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Die Erfindung betrifft ein Objektiv für eine Halbleiterkamera sowie ein Verfahren zum Fokussieren einer Halbleiterkamera gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Kameras mit einem lichtempfindlichen Chip als Bild gebende Einheit, z. B. CMOS- oder CCD-Chip, werden unter anderem in Fahrzeugen bei Fahrerassistenzsystem oder ähnlichen Systemen eingesetzt. Diese dienen dazu das Umfeld eines Fahrzeugs aufzunehmen und die aufgenommenen Bilder auszuwerten, um bei Gefahrensituationen den Fahrer zu warnen bzw. Sicherheitssysteme auszulösen. Der Chip wird bei bekannten Kamerasystemen auf einen Träger, z. B. eine Leiterplatte, gelötet und das Objektivgehäuse wird auf den Träger aufgesetzt. Nach dem Aufsetzen des Objektivgehäuses und der transversalen Justage des lichtempfindlichen Chips in Bezug auf die optische Achse, wird das Objektivgehäuse auf dem Träger mittels Füge- bzw. Klebeverfahren auf dem Träger fixiert. Anschließend erfolgt die Schnittweitenjustage, bei welcher der vertikale Abstand zwischen dem lichtempfindlichen Chip und einer letzten optischen Oberfläche einer Linse eingestellt wird. Dies erfolgt bei klassischen Kamerasystemen über ein Objektivgehäuse, das ein Außengewinde aufweist und in einen Objektivhalter mit einem Innengewinde geschraubt wird. Der Objektivhalter ist hierbei mit der Leiterplatte fest verbunden. Das Objektivgehäuse enthält ein Linsenpaket, das typischerweise aus mehreren Linsen und Distanzringen besteht, die zwischen den Linsen angeordnet sind. Über das Gewinde erfolgt die Schnittweitenjustage, bei welcher das Objektivgehäuse gedreht und somit der Abstand zwischen lichtempfindlichen Chip und der letzten optischen Oberfläche einer Linse verändert wird.
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Die
DE 103 44 768 B3 beschreibt ein Optisches Modul mit federndem Element zwischen Linsenhalter und Schaltungsträger. Dieses optische Modul weist ein federndes Element auf, welches ein Halbleiterelement, das auf der Unterseite eines Schaltungsträgers angebracht ist, von einer Linseneinheit weg gegen ein formschlüssig zur Linseneinheit ausgebildetes Anschlagelement presst. Die Justierung erfolgt dabei nur über das federnde Element, das für den geforderten Abstand zwischen Halbleiterelement und letzter optischen Oberfläche einer Linse sorgt. Es ergeben sich aber bei Halbleiterkameras dieser Bauart fertigungstechnisch bedingt Abweichungen von dem geforderten Abstand der Linse zu dem Halbleiterelement. Vor allem für die Anwendung bei Sicherheitssystemen im Fahrzeug muss ein genauer Abstand eingehalten werden bzw. können keine Abweichungen von einem geforderten Abstand toleriert werden.
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Die
DE 103 42 526 B4 beschreibt eine Kameraanordnung, die über Befestigungsmittel, die mit der Auflagefläche zur Auflage der Bildsensoreinheit in Verbindung stehen, eine Fokussierung ermöglicht. Dabei wird die Leiterplatte samt Bildsensoreinheit über die Befestigungsmittel und unter Zuhilfenahme einer Führung relativ zu der Optikeinheit, die in einem Gehäuse sitzt, bewegt. Diese Anordnung weist einen komplexen Aufbau auf, der die Anforderungen an eine gewünschte Halbleiterkamera nicht erfüllt. Durch die Verschraubung der Leiterplatte an dem Gehäuse der Kamera ergeben sich über die Befestigungsmittel weitere Toleranzen, die den geforderten Abstand zwischen einer letzten optischen Oberfläche einer Linse zu der Bildsensoreinheit nicht dauerhaft sicherstellen.
