CN102317682B - 照明装置 - Google Patents
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Abstract
提出了一种照明装置,具有:光源(1),其包括至少两个发光二极管芯片(2a,2b),所述发光二极管芯片在工作中发射彼此不同颜色的光;以及光学元件(3),其构建为由介电材料构成的实心体,其中在光源(1)的发光二极管芯片(2a,2b)的至少之一与光学元件之间设置有间隙(5),其填充以气体,并且光学元件(3)是照明装置的设置在光源(1)的所有发光二极管芯片(2a,2b)之后唯一的光学元件。
Description
提出了一种照明装置。
要解决的任务在于提出一种照明装置,其可以产生特别均匀且具有限定的发射特征的混色光。
根据照明装置的至少一个实施形式,照明装置包括光源。光源具有至少两个发光二极管芯片,其在工作中发射彼此不同颜色的光。例如,发光二极管芯片的至少一个可以在工作中发射红色光。光源的另一发光二极管芯片于是在工作中例如可以发射白色光。此外,可能的是,光源具有多于两个的发光二极管芯片,其中由发光二极管芯片在工作中发射三种或更多种的不同颜色的光。
根据照明装置的至少一个实施形式,照明装置包括光学元件。光学元件设计为,将由光源产生的光聚束成具有限定的发射轮廓的光束。例如,光学元件可以将由光源在工作中产生的光聚束成张角在至少5°到最高40°之间的光锥。光锥的张角在此是锥体的母线与锥体轴之间的角度。光锥的外壳假设为所发射的光的强度下降到其最大值的一半的地方。
此外,光学元件设计为,将光源的发光二极管芯片的不同颜色的光混合。光学元件在此将光混合为使得在远场中得到的、照明装置所发射的光的色度坐标至少在混合光的相关色温的ANSI格(ANSI-Boxen)的坐标内。“在远场中”在此意味着,距照明装置的辐射出射面的距离例如为光学元件的直径的十倍或更大(例如1m或更大)。光学元件在此优选设计为使得在照明装置周围的所有角度上出现混合光的限定的色度坐标。也就是说,在180°的角度范围中(在所设想的半球上,该半球完全地、拱形结构地伸展在照明装置之上)出现所描述的、限定的混合光的色度坐标。
换言之,光学元件设计为将发光二极管芯片发射的不同颜色的光混合,使得借助照明装置照亮的面的色度坐标对于人眼显得均匀。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件构建为实心体,其由介电材料构成。例如,光学元件由合成材料,譬如PMMA构成。这具有如下优点:光学元件例如可以通过注射成型方法成本特别低廉地制造。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件具有如下的面:辐射入射面,其朝着发光二极管芯片;辐射出射面,其背离发光二极管芯片;以及外壳面,其将辐射入射面和辐射出射面连接。
换言之,光学元件以其辐射入射面在发光二极管芯片的主发射方向上设置在发光二极管芯片之后,使得由发光二极管芯片在工作中发射的光的主要部分到达光学元件的辐射入射面并且在那里可以进入到光学元件中。耦合输入到光学元件中的光的大部分通过辐射出射面离开光学元件,辐射出射面设置在光学元件的与辐射入射面背离的侧上。光学元件的外壳面从侧面围绕光学元件并且以此方式将辐射入射面与辐射出射面连接。
根据照明装置的至少一个实施形式,外壳面构建为对于发光二极管芯片在工作中发射的光是反射性的。也就是说,穿过光学元件射到外壳面上的光在那里至少大部分例如在朝着辐射出射面的方向上被反射。反射在此可以借助全反射来进行。但也可能的是,外壳面被反射性地涂覆。反射性的涂层例如可以通过金属层来实现,该金属层例如气相淀积到外壳面上。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件的辐射入射面和/或辐射出射面至少局部是不平的。“不平的”在此可以表示:这些面的至少之一凸面地或凹面地拱起。此外,不平可以表示,这些面的至少之一具有结构化部,譬如粗化部。在此,至少部分不平的面也可以在一些区域中平坦地和/或平滑地实施。在这些区域中,该面不具有弯曲部和/或不具有结构化部。
