TWI575952B - 使用消色差雙稜鏡陣列之廣角攝影機及其製造方法 - Google Patents

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TWI575952B
TWI575952B TW105104358A TW105104358A TWI575952B TW I575952 B TWI575952 B TW I575952B TW 105104358 A TW105104358 A TW 105104358A TW 105104358 A TW105104358 A TW 105104358A TW I575952 B TWI575952 B TW I575952B
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Description

使用消色差雙稜鏡陣列之廣角攝影機及其製造方法 【相關申請案】
本申請案涉及標題為「使用消色差雙稜鏡陣列之廣角攝影機及其製造方法(Wide-Angle Camera Using Achromatic Doublet Prism Array and Method of Manufacturing the Same)」之共同申請第XX/YYY,ZZZ號專利申請案(代理人編號563226)。
有許多種擷取廣角影像的方式；其中一種方式為基於N x N個透鏡陣列系統，與採用單一透鏡的更傳統相機模組相比，該系統提供小型化且尺寸小的相機模組。其透鏡陣列技術使用一稜鏡及其他光學元件以形成較大一可視角度的光學系統。然而，稜鏡的使用導致了色差，顯著減低光學系統的調變轉換函數(MTF)且因而降低生成影像的品質。
本光學系統及其製造方法揭露了一種基於稜鏡且減少色差的光學系統。基於晶圓級的製造方式，一種新穎的消色差雙稜鏡陣列係具有可改善光學解析度的二個非對稱稜鏡，而不會過分複雜化其晶圓級製作程序。如本文中所使用，術語「二個非對稱稜鏡」表示該第一稜鏡的形狀相對於該第二稜鏡是不對稱的。也就是說，這兩個稜鏡反向地相互結合。在下文中將更詳細討論不對稱的概念。
在一實施例中，一種廣角攝影機係具有一感測器，該感測器具有設置在一基板之一第一側上的複數個像素次陣列及一光學元件陣列，其中該等光學元件中之每一者能夠從一視場在一不同的像素次陣列上形成一影像。該廣角攝影機在該基板之一第二側上亦包含一消色差雙稜鏡陣列，其中該等消色 差雙稜鏡中之每一者係經排列對齊以使用一不同的光學元件提供一視角，使得感測器於具有小型化規格的同時可擷取一廣角視場。
在另一實施例中，在前述一小型化之廣角攝影機具有一光學元件陣列及一對應單稜鏡陣列以協同運作以擷取一廣角視場，其中該光學元件陣列係形成於一基板的一第一側上而該單稜鏡陣列係形成於該基板的一第二側上，該等單稜鏡中之每一者係與一不同的光學元件對齊而導致色差，其改良包含實施該單稜鏡陣列做為在該基板的第二側上以用晶圓級製造方式所形成的一消色差雙稜鏡陣列，以致每一消色差雙稜鏡與一不同的光學元件對齊，且該消色差雙稜鏡陣列及該光學元件陣列相配合以在擷取該廣角視場時減少色差。
在另一實施例中，一種製造具有NxN個部分的一消色差雙稜鏡陣列的方法包含：在一基板上形成一第一稜鏡陣列，該第一稜鏡之每一者係設於該等NxN部分中之其中一者內，且由一第一材料所組成；以及，在該第一稜鏡陣列上形成一第二稜鏡陣列，各第二稜鏡係設於該等NxN部分中之一者內，且由一與該第一材料不同的第二材料所組成。
100‧‧‧攝影機
102‧‧‧消色差雙稜鏡陣列
104‧‧‧透鏡陣列
106‧‧‧感測器陣列
108‧‧‧裝置
110‧‧‧廣角度
111‧‧‧視場
202(1)-(9)‧‧‧消色差雙稜鏡
302(2)、302(5)、302(8)‧‧‧光學元件
304(2)、304(5)、304(8)‧‧‧像素次陣列
306、306(2)、306(5)、306(8)‧‧‧子攝影機
