JP5352217B2 - 積分球及び測光装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、光源としての、蛍光灯、電球、ＬＥＤ照明、ＬＥＤ素子、ＬＤ、ＬＣＤ（液晶ディスプレー）などの色度、照度、演色性、波長、パワーなどを測定する測光装置に関し、特に、斯かる測定装置に使用される積分球に特徴を有するものである。

従来、例えば、蛍光灯、電球、ＬＥＤ素子などの測定対象光源からの光の特性を測定する測光装置として、種々の装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、高分子材料からなるブロック内に、内部が球面状の中空とされて光を拡散的に反射する積分球を使用した分光測光装置が開示されている。

この測光装置では、中空球面状のブロック、即ち、積分球ブロックには光入射ポートと光検出ポートがある。被試験光の光パワー及びスペクトル、色度などを測定する際に、光入射ポートに被試験光を入射し、積分球の内面で均一に拡散反射して、光検出ポートから出射される光を検出する。

積分球を使用することで、直接光を検出する場合と異なり、被試験光の偏光、ビーム強度分布、入射角度などが平均化（均一化）されて光検出器に照射される。

その結果、光検出器の測定誤差要因となる入射位置依存性、入射角依存性、偏光依存性などが軽減されて、より高精度の測定が可能となる。

また、物体の拡散反射率を測定する際に、試験光入射ポートから試料に試験光を照射し、試料から拡散反射光を検出器ポートで測定することにも利用される。

特許文献２には、積分球の拡散反射率を向上させるためには、モールドに最適の充填密度で圧縮充填した粒状のポリテトラフッ化エチレン（ＰＴＦＥ）を焼結し、焼結した材料が３０〜５０％の間の隙間体積を持ち、焼結密度を０．８〜１．５ｇ／ｃｍ³の間で形成する必要があることを開示している。
特開平５−１１８９１１号公報 米国特許第４９１２７２０号公報

しかしながら、特許文献２に記載する特殊のプロセスでＰＴＦＥを焼結したものは、産業用に一般的に使用されているＰＴＦＥ（密度２．１〜２．３ｇ／ｃｍ³）と異なり、価格が高い。

一方、本発明者らの研究実験の結果によると、一般の産業用に使用されるＰＴＦＥを積分球に使用すると、積分球から光が漏れ、積分球の拡散反射率が低下することが分かった。

その結果、一般の産業用に使用されるＰＴＦＥにて作製した積分球を備えた測光装置では、光検出器に照射する光量が減り、測定の感度が落ちることが分かった。

本発明の目的は、光検出部への光量が低減することがなく、測定の感度の低下を回避し、高精度の測定ができる積分球及び測光装置を提供することである。

本発明の他の目的は、一般の産業用に使用されるＰＴＦＥにて作製することができ、光検出部への光量が低減することがなく、測定の感度の低下を回避し、高精度の測定ができる低コストの積分球及び測光装置を提供することである。

上記目的は本発明に係る積分球及び測光装置にて達成される。要約すれば、本発明は、第一の態様によれば、測定対象光源の特性を測定する測光装置に使用される積分球であって、前記測定対象光源からの光が入射する入射部開口と、前記積分球の内壁面で拡散された拡散光が光検出部へと出射する検出部開口とを有する積分球において、
密度が２．１〜２．３ｇ／ｃｍ ³ とされる一般産業用ポリテトラフッ化エチレン（ＰＴＦＥ）の固体ブロックを使用して、内部が球面状の中空とされる積分球ブロックを作製し、前記積分球ブロックの外周囲は、前記入射部開口及び検出部開口を除いて拡散反射板で囲包したことを特徴とする積分球が提供される。

本発明の第二の態様によれば、
拡散光学系としての積分球を備え、
前記積分球は、前記測定対象光源からの光が入射する入射部開口と、前記積分球の内壁面で拡散された拡散光を出射する検出部開口とを有し、
前記検出部開口に近接して、前記積分球からの拡散光を検出する光検出部を備え、測定対象光源の特性を測定する測光装置において、
前記積分球は、密度が２．１〜２．３ｇ／ｃｍ ³ とされる一般産業用ポリテトラフッ化エチレン（ＰＴＦＥ）の固体ブロックを使用して、内部が球面状の中空とされる積分球ブロックを作製し、前記積分球ブロックの外周囲は、前記入射部開口及び検出部開口を除いて拡散反射板で囲包したことを特徴とする測光装置が提供される。

