CN102042557B - 色混合透镜及具有该色混合透镜的液晶显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种色混合透镜及具有该色混合透镜的液晶显示设备，所述色混合透镜能够改善色彩再现性，能制作成纤细的并能调整发光图案。该色混合透镜包括：光接收部分，该光接收部分具有位于侧面用于发射颜色彼此不同的光的至少两个发光二极管和用于分别在其中放置所述发光二极管的多个光接收凹槽；在该光接收部分上形成的色混合部分，用于将所述发光二极管发出的光混合成白色光；以及在该色混合部分上形成的发光部分，用于通过其顶面发射来自该色混合部分的白色光。

Description

色混合透镜及具有该色混合透镜的液晶显示设备
本申请要求于2009年10月22日提交的韩国专利申请No.10-2009-0100578的优先权，该专利申请在此引入作为参考，如同在本文中完全阐述该专利申请一样。
技术领域
本发明涉及一种色混合透镜以及一种具有该色混合透镜的液晶显示设备，所述色混合透镜能够改善色彩再现性、制作成纤细的并且能调整发光图案。
背景技术
通常，作为一种平板显示设备通过利用液晶来显示图像的液晶显示设备由于其与其他平板显示设备相比具有更薄、更轻并且驱动电压低和功耗低的优点而广泛用在多个行业中。
由于为显示图像而提供的液晶显示设备的液晶面板是不发光的器件，即其本身不能发射光，因此，需要用于提供光的光源。
作为光源，使用产生白色光的白色光发光二极管。白色光发光二极管通过在蓝色光发光二极管的表面上涂敷红色和绿色荧光层来形成。虽然制造简单且成本低，但是白色光发光二极管具有色彩均匀性、色彩再现性和光效率方面较差的缺点。
为了解决这些问题，提出了一种通过利用红色、绿色和蓝色光发光二极管作为光源来产生白色光的技术。也就是说，将分别从红色、绿色和蓝色光发光二极管发射的红色光、绿色光和蓝色光混合来产生白色光。然而，为了将分别从红色、绿色和蓝色光发光二极管发射的红色光、绿色光和蓝色光混合，背光单元需要具有5～10cm的厚度并且需要诸如漫射膜等的多个光学片，因此该技术对于用作平板显示设备的光源来说有困难。此外，由于需要单独地驱动红色、绿色和蓝色光发光二极管，因此对这些发光二极管进行控制是困难的。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种色混合透镜以及一种具有该色混合透镜的液晶显示设备。
本发明的一个目的在于提供一种色混合透镜以及一种具有该色混合透镜的液晶显示设备，所述色混合透镜能够改善色彩再现性、制作成纤细的并能调整发光图案。
本发明的其他优点、目的和特点的一部分将在下文说明书中阐述，一部分对于所属领域技术人员来说可以通过研究下文变得显而易见，或者可从本发明的实践中获知。通过书面说明书、权利要求书以及附图中具体指出的结构可实现和获得本发明的这些目的和其他优点。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，根据本发明的用途，如这里具体化和广义描述的，一种色混合透镜包括：光接收部分，该光接收部分具有用于分别在其中放置发光二极管的多个光接收凹槽，至少两个发光二极管形成在侧面，用于发射颜色彼此不同的光；在该光接收部分上形成的色混合部分，用于将所述发光二极管发出的光混合成白色光；以及在该色混合部分上形成的发光部分，用于通过其顶面发射来自该色混合部分的白色光。
优选地，所述光接收凹槽具有设置在其中的光入射面，该光入射面相对于水平轴形成锐角并且具有曲率。
优选地，所述光接收凹槽的线宽大于所述发光二极管的直径。
优选地，色混合透镜还包括光反射层，该光反射层形成在除了该光接收部分的位于所述光接收凹槽内的光入射面以及该发光部分的顶面之外的该光接收部分、该发光部分以及该色混合部分上。
或者，色混合透镜还包括光反射层，该光反射层形成在除了该光接收部分的位于所述光接收凹槽内的光入射面之外的光接收凹槽上以及在该发光部分的侧面上。
