CN113391321A - 测距装置和测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供测距装置和测距方法，能不增加测距装置的测量时间而提高二维平面内正交的两个方向上的分辨率。测距装置(1)包括：对对象物出射照射光的发光部(11)；接收对象物的反射光的受光部(12)；基于反射光的传播时间计算与对象物的距离的距离计算部(14)；至少调整受光部(12)的姿态的姿态调整机构(16)；和驱动姿态调整机构(16)的姿态控制部(15)。受光部(12)由二维排列多个像素的二维传感器(12a)构成，距离计算部(14)根据二维传感器(12a)的各像素的受光数据计算二维距离数据。姿态控制部(15)借助姿态调整机构(16)以使二维传感器(12a)的像素阵列方向相对于对象物的棱线方向倾斜规定角度(θ)的方式控制受光部(12)的姿态。

Description

测距装置和测距方法

本申请要求2020年3月12日提交的日本专利申请JP 2020-43097的优先权，其内容通过引用结合于本申请中。

技术领域

本发明涉及一种用于基于光的传播时间来测量与对象物的距离的测距装置和测距方法。

背景技术

已知一种利用基于光的传播时间来测量与对象物的距离的方法(在下文中，称为TOF法：飞行时间法)的测距装置(在下文中，也称为TOF装置)。TOF装置的原理是，通过测量从发光部出射的照射光被对象物反射并返回到受光部的延迟时间，来计算与对象物的距离。通过在受光部中使用CCD等的二维图像传感器，能够将距离数据显示为二维距离图像，并且能够知道对象物的三维位置和形状。

如果对象物较小，或者要高精度地测量对象物的形状，则必须提高二维平面内的分辨率。即，这里的问题不是与对象物的距离的分辨率，而是在测量区域内的垂直/水平方向上的测量间隔。在这方面，例如，日本专利特开2018-54381号公报(以下称为专利文献1)中说明了一种光学测距装置，其通过由李萨如扫描确定的投影时刻，对测量对象物投射辐射光，通过来自测量对象物的反射光来测量距离。此时，通过在李萨如扫描的对象区域内改变激光发射时刻，切换到不同的照射图案来进行照射，实质上等同于减小测量位置之间的间隔，能够提高分辨率。

发明内容

当测距装置的受光部由二维传感器构成时，二维平面内的测量精度(分辨率)由二维传感器的像素数、与对象物的距离和视角决定。例如，存在这样的情况，该对象物是主要由平面构成的立体物(三维对象物)，期望测量其棱线(边缘)的位置。此时，当平行于棱线地配置二维传感器的像素阵列时，棱线位置的测量精度由与棱线正交的方向上的像素之间的间隔决定，可能无法满足期望的精度。

专利文献1中记载的技术是通过改变激光发射时刻以切换成不同的照射图案，但是只能在二维平面内的一个方向上期待通过一种照射图案来提高分辨率。例如，即使通过某一照射图案提高了垂直方向的分辨率，也不能提高与其正交的水平方向的分辨率。如果基于专利文献1的思想，假定要同时提高两个方向的分辨率的照射图案，则可以预想到测量时间增加、帧率降低。

本发明的目的是提供一种测距装置和测距方法，其能够在不增加测量时间的情况下提高二维平面中的两个正交方向的分辨率。

解决问题的技术方案

本发明提供一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距装置，其包括：对所述对象物出射照射光的发光部；接收来自所述对象物的反射光的受光部；根据由所述受光部接收到的反射光的传播时间来计算与所述对象物的距离的距离计算部；至少调整所述受光部的姿态的姿态调整机构；和驱动所述姿态调整机构的姿态控制部。所述受光部由二维地排列有多个像素的二维传感器构成，所述距离计算部根据所述二维传感器的各像素的受光数据来计算二维距离数据，所述姿态控制部借助于所述姿态调整机构，以使所述二维传感器的像素阵列方向相对于所述对象物的棱线方向倾斜规定角度θ的方式控制所述受光部的姿态。

本发明提供一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距方法，其特征在于：用二维地排列有多个像素的二维传感器接收被所述对象物反射的光，根据各像素的受光数据来计算二维距离数据，使所述二维传感器的像素阵列方向相对于所述对象物的棱线方向倾斜规定角度θ来接收光。