根据照明装置的至少一个实施形式,在光源的发光二极管芯片的至少之一与辐射入射面之间设置有间隙,该间隙填充以气体。间隙例如可以填充以空气。也就是说,由发光二极管芯片在工作中产生的光在入射到光学元件时在辐射入射面上折射,因为在那里存在大的折射率差。例如,气体的折射率为大约n=1。光学元件的折射率为至少1.3。换言之,辐射入射面用作光学面。发光二极管芯片的至少之一并不以折射率匹配的方式连接到光学元件上。在此可能的是,在光源的所有发光二极管芯片与光学元件的辐射入射面之间存在间隙。
根据照明装置的至少一个实施形式,照明装置的光学元件是设置在光源的所有发光二极管芯片之后唯一的光学元件。也就是说,照明装置在此情况下包括唯一的如下光学元件:其设置用于产生限定的射束轮廓和用于颜色混合。针对这两个任务来使用唯一的光源元件使光学边界面损耗最小化并且由此提供了特别有效的照明装置的优点。于是,不使用如下的多级光学系统:其中在第一级中光例如被预准直,在第二级中射束轮廓被限定地调节并且在最后的级中(例如借助光漫射元件)进行颜色混合。
根据照明装置的至少一个实施形式,照明装置包括光源,其包括至少两个发光二极管芯片,它们在工作中发射彼此不同颜色的光,并且包括光学元件,其构建为由介电材料构成的实心体。光学元件在此包括:辐射入射面,其朝着发光二极管芯片;辐射出射面,其背离发光二极管芯片;以及外壳面,其将辐射入射面与辐射出射面彼此连接,其中外壳面构建为对于由发光二极管芯片在工作中发射的光是反射性的,并且辐射入射面和/或者辐射出射面至少局部是不平的。在此,在光源的发光二极管芯片的至少一个与辐射入射面之间设置有间隙,该间隙以气体填充。光学元件在此是设置在照明装置的所有发光二极管芯片之后唯一的光学元件。在远场中,由照明装置发射均匀的混合光。
在此所描述的照明装置在此尤其基于以下构思:一方面,使用唯一的、单级的光学装置用于颜色混合和产生限定的射束轮廓证明是特别有效的,因为在光学元件的边界面上的损耗由此被最小化。为此,针对发光二极管芯片的每种颜色在光学元件中实现了自己的光路,该光路分别就在远场中的面本身而言至少在色彩方面会被不均匀地照亮。各个光路的不均匀性总体上互补,由此实现了光混合。也就是说,在光学元件的辐射出射面上可以存在色度坐标方面的不均匀性,不均匀性可以被人类观察者察觉。然而在远场中,借助照明装置照亮的面的色度坐标显得是均匀的。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件的外壳面至少局部是截锥体的外壳面。也就是说,光学元件在辐射入射面和辐射出射面之间具有至少一个区域,在该区域中截锥体形地构建。截锥体在此优选从辐射入射面朝着辐射入射面的方向逐渐变细。在此,总之也可能的是,辐射出射面至垂直于光学元件的纵向中轴的平面的投影具有比辐射入射面至该平面的投影更大的面积。
根据照明装置的至少一个实施形式,发光二极管芯片的光借助在外壳面上的全反射朝着辐射出射面的方向反射。这意味着,在光学元件中借助在外壳面上的全反射从辐射入射面到辐射出射面进行光传导。发光二极管芯片的光束在光学元件的实心体中走向并且在外壳面上碰到从光学元件的光学上更致密的材料到周围环境(例如空气)的光学上更稀薄的材料的折射率跳变。借助全反射的光偏转在此证明为特别有效,并且极少或几乎不导致由反射引起的光学损耗。
根据照明装置的至少一个实施形式,由发光二极管芯片发射的光的每个光束在其通过辐射出射面离开光学元件之前在外壳面上最多反射一次。也就是说,光束穿过光学元件而不射到外壳面上或光束最多射到外壳面上一次并且在那里于是在朝着光学元件的辐射出射面的方向上例如被全反射。这可以通过光学元件在外壳面的区域中的高度在沿着光学元件的纵向中轴的方向上相对于光源的光发射面的相应匹配来实现。例如也就是说,光源的光发射面越大,则光学元件在外壳面的区域中实施得越薄。光发射面在此是包括包围部的面,该包围部围绕光源的所有发光二极管芯片。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件局部构建为截锥体。