优选地，色混合透镜还包括：光反射层，该光反射层形成在除了该光接收部分的位于所述光接收凹槽内的光入射面之外的光接收凹槽上以及在该发光部分的侧面上；以及光反射结构，在除了与该光接收部分的光接收凹槽连接的部分之外的光接收部分和该色混合部分与该光反射结构分开的状态下，该光反射结构形成为围绕该光接收部分和该色混合部分。
优选地，该色混合部分具有多层结构，其中所述多层的至少一层具有斜面，该斜面在其高度从下部到上部增大时宽度变小。
或者，该色混合部分具有单层结构，该单层结构具有斜面，该斜面在其高度从下部到上部增大时宽度变小。
优选地，该发光部分的侧面形成为具有波纹图案，该波纹图案随着其高度从下部到上部增大而深度变深。
优选地，该波纹图案在所述至少两个发光二极管的发光面的布置方向上扭曲，或者在与所述至少两个发光二极管的发光面的布置方向相反的方向上扭曲。
根据本发明的另一方面，一种液晶显示设备包括：用于产生白色光的色混合透镜；以及液晶面板，该液晶面板通过利用从该色混合透镜产生的白色的光来产生图像，其中该色混合透镜包括：光接收部分，该光接收部分具有用于分别在其中放置发光二极管的多个光接收凹槽，至少两个发光二极管形成在侧面，用于发射颜色彼此不同的光；在该光接收部分上形成的色混合部分，用于将所述发光二极管发出的光混合成白色光；以及在该色混合部分上形成的发光部分，用于通过其顶面发射来自该色混合部分的白色光。
应当理解，本发明前面的概括性描述和下面的详细描述都是示例性的和解释性的，意在对要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
附图包含在本申请中构成本申请的一部分，用于给本发明提供进一步理解。附图图解了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是示出了依照本发明优选实施方式的色混合透镜的透视图。
图2是详细地示出了图1中的色混合透镜的透视图。
图3是详细地示出了图1中的色混合透镜的截面图。
图4A～4C分别是示出了放置在图2所示光接收凹槽中的发光二极管的变化的视图。
图5是详细地示出了图2或3中所示的光接收部分的视图。
图6A和6B是为了说明依据本发明光接收部分的光入射面与水平轴之间的角度所得到的光路径而提供的视图。
图7是为了说明图3或4中的发光二极管发出的光朝向光接收部分的行进路径而提供的截面图。
图8A和8B分别是示出了发光二极管发出的光和进入到光接收部分的光的发光图案的图表。
图9是示出了图2或3中的色混合部分的立体图。
图10A～10C分别是示出了图9中的色混合部分的变化的视图。
图11是详细地示出了图2或3中的发光部分的视图。
图12A和12B分别是显示出图1中的光反射层的变化的视图。
图13是示出了依据漫射片而得到的色混合透镜的发光图案的视图。
图14是示出了具有用作光源的色混合透镜的液晶显示设备的截面图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的优选实施方式进行描述，附图中示出了这些实施方式的一些例子。尽可能地在整个附图中使用相同的参考标记表示相同或相似的部件。
图1是示出了依照本发明优选实施方式的色混合透镜110的透视图，该色混合透镜110包括光接收部分120、色混合部分130、发光部分140、光反射层150和漫射片160。
图2是详细地示出了图1中的色混合透镜的光接收部分120、色混合部分130和发光部分140的透视图。
参见图3，光接收部分120接收从发光二极管124发出的光。为此，光接收部分120具有包括多个光接收凹槽122的侧面，每个光接收凹槽122都具有放置在其中的发光二极管124。在这种情况下，如图4A(图4A是示出了发光二极管124放置在光接收凹槽122中之前的状态的视图)中所示，光接收凹槽122的尺寸与发光二极管124的尺寸相同(W1＝W2)，或者如图4B和4C中所示，光接收凹槽122的尺寸大于发光二极管124的尺寸。此外，如图4A和4B中所示，放置在光接收凹槽122中的发光二极管124是具有引线(lead)的封装型发光二极管124，或者如图4C中所示，是芯片型发光二极管124。而且，如图4B和4C中所示，发光二极管124形成为与位于光接收凹槽122最内侧的光入射面126分开，或者如图7中所示，发光二极管124形成为与光入射面126相接触。