402‧‧‧第一稜鏡
403‧‧‧結合表面
404‧‧‧第二稜鏡
406‧‧‧第一基板
408‧‧‧第一透鏡
410‧‧‧第二基板
412‧‧‧第二透鏡
414‧‧‧第三透鏡
416‧‧‧第三基板
418‧‧‧第四透鏡
420‧‧‧第五透鏡
500、800、1100‧‧‧MTF全視場曲線圖
600、900、1200‧‧‧點狀圖
700‧‧‧晶圓級透鏡
702(1)-(3)‧‧‧基板
704(1)-(5)‧‧‧表面
706‧‧‧感測器陣列
1000‧‧‧晶圓級透鏡
1002‧‧‧單稜鏡
1300‧‧‧方法
1301、1302、1304、1306、1308、1310、1312、1314、1316、1317、1318、1320‧‧‧步驟
1400‧‧‧攝影機組件
1402‧‧‧消色差雙稜鏡陣列
1408‧‧‧成像基板
1500‧‧‧第一模具
1502(1)-(4)、1510‧‧‧區域
1506‧‧‧基板
1508‧‧‧第二模具
1514‧‧‧透鏡陣列組件
1516‧‧‧影像感測器
1600‧‧‧攝影機
1602‧‧‧消色差雙稜鏡陣列
1604‧‧‧第一稜鏡
1606‧‧‧第二稜鏡
1614‧‧‧透鏡陣列
1616‧‧‧感測器陣列
圖1係顯示在一實施例中使用一消色差雙稜鏡陣列之一例示性廣角攝影機。
圖2係顯示圖1攝影機的前視圖，說明在一實施例中該消色差雙稜鏡陣列具有九個呈三乘三陣列的元件。
圖3係為通過圖1及圖2的攝影機的A-A剖線的側面剖視圖，說明在一實施例中的三個例示性子攝影機。
圖4係顯示在一實施例中圖3的子攝影機的進一步例示性細節。
圖5係顯示在一實施例中圖3及4的例示性子攝影機光學性能的MTF全視場曲線圖。
圖6係顯示在一實施例中之一點狀圖，該點狀圖由圖3及圖4子攝影機經圖5之敘述所配置而生成。
圖7係顯示一晶圓級透鏡先前技術，其具有三個基板及五個表面供在一感測器陣列上形成影像。
圖8係為說明圖7的晶圓級透鏡先前技術的光學性能之MTF全視場曲線 圖。
圖9為一點狀圖，說明圖7的晶圓級透鏡光學性能。
圖10係顯示與圖7的晶圓級透鏡相似但含有一個單稜鏡的另一晶圓級透鏡先前技術。
圖11係為說明圖10的晶圓級透鏡先前技術光學性能之MTF全視場曲線圖。
圖12係為一點狀圖，說明圖10的晶圓級透鏡光學性能。
圖13係為一流程圖，說明一用於製造具有消色差雙稜鏡陣列的廣角攝影機的例示性方法。
圖14係描繪在一實施例中之例示性攝影機組件的外觀示意圖，其包含一疊置於透鏡陣列組件、成像感測器陣列及成像基板上的消色差雙稜鏡陣列。
圖15A-C為說明圖13的方法步驟之剖面示意圖。
圖16為說明一具有通過圖13的方法所形成的2x2消色差雙稜鏡陣列的例示性攝影機之剖面示意圖。
圖1係顯示使用一消色差雙稜鏡陣列102之一例示性廣角攝影機100之側面剖視圖。圖2係顯示該攝影機100的前視圖，說明該消色差雙稜鏡陣列102具有九個呈三乘三陣列的消色差雙稜鏡202(1)-(9)。攝影機100係顯示在一選自包含有智慧型手機、個人攝影機、穿戴式攝影機等之群組的裝置108內。攝影機100係適用於任何需要具廣角視場的小型影像擷取裝置的應用之中。攝影機100亦包含一透鏡陣列104及一感測器陣列106。透鏡陣列104及消色差雙稜鏡陣列102促使攝影機100擷取一廣角度110視場111。
圖3係為通過攝影機100的A-A剖線的側面剖視圖，分別說明三個例示性消色差雙稜鏡(202(2)、202(5)及202(8))、對應的光學元件(302(2)、302(5)及302(8))以及對應的像素次陣列(304(2)、304(5)及304(8))。每一消色差雙稜鏡202、對應的光學元件302及對應的像素次陣列304形成一子攝影機306，其中攝影機100具有九個這類子攝影機。在圖3的實例中，子攝影機306包含消色差雙稜鏡202(2)、對應的光學元件302(2)及對應的像素次陣列304(2)。
