JP2013148620A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１の画像および第２の画像を１つの投影部から投影すること。
【解決手段】表示装置１は、投影部１２，１３と、投影部１２，１３によって背面から投影される被投影部材１４と、被投影部材１４に沿って形成され、投影部１２，１３からの投影光を拡散する第１領域および投影光を透過する第２領域を有する光学部材１５と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、表示装置に関する。

外側ドームスクリーンに第１の画像を投影する外側用プロジェクタと、内側ドームスクリーンに第２の画像を背面投影する内側用プロジェクタとを備える表示装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−１２９００３号公報

従来技術では、第１の画像および第２の画像を投影するために複数のプロジェクタが必要であった。

本発明による表示装置は、投影部と、投影部によって背面から投影される被投影部材と、被投影部材に沿って形成され、投影部からの投影光を拡散する第１領域および投影光を透過する第２領域を有する光学部材と、を備えることを特徴とする。

本発明による表示装置では、第１の画像および第２の画像を１つの投影部から投影できる。

本発明の第一の実施形態による表示装置の構成を例示するブロック図である。 表示装置の使用場面を例示する図である。 プロジェクターユニットにおける光学系の要部構成を説明する断面図である。 投影光学系の詳細を説明する図である。 拡散／透過を空間的に分ける例を説明する図である。 拡散／透過を空間的に分ける例を説明する図である。 本発明の第二の実施形態によるプロジェクターユニットにおける光学系の要部構成を説明する断面図である。 光学部材の分光特性を例示する図である。 フィルタホイールを例示する図である。 変形例９による投影光学系の要部構成を説明する断面図である。 変形例１０による投影光学系の要部構成を説明する断面図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態による表示装置１の構成を例示するブロック図である。図１において、表示装置１は、プロジェクターユニット１０と、処理部２０と、カメラユニット３０とを有する。プロジェクターユニット１０は、背面投影用スクリーン１４および不図示の外部スクリーン（たとえば天井または壁）へ向けて投影を行う。カメラユニット３０は、上記天井または壁などを撮影する。

プロジェクターユニット１０は、光源１１と、表示素子１２と、投影光学系１３と、背面投影用スクリーン１４とを含む。光源１１は、たとえば、緑色光を発する発光ダイオード（以下ＬＥＤと呼ぶ）と、赤色光を発するＬＥＤと、青色光を発するＬＥＤとを有し、３原色光源を構成する。光源１１は、各色のＬＥＤを時分割で発光させることにより、表示素子１２を色順次に照明する。

表示素子１２は、たとえば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）によって構成される。ＤＭＤは、画素に対応する可動微小鏡面（マイクロミラー）を二次元に配列したものである。マイクロミラーに設けられる電極を駆動することにより、照明光を投影光学系１３へ向けて反射する状態と、照明光を内部の吸収体へ向けて反射する状態とを切替える。各マイクロミラーを個別に駆動することにより、表示画素ごとに照明光の反射を制御する。

一般に、ＤＭＤは照明光を外部へ反射する状態と、照明光を内部へ吸収する状態との２値制御であるが、これら２値状態を高速で切替え、反射状態と吸収状態との時間比率を制御するパルス幅変調(ＰＷＭ)によって濃淡を表現する。上述した光源１１によって色順次で照明することにより、１個の表示素子１２を用いてフルカラー像の投影を行う。上述したように表示画素ごとに照明光の反射が制御された変調光は、投影光として投影光学系１３を介して射出される。この投影光は、背面投影用スクリーン１４へ向けて進行する。

プロジェクターユニット１０は、処理部２０によって生成されたフレーム画像を投影する。処理部２０は、カメラユニット３０または不図示の外部機器から供給された画像データに基づいてフレーム画像を生成する。処理部２０は、メモリ２１と、フレーム画像生成部２２と、フレーム切替部２３と、制御部２４とを含む。メモリ２１は、カメラユニット３０または不図示の外部機器から受信した画像データを格納する。フレーム画像生成部２２は、メモリ２１に格納された画像データに基づいてフレーム画像を生成し、生成したフレーム画像をメモリ２１へ格納する。フレーム切替部２３は、制御部２４からの指示に応じて、メモリ２１に格納されたフレーム画像のうち所定のフレーム画像を読出して制御部２４へ送る。制御部２４は、フレーム切替部２３によって読出されたフレーム画像信号に基づいて表示素子１２を駆動するとともに、光源１１を発光させるようにプロジェクターユニット１０に対する投影制御を行う。