这样，由于发光二极管124位于光接收部分120的侧面从而使光从发光二极管124进入到色混合透镜110中并沿螺旋形状行进，因此本发明的色混合透镜与相关技术的色混合结构相比能够在相对较低的高度内将色彩混合，由此能够降低色混合部分130的高度，其中相关技术的色混合结构在光接收部分的底面的下部具有发光二极管。
参照图5，光接收部分120是由光吸收率低的材料制成的圆柱，其直径为Din，高度为Hin，所述材料例如为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。
至少两个彼此发射不同颜色的光的发光二极管124分别放置在多个光接收凹槽122中。例如，考虑到发光效率，多个光接收凹槽122可以是3个，用于分别在其中放置红色(R)、绿色(G)和蓝色光发光二极管124；或者可以是4个，用于分别在其中放置两个绿色(G)光发光二极管124、一个红色(R)光发光二极管124和一个蓝色光发光二极管124。同时，发光二极管124的数量和光接收凹槽122的数量并不限于3个或4个，而是可以随光学特性而改变。
参照图5，光接收凹槽122具有在内表面上形成的光反射层150。在这种情况下，光反射层150并非形成在位于光接收凹槽122最内侧的光入射面126上。光反射层150由光反射率高的材料如铝、银或金形成，用以将发光二极管124发出的光无损失地引导到色混合透镜110。此外，光接收部分120的光入射面126形成为面向发光二极管124的发光面，并且如图5和6A中所示，光接收部分120的光入射面126形成为与水平轴成角θi(锐角)倾斜，用以防止从发光二极管124发射的光由于邻近的发光二极管124和光接收凹槽122而产生损失。详细的说，如图6B中所示，如果光入射面126不倾斜(即倾斜角θi＝90°)，那么从发光二极管124发出的大部分光会沿着经由邻近的发光二极管124和光接收凹槽122的不期望光路径行进，使来自色混合透镜110内部的光发生损失。与此相反，如图6A中所示，如果光入射面126倾斜，那么由于从发光二极管124发出的大部分光不会朝邻近的发光二极管124和光接收凹槽122行进，因此，能够防止光朝着经由邻近的发光二极管124的不期望光路径行进。
此外，参照图7，光接收部分120的位于光接收凹槽122最内侧的光入射面126具有曲率。从发光二极管124发出的光在进入光接收部分120时在光入射面126处被校准。例如，当如图8A中所示从发光二极管124发出的光在最大值的一半为20°(deg)时具有一半宽度时，那么如图8B中所示来自发光二极管124的经光入射面126而进入到光接收部分120中的光在最大值的一半为10°(deg)时具有一半宽度。因此可知，经具有曲率的光入射面126而进入到光接收部分120的光被校准。
色混合部分130具有多层结构，其中多层的至少一层具有斜面，该斜面在其高度从下部到上部增大时宽度变小；或者色混合部分130具有单层结构，该单层结构具有斜面，该斜面在其高度从下部到上部增大时宽度变小。具体地，参照图9，色混合部分130包括形成在光接收部分120上的第一混合部分132和形成在第一混合部分132上的第二混合部分134。色混合部分130形成在由光吸收率低的材料构成的光接收部分120上，所述材料例如为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。色混合部分130由同样的材料形成，并且与光接收部分120形成为一个整体，或者这二者单独地形成。
第一混合部分132调整光的行进方向以便能够在较低的高度将通过光接收部分120进入的红色光、绿色光和蓝色光混合。由于第一混合部分132形成为随着高度从下部到上部的增大而宽度逐步变小，因此该第一混合部分132具有倾斜表面。
第二混合部分134没有倾斜表面，其将来自第一混合部分132的光进行混合，并且将光引导到发光部分140。