圖4係顯示圖3的子攝影機的進一步例示性細節。光學元件302(2)為一個有五個表面的晶圓級透鏡結構，其具備一帶有一第一透鏡408的第 一基板406、一帶有一第二透鏡412及一第三透鏡414的第二基板410，以及一帶有一第四透鏡418及一第五透鏡420的第三基板416。該等基板406、410及416係(例如)為玻璃。儘管在此實施例中顯示了該等透鏡408、412、414、418及420，可在不偏離本發明範圍的情況下使用其他種帶有更多或更少透鏡、或帶有不同類型透鏡的光學元件。
每一消色差雙稜鏡202係由二個非對稱稜鏡所形成。消色差雙稜鏡202(2)具備一具有低阿貝數(V1)及高折射率(n1)的第一稜鏡402，以及一具有高阿貝數(V2)及低折射率(n2)的第二稜鏡404。例如，在圖4中，第一稜鏡402的角度為13.6度，折射率(n1)為1.6且阿貝數(V1)為30，而第二稜鏡404的角度為-17.2度，折射率(n2)為1.5且阿貝數(V2)為57。應理解，這些數值可在不偏離本發明範圍的情況下有所改變。消色差雙稜鏡202(2)係起作用以修改光學元件302(2)及子攝影機306的視角。每一消色差雙稜鏡202的配置係經選擇以改變其對應的子攝影機306的視角，使得攝影機100擷取廣角度110視場111。消色差雙稜鏡202(2)係直接形成在第一基板406之一與透鏡408相對的表面上，如下文所進一步詳細討論，藉以降低製造時間與成本。此外，消色差雙稜鏡202的使用顯著改善攝影機100的光學解析度，使其在品質上可與不具有稜鏡的攝影機相比。
為實現具有廣角性能的小型攝影機，本發明使用了一具有二個非對稱稜鏡的消色差雙稜鏡，且該等非對稱稜鏡係由兩種具有不同阿貝數的不同光學材料所製成。該第一稜鏡的阿貝數比該第二稜鏡的阿貝數低。這些稜鏡係使用晶圓級製造方法(例如使用下文所進一步詳細討論的方法1300)而結合形成在一第一基板上。每一消色差雙稜鏡的幾何形狀係基於其在該陣列內的位置。
假定第一稜鏡的阿貝數為V1，而第二稜鏡的阿貝數為V2，第一稜鏡的折射率為n1，而第二稜鏡的折射率為n2。若下列二個限制條件被滿足，可在每一子攝影機306(即，消色差雙稜鏡202(2)與光學元件302(2))中實現高光學性能。
限制條件1：V2>V1,V2>50且V1<35(d線，波長為587nm)。
限制條件2：n2<n1,n2<1.52且n1>1.58(d線，波長為 587nm)。
第一稜鏡402與第二稜鏡404之間的結合表面403的角度係取決於第一稜鏡402與第二稜鏡404的不同材料折射率的匹配性。例如，第一稜鏡402與第二稜鏡404各別的角度可不同於圖4中的13.6及-17.2度，但第一稜鏡402的角度與第二稜鏡404的角度相比優選為負的。
圖5係顯示一MTF全視場曲線圖500，其說明圖3及圖4中之子攝影機306(即，消色差雙稜鏡202(2)與光學元件302(2))的例示性光學性能。第一稜鏡402的阿貝數(V1)為30，且第一稜鏡402的材料的折射率(n1)為1.6(d線，於587nm下)。第二稜鏡404的阿貝數(V2)為57，且由折射率(n2)為1.51(d線，於587nm下)的材料所製成。圖6為一點狀圖600，係由模擬將圖3及圖4之子攝影機306(即，消色差雙稜鏡202(2)與光學元件302(2))按圖5之說明而組態之情形。
為進行比較，若干例示性光學配置先前技術將與圖3及圖4中的消色差雙稜鏡202(2)與光學元件302(2)的MTF全視場曲線圖500與點狀圖600進行比較及測試。
圖7係顯示一先前技術之晶圓級透鏡700，其具有三個基板702(1)-(3)及五個表面704(1)-(5)供在一感測器陣列706上形成影像。晶圓級透鏡700與圖3的光學元件302(2)相似。值得注意的是，晶圓級透鏡700並不包含任何稜鏡，因此不具有廣角視場性能。
