JP6035516B2 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、投写型映像表示装置に関し、映像の品質を維持しながら、解像度感を向上させた投写型映像表示装置に関する。

従来、高解像度で高品質な映像を得るために、表示素子で生成された映像光の光路を制御し、投写面上で表示させる位置を変化させる、所謂、ウォブリング素子を挿入した投写型映像表示装置が知られている。

このウォブリング素子を用いることにより、投写型映像表示装置は、表示素子の解像度よりも高い解像度の映像入力信号が入力された場合でも、高解像度の映像を提供することができる（例えば、特許文献１）。

特開２００８-０１５４５２号公報

従来の投写型映像表示装置では、光路変更部を構成する光学素子の横方向（面方向）に伸びるヒンジを有しており、さらにヒンジの他端を固定する固定部が外枠に必要となるため、光学素子の面方向に大きなスペースが必要であった。

本開示は、上述した課題を解決するためのものであり、映像の品質を維持しながら、高い解像度感を有する映像を表示でき、装置の大型化を抑制した投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

本開示に係る投写型映像表示装置（例えば、投写型映像表示装置１００）は、映像光を生成する映像生成部（例えば、映像生成部２０）と、映像光を投写面に投写する投写光学系（例えば、投写光学系６０）と、映像光の光路上に設けられ、映像光の投写面上での表示位置を変更する光路変更部（例えば、光路変更部８０）と、を備えるものである。この光路変更部は、屈折を利用して前記映像光の光路を変化させる光学素子（例えば、ガラス板８２）と、光学素子の縁部を支持する枠体（例えば、ガラス枠１８１）と、光学素子の配置を変化させる駆動部材（例えば、圧電素子８４）と、光学素子の配置を基準状態に復元する弾性部材（例えば、板バネ１８２、１８３）と、を有する。そして、この光路変更部は、駆動部材と弾性部材のうち少なくとも一方は、枠体に対し、投写光学系の光軸と平行な方向に配置されることを要旨とする。

本開示によれば、映像の品質を維持しながら、高い解像度感を有する映像を表示でき、装置の大型化を抑制することが可能となる。ここで、上記の投写型映像表示装置において、弾性部材は板バネであり、板バネが、枠体の一方の主面に配置されると良い。

上記の投写型映像表示装置において、光学素子は板状部材（例えば、ガラス板８２）であり、配置角度が変化することで、映像光の光路が変化すると良い。あるいは、上記の投写型映像表示装置において、光学素子はレンズ部材（例えば、レンズ８６、８７）であり、配置位置が変化することで、映像光の光路が変化しても良い。

本開示によれば、映像の品質を維持しながら、高い解像度感を有する映像を表示することができる投写型映像表示装置を提供できる。

本開示に係る投写型映像表示装置の外観斜視図である。 本開示に係る投写型映像表示装置の構成を示すブロック図である。 本開示に係る投写型映像表示装置の光学構成を説明する模式図である。 本開示に係る制御部の構成を示すブロック図である。 映像入力信号と表示素子とが同じ解像度の場合における映像入力信号と映像出力信号の関係を示す説明図である。 映像入力信号が表示素子の４倍の解像度である場合における映像入力信号と映像出力信号の関係を示す説明図である。 映像入力信号が表示素子の４倍の解像度である場合における映像入力信号と映像出力信号の関係を示す説明図である。 光路変更部を介して投写されるときの、複数のサブフレームのスクリーン上での表示位置の関係を示す説明図である。 本開示に係る映像生成部から投写光学系までの光学構成を示す模式図である。 本開示に係るガラスユニットの構成を説明する斜視図である 本開示に係るガラスユニットの状態の変化を説明する側面図である 本開示に係るガラスユニットの他の態様を説明する模式図である 本開示に係るレンズユニットの構成を説明する側面図である

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
（投写型映像表示装置の構成）
投写型映像表示装置１００の構成について図１および図２を用いて説明する。図１は、投写型映像表示装置１００の外観斜視図である。図１に示すように、投写型映像表示装置１００は、映像入力信号に応じて生成した映像光をスクリーン５００へ投写する。

