CN101467088A - 显微镜 - Google Patents

Abstract

提供了一种显微镜，用于在聚焦辅助时通过插入分离棱镜(5)来聚焦。通过分离棱镜(5)的角度偏转作用将虹彩光阑(30)的图像分支成下述两个图像，即所述两个图像在横跨显微镜的光轴的对称位置处被单独移动并聚焦。通过透镜(21)的聚焦作用并通过分光镜(22)进一步在物镜(23)上聚焦虹彩光阑(30)的这两个分支图像。操作竖直移动设备的操作单元以上下移动光学系统，从而在视野中观察到已聚焦的图案(15)的图像在彼此相反的方向上移动。在聚焦时，当物镜(23)的焦点位置聚焦在样品面(24)上时，已聚焦的图案(15)的图像看起来处于重合的状态。因而，能够实现高精度的聚焦作用而没有对物镜的放大率和NA的限制。

Description

显微镜

技术领域

本发明涉及一种设有聚焦辅助装置的显微镜，在显微镜观察期间，该聚焦辅助装置通过目视检查来辅助操作者使目标物的物体表面聚焦。

背景技术

一般地，在利用显微镜目视观察目标物的物体表面中(例如，在通过目镜观察由物镜在焦点板上形成的物体表面的图像的情形中)，当物体表面存在于物镜的焦点深度内时，即使物体表面与物镜之间的相对位置关系在焦点深度范围内在物镜的光轴方向上改变，在焦点板上形成的物体表面的图像也以聚焦的状态出现。因此，在下述情形中特别需要聚焦装置来调节相对位置关系以使物镜的焦点位置与每个物体表面精确匹配，所述情形为要在目标物的某物体表面中精确地测量尺寸和形状，并且要精确地测量目标物高度方向上的尺寸，例如在物镜的光轴方向上偏离的两个物体表面之间的距离。

作为先于本申请的专利文献，例如UK专利No.GB2076176A(专利文献1)公开了一种设有聚焦装置的显微镜。图1是示出配备有专利文献1中公开的传统聚焦操作辅助装置的显微镜示意性构造的视图。透镜12被放置为使得会聚透镜10和分离棱镜5彼此共轭。分离棱镜5包括具有预定的顶角的基棱镜14和具有两倍于基棱镜的顶角的顶角的半圆形棱镜16。在基棱镜14的光源侧上形成聚焦图案15。聚焦图案包括至少一条线，并且聚焦图案横跨下述两个区域，即分别通过基棱镜14和半圆形棱镜16将不同偏角给予所述两个区域。

在通过孔径光阑13将光束限制到用于聚焦辅助的最优条件的同时使从光源发射的光入射到分离棱镜5。通过透镜17和18在直径可变的显微镜孔径光阑19上形成孔径光阑13的图像。然而，通过分离棱镜5的偏角作用将孔径光阑13的图像分成两个图像，并且以关于聚焦装置的光轴对称的方式彼此偏离并形成所述两个图像。

通过分光镜22并通过透镜21的图像形成作用在物镜23上(严格地，在物镜23的光瞳上)形成孔径光阑30的两个分支图像。

聚焦辅助装置放置在竖直移动设备(未示出)的架台上，操作竖直移动设备的操作单元以在光轴方向上移动整个光学系统，以便于在光轴方向上调节物镜23与物体表面24之间的相对位置关系。光学系统被放置为使得当操作竖直移动设备的操作单元以上下移动光学系统时，在视野内观察到已聚焦的图案图像在相反方向上移动，并使得当物镜23的焦点位置与样品表面24一致时，观察到已聚焦的图案图像彼此一致。在非聚焦状态(例如，样品表面位于由图1的附图标记24a所示的位置处的状态)，观察到已聚焦的图案图像彼此偏离，并且已聚焦的图案的两条线彼此离开d而投影在样品表面24a上。

孔径光阑13和分离棱镜15被放置为以便于通过插入和收回机构(未示出)将其插入光路中以及从光路中收回。在聚焦辅助期间，将分离棱镜5和孔径光阑13插入光路中以匹配已聚焦的图案，从而实现聚焦。在观察期间，将孔径光阑13和分离棱镜5从光路中收回，从而聚焦辅助装置作为通常的显微镜落射照明设备。

