CN101082403A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种光源装置，由放电灯和凹面反射镜构成，该凹面反射镜具有设有光放射口的前方椭圆面反射镜部和与前方椭圆面反射镜部的后方侧接续的中央球面反射镜部，该光源装置抑制入射到中央球面反射镜部的光往复于穿过弧光中心且连接中央球面反射镜部反射面上任意2点的直线上，减小被放电灯的发光管部吸收的光的比例，从而提高光的利用效率。光源装置包括：放电灯，在放电容器内一对电极被相对设置；和凹面反射镜，具有设有光放射口的前方椭圆面反射镜部和与前方椭圆面反射镜部的后端接续的球面反射镜部，上述放电灯相对上述凹面反射镜设置成，其电极问中心位于包括前方椭圆面反射镜部与球面反射镜部的边界部的假想平面的前方侧。

Description

光源装置

技术领域

本发明涉及一种光源装置，使用于液晶显示装置、利用DMD(注册商标)  (数字镜像装置)的DLP(注册商标)  (数字光处理器)等投射型投影装置的背景光。

背景技术

在投射型的投影装置中，要求对矩形屏幕以均匀且足够的彩色再现性照射图像。为了应对这种要求，作为光源将点亮时的水银蒸汽压力在150大气压以上的短弧型超高压水银灯与椭圆面反射镜等凹面反射镜组合起来使用。

近年来，投影装置用户强烈要求投影装置不是常设于会议室等中，而是可以轻松地搬运以便在各种场合使用，因此与以往相比投影装置正逐渐小型化。而且，随着投影装置的小型化，光源装置中特别是凹面反射镜也逐渐小型化。

然而，单纯地使凹面反射镜小型化，会减小凹面反射镜的有效反射面积，从光源装置放射的光束减少。而且，近年来除了上述光源装置的小型化，还要求投影装置的聚光点的照度达到比以往更高的水准，因此只对凹面反射镜进行小型化无法应对这种要求。

在这里，作为不减小凹面反射镜的有效反射面积即可提高光束的利用效率的技术，在专利第3557988号中公开了具有由以下反射镜部构成的凹面反射镜的光源装置：前方反射镜部，形成光放射口；中央反射镜部，位于前方反射镜部的后方；以及后方反射镜部，位于中央反射镜部的后方。以下，利用图4对上述公报公开的光源装置进行说明。

图4是表示现有的光源装置的大致结构的截面图。

在图4中，光源装置10由放电灯1和凹面反射镜2构成。放电灯1是直流点亮方式的放电灯，在发光管部11的内部相对设置有阳极13和阴极14。凹面反射镜2设置为以其光轴Z与放电灯1的弧光的方向(阳极13与阴极14相对的方向)相同的状态将放电灯1围绕。

凹面反射镜2的整体为凹面状，由如下3个反射镜部分构成：前方反射镜部22，在前方具有光放射口21；中央反射镜部24，与前方反射镜部22的后端侧接续；以及后方反射镜部26，与中央反射镜部24的后端侧接续。

而且，前方反射镜部22的椭圆面反射镜的第1焦点的位置、中央反射镜部24的球面反射镜的中心位置以及后方反射镜部26的椭圆面反射镜的第1焦点的位置相同，都大致与放电灯1的弧光的中央一致。在图3所示放电灯中，阴极14的前端附近为弧光的中央。此外，前方反射镜部22的椭圆面反射镜的第2焦点的位置和后方反射镜部26的椭圆面反射镜的第2焦点的位置相同。

在前方反射镜部22中，形成光放射口21的前端缘位于比放电灯1的发光管部11大大向前方伸出的位置上，并且其后端缘在如下位置上与中央反射镜部24的前端缘接续：放电灯1中的弧光的中心附近的略微后方，且阳极13、阴极14之间的中心位置的略微前方。此外，中央反射镜部24的后端缘与后方反射镜部26的前端缘接续。

根据上述结构的光源装置，光从在放电灯1的阴极14的前端附近形成的弧光放射，但是如图5所示，入射到前方反射镜部22上的光直接被反射并从前方反射镜部22的前端缘的光放射口21向前方放射，从而聚光于前方反射镜部22的第2焦点的位置。