カメラユニット３０は、制御部２４からの指示に応じて上記天井または壁などの風景を撮影する。撮像素子３１は、投影光学系１３を介して撮像面上に結像された被写体像を撮像する。撮像制御部３２は、撮像素子３１からの撮像信号に基づいて生成した画像データを処理部２０へ送出する。

本実施形態は、プロジェクターユニット１０の構成に特徴を有するので、以降の説明はプロジェクターユニット１０を中心に行う。図２は、表示装置１の使用場面を例示する図である。表示装置１は、たとえば、建物内に載置される。表示装置１は、プロジェクターユニット１０から天井（または壁）へフレーム画像を投影したり、カメラ１０が天井（または壁）を撮影したりする。

図３は、プロジェクターユニット１０における光学系の要部構成を説明する断面図である。図３において、表示装置１は、投影光学系１３と、表示素子１２および撮像素子３１を含むブロックから、背面投影用スクリーン１４に向けて投影する。投影光学系１３は、いわゆる魚眼レンズなどで構成され、投影光学系１３から射出する投影光束を広角なものとする。背面投影用スクリーン１４は、たとえば、半球のドーム形状を有する透明ガラス部材によって構成される。背面投影用スクリーン１４の内側面（半球形状の内側）に沿って液晶素子１５が配設される。液晶素子１５には、制御部２４によって不図示の電極から電圧が印加される。

液晶素子１５は、電圧の印加の有無に応じて液晶層内の液晶分子の配向を変え、投影光学系１３からの投影光を拡散する状態と、投影光学系１３からの投影光を透過する状態とを切替える。液晶素子１５が投影光を拡散する状態では、背面投影用スクリーン１４の内側（すなわち観察者から見て該スクリーン１４の裏側）に形成された液晶素子１５による拡散面にフレーム画像が背面投影される。

一方、投影光学系１３からの投影光を液晶素子１５が透過する状態では、背面投影用スクリーン１４（液晶素子１５）を透過した投影光によって図２の天井にフレーム画像が投影される。液晶素子１５の拡散状態と透過状態とを所定の時間ごとに切替える（たとえば、６０回／毎秒）と、背面投影用スクリーン１４への背面投影と、天井への投影とが時分割で切替えられる。６０回／毎秒で切替える場合の観察者は、残像効果によって２つの投影像を鑑賞することができる。

なお、液晶素子１５の拡散／透過を切替えるタイミングで表示素子１２に異なるフレーム画像を形成させることによって、背面投影用スクリーン１４への背面投影像と天井への投影像の内容を異ならせてもよい。この場合の制御部２４は、それぞれに投影すべきフレーム画像をメモリ２１へ格納しておき、液晶素子１５を切替えるタイミングで表示素子１２上に形成させるフレーム画像を切替えるように表示素子１２を駆動する。

投影光学系１３は、カメラユニット３０の撮影光学系として共用される。図４は、投影光学系１３の詳細を説明する図である。撮像素子３１は、投影光学系１３およびフォーカシングレンズ１３ａを介して入射され、ハーフミラー１３ｂによって左方へ折り曲げられた光束による被写体像を撮像する。一方、上述したように表示素子１２によって照明光を変調した投影光は、ハーフミラー１３ｂを透過して投影光学系１３へ導かれ、投影光学系１３から広角に射出される。フォーカシングレンズ１３ａは、不図示のアクチュエータで構成したレンズ駆動機構によって光軸方向（図の上下方向）に進退移動される。レンズ駆動機構に対するフォーカシングレンズ１３ａの移動制御は、制御部２４から指示される。フォーカシングレンズ１３ａは、撮影時には撮影用のフォーカス調節のために移動され、投影時には投影用のフォーカス調節のために移動される。なお、制御部２４は、上述した液晶素子１５を透過状態に切替えた状態でカメラユニット３０に撮影を行わせる。