专利文献1：UK专利No.GB2076176A

发明内容

通过本发明要解决的问题

在专利文献1中所公开的聚焦辅助装置中，使用透镜17和18，将孔径光阑13布置在与显微镜孔径光阑19共轭的位置处，而将已聚焦的图案15布置在与显微镜视场光阑20共轭的位置处。孔径光阑13和已聚焦的图案15在中间图像形成之后分别投影到物镜光瞳面和样品表面24。因此，能够模块化光学组件12到18并能将其添加到通常的显微镜。同时，装置构造变得复杂，这导致更高的成本和更大的尺寸。

基于上文所述，本发明的问题是提供一种设有聚焦辅助装置的简单并且紧凑的显微镜，在该显微镜中，能够精确地进行聚焦，而没有对物镜的放大率或NA的限制。

解决问题的方法

根据本发明的寻求解决问题的第一方面，设有聚焦辅助装置的显微镜包括：光源；第一透镜组；直径可变光阑，其布置在与光源共轭的位置处，而该第一透镜组插入直径可变光阑与光源之间；光路分支构件，其利用由该直径可变光阑限制的光束照明，该光路分支构件具有聚焦指示器并形成两个光束，所述光束以预定角度从光轴倾斜；第二透镜组；以及物镜，其中该直径可变光阑布置在与该物镜的光瞳共轭的位置处，而该第二透镜组插入直径可变光阑与物镜之间，光路分支构件的聚焦指示器布置在与通过第二透镜组和物镜观察到的表面共轭的位置处，并且光路分支构件能插入显微镜光路中并且能够从显微镜光路中收回。

关于第一方面，在专利文献1中公开的构造中，光路分支构件及其聚焦指示器布置在显微镜视场光阑20所放置的位置处，并且光路分支构件能插入显微镜光路中以及从显微镜光路中收回。因而，在根据本发明该方面的显微镜中，因为聚焦指示器直接投影到被观察的表面上而没有中间图像形成，所以与传统显微镜相比，能够使显微镜简单而紧凑。

根据本发明的寻求解决问题的第二方面，在本发明第一方面的显微镜中，当光路分支构件插入显微镜光路中时，能将直径可变光阑的直径φ设置在适于聚焦辅助的预定值。

在第二方面中，省去了传统技术中用于优化照明条件的孔径光阑，而将直径可变光阑(虹彩光阑)用作显微镜的光圈，这使得在聚焦辅助期间光束能够最优化。因此，实现简单而紧凑的构造，并且如下文具体描述的，能将直径可变光阑的直径φ设置在适于聚焦辅助的预定值，从而能够精确地进行聚焦而没有对物镜的放大率或NA的限制。

根据本发明的第三方面，在本发明第二方面的显微镜中，适于聚焦辅助的设置同时满足下面的条件表达式(1)和(2)。

[公式1]

β₁a≥φ_M   …(1)

$2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}-{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{{2\mathrm{L\&beta;}}_2})<\mathrm{\&phi;}<2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}+{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{{2\mathrm{L\&beta;}}_2})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

其中β₁是通过第一透镜组由光源在直径可变光阑的位置处形成的图像的放大率，a是光源的尺寸，φ_M是直径可变光阑的最大直径，ε是由光路分支构件给出的光束的倾斜角，L是直径可变光阑与聚焦指示器之间的距离，φ₀是物镜的光瞳直径，而β₂是通过第二透镜组在物镜的光瞳的位置处形成的直径可变光阑的图像的放大率。

在第三方面中，如下文所述，将不会发生由于直径可变光阑的过小直径φ使得照明光几乎没有到达物体表面的现象，并且将从不发生由于直径可变光阑的过大直径φ使得聚焦辅助装置不能履行功能的情形。因此，能实现适于聚焦辅助的设置。

根据本发明的用于解决问题的第四方面，在本发明第二方面的显微镜中，适于聚焦辅助的设置同时满足下面的条件表达式(3)、(4)和(5)。

[公式2]