另一方面，由于作为球面的中央反射镜部24的中心大致与弧光的中央一致，因此在从弧光放射的光中，入射到前方反射镜部22的后方的中央反射镜部24上的光向着弧光返回，进而穿过弧光向前方反射镜部22放射，从而在前方反射镜部22上反射并聚光于第2焦点的位置。

根据具有由上述3个反射镜部分构成的凹面反射镜2的光源装置，除了入射到作为椭圆面反射镜的前方反射镜部22及作为球面反射镜的中央反射镜部24上的光，还可以通过作为椭圆面反射镜的后方反射镜部26将以往未能有效利用的射向弧光后方的一部分光直接聚光于前方，因此光的利用效率提高。

但是，在上述光源装置中，由于下述原因，难以使投影装置的聚光点处的照度达到近年来的投影装置所要求的水准以上。

在图5中的斜线区域中，如虚线箭头所示，在从形成于放电灯1的阴极14的前端附近的弧光放射的光中，向与光轴Z正交的方向放射的光及向与光轴Z大致正交的方向放射的光，入射到球面反射镜部24上后，向着弧光返回，穿过弧光再次入射到球面反射镜部24上。从而，上述用虚线箭头表示的光反复往复于将弧光中心和中央反射镜部24的球面反射面上的任意2点连接起来的直线上，由此不久即被发光管部11吸收，不会通过前方反射镜部22从光放射口21放射。

而且，从弧光放射的所有光中，若被发光管部11吸收的光的比例增加，则存在如下不良结果：投影装置的聚光点处的照度降低，不能满足希望的水准。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种光源装置，由放电灯和凹面反射镜构成，该凹面反射镜具有设有光放射口的前方椭圆面反射镜部和与前方椭圆面反射镜部的后端接续的球面反射镜部，抑制入射到球面反射镜部的光往复于将弧光中心和球面反射镜部的反射面上的任意2点连接起来的直线上，减小被放电灯的发光管部吸收的光的比例，从而提高光的利用效率。

为了解决上述课题，本发明的光源装置包括：放电灯，在放电容器内一对电极被相对设置；和凹面反射镜，具有设有光放射口的前方椭圆面反射镜部和与前方椭圆面反射镜部的后端接续的球面反射镜部，上述光源装置的特征在于：

上述放电灯相对上述凹面反射镜设置成，其电极间的中心位于包括上述前方椭圆面反射镜部与上述球面反射镜部的边界部的假想平面的前方侧。

进而，上述光源装置的特征在于：上述光源装置，在以包括其光轴的平面截断的截面上，满足90°＜X＜100°的关系，上述角X由如下两条直线形成：从上述电极间的中心向上述前方椭圆面反射镜部与上述球面反射镜部的边界部引出的直线、和从上述电极间的中心平行于光轴向光放射方向延伸的直线。

进而，上述光源装置的特征在于：上述凹面反射镜具有与上述球面反射镜部的后端接续的后方椭圆面反射镜部。

进而，本发明的凹面反射镜具有：前方椭圆面反射镜部，设有光放射口；球面反射镜部，与前方椭圆面反射镜部的后端接续；以及后方椭圆面反射镜部，与球面反射镜部的后端接续，上述凹面反射镜的特征在于：

上述前方椭圆面反射镜部的第1焦点及上述后方椭圆面反射镜部的第1焦点，位于包括上述前方椭圆面反射镜部与上述球面反射镜部的边界部的假想平面的前方。

根据本发明，光源装置由放电灯和凹面反射镜构成，上述放电灯在放电容器内一对电极被相对设置，上述凹面反射镜具有设有光放射口的前方椭圆面反射镜部和与前方椭圆面反射镜部的后端接续的球面反射镜部，在上述光源装置中，上述放电灯相对上述凹面反射镜设置成，其电极间的中心位于包括上述前方椭圆面反射镜部与上述球面反射镜部的边界部的假想平面的前方侧，因此在从弧光放射的光中入射到球面反射镜部上的所有光向着弧光返回，从而穿过弧光入射到前方椭圆面反射镜部上后，在前方椭圆面反射镜部反射，从而向光放射口方向放射并聚光于第2焦点的位置。从而，入射到凹面反射镜的球面反射镜部上的光不会往复于将弧光中心和球面反射镜部的球面反射面上的任意2点连接起来的直线上，因此光源装置的光利用效率提高。