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Nachteilig bei den dem Stand der Technik bekannten Halbleiterkameraanordnungen ist einerseits der komplexe Aufbau, der über eine Vielzahl von verschiedenen Elementen größere Toleranzen in den Aufbau einbringt. Auf der anderen Seite erfolgt die Fokussierung von Halbleiterkameras in den bekannten Systemen über Elemente die nicht dauerhaft den eingestellten Abstand gewährleisten können, ohne zu sehr den Aufbau zu erweitern oder zu komplex zu gestalten bzw. weitere Toleranzen in den Aufbau zu bringen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Objektiv für eine Halbleiterkamera, mit einem einfachen und zuverlässigen Aufbau, der eine schnelle und sichere Fokussierung von Halbleiterkameras ermöglicht, sowie ein Verfahren zum Fokussieren einer Halbleiterkamera, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein erfindungsgemäßes Objektiv für eine Halbleiterkamera weist ein Objektivgehäuse mit einer zylindrischen Öffnung auf, in der sich ein aus mindestens einer Linse bestehendes Linsenpaket und ein federndes Element befinden. Das Linsenpaket kann mehrere Linsen umfassen, die durch Abstandselemente in Form von Distanzringen getrennt sein können und wird von einer Halterung, die in die zylindrische Öffnung hineinragt und den Durchmesser der zylindrischen Öffnung verkleinert, gehalten. Die Halterung befindet sich auf der dem Träger zugewandten Seite über der Halbleiterkamera. Das Objektivgehäuse weist auf der dem Träger abgewandten Seite in einem Bereich der Objektivöffnung, ein Innengewinde auf. Ein ringförmiges Element mit einem Außengewinde steht zur Verstellung des Linsenpakets in Bezug auf die Halbleiterkamera oberhalb des Linsenpakets drehbar mit dem Innengewinde des Objektivgehäuses in Verbindung. Das erfindungsgemäße Objektivgehäuse kann auf einen Träger, der die bildgebende Einheit, d. h. die Halbleiterkamera (CMOS- oder CCD-Chip), trägt, mittig über der Halbleiterkamera aufgesetzt und mittels Füge- oder Klebeverfahren fixiert werden. Der Träger kann eine Leiterplatte, eine Aluminiumplatte mit Flex-Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat sein. Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterkameraobjektivgehäuse kann über das ringförmige Element die Fokussierung bzw. die Einstellung des Abstands zwischen einer letzten optischen Oberfläche einer Linse und der Halbleiterkamera sehr genau und auf einfache Art und Weise erfolgen und es werden von dem federnden Element unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufgenommen. Darüber hinaus wird mit dem kompakten und einfachen Aufbau ein Objektiv für eine Halbleiterkamera geschaffen, das unanfällig gegen äußere Einflüsse ist und sich dadurch durch seine Langlebigkeit auszeichnet. Bei diesem Aufbau kann ebenso auf einen Objektivhalter oder ähnliche Vorrichtungen verzichtet werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn das ringförmige Element eine Verformung aufweist. Dadurch werden ein Gewindespiel, welches das ringförmige Element, das über das Außengewinde mit dem Innengewinde des Objektivgehäuses verbunden ist, und fertigungstechnisch bedingte Toleranzen des ringförmigen Elements eliminiert.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Verformung des ringförmigen Elements mit zumindest drei Ausbuchtungen. Diese gleichen beim Eindrehen des ringförmigen Elements federnd das Gewindespiel aus. Drüber hinaus liegt eine Linse über drei Punkte, die sich zwischen den Ausbuchtungen für den Gewindespielausgleich befinden, an. Damit kann eine optimale Ausrichtung der Linse und ein Gewindespielausgleich auf eine besonders einfache und genaue Weise bereitgestellt werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Fokussieren eines Objektivs für eine auf einem Träger angeordnete Halbleiterkamera mit einem Objektivgehäuse. Das Objektivgehäuse weist eine zylindrische Öffnung auf, in der sich ein aus