本発明の測光装置にて、一実施態様によれば、前記光検出部は、リニアバリアブルフィルタと、複数の光電変換素子から成る光電変換素子列で構成した光電センサを備えている。

本発明の測光装置にて、他の実施態様によれば、前記積分球の入射部開口に拡散透過板を備えている。

本発明によれば、積分球は、フッ素樹脂の固体ブロックを使用して、内部が球面状の中空とされる積分球ブロックを作製し、積分球ブロックの外周囲は、入射部開口及び検出部開口を除いて反射板で囲包した構成とされるので、
（１）光検出部への光量が低減することがなく、測定の感度の低下を回避し、高精度の測定ができる。
（２）一般の産業用に使用されるＰＴＦＥにて作製することができ、光検出部への光量の低減がなく、測定の感度の低下を回避し、高精度の測定ができ、しかも、低コストである。

又、本発明の測光装置は、上記特徴ある構成の積分球を使用し、更には、光検出部は、リニアバリアブルフィルタと、複数の光電変換素子から成る光電変換素子列で構成した光電センサを備えた構成とし、また、積分球の入射部開口に拡散透過板を備えた構成とされるので、
（１）分光手段に入射する光束は制限されることがなく、従来に比して、光量減衰が少なく、感度を高くすることができる。
（２）被試験光の入射角度が変化しても高精度に被試験光の色度、照度などを高精度に測定することが可能である。
（３）中心波長の変化率が変わるリニアバリアブルフィルタを利用することによって、フィルタと光電変換素子からなる光電センサの数を最小にすることができ、しかも、少ない光電センサにて等色関数への近似精度を向上させることが可能である。

以下、本発明に係る測光装置を図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
図１に、本発明に係る積分球２及び測光装置１の一実施例の概略構成を示す。

本実施例によると、測光装置１は、測定対象光源１００の特性を測定することができ、拡散光学系としての積分球２を備えている。

本実施例にて、積分球２は、例えば、ポリテトラフッ化エチレン、ポリクロロトリフッ化エチレン、ポリクロロフッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルなどとされる、適宜に焼結したフッ素樹脂の固体ブロックで形成される。

このように、本実施例によれば、積分球２は、フッ素樹脂の固体ブロックを使用して、内部が球面状の中空２０とされる、所謂、積分球ブロック２Ａとされる。

また、本実施例にて、積分球２は、その左側位置に測定対象光源１００からの光が入射する入射部開口２２と、積分球２の下側位置に積分球２の内壁面２１で拡散された拡散光が光検出部３へと出射する検出部開口２３とを有する。

また、本発明の特徴部を構成するものであるが、本実施例では、積分球ブロック２Ａの外周囲は、入射部開口２２及び検出部開口２３を除いて反射板５で囲包する。反射板５は、球面内部２０からの漏れ光を、再度球面内部２０に反射させる。反射板５は、好ましくは拡散反射板とされる。

本実施例における積分球２の具体的寸法、形状、材質の一例を挙げれば次の通りである。

本実施例にて、積分球ブロック２Ａは、フッ素樹脂、特に、ＰＴＦＥ（ポリテトラフッ化エチレン）の固体ブロックで作製し、中空内面の直径（Ｄ）は６０ｍｍとした。入射部開口２２は、直径（ｄ１）が２０ｍｍであり、検出部開口２３は、直径（ｄ２）が１３ｍｍであった。

また、このような形状の積分球ブロック２Ａは、本実施例では、一辺の長さ（Ｗ）が７０ｍｍの立方体形状とされた。ただし、本発明にて、積分球２は、これらの寸法、形状、材質、に限定されるものではない。