図２は、投写型映像表示装置１００の構成を示すブロック図である。投写型映像表示装置１００は、光源部１０と、映像入力信号に応じて映像光を生成する映像生成部２０と、光源部１０からの光を映像生成部２０へ導く導光光学系５０と、生成された映像光をスクリーン５００へ投写する投写光学系６０と、光源部１０や映像生成部２０などの制御を行う制御部７０とを有する。

詳細は後述するが、投写型映像表示装置１００は、映像生成部２０にて生成された映像光を、スクリーン５００上において、画素ピッチ以下の範囲で表示位置をずらすための光路変更部８０をさらに備える。投写型映像表示装置１００は、光路変更部８０によって、映像生成部２０にて生成された映像光の、スクリーン５００上での表示位置を、例えば、１／２画素ずらすことにより、投写型映像表示装置１００は解像度感の高い映像を提供することができる。
（投写型映像表示装置の光学構成）
投写型映像表示装置１００の光学構成について図３を用いて説明する。図３は、投写型映像表示装置１００の光学構成を示す模式図である。

光源部１０から出射した白色光は、レンズ５２に入射し、ロッド５４の入射面近傍で集光する。ロッド５４に入射した光は、ロッド内部で複数回反射することによって、光強度分布が実質的に均一化されて出射する。ロッド５４から出射した光は、レンズ５６によって集光される。レンズ５６は、ロッド５４の出射面の像を後述するＤＭＤに結像させるリレー系のレンズである。ミラー５８で反射した後、レンズ２２を介して全反射プリズム２４に入射する。レンズ２２は、入射した光を略平行に集光するレンズである。

全反射プリズム２４は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には薄い空気層２６が介在している。空気層２６は臨界角以上の角度で入射する光を全反射する。レンズ２２を介して、全反射プリズム２４に入射した光は、全反射面で反射されて、カラープリズム２８に入射する。

カラープリズム２８は３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には、青反射のダイクロイック膜３０と赤反射のダイクロイック膜３２が形成されている。カラープリズム２８に入射した光は、青反射のダイクロイック膜３０と赤反射のダイクロイック膜３２とによって、青、赤、緑の色光に分離され、それぞれＤＭＤ３４、３６、３８に入射する。ＤＭＤ３４、３６、３８は、映像入力信号に応じて、投写光学系６０を構成する投写レンズに入射する光と、投写レンズの有効外へ進む光とにマイクロミラーを偏向させて分離する。

ＤＭＤ３４、３６、３８によって反射された光は、再度、カラープリズム２８を透過する。カラープリズム２８を透過する過程で、分離された青、赤、緑の各色光は合成され、全反射プリズム２４に入射する。全反射プリズム２４に入射した光は空気層２６に臨界角以下で入射するため、透過して、投写光学系６０に入射する。このようにして、ＤＭＤ３４、３６、３８によって形成された映像光が、スクリーン上に投写される。

映像生成部２０にはＤＭＤ３４、３６、３８を用いているため、液晶パネルに比べて、耐光性、耐熱性が高い投写型映像表示装置１００が構成できる。さらに、３つＤＭＤを用いているため、色再現が良好で、明るく高精細な投写映像を得ることができる。
（投写型映像表示装置の動作）
制御部７０による制御について図４〜図８を用いて説明する。図４は、制御部７０の構成を説明するブロック図である。制御部７０は、映像信号生成部７４と表示素子駆動部７６と圧電素子駆動部７２とから構成される。

制御部７０に入力された映像入力信号は、映像信号生成部７４において、ＤＭＤ３４、３６、３８へ出力される映像出力信号に変換される共に、ＤＭＤ３４、３６、３８で生成される映像光と同期を取るための同期信号とに変換される。すなわち、映像信号生成部７４は、映像入力信号に基いて、映像出力信号と同期信号とを生成する。

