JP3688845B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面上に配設される液晶セルに異なる色の光を照射することでカラー表示を行う液晶表示装置に関し、特に、一層の小型化を実現する液晶表示装置に関する。
【0002】
卓上型のコンピュータ装置に実装される液晶表示装置に対しては、コンピュータ装置の小型化に伴って一層の小型化が要求されるようになってきており、この要求に応える液晶表示装置の構築が叫ばれている。
【0003】
【従来の技術】
液晶を使ってカラー表示を実現するためには、赤色(R)の表示用に用意される液晶セルに赤色の単色光を照射し、緑色(G)の表示用に用意される液晶セルに緑色の単色光を照射し、青色(B)の表示用に用意される液晶セルに青色の単色光を照射していく必要がある。
【0004】
液晶セルは、この単色光を受け取ると、入射側と出射側に設けられる偏光方向の直交する2つの偏光子に従って、駆動電圧が印加されないときには、入射される単色光の偏光方向を回転させることで、その単色光を表示し、駆動電圧が印加されるときには、入射される単色光の偏光方向を回転させないことで、その単色光を表示しないように動作する。
【0005】
最も早くに用いられた技術では、図12に示すように、液晶セルに対応付けてRGBのカラーフィルタを配設する構成を採ることで、平行光線に調整された白色光のバックライトから赤色/緑色/青色を取り出して、液晶セルに照射していくという構成を採っている。
【0006】
しかしながら、このような技術に従っていると、カラーフィルタを透過する色成分が1色となり、残りの補色成分が損失となってしまうという問題点があった。
【0007】
この問題点の解決を図るために、特開平6-308332 号では、図13に示すように、波長依存性を持たないホログラム(回折格子)を使って、平行光線に調整された白色光の持つ赤色/緑色/青色を回折させて、それを液晶セルに照射していくことで、カラーフィルタを用いずにカラー表示を実現するという発明を開示した。
【0008】
なお、この図のホログラムは、フレネルゾーンプレート状に形成されることで集光性を持つように構成されているので、この図に示すように、集光された光が液晶セルに照射されることになる。また、特開平6-308332 号では、0次の回折光に対処するために、この図と異なって、回折光の方向とバックライトの方向とが異なるように構成されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、特開平6-308332 号で開示する液晶表示装置では、カラーフィルタを用いない構成となっていることから、カラーフィルタによる損失がなくなり、明るい表示を実現できるようになるものの、平行光線のバックライトを用いる必要があることから小型化できず、直視型の液晶表示装置には適用できないという問題点があった。
【0010】
これから、この特開平6-308332 号で開示する液晶表示装置は、小型化の要求されるコンピュータ装置には適用できないという問題点があった。
更に、この特開平6-308332 号で開示する液晶表示装置では、0次の回折光に対処するために、回折光の方向とバックライトの方向とを異なるように構成しなければならず、装置の組み立て調整が複雑になるという問題点もあった。
【0011】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、平面上に配設される液晶セルに異なる色の光を照射することでカラー表示を行う構成を採るときにあって、一層の小型化を実現する新たな液晶表示装置の提供を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の液晶表示装置では、平面上に配設される液晶セルに異なる色の光を照射することでカラー表示を行う構成を採るときにあって、液晶セルに対向する形態で設けられて、光源の発する白色光を伝送する導光板手段と、この導光板手段の液晶セルに対向する導光板面上に設けられて、この導光板手段を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させる体積型ホログラムで構成される回折格子手段と、この回折格子手段の回折する光を液晶セルに集光させる集光手段とを備え、さらに、導光板手段に光を入射する光源が、蛍光管と、蛍光管の発する光を導光板手段の方向に反射する反射板と、蛍光管と反射板との間に蛍光管を覆う形態で設けられる第1の透明媒体と、第1の透明媒体と蛍光管との間に設けられる第1の透明媒体よりも小さな屈折率を持つ第2の透明媒体とで構成されるという構成を採る。
