JP3237907U - エアギャップのない垂直ニアアイディスプレイ - Google Patents
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Abstract
画像の視野角の両端および物理的な出口開口を画定する第1および第2の極限光線と、前記画像の視野角の中点を画定する主光線と、を含む複数の光線が透過される出口開口を有するプロジェクタからなるニアアイディスプレイ。ニアアイディスプレイは、その長さに沿って第1および第2の平行な表面を有する光ガイド光学要素(LOE)と、平行な表面の対に対して斜めに角度が付けられた反射器と、をさらに含む。ニアアイディスプレイは、複数の光線の各々が、光路をたどるように配置されており、光路は、所定の入口点で第1の平行な表面を通ってLOEに入射すること、所定の反射点でLOEの第1の平行な表面を反射すること、続いてLOE内で全反射を受けることで構成されており、第1の極限光線の反射点は、第2の極限光線の入口点を超えて位置する。【選択図】図3A
Description
本開示の主題は、ニアアイディスプレイ、より具体的には、エアギャップのない垂直ニアアイディスプレイに関する。
一部のニアアイディスプレイシステムでは、コンパクトな画像プロジェクタが、コリメートされた画像に対応する光を光ガイド光学素子(「LOE」)に注入する。画像は、全反射(TIR)によってLOE内を伝播し、最終的には、一連の相互に平行な斜めの部分反射面または回折要素のいずれかによって、観察者の目に結合出力される。
いくつかの場合においては、画像が伝播するLOEの長さを、プロジェクタの出口光軸に対して垂直に向けることが望ましい。この向きには、プロジェクタから出射する全画像視野をLOEの入力開口に向けて反射させる必要があるという特定の課題がある。反射後のLOE内の光線の各々のTIRを保証するために、LOEは通常、エアギャップによってプロジェクタから離間される。しかしながら、垂直ニアアイディスプレイのいくつかの用途では、ニアアイディスプレイがエアギャップのないアーキテクチャを使用して構築されることが望ましいか、または必要でさえあり得る。
概要
本開示の主題の一態様によれば、ニアアイディスプレイが提供され、ニアアイディスプレイは、画像の視野角の両端および物理的な出口開口を画定する第1および第2の極限光線と、画像の視野角の中点を画定する主光線と、を含む複数の光線が透過される出口開口を有するプロジェクタと、その長さに沿って第1および第2の平行な表面を有し、かつ主光線の光軸に実質的に垂直に配向されている光ガイド光学素子(LOE)と、プロジェクタからの光をLOEに結合入力させるように、平行な表面の対に対して斜めに角度が付けられた反射器であって、LOEに隣接するプリズムの表面に少なくとも部分的に設けられている反射器と、を含み、ニアアイディスプレイは、複数の光線の各々が、光路をたどるように配置されており、光路は、それぞれの光線に関連付けられた所定の入口点で第1の平行な表面を通ってLOEに入射し、それぞれの光線に関連付けられた所定の反射点で、LOEの第1の平行な表面を反射し、続いてLOE内で全反射を受ける順序で構成されており、LOEの長さに沿って、第1の極限光線に関連付けられた反射点は、第2の極限光線に関連付けられた入口点を超えて位置する。
本開示の主題の一態様によれば、ニアアイディスプレイが提供され、ニアアイディスプレイは、画像の視野角の両端および物理的な出口開口を画定する第1および第2の極限光線と、画像の視野角の中点を画定する主光線と、を含む複数の光線が透過される出口開口を有するプロジェクタと、その長さに沿って第1および第2の平行な表面を有し、かつ主光線の光軸に実質的に垂直に配向されている光ガイド光学素子(LOE)と、プロジェクタからの光をLOEに結合入力させるように、平行な表面の対に対して斜めに角度が付けられた反射器であって、LOEに隣接するプリズムの表面に少なくとも部分的に設けられている反射器と、を含み、ニアアイディスプレイは、複数の光線の各々が、光路をたどるように配置されており、光路は、それぞれの光線に関連付けられた所定の入口点で第1の平行な表面を通ってLOEに入射し、それぞれの光線に関連付けられた所定の反射点で、LOEの第1の平行な表面を反射し、続いてLOE内で全反射を受ける順序で構成されており、LOEの長さに沿って、第1の極限光線に関連付けられた反射点は、第2の極限光線に関連付けられた入口点を超えて位置する。