図５に示すように、ＤＭＤ３４、３６、３８と同じ解像度の映像入力信号が入力されたとき、映像信号生成部７４は、ＤＭＤ３４、３６、３８の各画素に対応している映像入力信号を、そのまま映像出力信号として表示素子駆動部７６へ出力する。ＤＭＤ３４、３６、３８の解像度の４倍の解像度の映像入力信号が入力されたとき、映像信号生成部７４は、従来手法では、例えば、２×２の４つ分の信号から補間画素の信号（４つの画素の平均値）を算出して、ＤＭＤ３４、３６、３８の各画素への映像出力信号として出力するか、または、図６に示すように、例えば、２×２の４つ分の信号のうち、左上の信号（○を付した信号）を映像出力信号として表示素子駆動部７６へ出力する。

本実施形態において、光路変更部８０を駆動して、ＤＭＤ３４、３６、３８の解像度の２倍密の映像を表示する場合、映像信号生成部７４は、１フレーム分（例えば、Ｎフレーム目）の映像入力信号を２つのサブフレームに時間的に分割する。具体的には、図７に示すように、例えば、隣接する２×２の４つの画素の信号を１セットとし、そのうち、左上の信号（○を付した信号）を第１サブフレーム、右下の信号（△を付した信号）を第２サブフレームの映像出力信号として、この順に表示素子駆動部７６へ出力する。一方、圧電素子駆動部７２へは、ＤＭＤ３４、３６、３８において第１サブフレームと第２サブフレームとが切り替わるタイミングと、光路変更部８０がスクリーン５００上の表示位置をずらす（映像光の光路を変更する）タイミングとが一致するように、同期信号を出力する。

図８に示すように、光路変更部８０は、ＤＭＤ３４、３６、３８において第１サブフレームの映像を表示している間、スクリーン５００上の点線で示す位置に映像光を投写し、ＤＭＤ３４、３６、３８において第２サブフレームの映像を表示している間、スクリーン５００上の実線で示す位置、詳細には、縦横の両方向に１／２画素移動した位置に映像光を投写するように、光路を変更する。これにより、元の映像入力信号の画素位置との整合が取れると共に、ＤＭＤ３４、３６、３８の解像度の２倍の解像度感のある映像を表示することができる。
（光路変更部の構成）
〔第１実施形態〕
光路変更部８０の構成について図９を用いて説明する。図９は、映像生成部２０から投写光学系６０までの光学構成を示す模式図である。

光路変更部８０は、屈折を利用して映像生成部２０からの映像光の光路を屈折させるガラス板８２と、ガラス板８２の配置角度を変化させる圧電素子８４とから構成される。圧電素子８４には、圧電素子８４に電力を供給し、圧電素子８４の伸縮を制御する圧電素子駆動部７２が接続されている。

圧電素子８４は、所定の電圧を加えられると伸長し、ガラス板８２（ガラス枠１８２）を押圧する。圧電素子８４から押圧されたガラス板８２は、映像光の光軸に直交する軸を中心に配置角度が変化し、ガラス板８２へ入射する映像光の入射角度が変化する。結果、映像光の進行方向が微小に変化し、スクリーン５００上での映像光の表示位置が移動する。

ガラス板８２を含むガラスユニット１８０の構成について図１０を用いて説明する。図１０は、ガラスユニット１８０の構成を示す斜視図である。

ガラスユニット１８０は、ガラス板８２の外周を保持するガラス枠１８１を有する。ガラス枠１８１の投写光学系６０側の面には、板バネ１８２、１８３が設けられている。すなわち、板バネ１８２、１８３は、ガラス枠１８１に対し、投写光学系６０の光軸と平行な方向に配置される。ガラスユニット１８０は、ベース１８４に建てられた支柱１８５、１８６に対し、板バネ１８２、１８３を介して支持される。

圧電素子８４は、電圧を印加することで長さが変動する素子である。圧電素子８４は、支柱１８５側に固定され、ガラス枠１８１に対して接するように配置される。すなわち、圧電素子８４は、ガラス枠１８１に対し、投写光学系６０の光軸と平行な方向に配置されている。圧電素子８４には圧電素子駆動部７２が接続されており、圧電素子駆動部７２から所定の電圧が印加されると、圧電素子８４は伸長する。バネ１８７は、ガラス枠１８１と支柱１８５との間に挿入され、両端がそれぞれガラス枠１８１および支柱１８５に固定されている。バネ１８７は、ガラス枠１８１と支柱１８５とが互いに引き合うように力を加えている。