β₁a<φ_M   …(3)

β₁a<φ≤φ_M   …(4)

$2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}-{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{{2\mathrm{L\&beta;}}_2})<{\mathrm{\&beta;}}_{1}a<2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}+{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{{2\mathrm{L\&beta;}}_2})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(5\right)$

其中β₁是通过第一透镜组由光源在直径可变光阑的位置处形成的图像的放大率，a是光源的尺寸，φ_M是直径可变光阑的最大直径，ε是由光路分支构件给出的光束的倾斜角，L是直径可变光阑与聚焦指示器之间的距离，φ₀是物镜的光瞳直径，而β₂是通过第二透镜组在物镜的光瞳的位置处形成的直径可变光阑的图像的放大率。

在第四方面中，如下文所述，将不会发生由于光束的过大倾斜角ε使得照明光几乎没有到达物体表面的现象，并且将从不发生由于光束的过小倾斜角ε使得聚焦辅助装置不能履行功能的情形。因此，能实现适于聚焦辅助的设置。

根据本发明的用于解决问题的第五方面，在本发明第三方面的显微镜中，满足下面的条件表达式(6)，

[公式3]

φ＝2Ltanε   …(6)

在第五方面中，如下文所述，即使通过切换操作使用具有不同光瞳直径的物镜中的一个，也总是能够进行良好的聚焦辅助，而与物镜的光瞳直径无关。

根据本发明的用于解决问题的第六方面，在本发明第四方面的显微镜中，满足下面的条件表达式(7)。

[公式4]

β₁a＝2Ltanε   …(7)

在第六方面中，如下文所述，即使通过切换操作使用具有不同光瞳直径的物镜中的一个，也总是能够进行良好的聚焦辅助，而与物镜的光瞳直径无关。

本发明的效果

因此，本发明能够提供一种设有聚焦辅助装置的简单而紧凑的显微镜，在该显微镜中，能够精确地进行聚焦而没有对物镜的放大率或NA的限制。

附图说明

图1是示出传统聚焦操作辅助装置的构造的视图。

图2是示出根据本发明第一实施例的聚焦辅助装置的构造的视图。

图3是示出在本发明第一实施例中物镜光瞳上的光束的视图。

图4是示出在本发明第一实施例中该物镜光瞳上的光束的视图。

图5是示出本发明第一实施例的聚焦辅助装置的构造的视图。

图6是示出在本发明第二实施例中物镜光瞳上的光束的视图。

图7是示出在本发明第二实施例中该物镜光瞳上的光束的视图。

附图标记说明

1：光源

1a和1b：物镜光瞳上的光源图像

5：分离棱镜

10：会聚透镜

12、17、18和21：透镜

13：孔径光阑

14：基棱镜

15：已聚焦的图案

16：半圆形棱镜

19：显微镜孔径光阑

20：显微镜视场光阑

22：分光镜

23：物镜

24：样品表面

24a：样品表面

30：虹彩光阑

30a和30b：物镜光瞳上的虹彩光阑图像

31：第二物镜

32：偏转棱镜

具体实施方式

下文将参照图2来描述设有根据本发明第一实施例的聚焦装置的显微镜。从光源1发射的光通过会聚透镜10以及透镜12会聚到虹彩光阑30的位置，并且以放大率β₁形成光源1的图像。分离棱镜5包括具有预定的顶角的基棱镜14和具有两倍于基棱镜14的顶角的顶角的半圆形棱镜16。在基棱镜14的光源侧上形成已聚焦的图案15。已聚焦的图案包括至少一条线，并且已聚焦的图案横跨下述两个区域，即通过基棱镜14和半圆形棱镜16分别给予这两个区域不同偏角。分离棱镜5被放置为以便于通过插入和收回机构(未示出)将分离棱镜5插入聚焦辅助装置的光路和从聚焦辅助装置的光路中收回。

在观察样品时，分离棱镜5从聚焦辅助装置的光路中收回，从而聚焦辅助装置用作普通的显微镜落射照明设备。当分离棱镜5从光路中收回时，优选将视场光阑19插入光路中来代替分离棱镜5，以限制过多的照明光束。