根据本发明，在二维平面中彼此正交的两个方向上的分辨率被同时提高，而不增加测量时间。结果，可以高精度地测量尤其是对象物主要由平面构成的立体物的棱线位置。

附图说明

通过以下结合附图的说明，本发明的这些和其他特征、目的和优点将变得更加明显，其中：

图1是示出测距装置的第一结构示例的图。

图2是用于说明通过TOF法进行距离测量的原理的图。

图3是用于说明受光部不倾斜时的分辨率的图。

图4是用于说明受光部倾斜时的垂直分辨率的图。

图5是用于说明受光部倾斜时的水平分辨率的图。

图6是用于说明倾斜角度θ的最佳范围的图。

图7是示出了用于调整壳体(受光部)的姿态的过程的流程图。

图8是用于说明基于本实施例的分辨率提高的效果的示例的图。

图9是示出测距装置的第二结构例的图。

具体实施方式

下面将说明本发明的测距装置的实施方式。但是，本发明不应解释为限于以下所示的实施方式的记载内容。本领域技术人员容易理解，在不脱离本发明的思想或精神的情况下，可以改变具体的构成。

在以下说明的本发明的构成中，相同的附图标记在不同的附图中通用于相同的部分或具有相同功能的部分，可以省略重复的说明。

如以下将说明的，本发明的测距装置具有调整受光部的姿态的功能，由此能够提高垂直/水平方向上的分辨率。

实施例1

图1是示出根据本发明的测距装置的第一构成例的图。测距装置(TOF装置)1作为距离测量功能部具有：从光源对对象物照射脉冲光的发光部11；用二维传感器接收从对象物反射的脉冲光的受光部12；用于进行发光部11的点亮/熄灭和发光量控制的发光控制部13；和根据受光部12的检测信号(受光数据)计算与对象物的距离的距离计算部14，这些功能部被收纳在壳体10的内部。

此外，作为测距装置1的受光部12的姿态调整功能部，在壳体10内部具有姿态控制部15，在壳体10的外部具有姿态调整机构16。姿态调整机构16保持整个壳体10并调整其姿态(相对于设置面的倾斜角θ)。姿态控制部15基于受光部12的检测信号(亮度数据)来驱动姿态调整机构16，以控制壳体10的姿态，即受光部12的倾斜角θ。

稍后将说明姿态调整的细节，在距离测量时通过使壳体10倾斜，并且受光部12的二维传感器的像素阵列方向设成与测量对象物的棱线方向以规定角度倾斜相交的状态，由此能够同时提高垂直/水平方向的分辨率。

在测距装置1中，由距离计算部14计算出的距离数据被发送至外部处理装置2。外部处理装置2例如由个人计算机构成，基于距离数据生成表示对象物的形状的距离图像和表示对象物的棱线位置的位置数据，并显示在显示器等上。

图2是说明通过TOF法进行距离测量的原理的图。测距装置1具有发光部11和受光部12，并且从诸如激光二极管(LD)或发光二极管(LED)等的发光部11朝向对象物3发射用于距离测量的照射光L1。在此，将叉车用托盘的示例表示为对象物3。托盘是主要由平坦表面构成的立体物，在前表面具有水平棱线31，垂直棱线32以及用于插入叉子的开口部33。例如，在叉车作业中，需要通过测距装置1精确地检测棱线31、32和开口部33的位置，需要将叉子准确地插入开口部33中。

受光部12用二维传感器12a经由物镜17接收由对象物3反射的反射光L2。二维传感器12a是诸如CCD传感器和CMOS传感器等的多个像素的二维阵列，并能够从各像素的受光数据获得二维距离数据。此外，能够从二维传感器12a的各像素的亮度数据获得对象物3的亮度图像。

对象物3位于与发光部11和受光部12隔开距离D的位置。在此，假设光的速度为c，从发光部11射出照射光L1到受光部12接收反射光L2的传播时间为t，则到对象物3的距离D可利用D＝c×t/2计算。在由距离计算部14执行的实际距离测量中，代替传播时间t，发出具有规定宽度的照射脉冲，在偏离二维传感器12a的曝光快门的时刻的同时接收照射脉冲，根据不同时刻的受光量(累积量)的值来计算距离D。

