CN111081690A - 具有均匀磷光体光照的led模块 - Google Patents

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Abstract

通过形成在LED管芯之上的光学结构修改一般朗伯LED管芯发射，所述光学结构减少沿着法向轴的光发射并且增强以关于法向轴的一定角度的光发射，从而产生某个光发射轮廓。提供叠覆光学结构的磷光体层，诸如在反射光混合腔室中。光发射轮廓导致跨磷光体表面撞击的来自LED管芯的更均匀的通量。一些LED光穿过磷光体并且一些光被转换成不同波长的光。光发射轮廓导致跨磷光体的更均匀的颜色和温度。光发射轮廓可以通过透镜、LED管芯之上的图案化层、LED管芯之上的半反射层、光学片或者其它技术来创建。

Description

具有均匀磷光体光照的LED模块
技术领域
本发明涉及使用发光二极管（LED）和磷光体的照明器件，并且特别地涉及用于改进跨叠覆LED的磷光体层（或其它转换材料）的颜色和通量的均匀性的技术。
背景技术
图1图示了常规LED管芯12，其具有叠覆LED管芯12并与其分离，但是接近LED管芯12的磷光体层14。LED管芯12包括n型层15、发射光的有源层16以及p型层17。光通过LED管芯12的顶表面和侧表面出射。LED管芯12可以发射蓝光，并且磷光体14可以是发射黄-绿光的YAG磷光体。通过磷光体14泄漏的蓝光与磷光体发射的组合创建白光。磷光体14可以由紧密接近LED管芯12的透明支撑表面支撑。
图2图示了裸露LED管芯12的一般朗伯光发射图案18。当光撞击在LED管芯12上方的平坦磷光体层14上时，撞击在磷光体14上的通量沿法向轴在LED管芯12的中心的正上方最大。通量随着距LED管芯12之上的中心点的距离而降低。换言之，当光线的角度从法向偏离时，撞击在磷光体14上的通量变得更少。作为结果，相对于更远离LED管芯12的中心的光而言，从磷光体14的表面出射的光将在LED管芯12的正上方更蓝。
此外，出于相同原因，磷光体14的温度将由于较高的通量而在LED管芯12的正上方较高。一些磷光体和量子点对温度非常敏感并且随着温度改变其光学特性。因此，跨磷光体14的温度梯度将贡献于颜色非均匀性。而且，在较高温度位置处，磷光体的量子效率以及长期材料稳定性降低。
此外，LED管芯12正上方的磷光体遭受来自高通量的其它不利效果，其影响LED管芯12正上方的颜色。
因此，颜色跨磷光体14的表面将不均匀。在一些应用中，诸如当经磷光体转换的LED管芯12的图像通过投影仪中的抛物面反射镜、头灯或者用于局部应用的其它次级光学器件而放大时，颜色非均匀性尤其引人注意。
这些问题还存在于LED模块中，其中LED管芯的阵列安装在公共衬底上并且覆盖有磷光体层。在每一个LED管芯上方的是光学和热学热点，其中光更蓝（假定使用蓝色LED管芯）并且其中磷光体受温度和其它因素的不利影响。作为结果，颜色和温度跨磷光体不均匀。
所需要的是用于改进跨由来自一个或多个LED管芯的光激发的磷光体表面的光的颜色均匀性的技术。
发明内容
描述了减少沿着LED管芯的法向轴发射的光并且增强偏离法向轴发射的光的各种技术，其中所得到的光用于激发紧密接近LED管芯的磷光体或量子点的层。通过将LED管芯辐射轮廓从朗伯型改变成具有偏离法向的峰值强度的辐射轮廓，来自LED管芯的经修改的光发射将提供叠覆磷光体层的更均匀的辐照，从而导致磷光体表面之上所发射的光的更均匀的颜色分布以及跨磷光体的更均匀的通量密度和温度。
在一个实施例中，透镜粘附或模制在LED管芯之上以创建所期望的强度分布轮廓。在另一实施例中，在LED管芯的顶表面之上形成部分反射体层，其允许相比于在中心区域中，更多光靠近边缘逸出。在另一实施例中，在LED管芯顶表面之上形成图案化的透明层，其反射和折射光以创建所期望的发射图案。在另一实施例中，光学层与LED管芯间隔开以创建所期望的发射图案。