いくつかの態様によれば、プロジェクタの出口開口は、第2の極限光線に関連付けられた入口点の後、ただし第1の極限光線の反射点の前の点で、第1の平行な表面の長さに沿って終了する。
いくつかの態様によれば、第1の平行な表面の一部分は、反射層でコーティングされ、その部分は、第1の極限光線の反射点を含み、かつ第2の極限光線の入口点を含まない。
いくつかの態様によれば、反射層は、金属コーティングまたは誘電体コーティングのうちの1つを含む。
いくつかの態様によれば、ニアアイディスプレイは、プロジェクタの少なくとも一部分と第1の平行な表面との間に介在するウェッジプリズムをさらに含む。
本開示の主題の別の態様によれば、ニアアイディスプレイが提供され、ニアアイディスプレイは、画像の視野角の両端および物理的な出口開口を画定する第1および第2の極限光線と、画像の視野角の中点を画定する主光線と、を含む複数の光線が透過される出口開口を有するプロジェクタと、その長さに沿って第1および第2の平行な表面を有し、かつ主光線の光軸に実質的に垂直に配向されている光ガイド光学素子(LOE)であって、LOEは、第1の屈折率(RI)を有するLOEと、第1の平行な表面の第1の部分に沿った、プロジェクタと第1の平行な表面との間の中間層であって、中間層は、第1のRIよりも低い第2のRIを有する、中間層と、プロジェクタからの光を第2の平行な表面を通してLOEに方向付け直すように構成された結合入力要素と、を含み、ニアアイディスプレイは、複数の光線の各々が、光路をたどるように配置されており、光路は、それぞれの光線に関連付けられた所定の入口点で第1の平行な表面を通ってLOEに入射し、続いてLOE内で全反射を受ける順序で構成されており、LOEの長さに沿って、第1の極限光線に関連付けられた反射点は、第2の極限光線に関連付けられた入口点の前に位置する。
いくつかの態様によれば、結合入力要素は、平行な表面の対に対して斜めに角度が付けられた反射器を含む。
いくつかの態様によれば、反射器は、LOEに隣接するプリズムの表面に少なくとも部分的に提供されている。
いくつかの態様によれば、結合入力要素は、回折格子を含む。
いくつかの態様によれば、中間層は、接着剤層または透明プレートのうちの1つを含む。
いくつかの態様によれば、ニアアイディスプレイは、第2の極限光線に関連付けられた入口点を超えた第1の平行な表面の第2の部分に沿って、プロジェクタと第1の平行な表面との間に反射層をさらに含む。
いくつかの態様によれば、反射層は、金属コーティングまたは誘電体コーティングのうちの1つを含む。
本考案を理解し、それを実際にどのように実施することができるかを確認するために、実施形態を、非限定的な実施例として、添付の図面を参照して説明する。
垂直ニアアイディスプレイシステムの上面図を概略的に示す。
従来技術による垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。
開示の主題の第1の実施形態による、垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。
開示の主題の第2の実施形態による、垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。
開示の主題の第3の実施形態による、垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。
開示の主題の第4の実施形態による、垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。
開示の主題の第4の実施形態による、垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。
図5A~5Bに示す実施形態における、表面14Aの反射時にTIRを受けるのに必要な光線の入射角の範囲を概略的に示す。
図5A~5Bに示す実施形態における、表面14Aの反射時にTIRを受けるのに必要な光線の入射角の範囲を概略的に示す。
以下の詳細な説明には、本考案の完全な理解を提供するために、多くの特定の詳細が示されている。しかしながら、本開示の主題は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが、当業者によって理解されるであろう。他の場合では、本開示の主題を曖昧にしないように、既知の方法、手順、および構成要素は詳細に説明されていない。