【0013】
このように構成される本発明の液晶表示装置では、導光板手段の液晶セルに対向する導光板面上に、導光板手段を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させる体積型ホログラムで構成される回折格子手段が備えられ、この回折格子手段が、異なる回折方向に赤色/緑色/青色の平行光線を回折し、これを受けて、レンズアレイや回折格子アレイやフレネルレンズアレイで構成される集光手段が、この赤色/緑色/青色の平行光線を液晶セルに集光する。
このとき、導光板手段に光を入射する光源が、蛍光管と、蛍光管の発する光を導光板手段の方向に反射する反射板と、蛍光管と反射板との間に蛍光管を覆う形態で設けられる第1の透明媒体と、第1の透明媒体と蛍光管との間に設けられる第1の透明媒体よりも小さい屈折率を持つ第2の透明媒体とで構成されているので、蛍光管から第1の透明媒体に出た光が反射板で反射されるときに、その反射光が第2の透明媒体で全反射することで、蛍光管に戻されるのを防げるようになる。
【0014】
ここで、回折格子手段が、フレネルゾーンプレート状に形成されることで、回折光を液晶セルに集光させる機能を持つことがあり、このときには、集光手段を設ける必要はない。
【0015】
このようにして、本発明の液晶表示装置は、カラーフィルタを省略してカラー表示を実現する構成を採るときにあって、平行光線のバックライトを用いずカラー表示を実現できるようになるので、一層の小型化を実現できるようになる。
【0016】
この構成を採るときに、回折格子手段が、自手段を透過する光を自手段の界面で全反射するように構成されることがある。この構成を採ると、液晶セルに照射すべき光以外の光が液晶セルに照射されるのを防止できるようになる。
【0017】
また、この構成を採るときに、回折格子手段が、自手段の回折する光を自手段の界面で全反射させずに透過するように構成されることがある。この構成を採ると、液晶セルに照射すべき光を確実に液晶セルに照射できるようになる。
【0018】
また、この構成を採るときに、回折格子手段が、ブリュースターの反射条件を充足する回折光を回折するように構成されることがある。この構成を採ると、直線偏光した回折光が得られるので、液晶セルの入射側に設けられる偏光子を省略できるようになる。
【0019】
更に、この構成を採るときに、導光板手段の回折格子手段を持たない面が、非平面形状で構成されたり、回折格子手段に対して傾きを持つ平面で構成されることがある。この構成を採ると、導光板手段を伝送する光の角度が変化していくことになるので、当初は回折条件を満たさなかった光がその後に満たすようになり、光の使用効率を高めることができるようになる。
【0020】
また、この構成を採るときに、導光板手段の回折格子手段を持たない面に、反射光の偏光方向を変える光機能手段が備えられることがある。この構成を採ると、導光板手段を伝送する光の偏光面が回転していくことになるので、当初は回折条件を満たさなかった光がその後に満たすようになり、光の使用効率を高めることができるようになる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。
図1に、本発明の液晶表示装置の基本的な装置構成部分についての一実施例を図示する。
【0024】
この図に示すように、本発明の液晶表示装置は、平面上に配設される液晶セル1に対向する形態で設けられて、光源の発する白色光を多重反射させつつ伝送するガラス等で構成される導光板10と、導光板10の液晶セル1に対向する面上に設けられて、導光板10を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させる体積ホログラム11と、RGB用の液晶セル1の1単位に対応付けて設けられるマイクロレンズのアレイで構成されて、体積ホログラム11の回折する光を液晶セル1に集光させるマイクロレンズアレイ12とで構成されることを基本的な構成とする。
【0025】
ここで、マイクロレンズアレイ12は、成型により作成可能なフレネルレンズのアレイであってもよく、このフレネルレンズのアレイを用いれば、成型により製造できるようになるので安価な装置とすることができる。
【0026】
体積ホログラム11は、感光乾板に対して、物体光と逆の方向から参照光を入射することで作成されるものであって、この作成方法に従って、図1に示すように、感光乾板の厚さ方向に屈折率差を持つ干渉縞が形成されることになる。
【0027】