以下，以图2的托盘作为对象物3的例子，对本实施例的测距装置1的测量时的分辨率进行说明。假设对象物3(托盘)水平地设置在地板上，并且测距装置1也平行于地板地设置。因此，在该状态下，对象物3的棱线方向与受光部12(二维传感器12a)的像素阵列的方向基本平行。在该实施例中，通过用姿态调整机构16调整壳体10的姿态，以使受光部12(二维传感器12a)的像素阵列的方向相对于对象物3的棱线方向倾斜，来提高二维平面内的垂直/水平方向上的分辨率。

图3是为了进行比较而用以说明壳体(受光部)不倾斜时的分辨率的图。在图3中，(a)是从正面观察的测距装置1的图，壳体10平行于地板表面(倾斜角θ＝0)。在壳体10中，在左右具有两个发光部11，并且在两个发光部11之间夹着受光部12。这里使用两个发光部11，但是也可以使用单侧一个发光部11。受光部12具有二维传感器12a，二维传感器12a的像素阵列水平方向平行于壳体10的底面。

在图3中，(b)和(c)通过网格示出了受光部12中的二维传感器12a的像素配置，并且在其上重叠地示出了透明地呈现的对象物3(托盘)的形状。图3的(b)和(c)示出了对象物3的位置在垂直方向上错开了一个像素、从<状态1>迁移到<状态2>的情况。

对象物3的实际尺寸比二维传感器12a的尺寸大得多，但是通过设置在受光部12的入射侧的物镜17，以透镜倍率减小而投射到二维传感器12a上。在下面的说明中，当比较对象物3的大小(移动量)和二维传感器12a的像素大小时，无需特别说明，以透镜倍率对其中任一方的值进行修正后进行比较。

二维传感器12a的像素阵列的水平/垂直方向和对象物3的棱线的水平/垂直方向彼此平行地配置。像素数是12×12的排列，检测到对象物3的像素以灰色(像素值＝1)示出，未检测到对象物3的像素以白色(像素值＝0)示出。在此，作为像素值的定义，在一个像素区域(方格)中对象物3即使是以一部分存在的情况下，也设为灰色(像素值＝1)。但是，该定义是任意的，例如，在存在对象物3的50％的情况下，即使设为像素值＝1，以下结论也是相同的。

在图3的(b)的<状态1>中，对象物3的水平棱线31的位置是线a，例如在像素P1、P2中未检测到对象物3。

在图3的(c)的<状态2>中，使对象物3在垂直方向上移动了一个像素(垂直像素间隔V)。水平棱线31的位置移动到线b，例如在像素P1、P2中检测到对象物。

图3的(d)是放大比较地示出在上述<状态1>和<状态2>中的传感器区域12b(由虚线框表示)内的像素状态。

在此，作为分辨率的定义，当对象物3在垂直方向上移动时，与感兴趣的水平棱线31的检测相关的二维传感器12a内的任何像素的像素值不发生改变期间的最大移动量、即相对于对象物的移动的盲区的宽度，设为垂直分辨率。在该示例中，当水平棱线31超过线a时，包括像素P1、P2的水平像素阵列的像素值一起从0切换到1，并保持直到水平棱线31到达线b。当水平棱线31超过线b时，与像素P1、P2的上侧相邻的像素阵列的像素值切换。即，从线a到线b的区间是盲区，垂直分辨率y是y＝V(垂直像素间隔)。

水平分辨率也一样定义。在本例中，由于对象物3的垂直棱线和像素阵列的垂直方向彼此平行地配置，因此水平分辨率x为x＝H(水平像素间隔)。

当以这种方式将二维传感器12a的像素阵列与棱线平行布置时，棱线位置的测量精度由棱线和与其垂直的方向的像素间隔确定，不能满足期望的精度。

图4是用于说明本实施例中的壳体(受光部)倾斜时的垂直分辨率的图。在图4中，(a)是从正面观察的测距装置1的视图，其中壳体10相对于地板表面倾斜了角度θ。在该例的附图中，倾斜角θ设为约10deg，但是也可以如后所述，根据期望的分辨率将其设定为最佳角度。与此同时，包括在受光部12中的二维传感器12aa的像素阵列的水平方向也相对于地板表面倾斜了角度θ。