板バネ１８２、１８３は、ガラス板８２に対し垂直（投写光学系６０の光軸に平行）に取付けられる。板バネ１８２、１８３は、ガラス板８２が投写光学系６０の光軸に対する垂線を中心とする回動往復運動をするように、取り付けられると良い。支柱１８５、１８６は、ガラス板８２に対し平行に設けられ、端部で板バネ１８２、１８３を支持している。支柱１８５は、圧電素子８４およびバネ１８７も支持している。

図１１（ａ）は、ガラスユニット１８０（光路変更部８０）が基準状態にあるときの側面図であり、図１１（ｂ）は、ガラス板８２の屈折率を利用して、映像光の光路（図中の実線矢印）をずらしている状態の側面図である。

圧電素子８４に所定の電圧が印加されると、圧電素子８４が伸長し、半球形の接触部１８８を介して、ガラス枠１８１を反時計回り方向へ押す。結果、板バネ１８２（１８３）は反り返ると共に、バネ１８７は引き伸ばされる。一方、圧電素子８４にかかっていた電圧が解放されると、圧電素子８４は収縮する。結果、板バネ１８２（１８３）およびバネ１８７の復元力によって、ガラス枠１８１は時計回り方向へ引き戻され、図１１（ａ）のような基準状態に戻る。

図１１に示すように、支柱１８５に支持される板バネ１８２、圧電素子８４およびバネ１８７は、ガラス板８２が、圧電素子８４の伸縮に応じて、投写光学系６０の光軸（一点鎖線）に対する垂線を中心として、微小な角度で回動往復運動をするように、取り付けられると良い。
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

本実施形態の光路変更部８０の構成について図１２を用いて説明する。図１２（ａ）はガラスユニット２８０の正面図であり、図１２（ｂ）はガラスユニット２８０のシャフト２８２の部分を拡大した拡大側面図である。

ガラスユニット２８０は、ガラス板８２の２辺を保持するガラス枠２８１を有する。ガラス枠２８１の両側面には、棒状のシャフト２８２、２８３が設けられている。ガラスユニット２８０は、ベース２８４に建てられた支柱２８５、２８６に対し、シャフト２８２、２８３を介して支持される。

シャフト２８２、２８３は、ガラス板８２に対し平行（投写光学系６０の光軸に垂直）に取付けられる。シャフト２８２、２８３は、ガラス板８２が投写光学系６０の光軸に対する垂線を中心とする回動往復運動をするように取付けられると良い。支柱２８５、２８６は、ガラス板８２に対し平行に設けられ、端部にはシャフト２８２、２８３を支持する受け穴２８７、２８８が設けられている。

図１２（ｂ）に示すように、受け穴２８７（２８８）には、シャフト２８２（２８３）との隙間に弾性を有するゴム材２８９が充填されている。このゴム材２８９の復元力によって、第１実施形態と同様に、圧電素子が収縮したときに、基準状態に戻ることができる。

シャフト２８２、２８３は、円柱ではない形状であることが望ましい。シャフト２８２、２８３が円柱状である場合、ゴム材２８９と、シャフト２８２、２８３との接触部分が滑りやすく、磨耗しやすくなる。同様に、受け穴２８７、２８８もまた円柱ではない形状が望ましい。本実施形態では十字型としたが、多角柱など他の形状であってもよい。

また、本実施形態では、八角形のガラス板８２を用いた。これにより、ガラス板８２およびガラス枠２８１の部分の回転モーメントが小さくなる。また、ガラス板８２およびガラス枠２８１の大きさ（形状）、重量を適宜変更することにおり、この部分の固有振動数を圧電素子の駆動周波数から遠ざけ、共振が起こりにくい構造とすることは重要である。なお、ガラス板８２の形状は八角形に限らず、他の多角形や円形でもよい。
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態について、上記の実施形態との相違点を中心に説明する。