この干渉縞により、体積ホログラム11は、干渉縞の層間隔をd、干渉縞への光の入射角をθ、光の波長をλで表すならば、よく知られているように、
2d・sinθ=λ
というブラック角条件に従って、図2に示すように、特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させ、それ以外の光を透過させることになる。
【0028】
このように、体積ホログラム11は、カラー表示に必要となる赤色/緑色/青色の光を平行光線にしてそれぞれ別々の角度で出射するように動作するので、これを受けて、マイクロレンズアレイ12は、赤色/緑色/青色の光の集光位置をRGB用の3つの液晶セル1にそれぞれ対応させることによって、体積ホログラム11により出射される赤色の平行光線を赤色用に用意される液晶セル1に照射し、体積ホログラム11により出射される緑色の平行光線を緑色用に用意される液晶セル1に照射し、体積ホログラム11により出射される青色の平行光線を青色用に用意される液晶セル1に照射する。
【0029】
この構成に従って、本発明の液晶表示装置では、カラーフィルタを省略できるようになって、光の使用効率を3倍程度向上できるようになるとともに、平行光線のバックライトを用いずカラー表示を実現できるようになるので、極めて小型なものとすることができるようになる。
【0030】
図3及び図4に、本発明の液晶表示装置の基本的な装置構成部分についての他の実施例を図示する。
図3に示す本発明の液晶表示装置は、マイクロレンズアレイ12に代えて、RGB用の液晶セル1の1単位に対応付けて設けられる回折格子のアレイで構成される回折格子アレイ13を用いている。
【0031】
この回折格子アレイ13は、ホログラムで構成され、図5に示すように、干渉縞がフレネルゾーンプレート状に形成されることで集光性を持つ。
この集光性に従って、回折格子アレイ13は、マイクロレンズアイレ12と同様に、体積ホログラム11により出射される赤色の平行光線を赤色用に用意される液晶セル1に照射し、体積ホログラム11により出射される緑色の平行光線を緑色用に用意される液晶セル1に照射し、体積ホログラム11により出射される青色の平行光線を青色用に用意される液晶セル1に照射することで、カラー表示を実現する。
【0032】
この実施例に従うと、回折格子アレイ13による回折に従って、光の分離角を大きくすることが可能になるので、液晶セル1の大きな液晶表示装置や、薄型の液晶表示装置にも対応できるという利点がある。
【0033】
数値の一例を示せば、液晶セル1の画素ピッチが100μmで、液晶セル1と回折格子アレイ13との距離が1.1mmであるときには、体積ホログラム11の回折角度θが赤色で28度、緑色で20度、青色で12度となるようにし、回折格子アレイ13の回折角度が赤色で5度、緑色で0度、青色で5度となるようにすることで、これを実現できることになる。
【0034】
また、図4に示す本発明の液晶表示装置は、体積ホログラム11の代わりに集光性体積ホログラム11aを用いることで、マイクロレンズアレイ12を省略することを実現している。
【0035】
この集光性体積ホログラム11aは、体積ホログラム11にマイクロレンズアレイ12の集光性を持たせたもので、図6に示すように、マイクロレンズアレイ12を正規の位置に配置するとともに、導光板10の下面にプリズムを配置する構成を採って、液晶セル1に対応付けられるピンホールから照射する光束1と、プリズム側から照射する光束2とを使って、導光板10の上面に配置される感光乾板に干渉縞を露光することで生成される。
【0036】
以上に説明したように、本発明の液晶表示装置は、体積ホログラム11を使って、導光板10を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させることで、液晶セル1に照射する赤色/緑色/青色の平行光線を作り出す構成を採っている。
【0037】
これから、体積ホログラム11により回折される光を体積ホログラム11から出射させていく必要があるとともに、体積ホログラム11により回折されない透過光を体積ホログラム11から出射させないようにしていく必要がある。次に、これを実現するための条件について説明する。
【0038】
図7に示すように、体積ホログラム11の干渉縞の傾き角度をΦ、回折光の回折角度をθ(=sin-1(λ/2d))とするならば、
角度bac=π/2−θ
であり、
角度abg=角度bac+Φ,角度abc=π/2−角度abg
であることから、
角度abc=θ−Φ
が成立する。
【0039】