附图说明

图1是表示本发明的光源装置的大致结构的长度方向的截面图。

图2是本发明涉及的放电灯的电极的放大截面图。

图3是表示来自本发明的光源装置的光的放射状态的说明图。

图4是表示现有的光源装置的大致结构的长度方向的截面图。

图5是表示来自现有的光源装置的光的放射状态的说明图。

具体实施方式

以下，利用图1至图3对本发明的光源装置的一例进行说明。图1用于说明本发明的光源装置，是以包括光轴的平面截断的截面图。图2是本发明涉及的一对电极附近的放大截面图。图3是表示来自本发明的光源装置的光的放射状态的说明图。如图1所示，光源装置10构成为：在形成于凹面反射镜2的后端缘的孔29上设置放电灯1的一侧的密封部12，利用粘结剂M对凹面反射镜2和密封部12进行固定。

以下，“前方”指光出射方向，“后方”指孔方向。

放电灯1包括大致球状的发光管部11和接续在发光管部11的两端的圆柱状的密封部12，该放电灯1由石英玻璃等透光材料构成。放电灯1是交流点亮方式的放电灯，在发光管部11的内部空间相对设置有由钨构成的一对电极13、14。在电极13、14的基端部上接合有供电用的金属箔15的前端部，密封部12被金属箔15气密性密封。在金属箔15的基端部上接合有外部引线16的前端部，外部引线16的基端部向密封部12的外方突出。

在发光管11的内部空间封入有水银、卤素气体、惰性气体。封入有0.2mg/mm³以上的作为发光物质的水银，以使点亮时的内部空间的水银蒸汽压力在200大气压以上。关于卤素气体，主要为了防止发光管部11的内壁因卤族元素而产生黑化，从而封入10^-6μmol/mm3～10^-2μmol/mm3。关于惰性气体，例如为了改善起动辅助性而封入0.0133MPa左右的氩气。

如图2所示，电极13由大径的电极前端部131和电极芯棒132构成，上述电极前端部131与另一侧电极14的电极前端部141相对，上述电极芯棒132的直径小于电极前端部131，并且接续在电极前端部131的基端部上。电极前端部131由突起部131A、与突起部131A接续的粗径部131B以及与粗径部131B接续的线圈状的起动辅助部131C构成。

突起部131A由电极芯棒132的前端形成，与电极芯棒132的外径相等，或者因熔融而略大于或略小于电极芯棒132的外径。即，突起部131A并不会因超高压水银灯的点亮而产生并生长，其仍然由电极芯棒132的前端形成。

粗径部131B例如对在电极芯棒132上以线圈状缠绕的钨的线材的一部分进行熔融而形成块状，由此可以提高热容量。

起动辅助部131C由形成上述粗径部131B时未熔融的线圈状部分形成。在起动超高压水银灯时，由于起动辅助部131C具有线圈形状，因此线圈的间距之间的间隙易成为放电的起点，并且由于是线圈状，因此易于加热，从而可以从辉光放电迅速转变成弧光放电。在稳定点亮超高压水银灯时，由于起动辅助部131C具有线圈形状，因此具有通过表面的凹凸效果和热容量而进行放热的功能。

另一侧电极14与一侧电极13相同地形成。即，由大径的电极前端部141和电极芯棒142构成，上述电极前端部141与一侧电极13的电极前端部131相对，上述电极芯棒142的直径小于电极前端部141的基端部，并且接续在电极前端部141的基端部上。电极前端部141由突起部141A、与突起部141A接续的粗径部141B以及与粗径部141B接续的线圈状的起动辅助部141C构成。

凹面反射镜2在反射面的前端缘形成光放射口21，与反射面的后端连续地形成有在光轴方向上延伸并支撑放电灯的筒状的孔29，在光放射口21上嵌入有前面玻璃3。设置前面玻璃3是为了在放电灯万一破裂时防止灯的碎片向投影装置方向飞散。在前面玻璃3的大致中央部，形成有用于使放电灯的密封部12穿过的灯贯通孔31，密封部12的一部分突出到凹面反射镜2的外方。

