CN1277349A - 检测物体用的光学装置及使用它的坐标输入设备 - Google Patents

Abstract

公开一种检测放置在检测平面(31)上并被光线照射的物体(33)的方向或位置的物体检测光学装置(1;30),后者包括:由多个光源(2)和与光源对应的多个透镜形成的光投射装置,这样安排多个光源和多个透镜以便形成与检测平面平行的扇形投射图案,后者就像是从虚点光源(13)投射出来的一样;以及具有狭缝或透镜(4)和线性光敏接收组(5)的光接收装置,这样安排狭缝或透镜以及线性光敏接收组,以便形成带有与光投射装置形成的扇形投射图案对应的视场的光接收图案。

Description

检测物体用的光学装置及使用它的 坐标输入设备

本发明涉及检测物体用的光学装置及其在坐标输入设备上的应用，尤指其中使用多个发光二极管来形成扇形泛光照明图案的检测物体用的光学装置，及其在坐标输入设备上的应用。

在作为坐标输入设备装在处理装置中的数字化仪和图形输入板中，有各种各样检测物体角度(方向)或位置用的系统。压敏电阻膜系统、电容系统、电磁感应系统等便是一些例子。在非接触系统中还有一些能够检测物体角度或位置的光学系统。在图9中，示出按照传统光学系统的用于物体位置检测装置中的光学装置的典型配置。从点光源91发出的光通过柱面透镜92转变成平面扇形光束。然后被半反射镜93反射90度，接着入射到具有后向反射特性的后向反射件95上。这里，后向反射特性是使入射光沿其入射方向直接返回的反射特性。入射到后向反射件95上的光线以入射方向相反的方向反射，穿过半反射镜93，由透镜96聚焦，然后投射在线性电荷耦合器件(CCD)97上。在利用其中在有效范围边缘上设有后向反射件并利用影子的光线遮断系统的位置检测装置的情况下，由于物体遮断光线，为了检测物体的方向，可以从线性CCD97输出信号的分布检测影子的方向。但是，因为在这个例子中使用半反射镜93，所以光线在半反射镜93上反射及由其中穿过时光的衰减或损失是无法避免的。另外，正如图10所示，在传统的光学装置中有一种系统使用带有狭缝的反射镜94，用来代替图9所示的半反射镜。在这种情况下，问题是后向反射件反射的光线只有一部分可以用作线性CCD的输入光。

作为用光学方法检测物体角度和位置的物体检测装置的另一个例子，有日本公开特许公报NO.S62-5428中所公开的一种装置。该装置是这样配置的，使得两个光学装置分别投射扇形的光线，后者平行于坐标检测面，并且，线性光敏接收传感器接收从设置在坐标检测面边缘部分的后向反射面后向反射的光线，该边缘部分处在设置两个光学装置的位置的对面。通过使物体，手指或笔遮断一部分光线，该装置检测该影子的方向。从布置在预定位置上的两个光学装置进行这样的检测，利用后面将要解释的三角测量原理，即可准确地计算出手指或笔的坐标。

美国专利No.4,507,557公开了一种几乎相同的先有技术系统。这个例子用宽方向性高功率的单一的发光二极管装备该系统，其中发光二极管用作独立光源，而不用透镜或反射镜。

在日本公开特许公报平9-319501中，公开了一种使用位置检测器件(PSD)代替线性CCD作为光敏接收传感器的系统。PSD是一种用光接收点来产生不同电信号的组件，在PSD上的光接收点和从笔反射的光的光接收角度有着一对一的对应关系。然后，将这束光线入射到角度检测装置，使得通过预先确定光接收角度、PSD上的光接收点和PSD产生的电信号之间的对应关系，从直接用PSD测量的的电信号的值，即可识别出笔的指向位置。在这一先有技术中，LED(发光二极管)和柱面透镜是这样布置的，使得从LED发射的光线被刚好放置的LED前面的所述柱面透镜变成与坐标输入面平行的光束。在这些类型的光学物体检测装置中，光敏接收扇形区的场变成扇形平面，尤其是在光敏接收扇形区上设置线性光敏接收阵列、以便检测从物体发出的光或物体影子方向的检测装置的情况下。然后，在物体上设置后向反射件并利用物体本身的后向反射光的情况下，或者在有效区对面边缘上设置后向反射件并在物体遮断光线的情况下利用影子的情况下，后向反射光于是以与投射光的同一路径返回，使得以扇形投射图案投射光线的光源和接收后向反射光的光敏接收扇形区必须设置得尽量靠近。近年来，可以获得具有优异的后向反射特性的材料，使得通过把投射图案和光敏接收图案放置得彼此靠近来大大改善光效率。于是，可以利用分别在图9或图10的情况下的半反射镜或带有狭缝的反射镜，把光投射扇形区和光敏接收扇形区安排得完全重叠。但是，在这些情况下，都存在上述光线衰减、或者只有一部分光线被有效接收的问题。