mindestens einer Linse bestehendes Linsenpaket und ein federndes Element befinden. Das Linsenpaket liegt auf dem federnden Element auf. Das federnde Element wird von einer Halterung, die in die zylindrische Öffnung hineinragt und den Durchmesser der zylindrischen Öffnung verkleinert, gehalten. Die Halterung befindet sich auf der dem Träger zugewandten Seite über der Halbleiterkamera. Das Objektivgehäuse weist ferner auf der dem Träger abgewandten Seite in einem Bereich der Objektivöffnung, ein Innengewinde auf. Ein ringförmiges Element mit einem Außengewinde wird zur Verstellung des Linsenpakets in Bezug auf die Halbleiterkamera oberhalb des Linsenpakets drehbar mit dem Innengewinde des Objektivgehäuses in Verbindung gebracht. Das ringförmige Element wird schrittweise verdreht und dadurch wird das Linsenpaket durch das ringförmige Element innerhalb der zylindrischen Öffnung des Objektivgehäuses verschoben. Während des Verdrehens des ringförmigen Elements, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Bilder aufgenommen. Die aufgenommenen Bilder werden in verschiedenen Bildbereichen bezüglich ihrer Schärfe beurteilt bzw. ein Schärfe- oder ein Kontrastwert in mindestens einem Bildbereich bestimmt. Anschließend wird daraus eine optimale Position für das ringförmige Element ermittelt. Das ringförmige Element wird in diese Position gebracht und anschließend in dieser Position fixiert. Erfindungsgemäß wird das ringförmige Element so eingestellt, dass der Abstand zwischen Halbleiterkamera und letzter optischer Oberfläche einer Linse zu groß bzw. zu klein ist. Dann wird das ringförmige Element verdreht und durch den Abgleich einer vorgegebenen Aufnahme bezüglich der Schärfe bzw. eines Schärfe- oder ein Kontrastwertes in mindestens einem Bildbereich, wird aus den aufgenommenen Bildern die optimale Position für das ringförmige Element bestimmt. Dieses Verfahren ermöglicht die Fokussierung der Halbleiterkamera im zusammengebauten Zustand ohne Teile der Halbleiterkamera nach der Fokussierung zu entfernen bzw. anschließend Elemente zur Fixierung der Position des ringförmigen Elements sowie anderer Bestandteile der Halbleiterkamera hinzuzufügen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1: Ein Objektivgehäuse mit einem Objektivhalter gemäß dem Stand der Technik.
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2: Ein auf einer Leiterplatte angeordnetes erfindungsgemäßes Objektivgehäuse mit einer zylindrischen Objektivöffnung, in der sich ein federndes Element und ein Linsenpaket befinden.
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3a: Draufsicht eines erfindungsgemäßen Objektivgehäuses mit einem innenliegenden verformten ringförmigen Element.
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3b: Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Objektivs mit einem verformten ringförmigen Element und einer Linse im Querschnitt.
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In 1 ist ein klassischer Aufbau einer Halbleiterkameraanordnung mit einem Objektivgehäuse 7 und einem Objektivhalter 6 dargestellt. Auf einem Träger 1 ist ein lichtempfindlicher Chip 2 angebracht. Ebenso befindet sich auf dem Träger 1 ein Objektivhalter 6, der sich mittig über dem lichtempfindlichen Chip 2 befindet. Der Objektivhalter 6 weist ein Innengewinde auf, das über ein Außengewinde des Objektivgehäuses 7 mit diesem in Verbindung steht. In dem Objektivgehäuse 7 befindet sich ein Linsenpaket 3, das aus mehreren Linsen 4 und zwischen den Linsen 4 angeordnete Distanzringe 5, besteht. Das Objektivgehäuse 7 ist so ausgestaltet, dass es an seiner unteren dem Träger 1 zugewandten Seite eine Halterung aufweist, auf der das Linsenpaket 3 aufliegt. An der oberen Seite weist das Objektivgehäuse 7 einen Bereich auf, mit dem ein Fixierungsring 8, nach dem Einsetzen des Linsenpakets 3, zur Fixierung des Linsenpakets 3 in dem Objektivgehäuse 7, dauerhaft verbunden wird.
