ，博 士 ，主要研究 方 向 为传感 器技术 、电磁及无损检测技术 、动态测试技术 。
性 的 变 化 。 本 文 通 过 计 算 得 出 圆 光 斑 和 “十 ” 字 形 光 斑 的 能 量 分 布 ， 光 阑 半 径 越 小 ， 光 波 长 越 长 ，衍 射 现 象 越 明
显 ， 对 Ｐ Ｄ 的输 出 影 响 越 大 。 通 过 分 析 入 射 角 变 化 对 Ｐ Ｄ 输 出特 性 的 影 响 得 出 ：入 射 光 线 在 Ｐ Ｄ 敏 感 面 垂 直 位 置 Ｓ Ｓ Ｓ 附 近 发 生 小 角 度 变 化 时 ， 重 心 的偏 移 会 很 微 小 ，对 Ｐ Ｄ 的 输 出特 性 影 响 较 小 。 Ｓ 关 键 词 ：Ｐ Ｄ；衍 射 ；角 度 ；输 出 特 性 Ｓ
位置 。
如果 Ｐ Ｄ在工作过程中满足如下条件 ：① 电阻率 Ｓ 分布均匀 ；②光激发 电流远大 于 ｐｎ 的反 向饱 和电 －结 流并且无漏 电流 ；③负载及 电极接触 电阻为零 ；④稳 态情况下 的响应 时问足够长 ；⑤光源为光束光强恒定 的连 续 光 ，光 斑 直 径 非 常 小 。 那 么 当 坐 标 设 在 Ｐ Ｄ Ｓ
收 稿 日期 ：２ １ — ９— ８ ０ １ ０ ２ ；收 修 改 稿 日期 ：２ １ —１ ０ １ ０—１ ７
１ 位 置 敏 感 探 测 器 的原 理
Ｐ Ｄ是 一种 基 于 ｐｎ结 的 横 向光 电效 应 器 件 ，它 Ｓ － 不仅 仅 是 光 电转 换 器 ，更 重 要 的是 光 电 流 的分 配 器 ， 通 过 合 理 的 分 流 层 和 收 集 电 流 的 电 极 确 定 入 射 光 的
是无 宽度且 能 量 均 匀 分 布 的 圆环 线 。各 级 光环 的衍 射 强度 及能量 分 布见表 １ ，其 中 ，Ｒ＝１ｍ ｍ，Ａ＝６０ｎ ３ ｍ。
二 维 Ｐ Ｄ的线 性位 置公 式 ： Ｓ
ｆ ， １ ２一， ｌ
’ ７
表 １ 圆孔的夫琅禾费衍射现象的衍射光强及能量分布
・
１ ６・
理 论与 实践
２１ 第 ３ 第 １ ０ ２年 ２卷 期
在 圆孔 的夫 琅禾 费衍 射 现 象 中 ，艾 里 光 斑 的光 能
。
式 中 ： 是光 入射位 置 ；，，， 是从 两 个 电极 输 出的 电 ２
流 ；Ｚ 是敏感 面 长度 。
占整个入射光束光能的 ８％左右 ，为 了使分析过程更 ４ 简化 、更清 晰 ，将 衍 射 分 布 中能 量集 中 的亮 条 纹 看 成
ｆ ｃｏ ．Ｆｎｌ ， ｅａａ ｚ ｅｅｅｔ ｆｎｉｅｔ ｎ ｅｏ ｅｏｔｕ ｐｓｉｎｏ Ｓ ． ｅ ｈ ｎｉｅｔｉ ｔ ｈ ｎｅ ｉ ｍ ｌ ａｇｅｎａ ｒ ｔ ｎ ｉａ ｙ ｗ ｎ ｙｅｔ ｆ ｃ ｏ ｃ ｎ ａｇ ｎｔ ｕ ｔ ｏｉｏ ｆ Ｄ Ｗｈｎｔｅｉｃ ｎ ｌｈ ａｇｓ ｔ ａｓ ａ ｎｌ ｅｒ ａｉ ｌ ｌ ｈ ｆ ｉ ｄ ｌ ｈ ｐ ｔ Ｐ ｄ ｇ ｃ ｗｈ ｌ
光 线垂 直入 射 到 Ｐ Ｄ 的敏 感 面 上 ，Ｐ Ｄ上 接 收 到 Ｓ Ｓ
一
的衍射 光 圈如 图 １所 示 ；如 果 与 垂 直敏 感 面 的方 向成 定 的角度 入射 ，那么 接 收到 的衍 射光 圈 如图 ２所 示 。
ＰＤ输出的电流信号与信号光源的重心位置有关 ， Ｓ 检测到的信息是光源的能量重心位置 。 Ｊ
ｃ ｒ ｃｅ ｓｉ ｓｏ Ｄ ｓ ａｓ ｍ ａ１ ｈａ ａ ｔ ｒ ｔｃ ｆＰＳ ｉ ｌｏ ｓ ｌ． ｉ
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摘 要 ：位 置 敏 感 探 测 器 （Ｓ Ｐ Ｄ） 探 测 的是 光 斑 能 量 的 重 心 位 置 ， 通 常 利 用 半 导 体 激 光 器 作 为 Ｐ Ｄ 位 置 探 测 Ｓ