一般说来，点光源和柱面透镜可以用来形成扇形投射图案。对于与扇形投射图案的投射面垂直的表面上的光学组件，最理想的是平行光线。

作为实现输入面积大的所谓电子黑板的光学装置的一个例子，有日本公开特许公报平11-85377。在这个例子中，利用激光束作为光源，并用多角形反射镜在黑板上进行扫描。这种装置的缺陷是难以确定光学装置的位置和调整它的角度。为了解决这种装置中光学装置的安装角度调整难的问题，日本公开特许公报平11-85399建议用螺旋装置对该光学装置的高度和倾斜角进行微调。

可以列举美国专利No.4,107,522作为利用一个单独的光学装置来检测物体的例子。这是要实现一个加密系统，其中一个发光二极管用于所述投射扇形区。

近年来，实现了一种所谓输入/输出合并(Consolidation)型坐标输入装置。这里，使坐标输入装置的输入面和诸如液晶显示装置等显示表面一个放置在另一个上面。在输入/输出合并型坐标输入装置之间，有一个电磁感应系统供可以用笔输入手写字母的装置使用。在这种情况下，检测电磁通量用的天线设置在液晶显示装置的背后。对于可以用一个手指操作的装置，在显示装置前面展开一个透明的触模屏。触摸屏使用带有透明导电片的矩阵电极系统，或者用一个系统来检测多根垂直或水平对齐的光束的遮断。

在图9或图10举例说明的光学装置中，或在利用日本公开特许公报No.S62-5428所提出的确定物体位置的系统中，都利用反射镜来辐射光线。这种反射镜不经过精确的调整便无法把适当数量的光线投射在检测区域的表面上。随着检测区域变大，一个边缘上的反射镜安装角度的微小偏差都会在检测区域另一个边缘上被放大成大的偏差，这使调整极其困难。此外，在利用点光源和透镜作为投射手段的情况下，需要对各自的位置作精细的调整。在视场上加上反射镜的情况下，它们彼此影响，使实际的安装任务需要复杂的调整。

为了把反射光引向光敏接收器，这种反射镜需要有诸如狭缝等空间设置，或者要求反射镜本身就是半反射镜，使得这个系统存在产生光损耗的问题。例如，在反射镜乃是半反射镜的情况下，来自点光源的光线被半反射镜以90度的角度反射时光量减半，被后向反射件反射的光线穿过半反射镜之后被线性光敏接收器接收的光线再次减半，总共产生3/4的光损耗。

另外，为了只用一个LED获得足够的光量，就像美国专利No.4,507,557和美国专利No.4,107,522中所公开的，需要一种高功率的昂贵的发光二极管，并要用宽方向性的专用二极管。此外，在日本公开特许公报平9-319501的情况下，使用点光源和柱面透镜作为光源，这要求非常精细的调整。

此外，在其中使用激光束的日本公开特许公报平No.11-85377的情况下，需要昂贵的激光二极管，而且对激光束的处理要特别小心。另外，在这个系统中，因为多角形反射镜旋转，以扫描激光束，需要有旋转的物理机构和使其旋转的马达，这样光学装置本身就难以做得紧凑。

本发明提供一种检测物体用的光学装置，它不像先有技术那样使用反射镜或透镜，不必对位置进行精细的调整，以低价格实现，还提供利用这样的光学装置的坐标输入设备。

按照本发明，提供一种检测物体的光学装置，通过检测后向反射件反射的后向反射光的存在或不存在，来检测放置在检测平面上并被光线照射的物体的方向和位置，所述光学装置包括：

