WO2013146091A1 - 撮像機構、内視鏡、及び撮像機構の製造方法 - Google Patents

Abstract

　撮像機構が、撮像素子と、前記撮像素子の一面に設けられる受光部と、前記撮像素子の前記一面及び前記受光部を覆うカバー部材と、平面部を有する平凸レンズを含む複数枚のレンズ及び前記複数枚のレンズを固定した鏡筒を有してかつ、前記受光部に光学的に結合したレンズユニットと、を備え、前記平面部を有する前記平凸レンズは、前記複数枚のレンズにおいて前記撮像素子に最も近い位置に、前記撮像素子に前記平面部が対向するように設けられ、前記平面部が、前記鏡筒の端部から前記撮像素子に向かって突出し、前記カバー部材に固定されている。

Description

撮像機構、内視鏡、及び撮像機構の製造方法

　本発明は、主に内視鏡等の微細な光学機器に部品として組み込まれる撮像機構、内視鏡、及び撮像機構の製造方法に関する。
　本願は、２０１２年３月２６日に、日本に出願された特願２０１２－０７０３９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　内視鏡等の光学機器に組み込まれる撮像機構では、レンズと撮像素子の相対位置を固定して、観察対象から出る光を撮像素子の受光部（撮像部）に結像させる必要がある。レンズの固定には光硬化接着剤を用いる方法が一般的であり、受光部の位置で結像させるために受光部を覆うキャップ形のレンズを使用する場合が多い。
　特許文献１の場合、撮像素子側のレンズは、撮像素子に向かって延出する複数の脚部を有し、複数の脚部の端面と撮像素子の前面部とを光硬化接着剤によって、固着している。
　特許文献２の場合、後端側の第１レンズ群はフィルターを介して撮像素子に透明な樹脂製接着剤を用いて接着固定されている。

日本国特開２００８－２７５７８６号公報 日本国特開２００６－０５５５３１号公報

　特許文献１の場合、レンズ鏡枠は撮像素子の全体を覆うように設置されるため、撮像素子のサイズより小さくすることができない。また、レンズの光軸に垂直な方向（撮像素子の受光面と同じ水平方向）の位置合わせ精度が、複数の脚部の端面の加工精度に依存する。
　特許文献２の場合、後端側の第１レンズ群の中央部にフィルターを接着固定するため、第１レンズ群はフィルターのサイズより小さくすることができない。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、撮像素子の受光部に対するレンズの位置合わせが容易で、レンズの小型化も可能な撮像機構、内視鏡、及び撮像機構の製造方法を提供することを課題とする。

　前記課題を解決するため、本発明の第１態様に係る撮像機構は、撮像素子と、前記撮像素子の一面に設けられる受光部と、前記撮像素子の前記一面及び前記受光部を覆うカバー部材と、平面部を有する平凸レンズを含む複数枚のレンズ及び前記複数枚のレンズを固定した鏡筒を有してかつ、前記受光部に光学的に結合したレンズユニットと、を備え、前記平面部を有する前記平凸レンズは、前記複数枚のレンズにおいて前記撮像素子に最も近い位置に、前記撮像素子に前記平面部が対向するように設けられ、前記平面部が、前記鏡筒の端部から前記撮像素子に向かって突出し、前記カバー部材に固定されている。
　上記撮像機構は、前記平凸レンズと前記カバー部材の間に設けられ、前記平凸レンズを前記カバー部材に固定する接着剤をさらに備えることが好ましい。
　前記接着剤は光硬化型の接着剤であることが好ましい。
　上記撮像機構は、前記平凸レンズの、前記鏡筒の端部から突出した部分の側面部と、前記カバー部材の外表面とを被覆する遮光性材料をさらに備えることが好ましい。
　前記レンズユニットは、前記平凸レンズより対物側に設けられる全てのレンズを１つの鏡筒に固定することが好ましい。