制御部２４は、液晶素子１５の拡散／透過を切替えるタイミングでフォーカシングレンズ１３ａを移動させ、背面投影用スクリーン１４への背面投影時と、天井への投影時とでそれぞれのフォーカス調節を行う。この場合の制御部２４は、液晶素子１５の拡散／透過を切替えるタイミングでフォーカシングレンズ１３ａを移動させ、背面投影用スクリーン１４への背面投影時と、天井への投影時とでそれぞれ投影像のピントがあうように不図示のアクチュエータを駆動する。

以上説明した第一の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）表示装置１は、光源１１、表示素子１２および投影光学系１３と、これら光源１１、表示素子１２および投影光学系１３によって背面から投影される背面投影用スクリーン１４と、背面投影用スクリーン１４に沿って形成され、光源１１、表示素子１２および投影光学系１３からの投影光を拡散する第１領域および投影光を透過する第２領域を有する液晶素子１５と、を備えるようにしたので、第１の画像および第２の画像を１つの光源１１、表示素子１２および投影光学系１３から投影できる。たとえば、拡散領域において第１の画像を背面投影する一方、透過領域を透過した光によって第２の画像を投影できる。

（２）上記（１）の表示装置１において、液晶素子１５は、拡散領域と透過領域とが切替わるので、第１の画像の投影と第２の画像の投影との切替えを自在に行える。

（３）上記（２）の表示装置１において、液晶素子１５は、拡散領域と透過領域とが時系列で切替わるので、第１の画像の投影と第２の画像の投影とを時系列に切替えできる。

（４）上記（３）の表示装置１において、拡散光による第１投影内容と透過光による第２投影内容とを異ならせるように、時系列の切替え時に光源１１、表示素子１２および投影光学系１３を制御する制御部２４をさらに備えるようにしたので、たとえば、異なる画像を投影したり、異なる歪み補正をしたり、異なる輝度補正が可能になる。

（５）上記（３）の表示装置１において、時系列の切替え時に投影光学系１３の焦点調節を行うように光源１１、表示素子１２および投影光学系１３を制御する制御部２４をさらに備えるようにしたので、第１の画像の投影時と第２の画像の投影時とで別々にピント合わせを行うことができる。

（変形例１）
上述した第一の実施形態では光源１１をＬＥＤによって構成する例を説明した。この代わりに、レーザー光源によって光源１１を構成してもよい。レーザー光源をプロジェクターユニット１０の光源１１として用いる場合、レーザビーム径が細いことから投影光学系１３を常焦点の構成にすることができる。この場合には、背面投影用スクリーン１４への背面投影時や天井への投影時にフォーカシングレンズ１３ａを進退移動させなくてもピントが合った投影像が得られる。

（変形例２）
制御部２４は、液晶素子１５の拡散／透過を切替えるタイミングで投影像の歪み補正を電子的に行うようにしてもよい。たとえば、いわゆる台形歪みを補正する場合には、投影像の歪みをキャンセルするように、あらかじめ表示素子１２に形成するフレーム画像に歪みを与えることによって行う。この場合の制御部２４は、液晶素子１５の拡散／透過を切替えるタイミングで表示素子１２上に形成させるフレーム画像（あらかじめ補正用の歪みを与えたもの）を切替えるように表示素子１２を駆動する。さらに、液晶素子１５の拡散／透過を切替えるタイミングで光源１１の輝度を制御することにより、背面投影用スクリーン１４への投影時に比べて天井への投影時の発光輝度を高めるように輝度補正を行ってもよい。背面投影と天井への投影との間の投影輝度の差を抑えることができる。

（変形例３）
液晶素子１５の拡散／透過を空間的に分けるように構成してもよい。変形例３の制御部２４は、背面投影用スクリーン１４の内側面（半球形状の内側）に沿って配設されている液晶素子１５Ｂを、図５に例示するようにスリット状に分割して切替え制御する。図において斜線部分は拡散領域を表し、図において白地部分は透過領域を表す。変形例３では、液晶素子１５の拡散状態と透過状態とを所定時間ごとに切替えることなく、定常的に切替えておく。変形例３によれば、上記実施形態に比べて投影像の解像度は低下するものの、背面投影用スクリーン１４への背面投影と天井への投影とを同時に行える。観察者は、残像効果によらなくても２つの投影像を鑑賞できる。