本実施形態の光路変更部８０の構成について図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、レンズユニット３８０（光路変更部８０）が基準状態にあるときの側面図であり、図１３（ｂ）は、レンズ８６、８７の屈折を利用して、映像光の光路（図中の実線矢印）をずらしている状態の側面図である。

レンズユニット３８０（光路変更部８０）は、屈折を利用して映像生成部２０からの映像光の光路を屈折させるレンズ８６、８７と、レンズ８６、８７の配置位置を変化させる圧電素子８４とから構成される。圧電素子８４には、圧電素子８４に電力を供給し、圧電素子８４の伸縮を制御する圧電素子駆動部７２（不図示）が接続されている。

レンズユニット３８０は、凸面のレンズ８６の外周を保持するレンズ枠３８１と、凹面のレンズ８７の外周を保持するレンズ枠３８２を有する。レンズ枠３８１とレンズ枠３８２の間には、板バネ３８３、３８４が設けられている。すなわち、板バネ３８３、３８４は、レンズ枠３８１、３８２に対し、投写光学系６０の光軸と平行な方向に配置されている。レンズ枠３８２はベース３８５に取付けられ、レンズ枠３８１は、圧電素子８４を介してベース３８５に支持されると共に、板バネ３８３、３８４を介してレンズ枠３８２に支持される。

圧電素子８４は、ベース３８５に固定され、レンズ枠３８１に対して接するように配置される。圧電素子８４には、図示しない圧電素子駆動部７２が接続されており、圧電素子駆動部７２から印加されると、圧電素子８４は伸長する。図示しないが、圧電素子８４と並行するようにバネを配置し、圧電素子８４が伸長すると、レンズ枠３８１とベース３８５との間で引き合う力が加わるように構成してもよい。

板バネ３８３、３８４は、レンズ８６、８７に対し垂直（投写光学系６０の光軸に平行）に取付けられる。板バネ３８３、３８４は、レンズ８６、８７が投写光学系６０の光軸に対して垂線な方向に往復運動をするように、取り付けられると良い。

圧電素子８４に所定の電圧が印加されると、圧電素子８４が伸長し、レンズ枠３８１を紙面上方向へ押す（図１３（ｂ））。結果、板バネ３８３、３８４は反り返る。一方、圧電素子８４にかかっていた電圧が解放されると、圧電素子８４は収縮する。結果、板バネ３８３、３８４の復元力によって、レンズ枠３８１は紙面下方向へ引き戻され、図１３（ａ）のような基準状態に戻る。

ここで、圧電素子８４は、レンズ枠３８１の中心付近を押すように配置するのが望ましい。具体的には、圧電素子８４の駆動軸がレンズ８６およびレンズ枠３８１からなる可動部の重心を通るように、圧電素子８４を配置する。これにより、レンズ枠３８１にかかる力が片寄らず、往復の動作が安定する。

また、図示しなかったが、圧電素子８４と並行するようにバネを配置した場合は、可動部の重心が、圧電素子８４の駆動軸とバネの伸縮方向軸の中間に位置するように配置することは望ましい。あるいは、押しバネを、可動部に対して圧電素子８４と反対側に設置し、圧電素子８４の駆動軸と押しバネの伸縮方向軸とが一直線上に並ぶように配置してもよい。さらには、複数のバネを配置する場合も、各バネの伸縮方向の軸、圧電素子の駆動軸および可動部の重心を考慮することが重要である。
〔その他の実施形態〕
上述の実施形態では、光源部１０は、特に説明しなかったが、ランプ光源や固体光源、特に、レーザ光源と蛍光体とを組み合わせた光源などを用いることができる。映像生成部２０は、３枚のＤＭＤによる構成で説明したが、これに限定されるものではなく、１枚のＤＭＤによる構成や、表示素子として透過型および反射型の液晶表示素子を用いる構成でも実施することができる。

上述の実施形態では、２倍密のときの光路変更部の動作について、左上の信号と右下の信号とを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、右上の信号と左下の信号とを用いてもよい。この場合、光路変更部が映像光の光路を変更する方向も、信号の位置に合わせて、映像光の表示位置が右上と左下とを移動するように構成する。