在光学元件构建为截锥体的区域中,该光学元件具有如下外壳面:其是截锥体的外壳面。光学元件在此可以具有一个、两个、三个或更多的截锥体,其中多个截锥体彼此相叠地堆叠。该截锥体或所述截锥体在此在从光学元件的辐射出射面至辐射入射面的方向上逐渐变细。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件局部构建为截锥体,其在辐射入射面的侧上具有凹处。在辐射入射面的侧上,截锥体例如可以具有孔,孔以预先给定的方式成形。凹处在此优选关于光学元件的纵向中轴旋转对称地构建。例如,凹处圆柱形地构建,其中圆柱体的纵向中轴与截锥体的纵向中轴和光学元件的纵向中轴重合。
为此凹处可以设计为,射到凹处的朝着发光二极管芯片的底面上的光束可以穿过光学元件,而不射到光学元件的外壳面上。凹处的侧向包围凹处的底面的侧面为此可以设计为将通过光折射而到达的光束朝着外壳面偏转,在那里借助全反射将光束朝着辐射出射面反射。总之,以凹处结构化的辐射入射面用于射束成形。凹处的底面为此可以局部结构化,例如其可以凹面或凸面地弯曲或具有粗化部。凹处的侧面优选平滑地构建(其于是并未被粗化)。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件在辐射出射面的该侧上具有凹入,其中光学元件在凹入部中具有凸面地向外弯曲的第一区域。第一区域在此优选围绕光学元件的纵向中轴旋转对称地设置。在该区域中,光学元件例如根据凸透镜的方式构建。光学元件于是优选具有第二区域,其侧向包围第一区域。例如,第二区域环形地包围第一区域。
根据照明装置的至少一个实施形式,第二区域在从辐射入射面到辐射出射面的方向上至少局部突出于第一区域。也就是说,第二区域可以根据壁的方式框架状地围绕第一区域实施。第二区域在此可以完全包围第一区域。光学元件于是例如在其辐射出射面上具有凹入,在该凹入中构建凸面向外(即在从辐射入射面到辐射出射面的方向上)弯曲的区域。凸面弯曲的区域在侧向于是被第二区域高出。
根据照明装置的至少一个实施形式,光学元件的如下的面的至少之一至少局部地具有结构化部:辐射入射面、辐射出射面、外壳面。结构化部例如可以是透镜状凸面或凹面的结构化部,其成形至相应的面中。例如,在辐射出射面上设置有椭圆透镜,其通过在辐射出射面上的光学元件的凸面向外弯曲的区域构建。椭圆透镜于是可以用其主延伸方向在朝着纵向中轴和辐射出射面的相交点的方向上定向。
此外,结构化部可以是粗化部,其设计用于光散射。粗化部可以设计用于进一步将发光二极管芯片的不同色彩混匀。然而,在此重要的是,辐射入射面的至少部分没有这种粗化部。也就是说,根据照明装置的至少一个实施形式,辐射入射面局部平滑地实施。尤其是辐射入射面在光束进入该辐射入射面的部位平滑地实施,其中所述光束在进一步传输中射到外壳面并且在那里被全反射。光束于是由光学元件限定地偏转,使得总体上形成色彩均匀的混合光,其具有限定的射束轮廓。
根据照明装置的至少一个实施形式,外壳面至少局部地由至少两个、尤其是至少三个截锥体的外壳面组成,它们在其张角方面不同。截锥体的张角在此是截锥体的母线与锥轴线之间的角度。截锥体的锥轴线优选与光学元件的纵向中轴重合。锥体在此相叠地设置,使得它们分别在从光学元件的辐射出射面到辐射入射面的方向上逐渐变细。
光学元件在该实施形式中于是具有外壳面,其由至少两个或更多个截锥体的外壳面组成。所述至少两个或更多个的截锥体在此近似于较大的截锥体的外壳面。换言之,光学元件在其外表面上具有旋转对称的刻面(Facetten),其相对于光学元件的纵向中轴线旋转对称地构建。对光学元件的外壳面的刻画(Facettierung)导致出射的光在其色彩方面特别均匀地混合。
根据照明装置的至少一个实施形式,外壳面至少局部由平的面组成,它们近似至少一个截锥体。也就是说,外壳面例如完全由非旋转对称的刻面组成。该措施也导致了从照明装置出射的光被特别均匀地混合。
根据照明装置的至少一个实施形式,光源的发光二极管芯片设置在共同的安装平面中。共同的安装平面例如是连接支承体的、其上施加发光二极管芯片的表面。光学元件关于纵向中轴线旋转对称地构建。光源的相同颜色的发光二极管芯片关于在纵向中轴和安装平面之间的相交点而点对称地设置。光源的发光二极管芯片关于光学元件的这种布置能够实现使由照明装置发射的光特别均匀地混合。