（変形例４）
液晶素子１５の拡散／透過を空間的に分けるパターンを異ならせてもよい。変形例４の制御部２４は、背面投影用スクリーン１４の内側面（半球形状の内側）に沿って配設されている液晶素子１５Ｃを、図６に例示するように市松模様状に分割して切替え制御する。図において斜線部分は拡散領域を表し、図において白地部分は透過領域を表す。変形例４の場合にも、液晶素子１５の拡散状態と透過状態とを所定時間ごとに切替えることなく、定常的に切替えておく。変形例４によれば、上記実施形態に比べて投影像の解像度は低下するものの、背面投影用スクリーン１４への背面投影と天井への投影とを同時に行える。観察者は、残像効果によらなくても２つの投影像を鑑賞できる。

（変形例５）
液晶素子１５に代えて、ホログラフィック光学素子を用いて構成してもよい。

（第二の実施形態）
図７は、本発明の第二の実施形態によるプロジェクターユニット１０における光学系の要部構成を説明する断面図である。投影光学系１３は、第一の実施形態と同様であり、射出する投影光を広角なものとする。背面投影用スクリーン１４は、たとえば、半球のドーム形状を有する透明ガラス部材によって構成される。また、背面投影用スクリーン１４の内側面（半球形状の内側）に沿って拡散面１６が形成される。この拡散面１６は、所定の拡散波長域の光を拡散し、該拡散波長域以外の波長域の光を透過する。

図８は、光学部材の分光特性を例示する図である。横軸は波長（単位ｎｍ）を表し、縦軸は光の相対レベルを表す。点線波形は、光源１１を構成する各色のＬＥＤによる発光スペクトルを表す。たとえば、Ｂ色ＬＥＤは波長４５０nmを中心に発光し、Ｇ色ＬＥＤは波長５５０nmを中心に発光し、Ｒ色ＬＥＤは波長５１０nmを中心に発光する。

図８において一点鎖線波形は、拡散面１６が拡散する拡散波長域を表す。本実施形態では、各色のＬＥＤがそれぞれ発した光のうち、各ＬＥＤによる発光中心波長より短い波長成分の光を拡散するように構成される。このため、投影光学系１３からの投影光の波長成分を一点鎖線の拡散波長域に対応させることにより、背面投影用スクリーン１４の内側の拡散面１６に投影像が形成される。この場合の観察者は、背面投影用スクリーン１４に背面投影されたフレーム画像を観察できる。

図８において実線波形は、拡散面１６を透過させる投影光の波長域を表す。各ＬＥＤによる発光中心波長より長い波長成分に相当する。投影光学系１３からの投影光の波長成分を実線波形の透過波長域に対応させることにより、背面投影用スクリーン１４を透過した投影光によって天井にフレーム画像が投影される。この場合の観察者は、天井に投影されたフレーム画像を観察できる。

投影光学系１３からの投影光の波長成分を図８に例示した拡散波長域または透過波長域に対応させるために、フィルタホイール１７が投影光学系１３と背面投影用スクリーン１４との間に設けられる。図９は、フィルタホイール１７を例示する図である。フィルタホイール１７は、たとえば円板状に構成され、上述した一点鎖線波形に対応する拡散波長域と、上述した実線波形に対応する透過波長域とにそれぞれ対応するバンドパスフィルタが交互に形成される。フィルタホイール１７を所定の速度で回転させる（たとえば、６０回転／毎秒）と、背面投影用スクリーン１４への背面投影と、天井への投影とを時分割で切替えられる。６０回転／毎秒で回転させる場合の観察者は、残像効果によって２つの投影像を鑑賞することができる。

なお、フィルタホイール１７の回転に合わせて表示素子１２に異なるフレーム画像を形成させることによって、背面投影用スクリーン１４への背面投影像と天井への投影像の内容を異ならせてもよい。この場合の制御部２４は、それぞれに投影すべきフレーム画像をメモリ２１へ格納しておき、フィルタホイール１７が透過と拡散とを切替えるタイミングで表示素子１２上に形成させるフレーム画像を切替えるように、表示素子１２を駆動する。