尚、一般に、積分球２は、次の条件を満足することにより良好な性能を得る。

つまり、本実施例にて、積分球２における、直径Ｄとされる球面（内壁面）２１の全表面積をＡ、入射部開口２２の開口面積をＡ１、検出部開口部２３の開口面積をＡ２としたとき、
Ａ１＋Ａ２≦Ａ×５％
を満足するのがよい。

積分球ブロック２Ａは、本実施例では、産業用に一般的に使用されているＰＴＦＥ（密度２．１〜２．３ｇ／ｃｍ³）を使用した。

更に説明すると、上述したように、積分球ブロック２Ａに一般の産業用で利用されているＰＴＦＥを使用すると、ＰＴＦＥの中空球面２１に入射した光は、ＰＴＦＥの表面で拡散反射する光以外にＰＴＦＥを透過する光が存在する。

積分球ブロック２Ａから入射光が漏れると、光検出部３、即ち、分光手段３１と光電変換素子列３２にて構成される光電センサ（即ち、光検出器）へ照射する拡散反射光が減り測定の感度が落ちる。

この対策として、本実施例では、積分球ブロック２Ａの周囲に、反射板５、好ましくは、拡散反射板５を取付け、積分球２からの漏れ光を、再度積分球２の球面内部２０に反射させる。

この結果、光検出部３へと照射する拡散光量が増え、感度の低下を改善することができる。また、雰囲気光などの外乱光が積分球２の外部から漏れ込まないように、反射板５は周囲の光を遮断することにも利用できる。

本実施例では、反射板５としては、アルミ製の反射板を使用した。特に、拡散反射板としては、古河電工製の超微細発泡光反射板（ＭＣＰＥＴ）を使用した。

上記構成の立方体形状とされる積分球ブロック２Ａの、入射部開口２２及び検出部開口２３を除く全外周囲に、上記構成の反射板（拡散反射板）５を貼り付け、反射板５の効果を実験により確認した。

その結果、一般の産業用に利用するＰＴＦＥ（密度２．１〜２．３ｇ／ｃｍ³）を使用して積分球を作製した場合であっても、反射板５として、上記拡散反射板を使用した場合には、光検出部（照射面）３上の光量が１．６倍向上した。上記アルミ製の反射板を使用した場合であっても、１．２倍向上した。

これは、球面内面２１が硫化バリウムで塗布された一般の積分球と同等な光量であった。

このように、上記構成の本実施例の積分球２によれば、一般の産業用に使用されているＰＴＦＥブロックを利用することによって作製することができ、安価である。また、周囲に反射板を固定することで、拡散反射光が増えて、一般の積分球と同等な特性が達成できる。更に、反射板は外乱光の影響をなくすことにも効果がある。

次に、上記構成の積分球２を使用した測光装置１の一実施例について説明する。

本実施例の測光装置１は、積分球２の外側で且つ検出部開口２３に近接して光検出部３が配置される。光検出部３は、任意の構成とすることができる。

図１に示す本実施例では、光検出部３は、積分球２からの拡散光を分光する分光手段３１と、分光手段３１に隣接して配置され、分光手段３１により分光された光が入射する複数の光電変換素子（フォトダイオード）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎから成る光電変換素子列３２とを備えている。分光手段３１と光電変換素子列３２とは、光電センサ（即ち、光検出器）３Ａを構成している。

上記構成の本実施例の測光装置１によれば、拡散光学系は積分球２とされ、そのため、積分球２に入射する測定対象光源１００からの入射角（θ）が±１０°程度変化しても、分光手段３１や光電変換素子列３２への入射角分布や光量が変化することはない。

本実施例によると、分光手段３１は、リニアバリアブルフィルタ（以後、「ＬＶＦ」という。）とされる。

ＬＶＦは、バンドパスフィルタの中心波長が位置により連続的に変化する部材であり、従って、フィルタは１種類製作すればよく、従来の干渉フィルタアレイのような、光電変換素子列への貼り付け作業も必要とはしない。また、バンドパスの中心波長が連続的に変化しているため、光電変換素子列とフィルタ間の位置ズレの影響は干渉フィルタに比べると小さい。