体積ホログラム11により回折される光が体積ホログラム11から出射されるためには、この回折光が体積ホログラム11の界面で全反射されない必要がある。
【0040】
このためには、「角度abc」が臨界角Aよりも小さい必要がある。ここで、臨界角Aは、体積ホログラム11の屈折率をn1 、空気中の屈折率をn0 で表すならば、
A=sin-1(n0 /n1 )
となる。
【0041】
これから、体積ホログラム11により回折される光が体積ホログラム11から出射されるためには、
θ−Φ<sin-1(n0 /n1 )
を満たす必要がある。
【0042】
従って、このような条件を満たす体積ホログラム11を作成することで、体積ホログラム11により回折される光を体積ホログラム11から出射させていくことができる。
【0043】
一方、
角度dae=π/2−θ
であり、
角度dea=Φ−角度dae,角度aef=π/2−角度dea
であることから、
角度aef=π−Φ−θ
が成立する。
【0044】
体積ホログラム11により回折されない透過光が体積ホログラム11から出射されないためには、この透過光が体積ホログラム11の界面で全反射される必要がある。このためには、「角度aef」が上述の臨界角Aよりも小さい必要がある。
【0045】
これから、体積ホログラム11により回折されない透過光が体積ホログラム11から出射されないためには、
π−Φ−θ≧sin-1(n0 /n1 )
を満たす必要がある。
【0046】
従って、このような条件を満たす体積ホログラム11を作成することで、体積ホログラム11により回折されない光を体積ホログラム11から出射させないようにできる。
【0047】
上述したように、液晶セル1は、入射側と出射側に設けられる偏光方向の直交する2つの偏光子を使って、駆動電圧が印加されていないときには、入射される単色光の偏光方向を回転させることで、その単色光を表示し、駆動電圧が印加されるときには、入射される単色光の偏光方向を回転させないことで、その単色光を表示しないように動作する。
【0048】
従って、液晶セル1に入射される光が直線偏光されている場合には、入射側に設けられる偏光子を省略できる。この直線偏光は、ブリュースターの反射条件を利用することで実現できる。
【0049】
すなわち、屈折率nA から屈折率nB に入射する光の入射角がθであるときに、
tanθ=nAB 但し、nABは、nB のnA に対する屈折率
というブリュースターの反射条件が成立するときには、図8に示すように、反射光はs成分のみとなって直線偏光する。
【0050】
体積ホログラム11を構成する干渉縞の屈折率の違いは僅かであることから、このブリュースターの反射条件は、具体的には、「tanθ≒1」というとき、すなわち、「θ≒π/4=45度」というときに成立することになる。
【0051】
上述したように、
2d・sinθ=λ
が成立することから、このブリュースターの反射条件を満たす波長λ0 は、
λ0 =2d×sin(π/4)
となる。
【0052】
この波長λ0 が、カラー表示に用いる赤色か緑色か青色と一致すれば、その色に対応付けられる液晶セル1の入射側に設けられる偏光子を省略できる。従って、体積ホログラム11の干渉縞の層間隔dをそのように生成することで、液晶セル1の入射側に設けられる偏光子を省略できるようになる。
【0053】
次に、導光板10について説明する。
導光板10は、ガラス等で構成されて、光源の発する白色光を多重反射しつつ伝送していくように処理するものであり、この白色光の伝送を受けて、上述したように、体積ホログラム11は、この導光板10を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させていく。
【0054】
この光の使用効率を高めるために、導光板10は、図9(a)に示すように、その下面を非平面形状(拡散面形状)に形成したり、図9(b)に示すように、その下面が傾きを持つように形成することが好ましい。
【0055】
このように構成されていると、反射する度に角度を変えていくことになるので、当初は回折条件を満たさなかった光でも、導光板10を進行して反射を繰り返していく間に回折条件を満たすようになり、これにより、光の使用効率を高められるようになる。
【0056】
また、導光板10は、図9(c)に示すように、その下面に、光の偏光面を回転させる位相差板14(例えば、延伸された複屈折性を有するポリマーフィルム)を配置することが好ましい。
【0057】