凹面反射镜2包括如下3个反射面：前方椭圆面反射镜部22，设有光放射口21；球面反射镜部24，其前端与前方椭圆面反射镜部22的后端接续；以及后方椭圆面反射镜部26，其前端与球面反射镜部24的后端接续。前方椭圆面反射镜部22、球面反射镜部24以及后方椭圆面反射镜部26可以形成为一体，也可以由多个独立部件连接而成。在凹面反射镜2中，前方椭圆面反射镜部22的第1焦点的位置及后方椭圆面反射镜部26的第1焦点的位置相同，位于包括前方椭圆面反射镜部22与球面反射镜部24的边界部P1的假想平面的前方。此外，前方椭圆面反射镜部22的第2焦点的位置与后方椭圆面反射镜部26的第2焦点的位置相同。

凹面反射镜2例如由石英玻璃等玻璃材料构成，在内表面上通过蒸镀等形成有具有反射可见光而透过红外光及紫外光的性质的反射膜。关于反射膜，例如使用层积二氧化硅(SiO₂)和二氧化钛(TiO₂)的反射膜。

构成凹面反射镜2的材料并不限于石英玻璃等玻璃材料，也可以使用铜、黄铜、铁、铝、银或它们的合金等金属材料。作为构成凹面反射镜的材料，在使用如铜、黄铜、铁等材料本身不具有反射特性的材料时，需要在凹面反射镜2的内表面上设置具有对可见光进行反射的性质的上述反射膜。

另一方面，作为构成反射镜的材料，在使用如铝或银等材料本身具有反射特性的材料时，不需要在凹面反射镜2的内表面上形成对可见光进行反射的反射膜。但是，此时由于凹面反射镜2除了对可见光进行反射，还对红外光进行反射，因此需要在嵌入到凹面反射镜2的光放射口21上的前面玻璃3上涂敷吸收红外光的物质，或在凹面反射镜2的外方，在前面玻璃3的附近设有吸收红外光的单元。作为用于吸收红外光的其他单元，若采用在凹面反射镜2的内表面上例如涂敷含有铬的低热膨胀玻璃等的单元，则可以吸收红外光，并且通过对凹面反射镜的外部进行冷却，从而可以避免凹面反射镜内部的温度过于上升，因此优选该单元。

在本发明涉及的光源装置10中，前方椭圆面反射镜部22的前端缘设置在比放电灯1的发光管部11大大向前伸出的位置上。在本发明涉及的放电灯1中，在突起部131A、141A附近形成亮点，因此放电灯1的电极13、14之间的中心位置P2与前方椭圆面反射镜部22及后方椭圆面反射镜部26的第1焦点一致，并且与球面反射镜部24的中心位置一致。

而且，本发明涉及的光源装置的特征在于，电极13、14之间的中心P2位于前方椭圆面反射镜部22的后端缘或球面反射镜部24的前端缘的前方侧，即前方椭圆面反射镜部22与球面反射镜部24的边界部P1的前方侧。以下，电极13、14之间的中心P2还可以简称为“电极间的中心P2”，前方椭圆面反射镜部22与球面反射镜部24的边界部P1还可以简称为“边界部P1”。

如图3所示，根据上述光源装置，直接入射到前方椭圆面反射镜部22上的光L1、L2聚光于前方椭圆面反射镜部22的第2焦点的位置。入射到球面反射镜部24上的光L3向弧光返回后，穿过弧光在前方椭圆面反射镜部22反射，从而聚光于前方椭圆面反射镜部22的第2焦点的位置。入射到后方椭圆面反射镜26上的光L4在后方椭圆面反射镜部26上反射，从而聚光于第2焦点的位置。

即，根据图3所示的例子，电极间的中心P2位于边界部P1的前方侧，从而在现有的图5所示光源装置中成为问题的、射向与光轴Z正交的方向的光L2直接入射到前方椭圆面反射镜部22，由此上述光L2不会往复于将电极间的中心P2和球面反射镜部24上的任意2点连接起来的直线上，因此可以使聚光点处的照度高于现有的光源装置。

在这里，电极间的中心P2位于边界部P1的前方侧，从而如上所述，可以提高聚光点处的照度，但是在电极间的中心P2过于靠近边界部P1的前方侧时，聚光点处的照度未必提高。即，为了提高聚光点处的照度，需要根据其与边界部P1的关系将电极间的中心P2的位置设置在最佳位置上。