図1は、観察者の頭部10に装着されたニアアイディスプレイシステムの上面図を概略的に示す。ニアアイディスプレイシステムは、各眼に対して、プロジェクタ12と、関連付けられたLOE14と、を備える。人間工学的には、図1に示すように、プロジェクタ12が関連付けられたLOE14に対して垂直(または垂直に近い)であることが望ましい場合が多い。「垂直」とは、画像が、LOEから出射する光線にほぼ垂直な軸に沿ってLOE内を伝播することを意味する。
図2は、既存の垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。プロジェクタ内に備えられた画像結合出力光学素子(例えば、コリメート光学系、偏光ビームスプリッタなど)に対応するプロジェクタ光学系12(以下、単に「プロジェクタ」と称する)は、主光線16Aおよび2つの光線16B、16Cを透過させ、2つの光線16B、16Cは、画像の視野角(FOV)の外側の境界を画定し、かつプロジェクタ12の出口開口の両端で同様に物理的に透過される極限光線に対応し、その結果、光線16B、16Cを超えてプロジェクタから出射する光は存在しない。プロジェクタ12が16Bと16Cとの間で他の多くの光線を透過することが、当業者によって理解されるべきであるが、明瞭にするためにそれらの光線は図2では省略されている。二軸開口拡大の場合、ここで「プロジェクタ」として示されている要素は、実際には別のLOEである可能性がある(つまり、図2の紙面内に伸長する)。ここで、図示の光線は、第1のLOEから、部分反射ファセットによって、または回折要素によって、第1のLOEの長さに沿って、LOE14の対応する広範囲の次元に(つまり、紙面内に)結合出力される。
光線16A、16B、および16Cの各々は、反射器18からLOE14に向かって反射する。反射器18は、プリズム19によって支持することができる。反射器18は、所定の位置および角度に向けられて、光線の各々をLOE14の入力開口32に向けて反射し、その結果、LOEの主平行な表面間の全反射(TIR)によって光線がLOE内に閉じ込められ、LOEに沿って伝播するようになる。光線16Bは、反射器の比較的高い点で反射器18に当たるので、光線16Bは、直ちに反射されてプロジェクタに向かって戻る。したがって、点20における光線16Bを(プロジェクタ12に入射させるのではなく)LOEの入力開口に方向付け直すために、プロジェクタは、エアギャップ22によってプリズム19から離間されている。プリズム19とエアギャップ22との間の屈折率(RI)の差により、光線16Bは、プリズム19の表面でLOE14の入力開口に向かって反射する。エアギャップの機能を光線16Bのみを参照して説明したが、エアギャップは他の光線にも同様に必要である。
ただし、いくつかの場合においては、エアギャップのないアーキテクチャを使用して垂直ニアアイディスプレイを構築することが望ましいことがある。エアギャップのないニアアイディスプレイの利点には、製造精度の向上や、環境条件の変化に対する脆弱性の低減などがある。
図3Aおよび3Bは、本開示の主題の実施形態による、エアギャップのない垂直ニアアイディスプレイの断面図を概略的に示す。ニアアイディスプレイは、画像の視野角の両端および物理的な出口開口を画定する極限光線16B、16Cと、画像の視野角の中点を画定する主光線16Aと、を含む複数の光線が透過される出口開口12Aを有するプロジェクタ12を含む。
ニアアイディスプレイは、LOEの長さに沿って2つの平行な表面14A、14Bを伴うLOEをさらに含む。LOEは、主光線16Aの光軸に対して実質的に垂直に向けられている。「実質的に垂直」には、いずれかの方向に最大約20度の回転オフセットが含まれる。プロジェクタ12からの光線は、表面14Aを通ってLOEに入射する。プロジェクタ12の出口開口12AとLOE14の表面14Aとの間にエアギャップは存在しない。
ニアアイディスプレイは、プロジェクタ12からの光を表面14Bを通してLOE14に結合入力するように、平行な表面14A、14Bの対に対して斜めに角度が付けられた反射器18をさらに含む。反射器18は、LOE14に隣接し、かつ表面14Bに接合されたプリズム19の表面に少なくとも部分的に提供され得、その結果、LOE14とプリズム19との間にエアギャップが存在しない。いくつかの実施形態では、プリズム19が終了する表面14Bの長さに沿った点32Aは、LOE14に沿った「カットオフ」を画定し、それを超えると、表面14Bで反射する光線は、LOE内でTIRを受ける。