的 光 源 。 半 导 体 激 光 器 的 光 源 存 在 衍 射 现 象 ， 入 射 角 度 的 变 化 会 引 起 光 斑 能 量 重 心 的 变 化 ， 从 而 导 致 Ｐ Ｄ 输 出特 Ｓ
２ ２ 圆形光 斑 以不 同角 度照 射对 Ｐ Ｄ输 出特 性 的影 响 ． Ｓ
与光波 长 成 正 比。 圆孔 半径 越 小 ，光 波 长 越 长 ，衍 射
２ 圆形 光点 及 其 入射 角 度 对 Ｐ Ｄ输 出特性 的 Ｓ
影 响
２ １ 圆孔 的夫琅 禾 费衍射 现象 的衍射 光强 及能 量分 布 ．
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式 中 ： ，Ｙ是 光 入 射 的位 置 ；，，， ２是 方 向的 电 极 输 出 ；１，，是 Ｙ方 向的 电极 输 出 ；ｚ，ｚ 别 为 ，Ｙ ３ ４ 分 方 向的敏感 面长 度 。 在 实 际的工 程 应 用 中 ，入 射 光 的光 斑 总 是 有 一 定 形状 和大小 的。例 如 常 用 的半 导 体激 光 器 有 十字 形 光 斑和 圆点 光 斑 两 种 类 型 ，并 且 在 大 多数 应 用 场 合 中 ， 光源 与位 置敏感 探测 器 的距 离 远大 于 光 阑孔径 的大 小 ， 因此 十字形 光斑 可 看 作 激 光 器 的 入 射光 经 过 了一 个 矩 形 的光 阑而产 生 的矩 形 夫 琅禾 费衍 射 ，圆点 形 光 斑 可 看作 入射 光经 过 了一 个 圆孔 光 阑 而 产 生 的 圆孔 夫 琅 禾 费衍 射现 象 。 圆孔夫 琅禾 费衍射 的光斑 大 小 与 圆孔半 径 成 反 比 ， 现象越 明显 ，对 Ｐ Ｄ的位置 输 出影 响越 大 。 Ｓ
Ｐ Ｄ的输 出特性 。 Ｓ
紧凑的结构以及简单的信号 处理电路而被广泛应 用于 各种高准确度非接触测量 当中。在采用 Ｐ Ｄ作为位置 Ｓ
敏感 探测 器 的非 接 触 动 态 测 量 系统 中 ，半 导 体激 光 器 常常 被用作 发 光 光 源 。在利 用 半 导体 激 光 二极 管作 为 激 光 器光 源时 ，为 了保 证 光 束 质量 而 附加 了一 定 的光 阑 ，会 产生 衍 射现 象 ，导致 在 Ｐ Ｄ敏 感 面 上 接 收到 的 Ｓ
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理 论 与实践
・ ５・ ｌ
激 光 光 斑 形 状及 入 射 角 对 Ｐ Ｄ位 置 输 出影 响 的研 究 Ｓ
张婷婷 ，姚恩涛 ，贾俊 涛
（ ．南京航 空航 天大 学 自动化 学院 ，江苏 南京 ２ ０ １ ２ １ １０ ６； ．中航 ５ 业洛 阳 电光设 备研 究所 ，河南 洛 阳 ４ １０ ） １ ２ ７００
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ １；Ｔ ３ Ｎ４ Ｎ６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ７ ６ ４—５ ９ ７ ５一 （ ０１ ） ０ ２ ２ １—０ １ ０ ５—０ ４
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Ｐ Ｄ是 一种 基 于 横 向光 电效 应 的光 电位 置 敏 感 探 Ｓ 测 器 。 由 于 其 具 有 很 高 的分 辨 力 、 良好 的 瞬 态 响 应 ，
不是 一个 无 限小 的 光 点 ，而 是 一 组 以艾 里 光 斑 为 中心 的衍 射 环 Ｈ 。当入射 光 线 照 射 在 Ｐ Ｄ敏 感 面上 的角 度 ］ Ｓ 发生 变化 时 ，会 导致 衍 射 光 圈重 心 的变 化 ，从 而 影 响
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