磷光体层（或者量子点层）然后提供在LED管芯或者LED管芯的阵列之上。磷光体层可以通过光混合箱中的LED管芯阵列上方的透明板来支撑或者是自支撑的。LED管芯的最佳强度分布轮廓取决于包括LED管芯的间距以及LED管芯与磷光体层之间的距离的因素。
描述了其它实施例。
附图说明
图1是现有技术LED管芯的横截面视图，其中磷光体层叠覆LED管芯。
图2图示了图1的LED管芯的一般朗伯发射图案以及跨磷光体表面的所得经磷光体转换的发射，其中指示不同色温。
图3是包含LED管芯的反射光混合箱的横截面视图，其中磷光体层提供在LED管芯上方，并且其中LED管芯包括用于减少每一个管芯沿着其法向轴的通量并且增强一定角度处的通量的光学结构。
图4是安装在LED管芯之上的透镜的横截面视图，其减少沿着法向轴的通量并且增强一定角度处的通量。
图5是图4的透镜的横截面视图，其中指示了典型的尺寸。
图6是图4的透镜的自顶向下视图，其中指示了典型的尺寸。
图7图示了从图4的结构出射的光的角度强度分布轮廓（辐射轮廓），其中发射峰在距LED管芯的法向轴大约70度处。
图8是具有顶部折射层的LED管芯的横截面视图，该顶部折射层具有减少沿着法向轴的管芯通量并且增强一定角度处的通量的中心圆锥形凹陷。
图9是具有减少沿着法向轴的管芯通量并且增强一定角度处的通量的顶部半反射层的LED管芯的横截面视图。
图10类似于图3，但是磷光体包封光混合箱中的LED管芯。
图11是具有增加侧发射的顶部反射层的LED管芯的横截面视图。
图12图示了利用透明圆顶包封以得到增加的光提取的图11的LED管芯。
图13A、13B和13C是针对反射体层的不同反射率和透明衬底的不同厚度的针对图11的侧发射LED的模拟强度分布轮廓。
图14是包含LED管芯的光混合箱的横截面视图，其中放置在LED管芯与磷光体层之间的光学片具有减少沿着法向轴的管芯通量并且增强一定角度处的通量的特征。
相同或类似的元件利用相同的标号进行标记。
具体实施方式
图3图示了安装在光混合箱36的反射基底34上的LED管芯30A、30B和30C（集体地，LED管芯30）。光混合箱36的形状可以是矩形、圆形或者任何其它形状。光混合箱36的侧壁38也是反射的，并且可以是漫反射或镜面反射的（例如涂敷有反射镜层）或者可以具有部分漫反射和镜面反射的性质。基底34也可以是漫发射的。对于漫反射而言，壁38和基底34可以由具有高孔隙率的氧化铝陶瓷材料形成或者涂敷有包含诸如金属氧化物颗粒（例如二氧化钛、氧化锌或者氧化铝）之类的散射颗粒的层。
在另一实施例中，侧壁38不是反射的而是透射或者漫透射的。磷光体可以保形地覆盖壁38使得光通过箱36的壁38和顶部出射。
形成在基底34上的金属垫（未示出）电气连接到LED管芯30的相应阳极和阴极电极以用于为LED管芯30供能。LED管芯30可以串联、并联或者以串并联或网络的任何合适组合连接。光混合箱36可以是任何大小，这取决于需要用于所要求的明亮度的LED管芯的数目。光混合箱36的面积（足迹）可以是5mm2到1m2或者更大，这取决于应用。箱36的高度可以调节成控制出射窗与LED管芯30的顶部之间的间隙。该间隙39可以像0.1mm那么小并且可以选取成实现所期望的光混合。示例性指南是与LED管芯的最大尺寸成比例地布置间隙39或侧面38的高度。针对高度或间隙39的一个示例性比例的范围可以从LED管芯的最大侧向尺寸的0.1倍到LED管芯的最大侧向尺寸的5倍。高度或者间隙39也可以取决于LED管芯30的间距。实现目标颜色均匀性的最佳高度或间隙可以通过模拟或实验来确定。可能存在布置于线性、二维或圆形阵列中的多个LED管芯30或光混合箱中的单个LED管芯。