同时，尽管已经以第一混合部分132具有倾斜表面而第二混合部分134没有倾斜表面为例描述了色混合部分130，但是除此之外，色混合部分130可以具有图10A至10C中所示的任一种结构。图10A中所示的色混合部分130包括具有与光接收部分120相同的线宽但不具有倾斜表面的第一混合部分132，以及在第一混合部分132上形成并具有倾斜表面的第二混合部分134。图10B中所示的色混合部分130包括具有与光接收部分120相同的线宽但不具有倾斜表面的第一混合部分132、在第一色混合部分132上形成并具有倾斜表面的第二混合部分134，以及在第二混合部分134上形成并且不具有倾斜表面的第三混合部分136。图10C中所示的色混合部分130形成为整个色混合部分130具有倾斜表面。
这样，进入到色混合透镜110并在色混合部分130内部的侧面行进的光满足全反射条件，以便使其在具有相对较低高度的色混合部分中充分地混合。
发光部分140将来自色混合部分130的白色光发射到色混合透镜110的外部。发光部分140在由光吸收率低的材料构成的色混合部分130上形成，所述材料例如为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。发光部分140由与光接收部分120或色混合部分130同样的材料形成并且与其形成为一个整体，或者单独地形成。
参照图11，发光部分140形成为具有波纹图案，随着波纹图案的高度从下部到上部的增大，波纹图案的深度变深。发光部分140的上部直径DO2大于下部直径DO1。或者说，发光部分140在其高度从下部到上部变大时直径变大。波纹图案化的发光部分140能够散射沿着色混合部分130的侧面在螺旋结构上向内行进的白色光。
此外，波纹图案形成为以预定角度θO扭曲，以在混合光的同时将光引导到发光部分140的顶面。在这种情况下，发光部分140沿着发光二极管24的发光面的布置方向而扭曲。例如，如果多个发光二极管24的发光面沿着如图2中所示的逆时针方向布置，那么发光部分140的波纹图案形成为沿着如图11中所示的逆时针方向扭曲。如果多个发光二极管24的发光面沿着顺时针方向布置，那么发光部分140的波纹图案形成为沿着顺时针方向扭曲。
同时，尽管已经以发光部分140的波纹图案沿着发光二极管24的布置方向扭曲为例描述了该波纹图案的扭曲，但是除此之外，发光部分140的波纹图案也能够根据用户的选择沿着与发光二极管24的发光面的布置方向相反的方向而扭曲。
由于发光部分140具有光反射层150，该光反射层在除了发光部分140的顶面之外的部分上形成且由光反射率高的金属如铝、银和金构成，因此发光部分140能够最小化待由波纹图案引起的光损失。
详细地，光反射层150形成为具有图1、12A和12B中所示的任一种结构。
参见图1，通过涂敷，在除了发光部分140的顶面之外的区域上、在光接收部分120的除了其光入射面126之外的区域以及在色混合部分130上形成光反射层150。光反射层150在分别与光接收部分120的光接收凹槽122相重叠的区域处具有穿孔154。穿孔154用作在光接收凹槽122中放置的发光二极管124以及金属线(未示出)的通道，所述金属线用于将光源基板(未示出)连接到发光二极管124以向发光二极管124提供驱动信号。
参照图12A，通过涂敷，在除了光入射面126之外的光接收凹槽120上以及在发光部分140的侧面(不包括其顶面)上形成光反射层150。这是因为，只要光接收部分120和色混合部分130满足全反射条件，那么由于从光接收部分120和色混合部分130损失的光量很小，因此在光接收部分120和色混合部分130上都不形成光反射层150也没有关系。此外，由于如图12A所示的光反射层150没有在光接收部分120的光入射面和色混合部分130上形成，因此经过光接收部分120和色混合部分130的光不会接触到光反射层150。据此，由于防止了光反射层150进行光吸收，在满足全反射条件时行进经过光接收部分120和色混合部分130的光不会产生损失。