このように構成されていると、反射する度に光の偏光面が回転して、当初は回折条件を満たさなかった光でも、導光板10を進行して反射を繰り返していく間に回折条件を満たすようになり、これにより、光の使用効率を高められるようになる。例えば、光のp成分がs成分に変換されることで、ブリュースターの反射条件を充足するs成分が補給されて、光の使用効率を高められるようになる。
【0058】
次に、導光板10に白色光を入射する光源について説明する。
導光板10に白色光を入射する場合、従来技術では、図11に示すように、光源として蛍光管15を用いるとともに、この蛍光管15の発する光を導光板10に入射させる半円筒形状の反射板16を備える構成を採っている。
【0059】
しかしながら、このような従来技術に従っていると、反射板16により反射される光が蛍光管15にも入り込み、蛍光管15に吸収されることで光の損失が発生することになる。
【0060】
これに対処するために、本発明の液晶表示装置は、図10(a)に示すように、反射板16と蛍光管15の間に大きな屈折率を持つ第1の透明媒体17を配置するとともに、この第1の透明媒体17と蛍光管15の間に、第1の透明媒体17の屈折率よりも小さな屈折率を持つ空気等のような第2の透明媒体18を備える構成を採る。
【0061】
この構成を採ると、第1の透明媒体17から第2の透明媒体18を介して蛍光管15に戻される光が全反射して、蛍光管15に入り込まなくなることで、従来技術の持つ問題点を解決できるようになる。そして、従来技術よりも様々な入射角度を持つ白色光が導光板10に入射されるようになるために、回折条件を満たす光が導光板10に入射されるようになって、光の使用効率を高められるようになる。
【0062】
図10(a)に示す実施例では、第1の透明媒体17と導光板10とを別物とする構成を採ったが、図10(b)に示すように、第1の透明媒体17と導光板10とを一体的に形成すると、界面がなくなることで、光の使用効率を一層高められるようになる。
【0063】
この構成を採るときに、第2の透明媒体18として、エチレングリコール等のような高い熱伝導率の物質を用いると、放熱効果が高められることで蛍光管15の温度上昇を抑えることができる。
【0064】
また、本発明の液晶表示装置では、導光板10の持つ光の入射面が、拡散面形状で構成されることがある。この構成を採ると、導光板10に入射する光の角度が様々なものになるので、回折条件を満たす光が多くなって、光の使用効率を高めることができるようになる。
なお、図11に示す従来技術に従う場合にあっても、図10(c)に示すように、導光板10の持つ光の入射面を非平面形状(拡散面形状)に形成すると、導光板10に様々な角度の白色光が入射されるようになるために、回折条件を満たす光が導光板10に入射されるようになって、光の使用効率を高められるようになる。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液晶表示装置によれば、カラーフィルタを省略してカラー表示を実現する構成を採るときにあって、平行光線のバックライトを用いず液晶セルに単色光を照射できることでカラー表示を実現できるようになるので、一層の小型化を実現できるようになる。
【0066】
そして、本発明の液晶表示装置によれば、この小型化を実現するときにあって、液晶セルに照射すべき光以外の光が液晶セルに照射されるのを防止できるようになるとともに、液晶セルに照射すべき光を確実に液晶セルに照射できるようになる。
【0067】
そして、本発明の液晶表示装置によれば、この小型化を実現するときにあって、液晶セルの入射側に設ける必要のある偏光子を省略できるようになる。
そして、本発明の液晶表示装置によれば、この小型化を実現するときにあって、光の使用効率を高めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の基本的な装置構成部分についての一実施例である。
【図2】体積ホログラムの説明図である。
【図3】 本発明の基本的な装置構成部分についての他の実施例である。
【図4】 本発明の基本的な装置構成部分についての他の実施例である。
【図5】回折格子アレイの説明図である。
【図6】体積ホログラムの作成方法の説明図である。
【図7】体積ホログラムの説明図である。
【図8】ブリュースター角での回折効率の説明図である。
【図9】導光板の一実施例である。
【図10】光源の一実施例である。
【図11】光源の従来技術の説明図である。
【図12】従来技術の説明図である。
【図13】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
1 液晶セル
10 導光板
11 体積ホログラム
11a 集光性体積ホログラム
12 マイクロレンズアレイ