虹彩光阑30的直径能在机构的限制内自由设置，并且虹彩光阑30的直径用于控制照明光的相干系数。通过调节虹彩光阑30的直径增加和降低相干系数，这允许观察者根据观察目标自由设置照明条件。

另一方面，在聚焦辅助期间，插入分离棱镜5以进行聚焦。使从光源发射的光入射到分离棱镜5，而同时通过虹彩光阑30限制光束。通过透镜21的图像形成作用并通过分光镜22在物镜23的光瞳EP上形成虹彩光阑30的图像。然而，通过分离棱镜5的偏角作用使虹彩光阑30的图像分支成两个，并且在形成所述图像的同时，使其以关于聚焦辅助装置的光轴对称的方式彼此偏离。通过透镜21的图像形成作用并通过分光镜22在物镜23上(严格地，在物镜23的光瞳上)形成虹彩光阑30的两个分支图像。

聚焦辅助装置放置在竖直移动设备(未示出)的架台上，操作竖直移动设备的操作单元以在光轴方向上移动整个光学系统，以便于在光轴方向上调节物镜23与物体表面24之间的相对位置关系。光学系统被放置为当操作竖直移动设备的操作单元以上下移动光学系统时，在视野内观察到已聚焦的图案15的图像在相反方向上移动，并当物镜23的焦点位置与样品表面24一致时，观察到已聚焦的图案15的图像彼此一致。在非聚焦状态(例如，样品表面位于图2的附图标记24a处的状态)，观察到已聚焦的图案15的图像彼此偏离，并且已聚焦的图案15的两条线彼此相距d而投影在样品表面24a上。

将参照图3和图4来描述聚焦辅助期间的最优设置。图3和图4示出了物镜光瞳面EP上光束的扩展。图3示出了满足表达式(1)的情形。在图3中，虹彩光阑30的最大直径小于在虹彩光阑30的位置处形成的光源1的图像，并且当虹彩光阑30打开时，能使用光源1的面积的一部分来照明目标物。通过分离棱镜5的偏角作用使虹彩光阑30的图像分成两个，并且在物镜光瞳面EP上形成虹彩光阑30的图像30a和30b。

图3(a)到图3(e)示出了通过调节虹彩光阑30的直径改变图像30a和30b的尺寸的状态。在虹彩光阑30具有过小的光阑直径的情形中，如图3(a)中所示，照明光束没有入射到物镜光瞳，并且照明光几乎没有到达物体表面。另一方面，在虹彩光阑30具有过大的光阑直径的情形中，如图3(e)中所示，因为光束无倾斜地投影在样品表面24上，所以阻止了基准图案15的图像根据聚焦辅助装置的竖直移动的移动，并且聚焦辅助装置不能履行其功能。因此，在聚焦辅助期间，必须如图3(b)到图3(d)中所示调节虹彩光阑30的直径。在这些情形中，通过表达式(2)表示条件范围。为了满足上述条件，将虹彩光阑30用作显微镜的光圈，并且在聚焦辅助期间，在观察物镜光瞳的同时优化光束。

为调节虹彩光阑30，每个单元的尺寸、放大率以及分离棱镜5的偏角应优选设计为使得当虹彩光阑30设置在最大光阑直径时满足条件。应优选地执行下述设计，使得在聚焦辅助期间仅通过打开虹彩光阑30来满足条件。

在本发明的更加优选的模式中，操作插入和收回分离棱镜5的插入和收回机构(未示出)以当分离棱镜5插入时强制地将虹彩光阑30的直径设置在满足条件的范围内。

图4示出了满足表达式(3)的情形。在图4中，虹彩光阑30的最大直径大于在虹彩光阑30的位置处形成的光源1的图像，并且当虹彩光阑30打开时，使用光源1的全部面积来照明目标物。通过分离棱镜5的偏角作用将虹彩光阑30的图像分成两个图像，并且在物镜光瞳面EP上形成虹彩光阑30的图像30a和30b。类似地，在物镜光瞳面EP上形成光源1的图像1a和1b。