在LED管芯30正上方的是支撑板40，其对一个或多个LED 30所发射的光的波长是透明或半透明的。支撑板40可以支撑磷光体层42。支撑板40可以包括玻璃、ora陶瓷材料，诸如半透明氧化铝或蓝宝石。支撑板40可以是基本上平坦的或弯曲的，诸如凸起的，优选地具有恒定厚度。在另一实施例中，磷光体42层本身可以具有充足的机械强度以便在没有支撑板40的情况下自支撑。在一个示例实施例中，可以去除支撑板40。在一个实施例中，磷光体42悬浮在从LED管芯30上方0.1mm到LED管芯30上方1cm的任何地方，这取决于针对特定应用所要求的跨光出射窗的颜色均匀性以及其它因素。LED管芯30与板40之间的间隙可以包含空气（或其它气体）或者填充有透明材料，诸如硅树脂或者具有良好导热性的另一透明材料。
在一个实施例中，通过使用蓝色LED 30以及在利用蓝光“泵浦”或光照时发射黄光的磷光体42来生成白色。一些蓝光通过磷光体层42“泄漏”以与黄光组合并且产生白光。在其它实施例中，磷光体42可以包含在由蓝光“泵浦”时发射红光的红色磷光体。在再其它的实施例中，磷光体42可以发射红光和绿光，其与来自LED 30的蓝光组合。
在另一实施例中，磷光体42处于支撑板40的底表面上，并且支撑板40起作用以保护磷光体42。在该配置中，支撑板40对一个或多个LED 30所发射的光和/或从磷光体42发射的光的波长是透明或半透明的。
如通过针对每一个LED管芯30的角度强度分布轮廓44（在极坐标上）所示出的，每一个LED管芯30包括光学结构（在其它图中示出），其减少LED管芯在LED管芯的法向轴的方向上的发射（通量）并且增强偏离法向轴的发射。在没有光学结构的情况下，针对每一个LED30A-30C的强度分布轮廓将类似于图2的情况。针对特定应用选择强度分布轮廓使得来自LED管芯30的撞击在磷光体42上的光导致跨磷光体42的宽阔区域的近似均匀的照度。来自相邻LED管芯30的光与从光混合箱36的表面反射的光的组合使得撞击在磷光体42上的组合光跨磷光体42的整个表面基本上均匀。
因此，通过使用图3的设计，从磷光体42出射的光将在颜色和明亮度方面跨磷光体42基本上均匀，并且跨磷光体42的温度将基本上均匀。此外，光混合箱36中的光混合进一步改进颜色、明亮度和温度均匀性。
相比而言，在没有LED管芯30上的光学结构的情况下，从磷光体42的顶表面出射的光将沿着每一个LED管芯30的法向轴更蓝（假定蓝色LED和YAG磷光体），并且沿着每一个LED管芯30的法向轴的磷光体42的温度将比在其它区域中更热。这些局部化较热区域被称为热点。
还可能的是通过增加光混合箱的高度以增加光混合量来增加具有普通LED管芯（具有朗伯发射图案）的光混合箱的出射窗之上的照度分布的均匀性。该方案的缺点在于，光混合箱将变得过于庞大并且多个反射将减少光输出。通过使用本发明，光混合箱36可以制作得较浅而没有颜色均匀性方面的任何降低。在模拟中，申请人确定，通过使用本发明，针对包含16个LED管芯的3mm高圆形光混合箱发射的颜色均匀性等于通过使用现有技术的5mm高光混合箱所实现的颜色均匀性。
图4图示了一种类型的经模制的透镜48，其可以创建合适的强度分布轮廓，诸如图3中的强度分布轮廓44。图5以毫米标识透镜48的一些示例性尺寸。这些尺寸关于LED管芯的尺寸的可缩放版本将产生类似结果。图6是透镜48的自顶向下视图，其示出透镜48的各种边缘50、51、52和53以及以毫米计的各种示例性尺寸。边缘50是圆角外边缘。边缘51是透镜的基底的圆形边缘。边缘52是透镜的圆形上边缘。并且边缘53是透镜的内腔55的边缘。透镜48可以通过硅模制而制成。透镜48粘附在LED管芯30之上。透镜48的底表面可以粘附到光箱36的反射基底34或者粘附到在其上安装LED管芯30的基板表面。
透镜48的各种界面处的折射率中的差异导致光的折射。图7图示了从图4的结构的两个样品出射的光的强度分布轮廓，其中发射峰在距法向大约70度处。峰值强度的最佳角度取决于LED管芯间距以及磷光体42距透镜48的顶部的距离。最佳角度可以通过模拟或者实验确定。