光投射装置，它具有与所述光源对应的多个光源和多个透镜，其中这样设置所述多个光源和多个透镜，以便形成一个与检测平面平行的扇形投射图案，所述投射图案就像是从一个虚点光源投射出来的；和

光接收装置，它具有一条狭缝或一个透镜以及一个线性光敏接收组，其中这样安排所述狭缝或透镜和所述线性光敏接收组，以便形成一个带有与光投射装置形成的扇形投射图案对应的视场的光接收图案。

通过把多个点光源和多个透镜配置成形成一个虚点光源，实现一个较强的点光源。这里所用的点光源是指在二维平面上看到的扇形光的情况下的点光源，而不是三维空间中看到的点光源。

投射装置是由多个发光二极管形成的。每一个发光二极管中的发光元件形成多个光源中的一个。每一个发光二极管的透明封装形成多个透镜中的一个。

发光二极管通常封装在一种透明的具有透镜功能的树脂封装中。这样的发光二极管安排成扇形，以便获得接近理想图案的投射图案。

另外，可以这样安排所述多个光源和透镜，使得它们从每一个光源透过透镜投射的光轴的每一个中心都与投射图案的光轴对应，其中令各光源背后一个点上的集合位置(assembled location)就是虚点光源，而且似乎从那里投射出一种扇形图案。还可以作这样的安排，用透镜前端一个点的集合位置代替多个透镜后方一个点的集合位置，使该点就是虚点光源，以便形成一种由其产生的扇形投射图案。

可以把投射装置或者设置在检测装置的顶侧或者设置在其底侧，略微偏离上述检测平面的垂直方向。此外，投射装置可以既设置在顶侧又设置在底侧，以提高总的投射量。

另外，按照本发明的坐标输入装置由至少两个所述检测物体的光学装置构成，每一个光学装置设置在它们预定的位置上，物体的方向由每一个光学装置计算，由此利用三角测量原理计算物体的坐标，把坐标信息输入信息处理设备。这样即可准确地检测物体的坐标。

另外，按照本发明的坐标输入设备包括显示装置，用来显示从信息处理设备输出的信息，所述显示装置设置在检测平面的正下方。通过这样配置光学装置的光源，即多个点光源就像是一个点光源，就可以低成本地实现显示装置尺寸大的输入/输出合并型坐标输入设备，而这样大尺寸的合并型装置用的传统的光学装置已经非常昂贵。

从对参照附图说明的本发明的最佳实施例的以下描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显得更加清楚，附图中：

图1是一个示意图，简略地表示按照本发明一个实施例的物体检测光学装置的配置，其中图1(a)表示平面视图，图1(b)表示其侧视图，图1(c)表示光敏接收装置的光路以上和以下两个方向都配置发光二极管组的情况下的侧视图；

图2是示意图，表示按照本发明的物体检测光学装置的光学原理，其中图2(a)表示从点光源投射的光线，而图2(b)表示在多个点光源和透镜安排成使投射的光线相当于从一个虚点光源投射的光线的情况下的投射图案；

图3是示意图，表示按照本发明的物体检测光学装置的另一种配置产生的投射图案，其中多个点光源和透镜安排成使所投射的光线相当于从一个虚点光源投射的光线；

图4是按照本发明的物体检测光学装置的透视图，表示从点光源发出的光线通过柱面透镜变为扇形；

图5是按照本发明的物体检测光学装置的透视图，表示利用透镜使线性光敏接收元件阵列的光敏接收图案变为扇形；

图6是示意图，表示按照本发明的物体检测光学装置中发光二极管组的一种布置的例子，其中图6(a)表示使用三个单元的发光二极管组的情况，图6(b)表示使用5个单元的发光二极管组的情况；