　また、本発明の第２態様に係る内視鏡は、撮像素子と、前記撮像素子の一面に設けられる受光部と、前記撮像素子の前記一面及び前記受光部を覆うカバー部材と、前記撮像素子に最も近い位置に設けられかつ平面部を有する平凸レンズを含む複数枚のレンズ及び前記複数枚のレンズを固定した鏡筒を有してかつ、前記受光部に光学的に結合したレンズユニットと、を有する撮像機構と、前記撮像機構に向けて延在する電気ケーブルと、前記電気ケーブルの先端部を前記撮像素子に電気的に接続したフレキシブルプリント配線板と、を備え、前記平面部が、前記鏡筒の端部から前記撮像素子に向かって突出しかつ、前記カバー部材に固定されている。

　また、本発明の第３態様に係る撮像機構の製造方法は、撮像素子と、前記撮像素子の一面に設けられる受光部と、前記撮像素子の一面及び前記受光部を覆うカバー部材と、前記撮像素子に最も近い位置に設けられ、前記鏡筒の端部から前記撮像素子に向かって突出する平面部を有する平凸レンズを含む複数枚のレンズ及び前記複数枚のレンズを固定した鏡筒を有するレンズユニットと、を準備し、前記レンズユニットが前記撮像素子の受光部に光学的に結合するように前記レンズユニットを位置合わせして、前記平面部を前記カバー部材に固定する。
　前記平凸レンズと前記カバー部材との間を接着剤で固定することが好ましい。
　前記接着剤が光硬化型の接着剤であることが好ましい。
　前記平凸レンズの平面部を、前記光硬化型の接着剤により、前記カバー部材に固定する際、前記レンズユニットの対物側から光を照射し、かつ、前記平凸レンズの側面部からも光を照射して、前記光硬化型の接着剤を硬化させることが好ましい。
　前記鏡筒の前記撮像素子側の端部から突出した前記平凸レンズの側面部と、前記カバー部材の外表面とを、遮光性材料で被覆することが好ましい。
　前記レンズユニットは、前記平凸レンズより対物側に設けられる全てのレンズを１つの鏡筒に固定することが好ましい。

　上記本発明の態様によれば、平凸レンズの平面部をカバー部材上に固定するため、平凸レンズの平面部とカバー部材の表面の間を横にずらしながら位置合わせをすることができ、微細加工をすることなく、高精度の光接続が可能になる。また、上記本発明の態様によれば、平凸レンズの平面部を鏡筒から突出させることにより、レンズユニットを撮像素子側に固定する際、対物側と撮像素子側を容易に見分けることができる。
　さらに、上記本発明の態様によれば、光硬化型の接着剤を用いる場合には、レンズユニットの対物側からに加えて、平凸レンズの外周の側面部からも光を照射して、接着剤を硬化させることもできる。
　また、上記本発明の態様によれば、必要に応じて、レンズユニットのサイズ（レンズ光軸に垂直な断面積）を撮像素子より小さくすることもできる。

本発明の一実施形態に係る撮像機構の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る撮像機構の一例を示す断面図である。 レンズユニットの一例を示す断面図である。 レンズユニットの一例を示す断面図である。 接着剤を光硬化させる方法の一例を示す断面図である。 接着剤を光硬化させる方法の一例を示す断面図である。 内視鏡端部構造の一例を示す部分断面図である。 内視鏡端部構造の一例を示す部分断面図である。 内視鏡端部構造の一例を示す部分断面図である。 内視鏡端部構造の一例を示す部分断面図である。 内視鏡の一例を示す部分断面図である。

　以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
　図１Ａ及び図１Ｂに、それぞれ本発明の一実施形態に係る撮像機構の一例を示す。撮像機構１０，１００は、一方の表面１１ｂに受光部１１ａを有する撮像素子１１と、撮像素子１１の受光部１１ａが設けられる表面１１ｂを覆うカバー部材１２と、撮像素子１１の受光部１１ａに光学的に結合したレンズユニット１３とを備える。

　撮像素子１１としては、特に限定されないが、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）、及びＣＰＤ（チャージプライミングデバイス）等の半導体チップが挙げられる。チップ寸法は、特に限定されないが、細径化のためには小型のチップを採用することが好ましい。例えば一辺（長辺及び短辺）が約１ｍｍ以下のチップが挙げられる。チップの厚さが数十μｍから数百μｍの薄型のチップを用いることもできる。撮像素子１１の受光部１１ａには、画素ごとに集光するためのマイクロレンズ等を設けることもできる。