在一些应用中，使用透镜48（具有可能超出6mm的高度，这取决于LED管芯的大小）可能要求过深或者过大的光混合箱。在下文描述使得能够使用较浅的光混合箱的一些其它光学技术。
图8图示了创建来自LED半导体层60的期望强度分布轮廓的另一类型的光学结构。在图8中，LED管芯56是倒装芯片。透明生长衬底58（例如蓝宝石）留在LED半导体层60上，并且阳极和阴极电极62和64键合到基板或反射基底34上的对应金属垫。透明层66提供在衬底58的顶表面上，衬底58具有减少沿着法向轴发射的光并且增强以一定角度发射的光的圆锥形状凹陷68，如通过强度分布轮廓44所示出的。层66可以是经模制的硅树脂或其它材料。层66可以通过硅树脂粘合剂粘附到衬底58的顶部或者直接模制在衬底58之上。可替换地，凹陷68可以直接并入到衬底58中，使得不要求附加层66。
在另一实施例中，衬底58被粘附到LED半导体层60的玻璃层或者其它透明层替代。衬底58或者玻璃层应当具有优选地LED半导体层60的最大线性尺寸的长度的量级的厚度以最小化返回到LED半导体层60中的反射。
图9图示了具有形成在LED管芯70的顶表面上的半反射层72的LED管芯70。层72可以粘附到LED半导体层之上的衬底层。层72可以由沉积在小点图案或棋盘图案中的不透明反射材料形成，其中存在中心区域中的较高密度的反射点以用于在中心区域中将更多的光反射回到LED管芯70中。反射回到LED管芯70中的光最终被循环利用并且在其它方向上从LED管芯70反射出来。示出了所得到的强度分布轮廓44。层72还可以是由许多薄电介质层形成的布拉格反射器或二色性滤波器层，其中相比于针对有角度的光，针对垂直于LED管芯表面发射的光存在更大的反射。这将导致强度分布轮廓44。
在另一实施例中，层72可以是漫射层，诸如向后和向侧方散射入射光的部分的体散射层，以减少从顶表面发射的光的量并且增加从结构的侧表面发射的光的量。
在图8和9中，LED管芯顶部处的光学结构可以在LED半导体层的边缘之上延伸以进一步减少沿着法向轴的光的量。
在可替换实施例中，优选的强度分布轮廓44具有距法向轴近似25-45度之间的峰值强度，其中峰值强度的最佳角度取决于LED管芯的间距以及磷光体距LED管芯的顶表面的距离。峰值强度的这样的角度可以适于浅光混合箱36，诸如LED管芯顶部上方2-5mm之间的高度。
图10图示了光箱36中的图3的LED管芯30A、30B和30C，其具有本文所描述的任何光学结构（产生强度分布轮廓44），但是磷光体76（被示出为阴影）包封一个或多个LED管芯30。取决于所期望的发射颜色、透明结合剂中的磷光体颗粒密度和其它因素，磷光体76可以将光混合箱36填充直到任何水平。如果使用图4的硅树脂透镜48，则优选地磷光体结合剂材料的折射率（典型地大约1.4）低于硅树脂透镜的折射率（典型地1.53）以使得透镜能够在优选方向上折射光。若干个LED管芯可以是红色LED发射器以通过磷光体层发射红色光谱的窄部分，而其它LED管芯可以是蓝色或UV发射的以激发磷光体层。在另一可替换方案中，如上文所描述的，磷光体可以在由蓝光光照时发射红光。
LED管芯30包括本文所描述的任何光学结构。从光混合箱36出来的光发射将跨光混合箱36的光出射区域基本上均匀。
在另一实施例中，来自安装于光混合箱36中的LED管芯30A、30B和30C中的一个或多个的光不是经过磷光体转换的并且具有一般朗伯发射。例如，LED管芯30A可以是具有一般朗伯发射的常规红色发射LED管芯，LED管芯30B可以是具有叠覆它的绿色磷光体的蓝色发射管芯，并且LED 30C可以是没有叠覆它的磷光体的常规蓝色发射管芯。红色、绿色和蓝色光的组合创建白光。光混合箱36混合光。然后可以去除填充光混合箱36的磷光体76，并且漫射器可以定位在箱36的光出射窗之上。