从而，在图1所示光源装置中，优选将放电灯1相对凹面反射镜2的位置确定为使角X满足90°＜X＜100°的关系，上述角X由如下两条直线形成：连接边界部P1和电极间的中心P2的假想线A、和从电极间的中心P2平行于光轴Z地向光放射方向延伸的直线B。优选将放电灯1相对凹面反射镜2的位置确定为满足该角度范围，是通过以下实验来确认的。以下，对为确定边界部P1与电极间的中心P2的最佳位置关系而进行的实验进行说明。

以下，由连接边界部P1和电极间的中心P2的假想线A、和从电极间的中心P2平行于光轴Z地向光放射方向延伸的直线B形成的角X还可以称为“角X”。

实施例

根据图1所示的结构，按照以下规格制作7个实施例涉及的光源装置。

(放电灯1)

全长50mm、电极间距离1mm、水银封入量0.25mg/mm³、额定功率200W

(凹面反射镜2)

前方椭圆面反射镜部(22)：

具有长轴34.05mm、短轴19.29mm的椭圆面，光放射口(21)的开口直径为37.2mm。光轴方向的全长在15.72～20.57mm的范围内调整为7种。

球面反射镜部(24)：

具有半径为8～12mm的球面。光轴方向的全长在2.33～4.33mm的范围内调整为7种。

后方椭圆面反射镜部(26)：

具有长轴35.05mm、短轴22.29mm的椭圆面，孔(29)的开口直径为10mm。光轴方向的全长在1.2～3.96mm的范围内调整为7种。

利用上述放电灯及光轴方向的全长不同的7种凹面反射镜，制作电极间的中心P2与边界部P1的位置关系不同的7种光源装置。以这7种光源装置为实施例1～7。在实施例1～7的光源装置中，图1所示电极间的中心P2从边界部P1向光轴方向前方分离的距离T(简称为分离距离T)、与角X的关系各不相同，具体而言如下表1所示。

比较例

根据图4所示的结构，按照以下规格制作1个比较例涉及的光源装置。

(放电灯1)

与实施例相同。

(凹面反射镜2)

前方椭圆面反射镜部(22)：

具有长轴34.05mm、短轴19.29mm的椭圆面，光放射口(21)的开口直径为37.2mm。光轴方向的全长为18.4mm。

球面反射镜部(24)：

具有半径为11.4mm的球面。光轴方向的全长为4.16mm。

后方椭圆面反射镜部(26)：

具有长轴35.05mm、短轴22.29mm的椭圆面，孔(29)的开口直径为10mm。光轴方向的全长为3.36mm。

分离距离T及角X的关系如下表1所示。

点亮上述实施例1～7及比较例的光源装置的放电灯，将光照射到纵向5.0×横向3.8mm的屏幕上，测量屏幕上的照度。表1表示其结果。

在表1中，实施例1～7涉及的光源装置得到的照度值表示为将比较例涉及的光源装置得到的照度值设为1时的相对值。此外，在表1中，当分离距离T为正值时，表示电极间的中心P2从边界部P1向光轴Z方向前方分离的状态，当分离距离T为负值时，表示电极间的中心P2从边界部P1向光轴Z方向后方分离的状态。

表1

	分离距离T(mm)	角度X(°)	照度
				实施例1	2.36	105.2	0.988
实施例2	1.75	100.0	0.995

实施例3	1.14	96.5	1.014
				实施例4	0.90	95.1	1.022
实施例5	0.66	93.6	1.033
				实施例6	0.42	92.3	1.048
实施例7	0.17	90.9	1.01

比较例

-0.55

87.2

1

从表1所示的实验结果判断出以下事实。

如实施例3至7涉及的光源装置，将放电灯相对凹面反射镜的位置确定为，放电灯的电极间的中心P2位于包括凹面反射镜的边界部P1的假想平面的前方、并且角X在90°＜X＜100°的范围内时，与如比较例涉及的光源装置，将放电灯相对凹面反射镜的位置确定为，放电灯的电极间的中心P2位于包括凹面反射镜的边界部P1的假想平面的后方、并且角X为87.2°时相比，屏幕上的照度提高了1～4.8％.