　カバー部材１２は、撮像素子１１の受光部１１ａ及び受光部１１ａが設けられている表面１１ｂを覆い、受光部１１ａ及び電気回路等（図示せず）を保護する保護部材として機能する。また、カバー部材１２の厚さは、レンズ１４，１５の焦点距離及び光学特性に合わせて、受光部１１ａとレンズユニット１３の距離（間隔）とを調整するためのスペーサーとしても機能する。撮像素子１１とカバー部材１２との間の固定には、接着剤（図示せず）を用いることもできる。接着剤が受光部１１ａ上に位置する場合は、透明な光学用接着剤を用いることが好ましい。

　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、レンズユニット１３は、撮像素子１１側に平凸レンズ１４を含む複数枚のレンズ１４，１５と、これら複数枚のレンズ１４，１５を固定した鏡筒１６とを備える。鏡筒１６は、例えばＳＵＳ等の金属、ガラス、またはプラスチック等から形成することができる。鏡筒１６は撮像素子側と対物側のそれぞれの端部１６ａ，１６ｂとが開口している。
　図示例のレンズ１４，１５は、いずれも平凸レンズであり、光軸に沿って一方の側に平面部１４ａ，１５ａを、他方の側に凸面部１４ｂ，１５ｂを有する。これらの平凸レンズ１４，１５は、凸面部１４ｂ，１５ｂ同士を対向させ、側面部１４ｃ，１５ｃと鏡筒１６の内面との間が接着、係合、または嵌合等により固定されている。レンズユニット１３の対物側には、透明なカバー部材１８が設けられている。
　カバー部材１８と、対物側の平凸レンズ１５の平面部１５ａとの間には、中央部で開口し、周辺部で遮光する、絞り１７が設けられている。絞り１７の開口１７ａは、レンズ１４，１５の光軸が通る位置に設けられている。
　レンズ１４，１５、撮像素子１１のカバー部材１２、レンズユニット１３のカバー部材１８等の光学部材は、多成分ガラス、石英ガラス、透明プラスチック、単結晶等から構成することができる。これらの光学部材には、反射防止膜等のコーティング及び表面処理等を有することもできる。

　撮像素子側の平凸レンズ１４の平面部１４ａは、鏡筒１６の撮像素子側の端部１６ａから突出している。これにより、レンズユニット１３を撮像素子１１側のカバー部材１２に接着剤等で固定する際に、鏡筒１６の端部１６ａが干渉することなく、平凸レンズ１４の平面部１４ａとカバー部材１２の表面１２ａとを平面同士ですり合わせ、受光部１１ａに対するレンズユニット１３の光軸を容易に位置合わせすることができる。
　レンズユニット１３の各部の形状及び寸法は特に限定されないが、一形態において、対物側のレンズ１５の凸面部１５ｂは半径１ｍｍの球面であり、撮像素子側にレンズ１４の凸面部１５ｂは半径２ｍｍの球面である。鏡筒１６の内径は０．６ｍｍであり、鏡筒１６の長さは０．８ｍｍであり、鏡筒１６の肉厚は０．０３ｍｍであり、撮像素子側の平凸レンズ１４の平面部１４ａの鏡筒端部１６ａから突出部までの長さは０．１ｍｍである。

　図１Ａ及び図１Ｂに示す撮像機構１０，１００は、各部品を次の（１）～（３）の工程を有する製造方法により製造することができる。工程（１）と工程（２）の順序は任意であり、同時進行も可能である。
（１）撮像素子１１の受光部１１ａ及び受光部１１ａが設けられる表面１１ｂをカバー部材１２で覆う工程。
（２）複数枚のレンズ１４，１５を、撮像素子１１側の平凸レンズ１４の平面部１４ａが、鏡筒１６の撮像素子１１側の端部１６ａから突出するように、固定してレンズユニット１３を作製する工程。
（３）鏡筒１６の撮像素子１１側の端部１６ａから突出する平凸レンズ１４の平面部１４ａを、レンズユニット１３が撮像素子１１の受光部１１ａに光学的に結合するように位置合わせして、受光部１１ａ及び表面１１ｂを覆うカバー部材１２に固定する工程。