在另一实施例中，LED管芯30A可以是具有一般朗伯发射的常规红色发射LED管芯，LED管芯30B可以是具有叠覆它的YAG磷光体的蓝色发射管芯，并且LED 30C可以是具有叠覆它的YAG磷光体的另一蓝色发射管芯。可以去除磷光体76。红光创建具有改进的显色的“较暖”白光。
图11图示了LED管芯78，其包括LED半导体层60、透明生长衬底58和反射体层80，诸如银层。反射体层80反射或者部分地反射由半导体层60发射的光。通过使衬底58更厚，改变侧向发射的角度范围使得强度分布轮廓81逼近图3中的强度分布轮廓44的情况是可能的。分布轮廓81一般向上和向侧方，因为底部LED电极和基底34反射一些光。衬底58（或其它透明层）的厚度可以在0.1到2mm之间或者更大以实现期望的强度分布轮廓。在一个实施例中，使用蚀刻剂（或其它粗糙化技术）图案化衬底58顶表面以进一步漫射光来增加发射角度的范围。如果将反射体层80制得足够薄，则光的某一部分将穿过反射体层80以更紧密地逼近强度分布轮廓44。
在另一实施例中，反射层80可以是漫射层，诸如向后和向侧方散射入射光的部分的体散射层，以减少从顶表面发射的光的量并且增加从衬底58的侧表面发射的光的量。
图12图示了包封在透明圆顶82中以得到增加的光提取的图11的LED结构。图12的多个LED结构可以安装在具有叠覆磷光体层的本文所描述的光混合箱36中以实现跨磷光体层的更均匀的颜色发射。
图13A、13B和13C是针对反射体层80的不同反射率和透明衬底58的不同厚度的针对图11的侧发射LED 78所模拟的强度分布。如所见的，减少反射（图13B）并且允许更多光穿过反射体层80增加沿着法向轴的强度。而且，减少衬底58的厚度（图13C）也增加沿着法向轴的相对强度。
图14图示了常规LED管芯84A、84B和84C，每一个包封在圆顶86中以改进光提取，其中用于创建期望的强度分布轮廓44的光学结构是具有光学结构90的间隔光学片88，所述光学结构90具有将正常朗伯发射转变成强度分布轮廓44的图案。图案可以包括棱柱、角锥、圆锥、菲涅尔透镜、或者一个或多个方向上的V-沟槽，其凹入在片88中或者突出。图案中的特征典型地面向下以使光侧向弯曲。LED管芯的发射附加地通过光混合箱的反射表面而混合。支撑在透明支撑板94上的磷光体92将经混合的LED管芯的发射的部分波长转换到另一频谱范围中。结果是跨磷光体92的顶表面的基本上均匀的照度和颜色分布。还可以存在代替光学片88而使用的光学层的堆叠，特别是当使用沟槽结构时。例如，第一光学层具有在第一方向上延伸的沟槽，并且第二光学层具有在诸如垂直于第一方向的第二方向上延伸的沟槽。优选地存在两个光学片之间的低折射率材料，诸如空气间隙。
在各种实施例中，多个磷光体层可以用于实现期望的颜色。例如，一个磷光体可以涂敷在LED管芯之上，而不同的磷光体可以与LED管芯间隔开。或者，在图3的情况中，一个磷光体可以形成在支撑板40的一侧上并且另一磷光体可以形成在支撑板40的另一侧上。不同的磷光体也可以形成为叠覆层。
如果LED管芯是激光器LED管芯，则其发射的法向轴定向性甚至大于常规LED管芯的情况。通过在激光器的顶表面之上提供诸如表面光栅（用于衍射）、布拉格光栅、全息图和全息漫射器之类的光学结构以创建强度分布轮廓44，头顶“附近”磷光体的光照将更均匀，并且以上所述益处同样适用。
本文中示出的所有磷光体层可以利用量子点层、有机或无机磷光体或者用于波长转换的组合来取代或扩充。