ニアアイディスプレイは、プロジェクタ12から出射する複数の光線の各々が光路をたどるように配置されており、光路は、それぞれの光線に関連付けられた入口点を画定する第1の所定の点で表面14Aを通ってLOE14に入射し、それぞれの光線に関連付けられた反射点を画定する第2の所定の点で表面14Aを反射し、続いて、LOE内の表面14Aと14Bとの間でTIRを受ける順序で構成されている。図3Aおよび3Bに示すように、光線の少なくともいくつかは、それぞれの反射点で表面14Aを反射する前に、表面14Bを通ってLOEから出射し、反射器18を反射してLOEに戻り、表面14Bを通って再びLOEに入射する。
以下に説明するように、エアギャップのないアーキテクチャで光線16B(ならびに16Bに近い光線および平行な光線)のTIRを達成するために、ニアアイディスプレイは、極限光線16Bが表面14Aを反射する所定の点20が、極限光線16Cが表面14Aを通ってLOEに入射する所定の点24を超えて、LOEの長さに沿って位置するように、配置されている。
プロジェクタとプリズムとの間にLOE14を介在させると、図2に示す従来技術の構成と比較して、プロジェクタ12から反射器18までの光線経路が長くなる。光線経路が長くなることで、反射器18で反射した後、光線16Bは、光線16Cの入口点24を超える表面14Aの長さに沿った反射点20でLOE表面14Aに当たる。点20は、光線がプロジェクタの開口から出射する最も遠い点を超えているので、光線16B(および16Bに近い光線)は、点20からの反射時に強制的にTIRを受け得る。例えば、図3Aに示されるように、空間26は、点24を超えてプロジェクタの出口開口12Aの一部分をトリミングすることによって、点20の反対側に作成することができる。あるいは、図3Bに示されるように、反射層28は、点20を含むが点24を含まない表面14Aの部分に接合され得る。反射層は、金属(例えば、銀)または誘電体コーティングであり得る。他のタイプの反射層も可能である。
図4は、ウェッジプリズム34がプロジェクタ12とLOE14との間に導入される代替の実施形態を概略的に示す。本実施形態では、プロジェクタは、LOEに対して角度のある向き(例えば、主光線16Aによって画定される)にあり、光線16A~16Cの各々は、図3Aおよび3Bにおける対応点よりも低いそれぞれの点で反射器18に当たる。この場合、プリズム19のサイズを小さくすることができ、これは人間工学的に望ましい場合がある。プリズム34のくさび角、またはより一般的には、LOEの主表面14A、14Bに対する投影画像の光軸の角度オフセットは小さく、典型的には1度~15度であり、それにより画像注入のほぼ垂直な全体形状を保持する。
図4に示される実施形態は、プリズム19がLOE14に沿って下方に延在し、TIRが空気とは対照的に第2の反射層30によって点32で導入される、さらに別の態様(ウェッジプリズム34とは独立)をさらに導入する。
図5Aおよび5Bは、接着剤コーティング、あるいは透明プレートからなる中間層40が、表面14Aとプロジェクタ12との間のインターフェースの第1の部分との間に接合されるさらに別の実施形態を概略的に示す。第1の部分は、極限光線16Bの反射点20と、極限光線16Cの入口点24と、を含む。中間層40は、エアギャップを模倣し、画像視野の少なくとも第1の部分、特に光線16Bおよび光線16Bに近接する光線に対してTIRを生じさせるために、LOE14(例えば、RI=1.6)よりも低いRI(例えば、RI=1.4)を有する。光線は、基板の主要な表面に対して最も浅い角度であり、図示のように、表面14Aの最上部の位置で表面14Aを反射する。
ニアアイディスプレイは、プロジェクタからの光を表面14Bを通してLOEに方向付け直すように構成された表面14Bの部分に沿った結合入力要素18’をさらに含む。この場合、結合入力要素18’は、図5Aに示されるような反射面をともなうプリズム、あるいは図5Bに示されるような回折要素(例えば、回折格子)であり得る。