圖8為一MTF全視場曲線圖800，說明圖7的先前技術晶圓級透鏡700的光學性能。圖9為點狀圖900，說明圖7的晶圓級透鏡700的光學性能。MTF曲線圖800及點狀圖900說明了晶圓級透鏡700的典型性能。
圖10係顯示另一與圖7的晶圓級透鏡700相似的先前技術晶圓級透鏡1000，但更具有一額外的單稜鏡1002，該單稜鏡1002係與基板702(1)上相對於表面704(1)的一表面配置一起。單稜鏡1002的阿貝數(VD)為62.6，且其係由一折射率(n)為1.5168(d線，在587nm下)的材料所製成。值得注意的是，單稜鏡1002對晶圓級透鏡1000提供了廣角性能。
圖11為一MTF全視場曲線圖800，說明圖10的先前技術晶圓級透鏡1000的光學性能。圖12為一點狀圖1200，說明圖10的晶圓級透鏡1000的光學性能。MTF全視場曲線圖800及點狀圖900說明了晶圓級透鏡700的典 型性能。如曲線圖1100及點狀圖1200中所示，單稜鏡1002的加入導致了嚴重的色差，顯著降低晶圓級透鏡1000的光學解析度性能，如圖11及12與圖8及9相比時所示。因此，使用如晶圓級透鏡1000中所示的單稜鏡會造成品質不佳的影像。
然而，比較圖5的MTF全視場曲線圖500及圖6的點狀圖600與先前技術的MTF全視場曲線圖800(圖8)及點狀圖900(圖9)時明顯可見，圖3的子攝影機306中使用消色差雙稜鏡202將在光學性能上導致超越圖10的先前技術晶圓級透鏡1000的顯著改善情形。
圖13為一流程圖，說明一用於製造具有消色差雙稜鏡陣列的廣角攝影機的例示性方法1300。圖14係描繪在一實施例中圖1的攝影機100的外觀示意圖，包含疊置於透鏡陣列104及成像感測器陣列106上的消色差雙稜鏡陣列102，且用作說明性地顯示其形成於一成像基板1408上。圖15A-C為說明圖13的方法1300步驟之剖面示意圖，用以在一晶圓上形成複數個攝影機100。特別地，圖15A係顯示模具1500、1508的例示性使用，以在一基板1506上形成第一及第二稜鏡，而圖15B係顯示與一透鏡陣列組件1514及一影像感測器1516結合在一起的基板1506被切割成塊以形成每一個單獨的攝影機組件1400。圖13至圖15B最好與以下描述一起觀看。
為討論圖13-15B之目的，已參照上文繪製呈三乘三陣列的攝影機組件1400。然而，應理解到方法1300可應用於任何的NxM個相機組件陣列，其中N及M為正整數。
在步驟1302中，方法1300產生一對應第一稜鏡陣列的第一模具。在步驟1302的一實例中，第一模具1500係經產生以用於形成第一稜鏡陣列402。第一模具1500係配置有複數個對應於若干第一稜鏡402預期構造的區域1502。在圖15A中，其顯示了第一模具1500可形成二個消色差雙稜鏡陣列1402，且每一消色差雙稜鏡陣列係對應於圖14的剖線B-B。此外，於每一區域1502與該消色差雙稜鏡的一給定部分相關聯時，每一區域1502可基於該部分中的第一稜鏡預期構造而有不同的構造。在圖15所說明的實例中，第一模具1500的剖面係與圖1及14的消色差雙稜鏡陣列102的消色差雙稜鏡202(2)、202(5)及202(8)的第一稜鏡402相關聯，其中區域1502係經成形且改變其大小以形成其中的每一個第一稜鏡402。
在步驟1304中，方法1300係使用該第一模具於一第一基板上形成一由第一材料所製成的第一稜鏡陣列。在步驟1304的一實例中，第一材料被置於若干區域1502(1)-(4)內，以分別在基板406上形成第一稜鏡404(1)-(4)。第一材料係可為紫外光(UV)固化材料。基板406可以是玻璃、塑膠、矽膠或其他光學透明性材料。
在可選擇的步驟1306中，第一材料係經固化以完成第一稜鏡1504的成形。
在步驟1308中，方法1300移除該第一模具。在步驟1308的一實例中，第一模具1500係被移除以在基板406上留下第一稜鏡402。