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Anstelle eines Fixierungsrings 8 kann das Linsenpaket 3 nach dem Einsetzen in das Objektivgehäuse 7 an den Übergängen von den Randbereichen der Linse 4 zur Innenwand des Objektivgehäuses 7, durch eine Klebeverbindung dauerhaft im Objektivgehäuse 7 gehalten werden.
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Die Fokussierung bezüglich des Abstands des lichtempfindlichen Chips 2 zu der letzten optischen Oberfläche einer Linse 4 erfolgt über das Verdrehen des Objektivgehäuses 7, das über ein Außengewinde mit einem Innengewinde des Objektivhalters 6 in Verbindung steht und im Objektivhalter 6 drehbar gelagert ist.
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Nach dem Einsetzen des Objektivgehäuses 7 in den Objektivhalter 6 wird das Objektivgehäuse 7 im Objektivhalter 6 schrittweise verdreht, um die optimale Position des Objektivgehäuses 7 im Objektivhalter 6 zu ermitteln. Beim Verdrehen des Objektivgehäuses 7 werden Aufnahmen von einem Gegenstand in verschiedenen Bildbereichen bezüglich ihrer Schärfe beurteilt bzw. ein Schärfe- oder ein Kontrastwert in mindestens einem Bildbereich bestimmt. Anschließend wird daraus eine optimale Position für das Objektivgehäuse 7 ermittelt. Ist die optimale Position für das Objektivgehäuse 7 gefunden worden, wird das Objektivgehäuse 7 im Objektivhalter 6 in dieser Position mittels Klebeverfahren fixiert.
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Ein Nachteil einer derartigen Kamera ist der komplexe Aufbau einer solchen Kameraanordnung aus Objektivhalter 6 und Objektivgehäuse 7. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass im Laufe des Betriebs einer solchen Kamera in einem Fahrzeug die Klebeverbindung unter mechanischen sowie thermischen Einflüssen derart leidet, dass die Verbindung das Objektivgehäuse 7 nicht mehr spielfrei im Objektivhalter 6 halten kann.
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2. zeigt ein auf einem Träger 1, nachfolgend Leiterplatte 1, angeordnetes erfindungsgemäßes Objektivgehäuse 7 mit einer zylindrischen Objektivöffnung, in der sich ein federndes Element 10 und ein Linsenpaket 3 befinden, einer erfindungsgemäßen Kameraanordnung für eine mit einem lichtempfindlichen Chip 2 ausgestattete Halbleiterkamera. Auf einer Leiterplatte 1 ist ein lichtempfindlicher Chip 2 aufgebracht und das Objektivgehäuse 7 befindet sich mittig über dem lichtempfindlichen Chip 2. Das Objektivgehäuse 7 weist auf der der Leiterplatte 1 zugewandten Seite eine Halterung 11 auf, die in die zylindrische Öffnung des Objektivgehäuses 7 hineinragt und den Durchmesser der zylindrischen Öffnung des Objektivgehäuses 7 verkleinert. In der zylindrischen Öffnung des Objektivgehäuses 7 befindet sich ein federndes Element 10, das auf der Halterung 11 aufliegt, und ein aus mehreren Linsen 4 und dazwischen angeordneten Distanzringen 5 bestehendes Linsenpaket 3. Die Distanzringe 5 weisen in der Mitte eine Öffnung auf, die groß genug ist, dass ausreichende Strahlung durch die Distanzringe 5 und die Linsen 4, sowie das federnde Element 10 zu dem lichtempfindlichen Chip 2 gelangen. Das federnde Element 10 ist ebenfalls derart ausgestaltet, dass es den Einfall von Strahlen nicht behindert. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das federnde Element 10 eine Wellscheibe oder ein sogenannter O-Ring. Es können alternativ auch eine Feder oder andere bekannte federnde Elemente 10 verwendet werden, um ein erfindungsgemäßes Objektivgehäuse 7 bzw. eine erfindungsgemäße Halbleiterkameraanordnung zu realisieren. Das Objektivgehäuse 7 weist an seiner der Leiterplatte 1 abgewandten Seite einen mit einem Innengewinde versehenen Bereich auf, in dem ein mit einem Außengewinde versehener Verschraubungsring 9 sitzt. Der Verschraubungsring 9 dient im Gegensatz zu dem Fixierungsring 8 aus 1 nicht nur dazu, das Linsenpaket sicher in dem Objektivgehäuse 7 zu halten, sondern zur Einstellung des Abstands zwischen lichtempfindlichen Chip 2 und letzter optischer Oberfläche einer Linse 4.