いくつかの実施形態では、LOEは、(いくつかの実施形態では、第1の部分と部分的に重なり得る)表面14Aの第2の部分に適用される反射層28を含み、それによって、(表面14Aからの反射時にTIRを受けることを強制されるという意味で)接着剤層40によって捕捉されないであろうより急峻な角度で表面14Aの下部を反射する画像視野の第2の部分に対してTIRを生じさせる。あるいは、プロジェクタ12は、表面14Aの下部を反射する画像視野の第2の部分に対してTIRを生じさせるために、光線16Cの入口点24を超える点でトリミングすることができる(すなわち、中間層がLOE内のTIRのために捕捉しなかったであろうより急峻な角度でLOEの表面に当たる光線)。いくつかの実施形態において、第1の部分および第2の部分は、部分的に重なり得る。すなわち、中間層40および反射層28は部分的に重なり得る。
より明確にするために、接着剤層40がTIRを強制するのに有効である入射角の範囲を示す図5C~5Dを参照する。図5Cに示されるように、入射角42は、入射光線とLOEの平行な表面の法線との間の角度を指す。ここで図5Dを参照すると、空気に囲まれたRI=1.6のLOEを想定すると、TIRの臨界入射角は、約38.6度である。したがって、38.6度~90度の入射角を有する範囲44の光線は、TIRを受けることになる。ただし、RI=1.4の接着剤層に囲まれていると、臨界角は61度になるため、入射角が61度~90度の光線は、TIRを受けることになる。しかしながら、実際には、接着剤層を用いて、表面14Aに当たる光線角度の全範囲が、x軸に沿った網掛け表示の領域48を介して示されている(約41.3度~約66度)。括弧内に、LOE内の約24.7度(すなわち41.3度~66度)の視野角幅は、スネルの法則近似を使用して、空気中に約40度の注入された画像視野にほぼ対応する。画像の高角度セクションは、より浅い入射角50を有し、図5Aの16Bに平行な光線に関連し、一方、低角度セクションは、急峻な入射角52に関連し、光線16Cに平行な光線に関連付けられている。
TIRを受けるのに必要な光線の入射角の範囲48内で、RI=1.4の接着剤層40は、範囲54内の光線、すなわち表面14Aでの入射角が61~66度でTIRを強制するのに有効である。したがって、61度未満の角度、すなわち約41.3~61度の範囲で14Aに当たる光線には、反射層28(または代替的にはプロジェクタのトリミング)が必要である。
したがって、本実施形態では、臨界角(例えば、上記の例では61度)を超える入射角(上記で定義されたような)を有する画像視野角の第1の部分の光線は、表面14AからLOEよりも低いRIを有する中間層40を介した反射時に強制的にTIRを受ける。逆に、臨界角未満の入射角(上記で定義されたような)を有する画像視野角の第2の部分の光線は、反射層28によって、または表面14Aが空気との境界面を共有するLOEのさらに下で表面14Aに沿った点に当たることによって、表面14Aからの反射時に強制的にTIRを受ける。
図5Aおよび5Bに示される実施形態は、接着剤層40は、入射角に基づいて光線を選択的に反射または透過するので、表面14A光線16BがLOE表面14Aを反射する点が、光線16CがLOEを透過される点の前でさえあり得るという、図3Aおよび3Bに示される実施形態に勝る追加の利点を有する。さらに、光線16BのTIRを損なうことなく、プロジェクタ出口開口12Aのサイズを縮小することができる。
接着剤をともなうTIRの正確な角度範囲と、その結果としての反射層28の空間配置は、Zemax(商標)ソフトウェアやLightTools(商標)などの数値の非順次シミュレーションツールを使用して定義することができる。
本明細書に詳述される例のすべては、反射面または部分反射面による基板への画像の結合入力および結合出力に基づいているが、同じ原理が、当技術分野で知られているような対応する変更をともなって、画像の結合入力および結合出力に使用される回折要素に関連して等しく実践され得ることに留意されたい。例えば、傾斜した結合入力反射器は、通常、基板の主表面上にあるか、またはそれに平行な回折表面によって置き換えられるであろう。そのようなすべての変更は、本開示に基づいて、当業者の能力の範囲内である。
Claims (12)
- ニアアイディスプレイであって、
画像の視野角の両端および物理的な出口開口を画定する第1および第2の極限光線と、前記画像の視野角の中点を画定する主光線と、を含む複数の光線が透過される出口開口を備えるプロジェクタと、
その長さに沿って第1および第2の平行な表面を備え、かつ前記主光線の光軸に実質的に垂直に配向されている光ガイド光学素子(LOE)と、