在可選擇的步驟1310中，方法1300產生一對應第二稜鏡陣列的第二模具。在步驟1310的一實例中，第二模具1508係經產生以用於形成第二稜鏡404陣列。第二模具1508包含至少一個對應於若干第二稜鏡404預期構造的區域1510。第二模具1508與第一模具1500對應並(例如)在一晶圓上形成複數個攝影機100。區域1510的每一部分係與該消色差雙稜鏡陣列102的一給定部分相關聯，其中區域1510的每一部分可基於消色差雙稜鏡陣列102的對應第二稜鏡404之形狀及大小而有不同的形狀及大小。在圖15A所說明的實例中，第二模具1510的剖面係與圖1、2及3的攝影機100的子攝影機306(2)、306(5)及306(8)相關聯，包含用於形成其中的第二稜鏡404的一個區域1510。(例如)若剖線B-B係穿過其部分202(1)-202(3)，第二模具1510的表面將有所不同以匹配於此等子攝影機306的第二稜鏡404的預期構造。
在步驟1312中，方法1300使用該第二模具在該等第一稜鏡上形成一由不同於第一材料的第二材料所組成的第二稜鏡陣列。在步驟1312的一實例中，第二材料係設置在區域1510內以分別在第一稜鏡上形成第二稜鏡404(1)-(6)。在圖15A所顯示之運用於三乘三陣列的實例中，對應子攝影機306(5)的陣列中心係僅包含第二材料且不含有第一稜鏡。因此，於此部分中第二材料係形成於基板406上。第二材料可為紫外光(UV)固化材料。
在可選擇的步驟1314中，第二材料係經固化以完成第二稜鏡404的成形。
在步驟1316中，方法1300移除該第二模具。在步驟1316的一實例中，第二模具1508係被移除而在第一稜鏡402及基板406上留下若干第二 稜鏡404。
在可選擇的步驟1318中，方法1300將步驟1302-1316中所形成的第一及第二稜鏡陣列疊置於一透鏡陣列組件上。在步驟1318的一實例中，設有第一稜鏡402及第二稜鏡404於其上的基板406係疊置於透鏡陣列組件104及影像感測器陣列106上。在圖15B的實例中，其於進行疊置之前係已在基板406的一第二側上形成一額外的透鏡(例如，圖4的透鏡408)。
在可選擇的步驟1320中，方法1300將層疊的陣列切割成塊以形成單獨的攝影機。在步驟1320的一實例中，消色差稜鏡陣列102、基板406、透鏡陣列104及影像感測器陣列106係經切割成塊(例如，沿著切割線1518)以形成單獨的攝影機100，如圖15C中所示。
步驟1301及1317為可選擇的。若步驟1301被包含於內，那麼步驟1317則不會被包含於其內。若步驟1317被包含於內，那麼步驟1301則不會被包含於其內。在每一個可選擇的步驟1301及1317中，一可選擇的透鏡陣列係被製造於該基板的一第二側上。在步驟1301及1317中的一實例中，透鏡408係被製造於基板406的一第二側上。亦即，若包含在內時，透鏡408係可於製造消色差雙稜鏡陣列102之前或之後在基板406的一第二側上製造。
在圖1至15的實例中，由於子攝影機306(5)不需要修改其對應的視場，故第一稜鏡402係未包含於其內。換言之，假定攝影機100係由一對稱的NxN子攝影機306陣列所形成，當N為奇數時，該消色差雙稜鏡陣列102的中央消色差雙稜鏡可不包含第一稜鏡402但可包含對應於其他第二稜鏡404的材料。當N為偶數時，該中央子攝影機可選擇地包含一第一稜鏡。例如，在一4x4陣列中，攝影機100中心的四個子攝影機可只包含第二材料。或者，在一4x4陣列中，中心的四個部分可包含第一及第二稜鏡。圖16為一剖面示意圖，說明以圖13的方法1300所形成的2x2消色差雙稜鏡陣列1602的例示性攝影機1600。攝影機1600具有一消色差雙稜鏡陣列1602、一透鏡陣列1614及一感測器陣列1616。在圖16的實例中，攝影機1600係形成為一個2x2子攝影機陣列，且因而不具有中心子攝影機，其中每一子攝影機係包含第一及第二稜鏡1604、1606二者。