图4(a)到图4(e)示出了图像30a和30b以及1a和1b根据分离棱镜5的偏角变化的状态。在分离棱镜5具有过大的偏角ε的情形中，如图4(a)中所示，照明光束没有入射到物镜光瞳，并且照明光几乎没有到达物体表面。另一方面，在分离棱镜5具有过小的偏角ε的情形中，如图4(e)中所示，因为光束无倾斜地投影在样品表面24上，所以阻止了基准图案15的图像根据聚焦辅助装置的竖直移动的移动，并且聚焦辅助装置不能履行其功能。因此，必须如图4(b)到图4(d)中所示调节在聚焦辅助期间使用的分离棱镜5的偏角ε。在这些情形中，通过表达式(5)表示条件范围。另外，必须在虹彩光阑30不遮挡光源1的图像的情况下使光源1的图像入射到物镜光瞳EP。在这些情形中，通过表达式(4)表示条件范围。

为调节虹彩光阑30，每个单元的尺寸、放大率以及分离棱镜5的偏角应优选设计为当虹彩光阑被设置在最大光阑直径时满足条件。应优选地执行下述设计，即在聚焦辅助期间仅通过打开虹彩光阑来满足条件。

在本发明的更加优选的模式中，操作插入和收回分离棱镜5的插入和收回机构(未示出)以当分离棱镜5插入时强制地将虹彩光阑30的直径设置在满足条件的范围内。

上文对具有根据本发明第一实施例的聚焦辅助功能的显微镜进行了描述。本发明的显微镜不限于该第一实施例，而是在不偏离本发明的范围的情况下能够自由地做各种修改。例如，尽管参照其中显微镜光学系统具有无限远光系统的显微镜的示意图对第一实施例进行了描述，但是本发明也可应用于有限远光系统。

在第一实施例中，分离棱镜5由基棱镜14和半圆形棱镜16形成，半圆形棱镜16具有两倍于基棱镜14的顶角。替代地，例如，如图5中所示，可以使用平行板34来代替基棱镜14，可以将具有预定偏角的两个偏转棱镜32接合到该基棱镜，从而光束在相反的方向上倾斜。平行板34和偏转棱镜32的形状也可以通过塑性成型而一体成型。

下文将参照图6和图7来描述设有根据本发明第二实施例的聚焦装置的显微镜。在本发明的第二实施例中，在下述显微镜中设置合适的条件，即在所述显微镜中通过切换操作从多个物镜中选择物镜。设有第二实施例的聚焦装置的显微镜的示意性构造与第一实施例的构造类似，从而省略描述。

图6示出了满足表达式(1)的情形。在图6中，虹彩光阑30的最大直径小于在虹彩光阑30的位置处形成的光源1的图像，并且当虹彩光阑30打开时，使用光源1的面积的一部分来照明目标物。通常物镜光瞳具有不同的直径，物镜光瞳的直径随着放大率的增加而趋于减小，并且物镜光瞳的直径随着放大率的降低而趋于增加。在第二实施例中，如图6中所示，将条件设置为使得光束30a和光束30b恰好在物镜光瞳上彼此形成接触。

因此，即使通过切换操作使用具有不同光瞳直径的物镜中的一个，也总能执行良好的聚焦辅助，而与物镜的光瞳直径无关。在这些情形中，通过表达式(6)表示条件范围。能看到条件表达式(6)不依赖于物镜的光瞳直径φ₀。为了满足该条件，将虹彩光阑用作显微镜的光圈，并且在聚焦辅助期间，在观察物镜光瞳的同时优化光束。

另一方面，图7示出了满足表达式(3)的情形。在图7中，虹彩光阑30的最大直径大于在虹彩光阑30的位置处形成的光源1的图像，并且当虹彩光阑30打开时，使用光源1的全部面积来照明目标物。如图7中所示，在聚焦辅助期间使用的分离棱镜5的偏角ε被设计为满足下述条件，即光束1a和光束1b恰好在物镜光瞳上彼此形成接触。因此，即使通过切换操作使用具有不同光瞳直径的物镜中的一个，也总能执行良好的聚焦辅助，而与物镜的光瞳直径无关。