前記プロジェクタからの光を前記LOEに結合入力させるように、前記平行な表面の対に対して斜めに角度が付けられた反射器であって、前記LOEに隣接するプリズムの表面に少なくとも部分的に設けられている反射器と、を備え、
前記ニアアイディスプレイは、前記複数の光線の各々が、光路をたどるように配置されており、前記光路は、前記それぞれの光線に関連付けられた所定の入口点で前記第1の平行な表面を通って前記LOEに入射し、前記それぞれの光線に関連付けられた所定の反射点で、前記LOEの前記第1の平行な表面を反射し、続いて前記LOE内で全反射を受ける順序で構成されており、
前記LOEの長さに沿って、前記第1の極限光線に関連付けられた前記反射点は、前記第2の極限光線に関連付けられた前記入口点を超えて位置する、ニアアイディスプレイ。 - 前記プロジェクタの前記出口開口が、前記第2の極限光線に関連付けられた前記入口点の後、ただし前記第1の極限光線の前記反射点の前の点で、前記第1の平行な表面の長さに沿って終了する、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記第1の平行な表面の一部分が、反射層でコーティングされ、前記部分が、前記第1の極限光線の前記反射点を含み、かつ前記第2の極限光線の前記入口点を含まない、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記反射層が、金属コーティングまたは誘電体コーティングのうちの1つを備える、請求項3に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記プロジェクタの少なくとも一部分と前記第1の平行な表面との間に介在するウェッジプリズムをさらに備える、請求項1に記載のニアアイディスプレイ。
- ニアアイディスプレイであって、
画像の視野角の両端および物理的な出口開口を画定する第1および第2の極限光線と、前記画像の視野角の中点を画定する主光線と、を含む複数の光線が透過される出口開口を備えるプロジェクタと、
その長さに沿って第1および第2の平行な表面を備え、かつ前記主光線の光軸に実質的に垂直に配向されている光ガイド光学素子(LOE)であって、前記LOEは、第1の屈折率(RI)を有する、LOEと、
前記第1の平行な表面の第1の部分に沿った、前記プロジェクタと前記第1の平行な表面との間の中間層であって、前記中間層は、前記第1のRIよりも低い第2のRIを有する、中間層と、
前記プロジェクタからの前記光を前記第2の平行な表面を通して前記LOEに方向付け直すように構成された結合入力要素と、を備え、
前記ニアアイディスプレイは、前記複数の光線の各々が、光路をたどるように配置されており、前記光路は、前記それぞれの光線に関連付けられた所定の入口点で前記第1の平行な表面を通って前記LOEに入射し、前記それぞれの光線に関連付けられた所定の反射点で、前記LOEの前記第1の平行な表面を反射し、続いて前記LOE内で全反射を受ける順序で構成されており、
前記LOEの長さに沿って、前記第1の極限光線に関連付けられた前記反射点が、前記第2の極限光線に関連付けられた前記入口点の前に位置する、ニアアイディスプレイ。 - 前記結合入力要素が、前記平行な表面の対に対して斜めに角度が付けられた反射器を備える、請求項6に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記反射器が、前記LOEに隣接するプリズムの表面に少なくとも部分的に提供されている、請求項7に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記結合入力要素が、回折格子を備える、請求項6に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記中間層が、接着剤層または透明プレートのうちの1つを備える、請求項6に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記第2の極限光線に関連付けられた前記入口点を超えた前記第1の平行な表面の第2の部分に沿って、前記プロジェクタと前記第1の平行な表面との間に反射層をさらに備える、請求項6に記載のニアアイディスプレイ。
- 前記反射層が、金属コーティングまたは誘電体コーティングのうちの1つを備える、請求項11に記載のニアアイディスプレイ。
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