制御部２４は、第一の実施形態と同様に、フィルタホイール１７が透過と拡散とを切替えるタイミングでフォーカシングレンズ１３ａを移動させ、背面投影用スクリーン１４への背面投影時と、天井への投影時とでそれぞれ投影像のピントがあうように不図示のアクチュエータを駆動する。また、制御部２４は、フィルタホイール１７が透過と拡散とを切替えるタイミングで電子的に投影像の歪み補正を行ってもよい。さらにまた、フィルタホイール１７が透過と拡散とを切替えるタイミングで光源１１の輝度を制御することにより、背面投影用スクリーン１４への投影時と天井への投影時との間の輝度補正を行ってもよい。

以上説明した第二の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）表示装置１は、光源１１、表示素子１２および投影光学系１３と、これら光源１１、表示素子１２および投影光学系１３によって背面から投影される背面投影用スクリーン１４と、背面投影用スクリーン１４に沿って形成され、光源１１、表示素子１２および投影光学系１３からの投影光を拡散する第１領域および投影光を透過する第２領域を有する拡散面１６と、を備えるようにしたので、第１の画像および第２の画像を１つの光源１１、表示素子１２および投影光学系１３から投影できる。たとえば、拡散領域において第１の画像を背面投影する一方、透過領域を透過した光によって第２の画像を投影できる。

（２）上記（１）の表示装置１において、光源１１、表示素子１２および投影光学系１３と背面投影用スクリーン１４との間に配され、投影光の波長を時系列に切替えるフィルタホイール１７をさらに備え、拡散面１６は、拡散領域および透過領域が共通のフィルタ部材で構成され、投影光のうち第１波長成分を拡散、かつ投影光のうち第１波長成分と異なる第２波長成分を透過するので、第１の画像の投影と第２の画像の投影とを時系列に切替えできる。

（３）上記（２）の表示装置１において、拡散光による第１投影内容と透過光による第２投影内容とを異ならせるように、時系列の切替え時に光源１１、表示素子１２および投影光学系１３を制御する制御部２４をさらに備えるようにしたので、たとえば、異なる画像を投影したり、異なる歪み補正をしたり、異なる輝度補正が可能になる。

（４）上記（２）の表示装置１において、時系列の切替え時に投影光学系１３の焦点調節を行うように光源１１、表示素子１２および投影光学系１３を制御する制御部２４をさらに備えるようにしたので、第１の画像の投影時と第２の画像の投影時とで別々にピント合わせを行うことができる。

（５）上記（２）の表示装置１において、時系列の切替え時に投影像の輝度または歪み補正を行うように光源１１、表示素子１２および投影光学系１３を制御する制御部２４をさらに備えるようにしたので、第１の画像の投影時と第２の画像の投影時とで投影輝度の差を抑えたり、投影歪みの差を抑えることができる。

（変形例６）
第二の実施形態による拡散面１６を空間的に分割させるように構成してもよい。変形例６の拡散面１６（図７）は、背面投影用スクリーン１４の内側面（半球形状の内側）において図５に例示したパターンと同様にスリット状に分割して形成する。図５において斜線部分は拡散領域を表し、図において白地部分は透過領域を表す。そして変形例６の場合は、フィルタホイール１７（図７）を省略する。変形例６によれば、上記実施形態に比べて投影像の解像度は低下するものの、背面投影用スクリーン１４への背面投影と天井への投影とを同時に行える。観察者は、残像効果によらないで２つの投影像を鑑賞できる。

（変形例７）
背面投影用スクリーン１４の内側面（半球形状の内側）において図６に例示したパターンと同様に市松模様状に分割させるように構成してもよい。変形例７の場合にも、フィルタホイール１７（図７）を省略する。変形例７によれば、上記実施形態に比べて投影像の解像度は低下するものの、背面投影用スクリーン１４への背面投影と天井への投影とを同時に行える。観察者は、残像効果によらないで２つの投影像を鑑賞できる。