图7是示意图，表示配备两组按照本发明的物体检测光学装置的坐标输入设备的一种配置的例子；

图8是示意图，表示配备两组按照本发明的物体检测光学装置的坐标输入设备中计算坐标的方法；

图9是示意图，表示利用传统的半反射镜的投射扇面的一种配置的例子；以及

图10是示意图，表示利用配备有狭缝的传统的反射镜的投射扇面的配置的例子。

现将详细地涉及本发明的最佳实施例，其例子示于附图中。

图1是示意图，简略地表示按照本发明实施例的物体检测光学装置1的配置。图1(a)是其平面视图，图1(b)是其侧视图，图1(c)是按照另一实施例的光学装置的侧视图。光学装置1包括：多个发光二极管2，它们作为投射扇面的光源安排成扇形；遮光板3，它遮断直接来自光源的光；透镜4(或狭缝)；以及包括线性光敏接收阵列5的光敏接收扇面。在这个例子中，使用线性CCD作为线性光敏接收阵列。如图1(b)所示，发光二极管2与垂直方向略微不同，并放置在线性光敏接收阵列5的下侧。透镜4和线性光敏接收阵列5安排成形成一个带有与所述多个发光二极管2形成的扇形投射图案对应的视场的扇形光敏接收图案。

一种物体检测光学装置具有遮断系统，首先把后向反射件设置在有效区域对面的边缘上，并在物体遮断光线的情况下利用物体的影子检测物体的方向，在这种物体检测光学装置的情况下，从该光学装置1的发光二极管2投射的光线入射在设置于该光学装置1对面一侧的后向反射件(未示出)上，而检测位置则在中间。一种典型的后向反射件可以以后向反射片的形式购得，其中嵌入若干粒透明的小珠子。尤其是近年来，已有一些后向反射特性优异的反射件，即使光线以低角度入射，它仍能使光线沿着来的方向笔直返回。进入后向反射件的光线沿着它来的方向被向后反射，并通过透镜4进入线性光敏接收阵列5。在检测平面上存在物体的情况下，物体遮断从光学装置1的发光二极管2投射的扇形投射图案的一部分光路。这种影子的方向可以从线性光敏接收阵列5的输出信号的分布检测出来，并通过检测影子的方向可以测量该物体的方向。

在把后向反射件设置在物体本身、而且使用后向反射光的情况下，当有一个物体对落在设置在该物体上的后向反射件上的光线进行后向反射时，从光学装置1的发光二极管2投射的光线通过透镜4进入线性光敏接收阵列5。从具有后向反射件的该物体反射的这种光线的方向可以从线性光敏接收阵列5的输出信号的分布检测出来，使得通过检测这个方向即可测量出该物体存在的方向。

此外，如图1(c)所示，可以通过既在线性光敏接收阵列5的顶侧又在其底侧把发光二极管2布置成扇形阵列，来增大其投射的总光量。设置在顶侧的发光二极管的数目和设置在底侧的发光二极管的数目最好相同，而且把它们排列成同样类型的扇形。

图2举例说明形成一个扇形投射图案，使该图案就像是从一个点光源投射出来一样的原理。把从三个光源发出的光线合成，以便产生一个虚点光源。图2(a)表示从点光源10投射的投射图案，而图2(b)表示以这样的方式把多个点光源11和多个透镜12排列成扇形，即形成一个投射图案，就像是从该虚点光源13投射出来的图案一样。如图2(b)所示，以这样的方式把光源11和透镜12设置在同一平面上，以便形成一个扇形投射图案，其作用就像是从一个虚点光源投射出来，该点光源位于从多个光源11发射出来的通过透镜12投射的光束的中心在多个光源11和透镜12后面汇集的一个点上。采用这样的配置，与仅仅使用一个光源的情况相比投射光量增大了，从而使得在较大的区域内对物体进行检测成为可能。

图3举例说明与图2(b)的情况相反的一种配置例子，其中光源11和透镜12的光束聚焦在前面的一个点上，该点起一个虚点光源13的作用，并形成扇形投射图案，就像是从虚点光源13投射的图案一样。在这种情况下，透镜12最好是聚光型的，并且点光源11和透镜12以这样的方式排列在单一平面上，以便把由每一个透镜集聚的光线聚焦在虚点光源13上。

图4是透视图，举例说明从点光源15发出的光通过柱面透镜16变成扇形投射图案。图4中的点光源15指示与图2或图3中虚点光源13的同一位置。从点光源15投射出的光线变成与检测平面平行的光线，从检测平面垂直地看去该投射图案变成扇形。令投射图案呈扇形，与不令投射图案呈扇形相比，光可以得到更有效的利用，从而改善物体检测的可靠性。

图5是透视图，举例说明线性光敏接收阵列18的光敏接收图案变成与透镜17(或狭缝)形成的投射图案一样的扇形。例如，在物体上设置有后向反射件并利用后向反射光的情况下，被物体后向反射的光线通过透镜17进入线性光敏接收阵列18。可以通过与物体存在的方向一致的位置上的线性光敏接收器检测从物体反射的光线，从而可以检测物体存在的方向。