ＬＶＦは、透過スペクトルの半値幅は中心波長に比例する。例えば、中心波長の１〜２％である。４００〜８００ｎｍまでの特性で考えると、４００ｎｍ付近では半値幅が４０ｎｍ（中心波長の１％）、８００ｎｍ付近では半値幅が８０ｎｍとなる。

ここで、一般に、測光装置を測色計として使用する場合には、光電センサは、国際照明委員会（略称ＣＩＥ）が規定する等色関数（ｘ、ｙ、ｚ）に近似した出力特性を持つ構成とすること、即ち、等色関数への近似精度を向上させることが必要である、ことが知られている。

また、特開２００２−１３９８１号公報には、測色計にて、センサ（光電変換素子）の数を低減させるには、４００〜５００ｎｍ付近での受光感度を有するセンサは波長ピッチ及び半値幅が細かくなるように、５００ｎｍ以降では波長ピッチ及び半値幅が荒くなるように設計し、光電変換素子の数を低減し得ること、及び、そのために光電変換素子群の配列方法を不等間隔にすることを教示している。しかし、一般的な光電変換素子アレイは、均等間隔に配置されており、不等間隔な光電変換素子アレイを使用することは、コストアップに繋がる。

これに対して、本実施例の測光装置１は、上述のように、４００〜５００ｎｍ付近では半値幅が狭く、５００ｎｍ以降では半値幅を広くすることが可能であり、光電変換素子列３２は均等間隔でよく、低コストにて高精度の測色計を実現し得る。

以下に、本実施例の測光装置１を測色計として使用する場合について説明する。

本実施例によれば、スリットや光ファイバなどを使用しておらず、従って、本実施例の測光装置１によれば、検出部開口２３から分光手段３１に入射する光束は、制限されず、検出部３の感度を高くすることができる。

本実施例にて、分光手段３１としてのＬＶＦは、波長範囲３８０ｎｍ〜７２０ｎｍとされる、米国ＪＤＳＵ社製のリニアバリアブルフィルタを使用した。また、検出部開口２３からＬＶＦ３１までの距離距離（Ｌ）は、１０ｍｍとされ、このＬＶＦ３１に１ｍｍ以下にて密着して光電変換素子列３２を配置した。

光電変換素子列３２は、本実施例では、１６個の光電変換素子（フォトダイオード）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６からなるフォトダイオードアレーを使用した。つまり、本実施例では、１６個の光電変換素子（フォトダイオード）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６を備えたフォトダイオードアレー３２により、図２に示すように、３８０ｎｍ〜７２０ｎｍまで２０ｎｍピッチでピークを持つ１６個の受光信号Ｓ１（λ）、Ｓ２（λ）、・・・Ｓ１６（λ）が測定値として得られる。なお、光電変換素子の数は、１６個に限定されるものではなく、所望により、これ以外の個数とすることもできる。

図３は、本実施例における測光装置１の電気的構成の一実施例を示すブロック図である。

本実施例によると、１６個のフォトダイオード（光電変換素子）Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６から成る光電変換素子列３２からの受光信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１０１と、Ａ／Ｄ変換器１０１にて変換された受光信号を受信する制御手段（ＣＰＵ）１０２とを備えている。

本実施例によると、制御手段１０２は、Ａ／Ｄ変換器１０１から送信される受光信号をＲＡＭ１０３に保存し、ＲＡＭ１０３に保存されている受光信号、及び、ＲＯＭ１０４に保存されている重み付け係数を用いて、等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）に近似した等色関数ｘ’（λ）、ｙ’（λ）、ｚ’（λ）を求め、この近似等色関数に基づく三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚを算出する。

図４に等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）を示し、図５に、等色関数ｘ（λ）、ｙ（λ）、ｚ（λ）と、等色関数に近似した近似等色関数ｘ’（λ）、ｙ’（λ）、ｚ’（λ）を示す。

制御手段１０２は、上述にて得られた三刺激値Ｘ、Ｙ、Ｚに基づいて、測定対象光源１００の色度、照度など光源の特性を判断するための測定値を算出する。

上記近似等色関数を求める工程、及び、近似等色関数から三刺激値を求める工程は、例えば、上述の特開２００２−１３９８１号公報などに記載されており、当業者には周知である。また、本発明の特徴部を構成するものでもないので、これ以上の説明は省略する。