如圖15A-C中所示，形成第二稜鏡404的第二材料可從封裝每一個第一稜鏡402的單一連續材料層製作而成。有利的是，這節省了對齊第二 稜鏡404與第一稜鏡402的時間及提升對齊的準確度。另外，第二模具1508可經配置而使得只有第一稜鏡402的上表面被各別第二稜鏡404的第二材料以類似於圖3及4的方法進行覆蓋。有利的是，這節省了使用在形成第二稜鏡陣列的材料用量費用。
可在不偏離本發明範疇的情形下對上述方法及系統做出改變。因此應當指出的是，上述說明或顯示於附圖中之內容應解釋為例示性的意義而非限制性的意義。下列申請專利範圍係意欲涵蓋本文所述之所有一般性特徵及特定特徵，以及本方法及系統之範疇之所有陳述，將因語言之因素而落入該等範疇之中。
100‧‧‧攝影機
102‧‧‧消色差雙稜鏡陣列
104‧‧‧透鏡陣列
106‧‧‧感測器陣列
202(2)、202(5)、202(8)‧‧‧消色差雙稜鏡
302(2)、302(5)、302(8)‧‧‧光學元件
304(2)、304(5)、304(8)‧‧‧像素次陣列
306‧‧‧子攝影機

Claims (9)

  1. 一種廣角攝影機，包括：一具有複數個像素次陣列的感測器；一設置在一基板的一第一側上的光學元件陣列，該等光學元件中之每一者係能夠在一不同的像素次陣列上形成一視場的一影像；以及一設置在該基板的一第二側上的消色差雙稜鏡陣列，該等消色差雙稜鏡中之每一者係經排列對齊以使用一不同的光學元件提供一視角；其中該消色差雙稜鏡陣列之各該消色差雙稜鏡係經排列對齊，以使用該光學元件陣列之一不同的光學元件提供一視角，以致該感測器於具有一小型化規格的同時可擷取一廣角視場。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的廣角攝影機，該等消色差雙稜鏡中之每一者包括：一設置在該基板第二側上由一第一材料製成的第一稜鏡；以及一設置在該第一稜鏡的一表面上由一第二材料製成的第二稜鏡，該第一稜鏡及第二稜鏡界定該二稜鏡間的一結合表面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的廣角攝影機，該第一稜鏡具有一比該第二稜鏡的一第二阿貝數較低的第一阿貝數。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的廣角攝影機，該第一材料在一給定波長下具有一比該第二材料的一第二折射率較高的第一折射率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的廣角攝影機，其中每一消色差雙稜鏡的幾何形狀係取決於其在該消色差雙稜鏡陣列內的位置。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的廣角攝影機，其中該第二材料在各該消色差雙稜鏡之間為相同連續材料。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的廣角攝影機，更包含位於該消色差雙稜鏡陣列之陣列中心的一區域，而該區域僅包含該第二材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的廣角攝影機，其中各該消色差雙稜鏡是直接相鄰於該等消色差雙稜鏡中之至少另一個。
  9. 在具有具有一光學元件陣列及一相配合以擷取廣角視場的對應單稜鏡陣列，其中該光學元件陣列係形成於一基板的一第一側上及該單稜鏡陣列係形成於該基板的一第二側上，以及其中該等單稜鏡中之每一者係與一不同的光學元件對齊而導致色差之一小型化規格廣角攝影機之類型中，其改良包括：實施該單稜鏡陣列做為在該基板的第二側上使用晶圓級製造方式所形成的一消色差雙稜鏡陣列，使得每一消色差雙稜鏡與一不同的光學元件對齊，且該消色差雙稜鏡陣列及該光學元件陣列相配合而以減少色差方式擷取該廣角視場。
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