在图4中，(b)和(c)以网格示出了受光部12内的二维传感器12a的像素配置，并且在其上重叠地示出了透明地呈现的对象物3(托盘)的形状。图4的(b)和(c)示出了对象物3的位置在垂直方向上(向上方向)偏移y、从<状态1>迁移到<状态2>的情况。

二维传感器12a的像素阵列的水平方向和对象物3的水平棱线31以角度θ倾斜交叉地配置。与图3同样地，检测到对象物3的像素以灰色(像素值＝1)示出，未检测到对象物3的像素以白色(像素值＝0)示出。此时，如上所述，当在一个像素区域(方格)中至少存在少量的对象物3时，定义为像素值＝1(灰色)。

在图4的(b)的<状态1>中，对象物3的水平棱线31的位置是线a，通过像素P1的左下角。在这种状态下，例如，在像素P1、P2中未检测到对象物3。

在图4的(c)的<状态2>中，对象物3沿竖直方向(向上方向)移动y，水平棱线31的位置移动至线b，通过像素P2的左下角。移动量y小于垂直像素间隔V，并且由y＝Hsinθ(H是水平像素间隔)表示。在这种状态下，例如，由于在像素P1中检测到对象物的一部分，因此像素P1成为像素值＝1。

图4的(d)是放大比较地示出在上述<状态1>和<状态2>中的传感器区域12b(由虚线框表示)内的像素状态。

在这种情况下的垂直分辨率根据上述定义求取。当水平棱线31超过线a时，像素P1的像素值从0切换到1，像素P2的像素值保持为0。当水平棱线31超过线b时，像素P2的像素值从0切换到1。因此，从线a到线b之间的区域是盲区，该区域的宽度y＝Hsinθ是垂直分辨率。与图3中的垂直分辨率y＝V相比，分辨率大大提高。

图5是用于说明本实施例中的壳体(受光部)倾斜时的水平分辨率的图。在图5中，(a)是从正面观察测距装置1的视图，与图4的(a)相同地，壳体10相对于地板表面倾斜了角度θ。与此同时，包括在受光部12中的二维传感器12a的像素阵列的垂直方向也相对于地板表面的法线倾斜了角度θ。

在图5中，(b)和(c)以网格示出了受光部12内的二维传感器12a的像素配置，并且在其上重叠地示出了透明地呈现的对象物3(托盘)的形状。图5的(b)和(c)示出了对象物3的位置在水平方向上(向右方向)偏移x、从<状态1>迁移到<状态2>的情况。

二维传感器12a的像素阵列的垂直方向和对象物3的垂直棱线32以角度θ倾斜交叉地配置。与图4同样地，检测到对象物3的像素以灰色(像素值＝1)示出，未检测到对象物3的像素以白色(像素值＝0)示出。此时，如上所述，当在一个像素区域(方格)中至少存在少量的对象物3时，定义为像素值＝1(灰色)。

在图5的(b)的<状态1>中，对象物3的垂直棱线32的位置是线c，通过像素P3的左上角。在这种状态下，例如，在像素P3、P4中未检测到对象物3。

在图5的(c)的<状态2>中，对象物3沿水平方向(向右方向)移动x，垂直棱线32的位置移动至线d，通过像素P4的左上角。移动量x小于水平像素间隔H，并且由x＝Vsinθ(V是垂直像素间隔)表示。在这种状态下，例如，由于在像素P3中检测到对象物的一部分，因此像素P3成为像素值＝1。

图5的(d)是放大比较地示出在上述<状态1>和<状态2>中的传感器区域12c(由虚线框表示)内的像素状态。

在这种情况下的水平分辨率根据上述定义求取。当垂直棱线32超过线c时，像素P3的像素值从0切换到1，像素P4的像素值保持为0。当垂直棱线32超过线d时，像素P4的像素值从0切换到1。因此，从线c到线d之间的区域是盲区，该区域的宽度x＝Vsinθ为水平分辨率。与图3中的水平分辨率x＝H相比，分辨率大大提高。

以这种方式，通过倾斜壳体10(受光部12)，使得二维传感器12a的像素阵列的方向与对象物3的棱线倾斜相交，能够使垂直方向和水平方向二者的分辨率同时得到改善。接下来说明倾斜角θ的最佳范围。