特别是判断出上述角X满足92.3°≤X≤95.1°的范围的实施例4至6涉及的光源装置，与比较例涉及的光源装置相比，屏幕上的照度提高2.2～4.8％，屏幕上的照度高于其他实施例涉及的光源装置。

此外，如实施例1、2所示，上述角X在100°以上时，屏幕上的照度低于比较例涉及的光源装置，由此判断出在电极间的中心P2过于靠近边界部P1的前方的光源装置中，无法提高屏幕上的照度。

根据实施例4至6涉及的光源装置，如上所述，与比较例涉及的光源装置相比，屏幕上的照度提高2.2～4.8％。一般而言在安装有本发明涉及的光源装置的投影装置中，如果聚光点处的照度提高1％，将给屏幕上投影的图像质量带来很大的有利影响，因此照度提高2.2～4.8％是非常大的效果。

而且，若要将照度提高2％以上，通常必须采用增大放电灯内的水银封入量，并且增大对放电灯的投入电力等方法，但在采用这种方法时，随之引起新问题的可能性较大。然而，本发明的光源装置具有无需增加点亮电力也能将照度提高为高于现有的光源装置的优点，并且可以减小得到与现有的光源装置相同的照度所需的点亮电力，因此有利于减小环境负荷。

本发明的光源装置并不限于上述实施方式，可以实施各种变更。

也可以使用如下凹面反射镜：仅由前方椭圆面反射镜部和与前方椭圆面反射镜部的后端接续的球面反射镜部构成，具有2个不同曲率的曲面接续的反射面。当然，也可以使用具有4个以上不同曲率的曲面接续的反射面的凹面反射镜。

此外，也可以使在凹面反射镜的前方椭圆面反射镜部及后方椭圆面反射镜部反射的光，从光放射口沿着光轴Z放射，也可以仅使在前方椭圆面反射镜部或后方椭圆面反射镜部的任一方上反射的光，从光放射口沿着光轴Z放射。

另外，在使用本发明涉及的光源装置10中的发光管部11的厚度较大的放电灯1时，要考虑以下情形：从在电极13、14之间形成的弧光放射的光、或由球面反射镜部24向弧光反射的光在穿过发光管部11时因发光管部11的透镜效果而发生折射。此时，虽然聚光于前方椭圆面反射镜部22及后方椭圆面反射镜部26的第2焦点的光会略微减少，因此优选使用如下反射镜：具有虽然不是严格的旋转椭圆面但近似为旋转椭圆面的反射面。

从而，本发明中的前方椭圆面反射镜部22并不限于反射面形状为旋转椭圆面的反射镜，还包括反射面形状在严格意义上虽然是非旋转椭圆面但近似为旋转椭圆面的反射镜。

与上述理由相同，球面反射镜部24并不限于反射镜形状为球面的反射镜，还包括反射面形状在严格意义上虽然是非球面但近似为球面的反射镜。

Claims (4)

1.一种光源装置，包括：放电灯，在放电容器内一对电极被相对设置；和凹面反射镜，具有设有光放射口的前方椭圆面反射镜部和与前方椭圆面反射镜部的后端接续的球面反射镜部，上述光源装置的特征在于：

上述放电灯相对上述凹面反射镜设置成，其电极间的中心位于包括上述前方椭圆面反射镜部与上述球面反射镜部的边界部的假想平面的前方侧。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于：

上述光源装置，在以包括其光轴的平面截断的截面上，满足90°＜X＜100°的关系，上述角X由如下两条直线形成：从上述电极间的中心向上述前方椭圆面反射镜部与上述球面反射镜部的边界部引出的直线、和从上述电极间的中心平行于光轴地向光放射方向延伸的直线。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的光源装置，其特征在于：

上述凹面反射镜具有与上述球面反射镜部的后端接续的后方椭圆面反射镜部。

4.一种凹面反射镜，具有：前方椭圆面反射镜部，设有光放射口；球面反射镜部，与前方椭圆面反射镜部的后端接续；以及后方椭圆面反射镜部，与球面反射镜部的后端接续，上述凹面反射镜的特征在于：

上述前方椭圆面反射镜部的第1焦点及上述后方椭圆面反射镜部的第1焦点，位于包括上述前方椭圆面反射镜部与上述球面反射镜部的边界部的假想平面的前方。

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