　平凸レンズ１４の平面部１４ａをカバー部材１２に固定する工程に先立って、受光部１１ａ及び受光部１１ａが設けられる表面１１ｂをカバー部材１２で覆った撮像素子１１と、鏡筒１６に複数枚のレンズ１４，１５を固定したレンズユニット１３とを準備する。それにより、実際にレンズユニット１３を通して撮像素子１１で受光した光（画像）を観察しながら、撮像素子１１とレンズユニット１３との位置合わせを実施することができる。平凸レンズ１４とカバー部材１２との間を接着剤１９で固定する場合は、接着剤１９が未硬化で流動性を有する間に平凸レンズ１４（レンズユニット１３）又はカバー部材１２（撮像素子１１）を変位させ、レンズユニット１３の光軸と受光部１１ａとの光軸を調心する。接着剤１９としては、熱硬化型及び化学反応型等も挙げられるが、光硬化型の接着剤の場合、未硬化状態を必要に応じて継続させることができ、しかも迅速に硬化させることができるので、光硬化型の接着剤が好ましい。照射光としては、紫外線及び可視光線が挙げられる。
　光学用接着剤としては、シリコーン、エポキシ、フッ素化エポキシ、アクリル、エポキシアクリレート、及びフッ素化エポキシアクリレート等が挙げられる。

　また、図示例のレンズユニット１３によれば、図１Ａに示すように、受光部１１ａが、撮像素子１１の表面１１ｂの外周部に偏った位置に配置されている、または図１Ｂに示すように、受光部１１ａが、撮像素子１１の表面１１ｂの中央部に配置されている場合であっても、レンズユニット１３の仕様を変更することなく、組み合わせることが可能である。これにより、撮像素子１１における受光部１１ａの位置を、他の回路または端子等の位置とともに設計する自由度が向上する。
　図１Ａに示すように、平凸レンズ１４の平面部１４ａの一部が、カバー部材１２の表面１２ａから外に出ている状態で固定することもできる。

　平凸レンズ１４の平面部１４ａを、光硬化型の接着剤により、カバー部材に固定する際、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、レンズユニット１３の対物側から光２１を照射するとともに、鏡筒１６の端部１６ａから突出する平凸レンズ１４の外周の側面部からも光２２を照射して、光硬化型の接着剤２０を硬化させることが好ましい。なお、図３Ａ及び図３Ｂの接着剤２０は、硬化が完了していない状態を示す。レンズユニット１３の対物側から照射する主照射光２１は、実際の観察時に画像光が通過する箇所を含む領域に照射されるため、接着剤２０の大部分を硬化させることができる。また、平凸レンズ１４の外周から照射する補助照射光２２は、周辺部の接着剤２０を確実に硬化することができる。特に、受光部１１ａに対してレンズユニット１３を調心する際に接着剤２０が平凸レンズ１４からはみだす量が増加した場合でも、接着剤２０が未硬化のまま残ることを抑制することができる。

　平凸レンズ１４及びカバー部材１２は透光性であり、側方へ出射する出射光（漏れ光）または側方から入射する入射光（ノイズ）の影響を抑制する必要がある。従って、図４Ａ～５Ｂに示すように、鏡筒１６から突出した平凸レンズ１４の外周の側面部と、カバー部材１２の外表面とを、遮光性材料２３で被覆することが好ましい。遮光性材料２３としては、着色材及び吸光材等を混合した樹脂または接着剤等が挙げられる。カーボン等の黒色材料（粉末）を分散した熱硬化性樹脂を遮光性材料２３として用いると、遮光性とともに耐熱性に優れるので好ましい。

　図４Ａ及び図４Ｂには、撮像機構１０，１００を覆う外筒３１の内部に遮光性材料２３を充填した例を示す。この場合、撮像機構１０，１００を外筒３１内に収容した後で遮光性材料２３を充填し、固化させることが好ましい。
　また、図５Ａ及び図５Ｂには、鏡筒１６から突出した平凸レンズ１４の外周の側面部と、カバー部材１２の外表面と、それらに近い位置とにのみに遮光性材料２３を付着させた例を示す。この場合、撮像機構１０，１００に遮光性材料２３を付着させた後で、外筒３１に収容することも可能である。
　また、外筒３１と撮像機構１０，１００との間の空間３６は、空洞でもよく、樹脂等の封止材または充填材を空間３６に充填して、外筒３１が封止されていてもよい。この封止材または充填材は、遮光性でも透光性でもよい。粘度が数千ｃｐｓ程度の流動性を有する樹脂または接着剤を用い、充填後に固化あるいは硬化させることもできる。