作为与间隔的波长转换层组合地使用光学结构的结果，不仅改进了颜色和通量均匀性，而且还由于层上的“热点”的减少而实现了更高的量子效率，从而导致转换层的较低的局部和总体温度。另外，存在由于局部通量密度的降低的峰值所致的转换层的较少降级，其导致增强的流明输出和流明维持（稳定性和可靠性）。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员将显而易见的是，可以做出改变和修改而不脱离以其更宽方面的本发明，并且因此随附权利要求要在其范围内涵盖如落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (19)

1.一种发光器件，包括：
第一发光二极管（LED）半导体层，第一LED半导体层具有顶部发光表面，第一LED半导体层生成具有第一峰值波长的光；
叠覆第一LED半导体层的顶部发光表面并且与其间隔开的第一波长转换层；
介于第一LED半导体层与波长转换层之间并且通过第一间隙与波长转换层间隔的第一光学结构，第一光学结构减少沿着关于顶部发光表面的法向轴的第一LED半导体层的光发射并且增强关于法向轴的一定角度处的光发射，产生第一光发射轮廓，
在第一LED半导体层和第一光学结构之间的固体透明层，
其中第一光学结构包括形成在透明层之上的半反射层，
其中由第一LED半导体层、固体透明层和第一光学结构的组合生成的具有第一光发射轮廓的光撞击在第一波长转换层上，并且
其中一些光穿过第一波长转换层并且一些光被转换成与第一峰值波长不同的波长的光。
2.权利要求1所述的器件，其中第一光学结构包括定位在第一LED半导体层之上的透镜。
3.权利要求1所述的器件，其中固体透明层是透明的生长衬底。
4.权利要求3所述的器件，其中半反射层是图案化的反射层。
5.权利要求1所述的器件，其中第一光学结构包括透明层，其包含反射和折射来自第一LED半导体层的光以创建第一光发射轮廓的特征。
6.权利要求5所述的器件，其中第一光学结构的透明层具有LED半导体层的中心部分之上的圆锥形凹陷。
7.权利要求1所述的器件，其中第一光学结构包括通过第二间隙与第一LED半导体层分离的具有带图案的光学结构的光学层。
8.权利要求1所述的器件，还包括反射光混合腔室，其包含第一LED半导体层、第一光学结构和第一波长转换层，其中光混合腔室包括反射基底和至少一个反射侧壁。
9.权利要求1所述的器件，其中第一波长转换层是基本上平坦的层。
10.权利要求1所述的器件，其中第一波长转换层包括磷光体层。
11.权利要求1所述的器件，还包括：
至少第二LED半导体层；
叠覆第二LED半导体层的第二光学结构和第二固体透明层；以及
包含第一LED半导体层、第一光学结构、第一波长转换层、第二LED半导体层和第二光学结构的反射光混合腔室，其中光混合腔室包括反射基底和至少一个反射侧壁，
为了混合来自第一LED半导体层和第二LED半导体层的光，其中第二光学结构改进跨第一波长转换层撞击的光的均匀性。
12.权利要求11所述的器件，其中第一波长转换层叠覆第一LED半导体层和第二LED半导体层二者。
13.权利要求11所述的器件，其中第二LED半导体层生成具有与第一峰值波长不同的第二峰值波长的光。
14.权利要求11所述的器件，其中第一光学结构和第二光学结构是单个片的部分。
15.权利要求11所述的器件，其中第二固体透明层和第二光学结构基本上与第一固体透明层和第一光学结构等同，使得第二LED半导体层与第二固体透明层和第二光学结构组合产生基本上与第一光发射轮廓等同的第二光发射轮廓，其中具有第一光发射轮廓的光和具有第二光发射轮廓的光在腔室中混合。
16.权利要求15所述的器件，其中第二光学结构包括定位在第二LED半导体层之上的透镜。
17.权利要求15所述的器件，其中第二光学结构包括形成在第二LED半导体层之上的半反射层。
18.权利要求17所述的器件，其中半反射层是图案化的反射层。
19.权利要求15所述的器件，其中第二光学结构包括透明层，其包含反射和折射来自第二LED半导体层的光以创建第二光发射轮廓的特征。
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