在这些情形中，通过表达式(7)表示条件范围。能看到条件表达式(7)不依赖于物镜的光瞳直径φ₀。另外，必须在虹彩光阑30不遮挡光源1的图像的情况下使光源1的图像入射到物镜光瞳EP。在这些情形中，通过表达式(4)表示条件范围。

为调节虹彩光阑30，每个单元的尺寸、放大率以及分离棱镜5的偏角应优选地设计为当虹彩光阑设置在最大光阑直径时满足条件。优选地执行下述设计，即在聚焦辅助期间仅通过打开虹彩光阑来满足条件。

在本发明的更加优选的模式中，操作插入和收回分离棱镜的插入和收回机构(未示出)以当分离棱镜插入时强制地将虹彩光阑30的直径设置在满足条件的范围内。

Claims (6)

1.一种设有聚焦辅助装置的显微镜，包括：

光源；

第一透镜组；

直径可变光阑，所述直径可变光阑布置在与所述光源共轭的位置处，而所述第一透镜组插入所述直径可变光阑与所述光源之间；

光路分支构件，所述光路分支构件利用由所述直径可变光阑限制的光束照明，所述光路分支构件具有聚焦指示器并形成两个光束，所述光束以预定角度从光轴倾斜；

第二透镜组；以及

物镜，

其中所述直径可变光阑布置在与所述物镜的光瞳共轭的位置处，而所述第二透镜组插入所述直径可变光阑与所述物镜之间，

所述光路分支构件的所述聚焦指示器布置在与通过所述第二透镜组和所述物镜观察到的表面共轭的位置处，并且

所述光路分支构件能够插入显微镜光路中以及从显微镜光路中收回。

2.根据权利要求1所述的显微镜，其中当所述光路分支构件插入所述显微镜光路中时，能够将所述直径可变光阑的直径φ设置在适于聚焦辅助的预定值。

3.根据权利要求2所述的显微镜，其中通过同时满足下面的条件表达式(1)和(2)给出适于聚焦辅助的设置，

[公式1]

β₁a≥φ_M        …(1)

$2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}-{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{2L{\mathrm{\&beta;}}_2})<\mathrm{\&phi;}<2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}+{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{2L{\mathrm{\&beta;}}_2})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

其中β₁是通过所述第一透镜组由所述光源在所述直径可变光阑的位置处形成的图像的放大率，a是所述光源的尺寸，φ_M是所述直径可变光阑的最大直径，ε是由所述光路分支构件给出的光束的倾斜角，L是所述直径可变光阑与所述聚焦指示器之间的距离，φ₀是所述物镜的光瞳直径，而β₂是通过所述第二透镜组在所述物镜的光瞳的位置处形成的所述直径可变光阑的图像的放大率。

4.根据权利要求2所述的显微镜，其中通过同时满足下面的条件表达式(3)、(4)和(5)给出适于聚焦辅助的设置，

[公式2]

β₁a<φ_M        …(3)

β₁a<φ≤φ_M    …(4)

$2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}-{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{2L{\mathrm{\&beta;}}_2})<{\mathrm{\&beta;}}_{1}a<2L\tan (\mathrm{\&epsiv;}+{\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\&phi;}}_0}{2L{\mathrm{\&beta;}}_2})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(5\right)$

其中β₁是通过所述第一透镜组由所述光源在所述直径可变光阑的位置处形成的图像的放大率，a是所述光源的尺寸，φ_M是所述直径可变光阑的最大直径，ε是由所述光路分支构件给出的光束的倾斜角，L是所述直径可变光阑与所述聚焦指示器之间的距离，φ₀是所述物镜的光瞳直径，而β₂是通过所述第二透镜组在所述物镜的光瞳的位置处形成的所述直径可变光阑的图像的放大率。

5.根据权利要求3所述的显微镜，其中满足下面的条件表达式(6)，

[公式3]

φ＝2L tanε       …(6)

6.根据权利要求4所述的显微镜，其中满足下面的条件表达式(7)，

[公式4]

β₁a＝2L tanε        …(7)

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