参见图12B，通过涂敷，在光接收部分120的除其光入射面126之外的光接收凹槽122上以及在发光部分140的侧面上形成光反射层150。此外，在光接收部分120(除了与该光接收部分120的光接收凹槽连接的部分之外)和色混合部分130与光反射结构152分开的状态下，图12B中的光反射结构152形成为围绕光接收部分120和色混合部分130。由于光反射结构152这样与光接收部分120和色混合部分130分开，因此在满足全反射条件时行进经过光接收部分120和色混合部分130的光不会接触到光反射结构152，这防止了光反射结构152吸收光，由此防止了光损失。此外，形成为围绕光接收部分120和色混合部分130的光反射结构152不能满足使从色混合透镜110发射的光反射的全反射条件，使得光再次进入色混合透镜110中，由此提高了光学效率。
同时，光反射结构152具有在与光接收部分120的光接收凹槽122相重叠的区域中形成的穿孔154；以及形成为比光接收部分120和色混合部分130的最大直径更大的容纳孔156，其用于容纳色混合部分110。在这种情况下，光反射结构152中的穿孔154用作将放置在光接收凹槽122中的发光二极管124连接到光源基板(未示出)的线(未示出)的通路，以向发光二极管124提供驱动信号。此外，与光反射层150类似，光反射结构152由高反射率的金属如铝、银，或金形成。
同时，由于本发明的色混合透镜110从发光部分140的顶面发射光，因此，为了使会聚到发光部分140的顶面的光均匀地发射到发光部分140的外部，在发光部分140上形成漫射片(参见图1中的160)。漫射片160形成为具有与发光部分140的顶面相同的尺寸和形状，或者形成为面积比发光部分140的顶面的面积大且形状与发光部分140相同或不同。
表1示出了模拟本发明的色混合透镜110的结果。表1中所示的值仅仅是实施方式的值，本发明并不限于这些值，其可以根据用户的选择而改变。
[表1]
Figure BSA00000308049400091
图13示出了漫射片160应用于色混合透镜110的结果，该漫射片160具有均匀的双向透射率分布函数和镜面反射分量的双向反射率分布函数，由此能够得知本发明的色混合透镜从顶面发射光。
本发明的色混合透镜110具有效率为85.1％、照明均匀性为77.1％以及色彩均匀性为0.04134的特性，其中，效率是色彩混合之后发射到发光部分140外部的光束与光接收部分120接收的光束之比，照明均匀性是照明数据的最小值与最大值之比，色彩均匀性是色度的相对标准偏差。
应用了具有均匀的双向透射率分布函数和镜面反射分量的双向反射率分布函数的漫射片160的色混合透镜110在效率、色彩均匀性以及照明均匀性方面具有卓越的光学特性，特别是，效率和照明均匀性分别大于70％。
根据上述内容，能够得知本发明的色混合透镜110将来自红色、绿色和蓝色光发光二极管124的红色光、绿色光和蓝色光很好地混合成白色光，并且从色混合透镜110的顶面发射该白色光。
参照图14，色混合透镜110用作液晶显示设备中的背光单元的光源。
应用了本发明的色混合透镜110的液晶显示设备包括液晶面板40、背光单元和底盖50，所述液晶面板根据用于显示图像的图像数据来控制液晶的光透射率，所述背光单元包括用于将光引导到液晶面板40的多个色混合透镜110，所述底盖用于将背光单元安装到其上。
液晶面板40包括彼此相对地接合的薄膜晶体管基板44和滤色器基板42、用于保持这两个基板42和44之间的单元间隙的间隔物，以及填充在由间隔物所形成的空间内的液晶。
将光提供给液晶面板40的背光单元包括多个色混合透镜110、用于将来自多个色混合透镜110的光进行漫射的漫射板20，以及用于使来自漫射板20的光偏振、会聚和漫射的多个光学片。
在光源基板12上安装以芯片形状而形成的色混合透镜110。
光从色混合透镜110入射在漫射板20上。漫射板20将来自多个色混合透镜110的光引导到液晶面板40的正面，对光进行漫射以使其具有均匀分布，并照亮该液晶面板40。漫射板20具有透明树脂膜，其两侧均涂有光漫射成分。
来自漫射板20的光由于光漫射而形成大视角。当光垂直地入射到液晶面板40上时，入射在液晶面板40上的光显示出最佳效率。为此，在漫射板20上排列多个光学片30。多个光学片30将来自漫射板20的光的方向转成垂直于液晶面板40，以提高光学效率。因此，光从漫射板20经具有漫射片32、会聚片34、偏振片36等的多个光学片30而入射在液晶面板40上。