图6是用于说明倾斜角θ的最佳范围的图。在图6中，(a)示出水平棱线31和水平像素阵列以角度θ相交的状态，(b)示出水平棱线31长并且相交的数量增加的状态。像素用圆圈(○，●)表示，尤其是棱线31上的像素用●表示。

在图6的(a)中，如上所述，垂直分辨率y为y＝Hsinθ，并且角度θ越小，分辨率越高。相反，随着角度θ的增大，分辨率的提高效果降低，当角度θ＝45deg时，垂直分辨率

当角度θ超过45deg时，分辨率不是由水平像素阵列决定，而是由和与水平像素阵列正交的垂直像素阵列的相交状态、即倾斜角(90deg-θ)来决定。

另一方面，考虑与水平棱线31相交的水平像素阵列的线数。水平棱线31上的水平像素阵列之间的间隔(交叉间隔)U由U＝V/sinθ表示。当设水平棱线31的长度为W时，与水平棱线31相交的水平像素阵列的行数(交叉线数)n为n＝W/U＝(W/V)sinθ。在图6的(a)的示例中，交叉线数n＝2，并且标有●的像素处于相交状态。

棱线的长度W越短或倾斜角度θ越小，交叉线数n越小。如果交叉线数n变为n＜1，则会产生由于水平像素阵列而不能以上述分辨率y检测出棱线的区间，这是不合适的。此外，由于必须在两个或更多个点处进行检测以便捕捉并检测棱线的方向，所以期望交叉线数n为n≥2。即，期望将倾斜角度θ设定为满足n＝(W/V)sinθ≥2。

水平分辨率也是如此。当设垂直棱线32的长度为W'时，期望将倾斜角度θ设定为满足n＝(W'/H)sinθ≥2。

图6的(b)所示的示例是交叉线数n＝4的情况。在此图中，由于在棱线的两端也进行检测，因此有五个检测点。即使两端的数据不稳定，因为中央部的三点覆盖了棱线长度W的50％以上，也可以得到可靠的数据。

图7是示出用于调整壳体(受光部)的姿态的过程的流程图。为了调整壳体的姿态，姿态控制部15驱动姿态调整机构16以调整壳体10的姿态，使受光部12内的二维传感器12a的像素阵列方向相对于对象物3的棱线方向倾斜预定角度θtgt。但是，由于对象物3的棱线通常沿任意方向存在，因此首先检测棱线的方向，然后相应地使像素阵列方向倾斜相交。

在该实施例中，为了检测棱线的方向，使用受光部12的二维传感器12a的亮度数据。在该情况下，由于以二维传感器12a的像素阵列方向为基准来调整对象物3的棱线方向的角度即可，因此能够有效地进行处理。下面将按步骤顺序进行说明。

S101：姿态控制部15从受光部12的亮度数据获取对象物3的摄像机图像。

S102：从对象物的摄像机图像中提取作为测量对象的棱线部分(例如水平棱线)。此时，能够根据二维传感器12a内的各像素的亮度水平的差异，高精度地提取出棱线的方向。当对象物具有多条棱线时，操作者可以在观看监视图像的同时选择期望的棱线。

S103：以二维传感器12a的像素阵列方向为基准，计算所提取出的棱线的方向的倾斜角θ。

S104：如图6所示，将倾斜角的目标角度θtgt设定为满足(W/V)sinθ≥2。关于棱线的长度W，可以测量在S102中提取出的棱线的长度。

S105：判断在S103中计算出的倾斜角θ是否等于目标角度θtgt。

S106：当倾斜角θ不等于目标角度θtgt时，驱动姿态调整机构16以通过角度之间的差来校正壳体10的姿态。之后，处理返回到S101，反复以上处理。

S107：当倾斜角θ等于目标角度θtgt时，结束调整处理，转移到测距动作。

在上述流程图中，当确定了对象物内的要测量的棱线部分(例如托盘的开口部)时，可以自动执行S102的棱线提取。因此，即使对象物的姿态朝向任意方向，也能够相应地将受光部12(二维传感器12a)的方向自动地调整为最佳状态。