（変形例８）
上記実施形態および変形例では、背面投影用スクリーン１４を半球形状のドーム型に構成する例を説明した。背面投影用スクリーン１４は方形状でもよい。たとえば、部屋の対向する壁の一方を背面投影用スクリーン１４として構成し、対向する他方の壁にもう１つの投影像を投影させる。この場合にも、第１の画像および第２の画像を１つのプロジェクタから投影できる。

（変形例９）
プロジェクターユニット１０による投影方向を変更可能に構成してもよい。図１０は、変形例９による投影光学系の要部構成を説明する断面図である。変形例９では、背面投影用スクリーン１４Ｂを半球形状のドーム型でなく砲弾型に構成する。そして、背面投影用スクリーン１４Ｂの中で投影光学系１３と、表示素子１２および撮像素子３１を含むブロックを矢印方向に回動可能に構成する。プロジェクターユニット１０の角度を変更可能に構成することで、背面投影用スクリーン１４Ｂを介して外側へ投影する投影位置を移動させることができる。

（変形例１０）
背面投影用スクリーン１４Ｂを介して外側の複数方向へ同時に投影するために、背面投影用スクリーン１４Ｃの中に投影光学系１３と、表示素子１２および撮像素子３１を含むブロックを複数備えるようにしてもよい。図１１は、変形例１０による投影光学系の要部構成を説明する断面図である。変形例１０では、砲弾型に構成した背面投影用スクリーン１４Ｃの中に、３系統のブロックを備える。図１１では、第１ブロックの投影光学系を１３−１と表し、第２ブロックの投影光学系を１３−２と表し、第３ブロックの投影光学系を１３−３と表す。

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

１…表示装置
１０…プロジェクターユニット
１１…光源
１２…表示素子
１３…投影光学系
１４、１４Ｂ、１４Ｃ…背面投影用スクリーン
１５、１５Ｂ、１５Ｃ…液晶素子
１６…拡散面
１７…フィルタホイール
２０…処理部
２１…メモリ
２２…フレーム画像生成部
２３…フレーム切替部
２４…制御部
３０…カメラユニット
３１…撮像素子

Claims (10)

1. 投影部と、
   前記投影部によって背面から投影される被投影部材と、
   前記被投影部材に沿って形成され、前記投影部からの投影光を拡散する第１領域および前記投影光を透過する第２領域を有する光学部材と、
   を備えることを特徴とする表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記光学部材は、前記第１領域と前記第２領域とが切替わることを特徴とする表示装置。
3. 請求項２に記載の表示装置において、
   前記光学部材は、前記第１領域と前記第２領域とが時系列で切替わることを特徴とする表示装置。
4. 請求項２に記載の表示装置において、
   前記光学部材は、前記第１領域と前記第２領域とが混在するように切替わることを特徴とする表示装置。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の表示装置において、
   前記光学部材は、液晶素子またはホログラフィック光学素子で構成されることを特徴とする表示装置。
6. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記光学部材は、前記投影光のうち第１波長成分を拡散する第１フィルタ部材が配された前記第１領域と、前記投影光のうち前記第１波長成分と異なる第２波長成分を透過する第２フィルタ部材が配された前記第２領域とが混在することを特徴とする表示装置。
7. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記投影部と前記被投影部材との間に配され、前記投影光の波長を時系列に切替える波長切替手段をさらに備え、
   前記光学部材は、前記第１領域および前記第２領域が共通のフィルタ部材で構成され、前記投影光のうち第１波長成分を拡散、かつ前記投影光のうち前記第１波長成分と異なる第２波長成分を透過することを特徴とする表示装置。
8. 請求項３または請求項７に記載の表示装置において、
   前記拡散光による第１投影内容と前記透過光による第２投影内容とを異ならせるように、前記時系列の切替え時に前記投影部を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする表示装置。
9. 請求項３または請求項７に記載の表示装置において、
   前記時系列の切替え時に投影光学系の焦点調節を行うように前記投影部を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする表示装置。
10. 請求項３または請求項７に記載の表示装置において、
    前記時系列の切替え時に投影像の輝度または歪み補正を行うように前記投影部を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする表示装置。

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