图6表示在发光二极管用于按照本发明的物体检测光学装置的投射扇形区的情况下的一种配置的例子。图6(a)表示利用三个发光二极管的例子，图6(b)表示利用5个发光二极管的例子。不用说，只要发光二极管的结合能够形成扇形投射图案，任何数目的发光二极管都可以结合，而不限于这些例子。当然，依每一个发光二极管产生的光量和方向性的不同，发光二极管的数目可多可少。图2或图3的点光源11相当于发光二极管20的发光元件，而透镜12相当于发光二极管的透明封装本身。每一个发光二极管以这样的方式排列，即从每一个发光二极管投射的光束的中心形成一个就像是从虚点光源21投射出来的投射图案。这里用的发光二极管可以是任何一种普通的通用的低价购得的发光二极管，而不是特种发光二极管。

图7表示采用光遮断系统的坐标输入设备，它采用按照本发明实施例的物体检测光学装置。产生扇形投射图案的两套光学装置30设置在检测平面31顶侧的左边和右边。具有后向反射特性的后向反射件32设置在3个位置上，即检测平面31的右边、左边和底侧。当不存在设置在检测平面的顶部来遮断光线的物体时，从光学装置30通过检测平面31的顶侧落在后向反射件32上的光线以其来时的同一角度被后向反射，通过相反的路径，返回光学装置30。另一方面，当放在检测平面31的顶侧设置物体33时，部分光路被遮断，返回到光学装置的光线减弱。从光学装置30内线性光敏接收阵列的输出信号的分布检测这个影子的方向，即可检测出遮断光线的物体的方向。换句话说，用彼此相距预定距离的两套光学装置30检测物体存在的方向，通过三角测量原理即可计算出物体33精确的指向位置。这样，即可实现检测物体的坐标，并将检测到的坐标信息输入诸如个人计算机等上位系统信息处理设备(未示出)的坐标输入设备。

现在，根据三角测量原理计算物体坐标的方法示于图8。首先，应该测量用这两套光学装置30检测物体33时的角度α和β。令该两光学装置30的距离为L，则建立以下等式(1)和(2)。

Y＝X·tanα             ……(1)

Y＝(L-X)·tanβ         ……(2)

式中，X和Y代表物体的位置坐标。

利用等式(1)和(2)求出X，然后便可建立以下等式(3)。

Y＝(L·tanβ)/(tanα+tanβ)   ……(3)

利用这些等式(1)和(3)，一旦检测出角度α和β，即可算出物体33在检测平面31上的坐标(X，Y)。

图7是在3个位置上，亦即在检测平面31的右边、左边和底侧设置后向反射件的例子。还可以把后向反射件设置在物体33本身，并利用后向反射光。在这种情况下，物体的坐标可以通过用两套光学装置30来检测后向反射光的方向来测量。

另外，还可以设置一个显示装置，用来显示从诸如个人计算机等上位信息处理装置向利用图7所示的物体检测光学装置的坐标输入设备输出的信息，并以重叠的方式把检测平面设置在显示装置上。显示装置的屏幕上的显示由上位系统控制。液晶显示器、等离子体显示器或平面CRT(阴极射线管)显示器都可以用作显示装置。按照本发明的物体检测光学装置使用多个发光二极管，从而具有大的光产生输出，使该装置能够满足大尺寸显示装置的要求。

正如上面已经解释的，按照本发明的物体检测光学装置或采用该种装置的坐标输入设备，几乎不损失投射光，并能够有效地进行设置在检测平面上的物体的位置检测。另外，在利用发光二极管的情况下，与投射相关的调整变为仅仅对二极管定位的调整，从而使传统的复杂的位置调整成为不必要。此外，本发明通过同时点亮各廉价发光二极管而容易地获得足够的光量。因而，有可能以低的成本制造与大尺寸等离子体显示装置等结合的输入/输出合并型装置。

应该明白，本发明不限于上述最佳实施例和改型，在不脱离后附权利要求书所定义的本发明的范围的情况下，可以作出各种各样的变化和修改。

Claims (10)