　遮光性材料２３、封止材、または充填材に硬い樹脂を用いる場合、熱収縮しにくいため、滅菌消毒または加熱処理を繰り返し行う用途に好適である。この場合、樹脂の硬さとしては、ショアＤ（例えばＪＩＳ　Ｋ６２５３のタイプＤデュロメータ）で、Ｄ８０程度が挙げられる。遮光性材料２３、封止材、または充填材に軟らかい樹脂を用いる場合、応力を吸収しやすく、耐衝撃性に優れるという利点がある。この場合、樹脂の硬さとしては、ショアＡ（例えばＪＩＳ　Ｋ６２５３のタイプＡデュロメータ）で、Ａ３０程度が挙げられる。

　図６に、本形態例の撮像機構１０を備える内視鏡の一例を示す。この内視鏡３０は、撮像機構１０に向けて延在する電気ケーブル３４と、電気ケーブル３４の先端部を撮像素子１１に電気的に接続したフレキシブルプリント配線板３２とを備える。撮像素子１１をフレキシブルプリント配線板３２に固定する方法としては、撮像素子１１の裏面１１ｃまたは側面等に、接着剤、半田、又は銀ろう等の接合材、またはネジ等の機械的手段等を設けることが挙げられる。撮像素子１１は、スリーブ状の外筒３１内に収容されている。外筒３１の寸法は、特に限定されないが、例えば外径１．２ｍｍ、長さ５ｍｍ程度としてもよい。外筒３１は、ＳＵＳ等の金属樹脂、またはガラス等から構成することができる。

　フレキシブルプリント配線板３２としては、フレキシブルな絶縁フィルムの片面又は両面に、銅箔などの金属層を形成した配線板が挙げられる。絶縁フィルムとしては、ポリイミド、ポリエステル、液晶ポリマー等が挙げられるが、特にこれらに限定されない。フレキシブルプリント配線板３２はパターン状の導体で形成される配線３３を有し、電気ケーブル３４と撮像素子１１とを電気的に接続している。配線３３と撮像素子１１との電気的接続には、はんだバンプ、金属ワイヤ、異方性導電材、または導電ペースト等の導電部材を用いることができる。配線等の電気的接続手段には、電気絶縁材による被覆を設けることができる。図示例の電気ケーブル３４は、チューブ３５内に収容されている。チューブ３５は可撓性を有することが好ましい。

　レンズユニット１３は、平凸レンズ１４より対物側に設けられる全てのレンズ１４，１５を、１つの鏡筒１６に固定することが好ましい。これにより、平凸レンズ１４及びカバー部材１２を介して鏡筒１６が撮像素子１１に対して位置決め固定され、部材点数を削減でき、小型化及び低コスト化するのに有利である。

　以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
　本形態例の撮像機構１０は、内視鏡に内蔵する場合に限られず、カテーテルに挿入して用いたり、種々の電子機器に内蔵したりすることもできる。体腔内に使用される内視鏡の場合、撮像機構１０は少なくとも一回の滅菌消毒が必要であり、繰り返し使用する内視鏡の場合、滅菌消毒が毎回（使用前及び使用後）行われる。滅菌方法としては、例えば６０℃の低温プラズマ処理またはエチレンオキサイドガス処理が挙げられる。
　内視鏡は、照明用のライトガイドを備えることもできる。また、栄養剤または薬液等を供給するチューブを挿入する経路を有することもできる。

１０，１００…撮像機構、１１…撮像素子、１２…カバー部材、１３…レンズユニット、１４…撮像素子側の平凸レンズ、１５…対物側の平凸レンズ、１６…鏡筒、１７…絞り、１８…カバー部材、１９…接着剤、２０…未硬化の接着剤、２１…主照射光、２２…補助照射光、２３…遮光性材料、３０…内視鏡、３１…外筒、３２…フレキシブルプリント配線板、３３…配線、３４…電気ケーブル。