上述のように、本実施例の測光装置１によれば、スリット又は光ファイバを使用することはない。従って、分光手段３１に入射する光束は制限されることがなく、測定装置１の感度を高くすることができる。このことは、積分球を使用する測光装置においては特に重要である。

つまり、一般に、積分球を使用する測光装置は、直接光を検出する場合と比較して光量減衰が大きく、測定装置の感度を高くすることは、測定精度を向上させる上から、極めて重要である。

実施例２
図６に、本発明の測光装置の第二の実施例を示す。本実施例にて、測光装置１の全体構成及び積分球２は、実施例１の測光装置１及び積分球２と同じ構成とされ、ただ、光検出部３の構成が異なるのみである。従って、積分球２及び測光装置１の全体構成については、同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、実施例１の説明を援用し、ここでの再度の説明は省略する。

本実施例の光検出部３は、積分球２からの拡散光が、スリット３３及びレンズ３４を介して平行光とされた後、光検出器３Ａへと照射される。光検出器３Ａは、例えば、回折格子などとされる分光手段３１と、分光手段３１に隣接して、分光手段３１により分光された光が入射する光電変換素子列３２とを備えている。

このような測光装置１においても、本発明に係る積分球２は、極めて有効であり、実施例１と同様の作用効果を達成し得る。

実施例３
図７に、本発明の測光装置１の第三の実施例を示す。本実施例にて、測光装置１の全体構成は、実施例１の測光装置１と同じ構成とされ、ただ、入射部開口２２に拡散透過板４が配置された点でのみ異なる。従って、測光装置１の全体構成については、同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、実施例１の説明を援用し、詳しい説明は省略する。以下に、本実施例の特徴部である拡散透過板４について説明する。

測光装置１において、拡散光学系として積分球２を使用した場合には、測定対象光源１００からの直接光を検出する場合と異なり、被試験光の偏光、ビーム強度分布、入射角度などが平均化（均一化）されて、光電変換素子列３２を備えた光検出器３Ａを照射する。

その結果、光検出器３Ａの測定誤差要因となる入射位置依存性、入射角依存性、偏光依存性などが軽減され、より高精度の測定が可能となる。

しかし、積分球２を使用しても、被試験光が積分球２に入射する入射角度（θ）が極端に変化した場合には、例えば、入射角度が（θ）が１０°以上に変化した場合には、光分布に偏りが生じる。

そのため、光検出器３Ａが、本実施例のように、透過波長が異なる複数の光電変換Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎで構成された場合には、被試験光の入射角度（θ）によって複数の光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓｎ上の光量が変化して測定値が変化する。

そこで、本実施例では、入射部開口２２の領域を全面的に覆って、拡散透過板４が固定部材４１により積分球２に固定される。拡散透過板４としては、シグマ光機株会社製のオパール型拡散板が好適に使用される。

尚、拡散透過板４は、図７に一点鎖線にて示すように、直径ｄ１とされる入射部開口２２内のいずれかの位置に設置することも可能である。この場合は、拡散透過板４の設置位置は、積分球２の内壁面２１に隣接した位置の方が好ましい。

図８に拡散透過板４を使用しない場合の、被試験光の入射角度（θ）と、光電変換素子列３２を構成する１６個の各光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６上の強度分布との関係を示す図である。図９は、本実施例に従って拡散透過板４を使用した場合の、被試験光の入射角度（θ）と、光電変換素子列３２を構成する各光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６上の強度分布との関係を示す図である。

図８から、積分球２の入射部開口２２に拡散透過板４がない場合には、積分球２に入射する光束の角度（θ）が変化すると、透過波長が異なる各光電変換素子Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ１６に照射する光量が入射角度によって変化することが分かる。

これに対して、図９から分かるように、本実施例に従って構成される測光装置１では、拡散透過板４を積分球２の入射部開口２２に固定することで、積分球２に入射する被試験光が拡散されて入射し、被試験光の入射角度（θ）が変化しても、透過波長が異なる各光電変換素子に照射する光束分布は偏りが生じず、均一である。