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Die Leiterplatte 1 kann alternativ auch ein anderer Träger 1, wie z. B. eine Aluminiumplatte mit Flex-Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat sein.
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Beim Verdrehen des Verschraubungsrings 9 wird das Linsenpaket 3, bestehend aus den Linsen 4 und den dazwischen gelagerten Distanzringen 5, gegen das federnde Element 10, das auf der Halterung 11 aufliegt, in Richtung des Lichtempfindlichen Chips 2 gedrückt bzw. wird das Linsenpaket 3 von dem federnden Element 10 gegen den Verschraubungsring 9 gedrückt. Das federnde Element 10 verhindert jegliches Spiel in der Objektivöffnung, so dass das Linsenpaket 3 nur die Position einnehmen kann, welche durch den Verschraubungsring 9 vorgegeben wird. Nach einer Fixierung des Verschraubungsrings 9 in dem Objektivgehäuse 7, werden mechanische, thermische oder sonstige Einflüsse, welche zu einer Lageänderung des Linsenpakets 3 in der Objektivöffnung führen könnten, verhindert. Das federnde Element 10 gleicht etwaige höhere Drücke aus, die auf die Bestandteile des Linsenpakets 3 sowie das Objektivgehäuse 7, die Halterung 11 und den Verschraubungsring 9 wirken. Ebenfalls kann das federnde Element 10 einen Druckverlust kompensieren. Somit wird sichergestellt, dass die vorgegebene Position des Linsenpakets 3 im Objektivgehäuse 7 im Laufe des Betriebs der Halbleiterkamera auch bei Einflüssen auf die Halbleiterkamera, die sich negativ auf die einzelnen Elemente der Halbleiterkamera auswirken, beibehalten wird.
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Das federnde Element 10 wird auf die Halterung 11 des Objektivsgehäuses 7 in das Objektivgehäuse 7 eingebracht. Anschließend wird das Linsenpaket 3 auf das federnde Element 10 aufgesetzt und in das Objektivgehäuse 7 eingesetzt. Der Verschraubungsring 9 wird in den der Leiterplatte 1 abgewandten, mit dem Innengesinde versehenen Bereich des Objektivgehäuses 7 eingeschraubt. Dabei wird der Verschraubungsring 9 außerhalb der design- und fertigungsbedingten Justagetoleranz gebracht. Anschließend wird das Objektivgehäuse 7 auf der Leiterplatte 1, nach dem Aufbringen des lichtempfindlichen Chips 2 auf die Leiterplatte 1, aufgebracht. In der Position des Verschraubungsringes 9 außerhalb der design- und fertigungsbedingten Justagetoleranz, wird eine Aufnahme eines geeigneten Ziels (Gegenstand, Fahrzeug, etc.) gemacht und diese Aufnahme wird bezüglich ihrer Schärfe beurteilt bzw. wird ein Schärfe- oder ein Kontrastwert in mindestens einem Bildbereich bestimmt. Der Verschraubungsring 9 wird anschließend schrittweise verdreht und nach jedem Verdrehschritt wird das Ziel von der Halbleiterkamera aufgenommen, und die Aufnahme bezüglich ihrer Schärfe beurteilt bzw. wird ein Schärfe- oder ein Kontrastwert in mindestens einem Bildbereich jeder Aufnahme bestimmt. Nach dem Vergleich der einzelnen Aufnahmen und den dazugehörigen Positionen des Verschraubungsrings 9 mit den Schärfe- und/oder Kontrastwerten, wird eine optimale Position für den Verschraubungsring 9 berechnet und der Verschraubungsring 9 in diese Position gebracht. Der Verschraubungsring 9 wird in dieser optimalen Position in Bezug auf den Abstand zwischen Halbleiterkamera und letzter optischen Oberfläche einer Linse 4 nach der Positionsbestimmung fixiert. Die Fixierung kann dabei mittels Füge- oder Klebeverfahren realisiert werden.