Claims (12)

1. 　撮像機構であって、
   　撮像素子と、
   　前記撮像素子の一面に設けられる受光部と、
   　前記撮像素子の前記一面及び前記受光部を覆うカバー部材と、
   　平面部を有する平凸レンズを含む複数枚のレンズ及び前記複数枚のレンズを固定した鏡筒を有してかつ、前記受光部に光学的に結合したレンズユニットと、を備え、
   　前記平面部を有する前記平凸レンズは、前記複数枚のレンズにおいて前記撮像素子に最も近い位置に、前記撮像素子に前記平面部が対向するように設けられ、
   　前記平面部が、前記鏡筒の端部から前記撮像素子に向かって突出し、前記カバー部材に固定されている撮像機構。
2. 　請求項１に記載の撮像機構であって、
   　前記平凸レンズと前記カバー部材の間に設けられ、前記平凸レンズを前記カバー部材に固定する接着剤をさらに備える撮像機構。
3. 　請求項２に記載の撮像機構であって、
   　前記接着剤が光硬化型の接着剤である撮像機構。
4. 　請求項１に記載の撮像機構であって、
   　前記平凸レンズの、前記鏡筒の端部から突出した部分の側面部と、前記カバー部材の外表面とを被覆する遮光性材料をさらに備える撮像機構。
5. 　請求項１に記載の撮像機構であって、
   　前記レンズユニットは、前記平凸レンズより対物側に設けられる全てのレンズを１つの鏡筒に固定する撮像機構。
6. 　内視鏡であって、
   　撮像素子と、前記撮像素子の一面に設けられる受光部と、前記撮像素子の前記一面及び前記受光部を覆うカバー部材と、前記撮像素子に最も近い位置に設けられ、平面部を有する平凸レンズを含む複数枚のレンズ、及び前記複数枚のレンズを固定した鏡筒を有してかつ、前記受光部に光学的に結合したレンズユニットと、を有する撮像機構と、
   　前記撮像機構に向けて延在する電気ケーブルと、
   　前記電気ケーブルの先端部を前記撮像素子に電気的に接続したフレキシブルプリント配線板と、を備え、
   　前記平面部が、前記鏡筒の端部から前記撮像素子に向かって突出しかつ、前記カバー部材に固定されている内視鏡。
7. 　撮像機構の製造方法であって、
   　撮像素子と、前記撮像素子の一面に設けられる受光部と、前記撮像素子の一面及び前記受光部を覆うカバー部材と、前記撮像素子に最も近い位置に設けられ、前記鏡筒の端部から前記撮像素子に向かって突出する平面部を有する平凸レンズを含む複数枚のレンズ及び前記複数枚のレンズを固定した鏡筒とを有するレンズユニットと、を準備し、
   　前記レンズユニットが前記撮像素子の受光部に光学的に結合するように前記レンズユニットを位置合わせして、前記平面部を前記カバー部材に固定する撮像機構の製造方法。
8. 　請求項７に記載の撮像機構の製造方法であって、
   　前記平凸レンズと前記カバー部材との間を接着剤で固定する撮像機構の製造方法。
9. 　請求項８に記載の撮像機構の製造方法であって、
   　前記接着剤が光硬化型の接着剤である撮像機構の製造方法。
10. 　請求項９に記載の撮像機構の製造方法であって、
    　前記平凸レンズの平面部を、前記光硬化型の接着剤により、前記カバー部材に固定する際、前記レンズユニットの対物側から光を照射し、かつ、前記平凸レンズの側面部からも光を照射して、前記光硬化型の接着剤を硬化させる撮像機構の製造方法。
11. 　請求項７に記載の撮像機構の製造方法であって、
    　前記鏡筒の前記撮像素子側の端部から突出した前記平凸レンズの側面部と、前記カバー部材の外表面とを、遮光性材料で被覆する撮像機構の製造方法。
12. 　請求項７に記載の撮像機構の製造方法であって、
    　前記レンズユニットは、前記平凸レンズより対物側に設けられる全てのレンズを１つの鏡筒に固定する撮像機構の製造方法。

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