従って、本実施例の測光装置によれば、被試験光の入射角度が変化しても高精度に被試験光のパワーや色度を高精度に測定することが可能である。

実施例４
図１０に、本発明の測光装置１の第四の実施例を示す。本実施例にて、測光装置１の全体構成は、実施例２の測光装置１と同じ構成とされ、ただ、入射部開口２２に拡散透過板４が配置された点でのみ異なる。従って、測光装置１の全体構成については、同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、実施例１、２の説明を援用し、詳しい説明は省略する。又、拡散透過板４の構成及び機能は、実施例３で説明したとおりである。

また、実施例３で説明した路同様に、拡散透過板４は、図１０に一点鎖線にて示すように、直径ｄ１とされる入射部開口２２内のいずれかの位置に設置することも可能である。この場合は、拡散透過板４の設置位置は、積分球２の内壁面２１に隣接した位置の方が好ましい。

本実施例の測光装置１もまた、実施例３と同様に、光検出器３Ａの測定誤差要因となる入射位置依存性、入射角依存性、偏光依存性などが軽減され、より高精度の測定が可能となる。

本発明に係る測光装置の一実施例の概略構成図である。 光電変換素子列による相対分光感度を示す図である。 本発明に係る測光装置の電気的構成を示すブロック図である。 等色関数を示す図である。 等色関数と近似等色関数を示す図である。 本発明に係る測光装置の他の実施例の概略構成図である。 本発明に係る測光装置の他の実施例の概略構成図である。 従来装置における被試験光の入射角度と各光電変換素子上の強度分布を示す図である。 本発明に係る測光装置における被試験光の入射角度と各光電変換素子上の強度分布を示す図である。 本発明に係る測光装置の他の実施例の概略構成図である。

符号の説明

１ 測光装置
２ 積分球
２Ａ 積分球ブロック
２０ 中空
２１ 中空球面（内面）
２２ 入射部開口
２３ 検出部開口
３ 光検出部
３Ａ 光電センサ（光検出器）
３１ リニアバリアブルフィルタ、回折格子（分光手段）
３２ 光電変換素子列
３３ スリット
３４ レンズ
４ 拡散透過板
５ 反射板、拡散反射板
１００ 測定対象光源
Ｓ１〜Ｓｎ 光電変換素子

Claims (4)

1. 測定対象光源の特性を測定する測光装置に使用される積分球であって、前記測定対象光源からの光が入射する入射部開口と、前記積分球の内壁面で拡散された拡散光が光検出部へと出射する検出部開口とを有する積分球において、
   密度が２．１〜２．３ｇ／ｃｍ ³ とされる一般産業用ポリテトラフッ化エチレン（ＰＴＦＥ）の固体ブロックを使用して、内部が球面状の中空とされる積分球ブロックを作製し、前記積分球ブロックの外周囲は、前記入射部開口及び検出部開口を除いて拡散反射板で囲包したことを特徴とする積分球。
2. 拡散光学系としての積分球を備え、
   前記積分球は、前記測定対象光源からの光が入射する入射部開口と、前記積分球の内壁面で拡散された拡散光を出射する検出部開口とを有し、
   前記検出部開口に近接して、前記積分球からの拡散光を検出する光検出部を備え、測定対象光源の特性を測定する測光装置において、
   前記積分球は、密度が２．１〜２．３ｇ／ｃｍ ³ とされる一般産業用ポリテトラフッ化エチレン（ＰＴＦＥ）の固体ブロックを使用して、内部が球面状の中空とされる積分球ブロックを作製し、前記積分球ブロックの外周囲は、前記入射部開口及び検出部開口を除いて拡散反射板で囲包したことを特徴とする測光装置。
3. 前記光検出部は、リニアバリアブルフィルタと、複数の光電変換素子から成る光電変換素子列で構成した光電センサを備えていることを特徴とする請求項２に記載の測光装置。
4. 前記積分球の入射部開口に拡散透過板を備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の測光装置。

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