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Wird das Gewinde des Verschraubungsrings 9 beispielsweise auf einer Drehbank gefertigt und die Auflagefläche der Linse 4 in der gleichen Aufspannung hergestellt, so ist von einer optimalen Ausrichtung von Gewinde und Auflagefläche auszugehen. Um eine Verkippung der Linsen 4, die sich am Verschraubungsring 9 ausrichten, durch das Gewindespiel zu verhindern, wird das Gewindespiel durch eine Verformung des Verschraubungsrings 9 eliminiert. Die Verformung des Verschraubungsrings 9 erfolgt bevorzugt durch das Aufpressen des Verschraubungsrings 9 auf einen konischen Dreikantdorn. Möglich wäre auch eine Ausführung der Verformung des Verschraubungsringes 9 mir mehren Ausbuchtungen.
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3a und b zeigen einen verformten Verschraubungsring 9. 3a zeigt die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Objektivgehäuses 7 mit einem innenliegenden, verformten Verschraubungsring 9 und einer unterhalb des Verschraubungsring 9 liegenden Linse 4. Der Verschraubungsring 9 weist drei Ausbuchtungen auf, die sich um 120° versetzt befinden. Die Ausbuchtungen des Verschraubungsrings 9 bewirken, dass der Verschraubungsring 9 federnd gegen das Objektivgehäuse 7 gedrückt und somit ein mögliches Spiel im Gewinde ausgeglichen wird. Die unterhalb des Verschraubungsring 9 angeordnete Linse 4 liegt an drei Punkten des Verschraubungsrings 9 auf, die sich zwischen den Ausbuchtungen des Verschraubungsrings 9 befinden.
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In 3b ist der Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Objektivs mit einem verformten ringförmigen Element 9 und einer Linse 4 zu sehen. Durch die Verformung des dargestellten Verschraubungsrings 9 weist dieser an den Stellen mit den Ausbuchtungen auf seinen innenliegenden Seiten Abschrägungen auf. Auf den der Ausbuchtung gegenüberliegenden Seiten steht der Verschraubungsring 9 nicht bzw. weniger über das Außengewinde mit dem Innengewinde des Objektivgehäuses 7 in Verbindung. Dadurch drückt der Verschraubungsring 9 in den drei Punkten der Ausbuchtung federnd gegen das Objektivgehäuse 7 und eliminiert ein mögliches Gewindespiel. Die darunter befindliche Linse 4 liegt an den drei den Ausbuchtungen gegenüberliegenden Punkten an und erfährt eine verkippsichere Ausrichtung und Positionierung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Träger/Leiterplatte
- 2
- Lichtempfindlicher Chip
- 3
- Linsenpaket
- 4
- Linse
- 5
- Distanzringe
- 6
- Objektivhalter
- 7
- Objektivgehäuse
- 8
- Fixierungsring
- 9
- Verschraubungsring
- 10
- Federndes Element
- 11
- Halterung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10344768 B3 [0003]
- DE 10342526 B4 [0004]