同时，尽管已经以色混合透镜110应用于直射型背光单元为例描述了本发明的色混合透镜110，但是除此之外，色混合透镜110也能够应用于侧光型背光单元。在色混合透镜110应用于侧光型背光单元的情况下，发光部分140的顶面形成为面向光板的光入射面。
如已经描述的，本发明的色混合透镜和具有该色混合透镜的液晶显示设备具有下列优点：
红色、绿色和蓝色光发光二极管的应用改善了色彩再现性和发光效率；并且，本发明的色混合透镜允许制造纤细的液晶显示设备和发光器件的发光图案。
在不脱离本发明的精神或范围的情况下，对本发明可进行各种修改和变化，这对于所属领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明意在覆盖落入所附权利要求书范围及其等效范围内的对本发明的所有修改和变化。

Claims (13)

1.一种色混合透镜，包括：
光接收部分，该光接收部分具有：位于侧面的至少两个发光二极管，用于发射颜色彼此不同的光；和多个光接收凹槽，用于分别在其中放置所述发光二极管；
在该光接收部分上形成的色混合部分，用于将所述发光二极管发出的光混合成白色光；以及
在该色混合部分上形成的发光部分，用于通过其顶面发射来自该色混合部分的白色光，
其中在该发光部分的高度从下部到上部增大时该发光部分的直径变大，
其中该发光部分的侧面形成为具有波纹图案。
2.如权利要求1所述的色混合透镜，其中所述光接收凹槽具有设置在其中的光入射面，该光入射面相对于水平轴形成锐角并且具有曲率。
3.如权利要求1所述的色混合透镜，其中所述光接收凹槽的线宽大于所述发光二极管的直径。
4.如权利要求1所述的色混合透镜，还包括光反射层，该光反射层形成在除了该光接收部分的位于所述光接收凹槽内的光入射面以及该发光部分的顶面之外的该光接收部分、该发光部分以及该色混合部分上。
5.如权利要求1所述的色混合透镜，还包括光反射层，该光反射层形成在除了该光接收部分的位于所述光接收凹槽内的光入射面之外的光接收凹槽上以及在该发光部分的侧面上。
6.如权利要求1所述的色混合透镜，还包括：
光反射层，该光反射层形成在除了该光接收部分的位于所述光接收凹槽内的光入射面之外的光接收凹槽上以及在该发光部分的侧面上；以及
光反射结构，在除了与该光接收部分的光接收凹槽连接的部分之外的光接收部分和该色混合部分与该光反射结构分开的状态下，该光反射结构形成为围绕该光接收部分和该色混合部分。
7.如权利要求1所述的色混合透镜，其中该色混合部分具有多层结构，其中所述多层的至少一层具有斜面，该斜面在其高度从下部到上部增大时宽度变小。
8.如权利要求1所述的色混合透镜，其中该色混合部分具有单层结构，该单层结构具有斜面，该斜面在其高度从下部到上部增大时宽度变小。
9.如权利要求1所述的色混合透镜，其中该波纹图案随着其高度从下部到上部增大而深度变深。
10.如权利要求1所述的色混合透镜，其中该波纹图案在所述至少两个发光二极管的发光面的布置方向上扭曲。
11.如权利要求1所述的色混合透镜，其中该波纹图案在与所述至少两个发光二极管的发光面的布置方向相反的方向上扭曲。
12.如权利要求1所述的色混合透镜，还包括在该发光部分的顶面上形成的漫射片。
13.一种液晶显示设备，包括：
用于发射白色光的色混合透镜；以及
液晶面板，该液晶面板通过利用从该色混合透镜产生的白色的光来产生图像，
其中该色混合透镜包括：
光接收部分，该光接收部分具有：位于侧面的至少两个发光二极管，用于发射颜色彼此不同的光；和多个光接收凹槽，用于分别在其中放置所述发光二极管；
在该光接收部分上形成的色混合部分，用于将所述发光二极管发出的光混合成白色光；以及
在该色混合部分上形成的发光部分，用于通过其顶面发射来自该色混合部分的白色光，
其中在该发光部分的高度从下部到上部增大时该发光部分的直径变大，
其中该发光部分的侧面形成为具有波纹图案。
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