上述の実施形態では、映像信号生成部におけるサブフレームの映像信号の生成について、左上の信号を第１サブフレームとして説明したが、これに限定されるものではない。他の位置の信号を第１サブフレームとして設定してもよく、補間信号を生成して、第１サブフレームとして設定することも可能である。

上述の実施形態では、光路変更部８０を振動させる駆動部材として圧電素子を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、ボイスコイルモータなども用いることができる。光路変更部８０は、映像生成部２０と投写光学系６０との間に配置したが、映像生成部２０からスクリーン５００までの間に配置されればよく、例えば、投写光学系６０内のレンズ間に挿入してもよい。

上述の実施形態では、ガラス枠１８１やレンズ枠３８１に元に戻す力を加えるために、バネを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、磁石の吸引力や反発力なども用いることができる。

上述の実施形態では、板バネ１８２、１８３とバネ１８７の２種類のバネを用いる構成を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、復元力の大きい板バネのみで構成することも可能である。

上述の実施形態では、レンズユニット３８０のレンズ８６、８７は、映像生成部２０から平凹レンズ、平凸レンズの順に並んだ構成で説明したが、これに限定されるものではなく、屈折率を打ち消しあうように構成されていればよい。従って、平凸レンズ、平凹レンズの順に並んだ構成であってもよい。

以上のように、添付図面および詳細な説明によって、ベストモードと考える実施の形態と他の実施の形態とを提供した。これらは、特定の実施の形態を参照することにより、当業者に対して、特許請求の範囲に記載の主題を例証するために提供されるものである。したがって、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、上述の実施の形態に対して、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、プロジェクタ等の投写型映像表示装置に適用できる。

１０ 光源部
２０ 映像生成部
２２ レンズ
２４ 全反射プリズム
２６ 空気層
２８ カラープリズム
３０、３２ ダイクロイック膜
３４、３６、３８ ＤＭＤ
５０ 導光光学系
５２、５６ レンズ
５４ ロッド
５８ ミラー
６０ 投写光学系
７０ 制御部
７２ 圧電素子駆動部
７４ 映像信号生成部
７６ 表示素子駆動部
８０ 光路変更部
８２ ガラス板
８４ 圧電素子
８６、８７ レンズ
１００ 投写型映像表示装置
１８０、２８０ ガラスユニット
１８１、２８１ ガラス枠
１８２、１８３、３８３、３８４ 板バネ
１８４、２８４、３８５ ベース
１８５、１８６、２８５、２８６ 支柱
１８７ バネ
２８２、２８３ シャフト
２８７、２８８ 受け穴
２８９ ゴム材
３８０ レンズユニット
３８１、３８２ レンズ枠
５００ スクリーン

Claims (4)

1. 映像光を生成する映像生成部と、
   前記映像光を投写面に投写する投写光学系と、
   前記映像光の光路上に設けられ、前記映像光の投写面上での表示位置を変更する光路変更部と、
   を備える投写型映像表示装置において、
   前記光路変更部は、
   屈折を利用して前記映像光の光路を変化させる光学素子と、
   前記光学素子の縁部を支持する枠体と、
   前記光学素子の配置を変化させる駆動部材と、
   前記光学素子の配置を基準状態に復元する弾性部材と、
   を有しており、
   前記駆動部材と前記弾性部材のうち少なくとも一方は、前記枠体に対し、前記投写光学系の光軸と平行な方向に配置されることを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 請求項１記載の投写型映像表示装置において、
   前記弾性部材は板バネであり、
   前記板バネが、前記枠体の一方の主面に配置されることを特徴とする投写型映像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の投写型映像表示装置において、
   前記光学素子は板状部材であり、配置角度が変化することで、前記映像光の光路が変化することを特徴とする投写型映像表示装置。
4. 請求項１または２に記載の投写型映像表示装置において、
   前記光学素子はレンズ部材であり、配置位置が変化することで、前記映像光の光路が変化することを特徴とする投写型映像表示装置。

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