13 回折格子アレイ
Claims (13)
- 平面上に配設される液晶セルに異なる色の光を照射することでカラー表示を行う液晶表示装置において、
液晶セルに対向する形態で設けられて、光源の発する白色光を伝送する導光板手段と、
上記導光板手段の液晶セルに対向する導光板面上に設けられて、上記導光板手段を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させる体積型ホログラムで構成される回折格子手段と、
上記回折格子手段の回折する光を液晶セルに集光させる集光手段とを備え、
さらに、上記導光板手段に光を入射する光源が、蛍光管と、該蛍光管の発する光を該導光板手段の方向に反射する反射板と、該蛍光管と該反射板との間に該蛍光管を覆う形態で設けられる第1の透明媒体と、該第1の透明媒体と該蛍光管との間に設けられる該第1の透明媒体よりも小さな屈折率を持つ第2の透明媒体とで構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1記載の液晶表示装置において、
上記第1の透明媒体と上記導光板手段とが一体的に構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1又は2記載の液晶表示装置において、
上記集光手段が、レンズアレイで構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1又は2記載の液晶表示装置において、
上記集光手段が、回折格子アレイで構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1又は2記載の液晶表示装置において、
上記集光手段が、フレネルレンズアレイで構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 平面上に配設される液晶セルに異なる色の光を照射することでカラー表示を行う液晶表示装置において、
液晶セルに対向する形態で設けられて、光源の発する白色光を伝送する導光板手段と、
上記導光板手段の液晶セルに対向する導光板面上に設けられて、上記導光板手段を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回折させるとともに、該回折光を液晶セルに集光させる体積型ホログラムで構成される回折格子手段とを備え、
さらに、上記導光板手段に光を入射する光源が、蛍光管と、該蛍光管の発する光を該導光板手段の方向に反射する反射板と、該蛍光管と該反射板との間に該蛍光管を覆う形態で設けられる第1の透明媒体と、該第1の透明媒体と該蛍光管との間に設けられる該第1の透明媒体よりも小さな屈折率を持つ第2の透明媒体とで構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項6記載の液晶表示装置において、
上記第1の透明媒体と上記導光板手段とが一体的に構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の液晶表示装置において、
上記回折格子手段が、自手段を透過する光を自手段の界面で全反射するように構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の液晶表示装置において、
上記回折格子手段が、自手段の回折する光を自手段の界面で全反射させずに透過するように構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の液晶表示装置において、
上記回折格子手段が、ブリュースターの反射条件を充足する回折光を回折するように構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1ないし10のいずれか1項に記載の液晶表示装置において、
上記導光板手段の回折格子手段を持たない面が、拡散面形状で構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1ないし10のいずれか1項に記載の液晶表示装置において、
上記導光板手段の回折格子手段を持たない面が、該回折格子手段に対して傾きを持つ平面で構成されることを、
特徴とする液晶表示装置。 - 請求項1ないし10のいずれか1項に記載の液晶表示装置において、
上記導光板手段の回折格子手段を持たない面に、反射光の偏光方向を変える光機能手段が備えられることを、
特徴とする液晶表示装置。
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