1.一种物体检测光学装置(1；30)，用来通过检测后向反射件(32)反射的后向反射光的存在或不存在，来检测设置在检测平面(31)上并被光线照射的物体(33)的方向和位置，所述光学装置的特征在于它包括：

光投射装置，它具有多个光源(2)和与所述光源对应的多个透镜，其中所述多个光源和所述多个透镜以这样的方式排列，以便形成一个与所述检测平面平行的扇形投射图案，所述投射图案就像是从一个虚的点光源(13)投射出来的一样；和

光接收装置，它具有一条狭缝或一个透镜(4)以及一个线性光敏接收组(5)，其中以这样的方式安排所述狭缝或所述透镜以及所述线性光敏接收组，以便形成一个带有与所述光投射装置形成的所述扇形投射图案对应的视场的光接收图案。

2.权利要求1所要求的物体检测光学装置，其特征在于：所述光投射装置包括多个发光二极管(2)，所述多个光源中的每一个都由每一个发光二极管中的发光元件形成，而所述多个透镜中的每一个则由每一个发光二极管的透明封装本身形成。

3.权利要求1或2所要求的物体检测光学装置，其特征在于：所述多个光源和所述多个透镜以这样的方式排列在单一平面上一个扇形内，以便形成所述扇形投射图案，同时，从每一个光源透过透镜投射的每一个光束的中心都聚焦在所述多个透镜的一个后点上，所述扇形投射图案是从作为所述虚点光源的所述一个后点投射出来的。

4.权利要求1或2所要求的物体检测光学装置，其特征在于：所述多个光源和所述多个透镜以这样的方式排列在单一平面上一个扇形内，以便形成所述扇形投射图案，同时，从每一个光源透过透镜投射的每一个光束的中心都聚焦在所述多个透镜一个前点上，所述扇形投射图案是从作为所述虚点光源的所述一个前点投射出来的。

5.权利要求1至4中任何一个所要求的物体检测光学装置，其特征在于：所述后向反射件位于所述光学装置的对面，同时，所述检测平面夹在所述物体检测光学装置和所述后向反射件之间，因此，当所述物体遮断所述光投射装置和所述光接收装置之间光前、后行进的光路时，通过由所述线性光敏接收组输出的信号的分布计算影子的方向来检测所述物体的方向。

6.权利要求1至4中任何一个所要求的物体检测光学装置，其特征在于：所述物体上带有所述后向反射件，所述后向反射件起这样的作用，以便当由所述光投射装置辐射的所述光被所述物体后向反射而返回所述光接收装置时，通过从所述线性光敏接收组输出信号的分布计算反射光的方向来检测所述物体的方向。

7.权利要求1至6中任何一个所要求的物体检测光学装置，其特征在于：所述光投射装置设置成相对于所述检测平面的垂直方向有轻微的偏移，并且或者设置在所述检测装置的上侧或者设置在其下侧。

8.权利要求1至6中任何一个所要求的物体检测光学装置，其特征在于：所述光投射装置设置成相对于所述检测平面的垂直方向有轻微的偏移，并且既设置在所述检测装置的上侧，又设置在其下侧。

9.一种位置坐标输入设备，它具有至少两组分别设置在预定的位置上的物体检测光学装置(1；30)，每一个所述光学装置都对设置在检测平面(31)上的物体(33)的方向进行计算，由此利用三角测量原理计算所述物体的坐标，然后把所获得的位置坐标信息输入信息处理装置，每一个所述光学装置的特征在于：

光投射装置，它具有多个光源(2)和与所述光源对应的多个透镜，其中所述多个光源和所述多个透镜以这样的方式排列，以便形成一个与所述检测平面平行的扇形投射图案，所述投射图案就像是从一个虚的点光源(13)投射出来的一样；和

光接收装置，它具有一条狭缝或一个透镜(4)以及一个线性光敏接收组(5)，其中以这样的方式安排所述狭缝或所述透镜以及所述线性光敏接收组，以便形成一个带有与所述光投射装置形成的所述扇形投射图案对应的视场的光接收图案。

10.权利要求9所要求的位置坐标输入设备，其特征在于：所述设备还具有显示装置，用来显示从所述信息处理装置输出的信息，而且以这样的方式设置所述检测平面，使其重叠在所述显示装置的屏幕上。

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