图8是用于说明本实施例的分辨率提高效果的示例的图。在图8中，(a)是确认实验方法的说明图，(b)示出了作为比较例的倾斜角θ＝0时的测量结果，(c)示出了倾斜角θ＝10deg时的测量结果。

如图8的(a)所示，在沿垂直方向移动对象物(托盘)3的同时，由测距装置1测量开口部(以下称为“托盘孔”)33的位置(高度)。作为测量对象的托盘孔33的水平线棱的长度W＝260mm。

图8的(b)示出了在水平地设置测距装置1的壳体(倾斜角θ＝0)时，托盘以1mm的间隔移动至20mm的情况。横轴表示托盘的移动量，纵轴表示托盘孔的测量结果。所获得的结果不能跟踪1mm的移动间隔，具有与垂直方向上的像素间隔相当的约7mm的盲区，并且具有约7mm的垂直分辨率。

图8的(c)示出了倾斜地设置测距装置1的壳体的情况。在这种情况下，倾斜角度是θ＝10deg，交叉线数n＝(W/V)sinθ＝4.5。确认了所获得的结果基本上跟踪1mm的移动间隔，并且垂直分辨率提高到约1mm。

如上所述，根据本实施例，能够在不增加受光部12(二维传感器12a)本身的密度的情况下，同时提高二维平面内的彼此正交的两个方向上的分辨率。结果，特别是对于对象物主要由平面构成的立体物，能够高精度地测量其棱线位置。

实施例2

图9是表示本发明的测距装置的第二结构例的图。测距装置(TOF装置)1'包括与实施例1(图1)相同的结构，但姿态调整功能的构成不同。在图9中，(a)示出了装置的整体结构，(b)是从正面看装置的图。

根据实施例2的姿态调整机构16'设置在壳体10内部，仅保持受光部12，调整受光部12相对于壳体10的姿态。由此，通过使受光部12的二维传感器12a的像素阵列方向与测量对象物3的棱线方向倾斜地相交，与实施例1中一样，能够同时提高垂直/水平方向上的分辨率。姿态调整的动作与实施例1的相同，省略其说明。

根据实施例2的构成，不仅能够获得与实施例1的效果相同的效果，而且因为可动部仅仅是受光部12，与实施例1的构成相比较，具有可以减小装置的整体尺寸的优点。

Claims (6)

1.一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距装置，其特征在于，包括：

对所述对象物出射照射光的发光部；

接收来自所述对象物的反射光的受光部；

根据由所述受光部接收到的反射光的传播时间来计算与所述对象物的距离的距离计算部；

至少调整所述受光部的姿态的姿态调整机构；和

驱动所述姿态调整机构的姿态控制部，

所述受光部由二维地排列有多个像素的二维传感器构成，

所述距离计算部根据所述二维传感器的各像素的受光数据来计算二维距离数据，

所述姿态控制部借助于所述姿态调整机构，以使所述二维传感器的像素阵列方向相对于所述对象物的棱线方向倾斜规定角度θ的方式控制所述受光部的姿态。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，

令呈现在所述受光部的所述二维传感器上的所述对象物的棱线的长度为W、与所述对象物的棱线正交的方向上的所述二维传感器的像素间隔为V时，

所述姿态控制部以使所述规定角度θ满足(W/V)sinθ≥2的方式控制所述受光部的姿态。

3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，

所述发光部、所述受光部、所述距离计算部和所述姿态控制部被收纳在共用的壳体中，

所述姿态调整机构调整所述壳体的姿态。

4.一种根据光的传播时间来测量与对象物的距离的测距方法，其特征在于，包括：

用二维地排列有多个像素的二维传感器接收被所述对象物反射的光，并根据各像素的受光数据来计算二维距离数据，

使所述二维传感器的像素阵列方向相对于所述对象物的棱线方向倾斜规定角度θ来接收光。

5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，

令呈现在所述二维传感器上的所述对象物的棱线的长度为W、与所述对象物的棱线正交的方向上的所述二维传感器的像素间隔为V时，以使所述规定角度θ满足(W/V)sinθ≥2的方式进行设定。

6.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，

用与呈现在所述二维传感器上的所述对象物对应的各像素的亮度数据来检测所述对象物的棱线方向。

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