表述“旋转对称”和“点对称”在此可以理解为,考虑到制造公差方面而遵守对称性。于是并不显著地和有意地与该对称性偏离。
在下文中,这里所描述的照明装置借助实施例和相关的附图来进一步阐述。
图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4借助示意图示出了这里所描述的照明装置和相关的光学元件的实施例。
借助图5、6A和6B详细地阐述了这里所描述的照明装置的光学特征。
相同、相似或作用相同的元件在附图中设置有相同的附图标记。附图和附图中所示的元件彼此间的大小关系并不能视为合乎比例的。更确切地说,为了更清楚和/或更好的理解而可以夸大地示出各个元件。
图1A和1B在不同的视角的示意性透视图中示出了这里所描述的照明装置的第一实施例。照明装置包括光源1。光源1包括六个发光二极管芯片2a、2b。例如,光源1包括两个发射红光的发光二极管芯片2a和四个发射白光的发光二极管芯片2b。
发光二极管芯片2b的白光在此例如借助发光转换材料来产生,其将由发光二极管芯片的半导体本体发射的光的至少一部分转换成更长波长的光。例如,白色光由蓝色成分和黄色成分混合。
发光二极管芯片2a可以分别包括自己的光学元件,其例如通过浇注体形成,在该浇注体中嵌入发光二极管芯片2a、2b。
发光二极管芯片2a、2b施加在连接支承体5上,连接支承体可以构建为印刷电路板或金属膜电路板。发光二极管芯片2a、2b设置在共同的安装平面12中,该安装平面例如通过连接支承体5的朝着发光二极管芯片2a、2b的安装侧形成。光源1的发光二极管芯片关于在光学元件3的纵向中轴线11与安装平面12之间的相交点而点对称地设置。换言之,两个发射红光的发光二极管芯片2a处于与纵向中轴线11相交的对角线上。
在光源1之后设置有光学元件3。
光学元件3构建为透明塑料构成的实心体。光学元件3优选没有散射辐射的微粒。也就是说,光学元件3透明地构建。光学元件3包括辐射入射面31,其朝着光源1。辐射入射面31与光源1的发光二极管芯片2a、2b间隔地设置,使得在光源1与光学元件3之间存在间隙4,该间隙在此填充以空气。此外,光学元件3包括外壳面32,其在此局部是截锥体的外壳面,该外壳面朝着辐射入射面31逐渐变细。
此外,光学元件3包括辐射出射面33。辐射出射面33在此划分成两个区域331、332。在第一区域331中,辐射出射面33凸面地向外拱起。第二区域332平坦地构建并且在边缘侧围绕第一区域331,其中在第一区域331中的辐射出射面突出于在第二区域332中的辐射出射面。
光学元件3也划分成两个区域:在第一区域3a中,光学元件32的外壳面是截锥体的外壳面。除了在辐射入射面33上的凹处6之外,光学元件3在第一区域3a中构建为截锥体。在光学元件的第二区域3b中,光学元件拱形结构状地向外拱起。
在光学元件3的第一区域3a中,光学元件3具有凹处6,其圆柱形地或截锥体形地构建。如果凹处6截锥体形地构建,则截锥体从辐射入射面31朝着辐射出射面33逐渐变细。凹处6在任何情况下都旋转对称地构建,其中旋转轴线与光学元件的纵向中轴线11重合。纵向中轴线11与光源1在相交点13相交。优选地,光源1的几何重心也在纵向中轴线11上。
照明装置在工作中的运行方式可以描述如下:由发光二极管芯片2a、2b在工作中发射的光22a、22b射到辐射入射面31上。在那里,其由于折射率差而折射。一些射束在此直接朝着辐射出射面33偏转并且离开光学元件3,而并不射到在光学元件的区域3a中的外壳面32。这尤其是符合在凹处6的底面6a的区域中进入光学元件3的射束。
在凹处6的侧面6b的区域中进入光学元件3的光束在其通过辐射出射面33(例如在第二区域332中)离开光学元件之前朝着在区域3a中的外壳面32的方向偏转并且在那里优选恰好被全反射一次。
总之,光学元件3在其辐射出射面33上具有不同颜色的光的不均匀分布。然而由于光学元件3的旋转对称性以及光源1的发光二极管芯片2的布置,在远场中、即以例如在至少10cm、例如1m的距离中进行颜色混合,颜色混合是特别均匀的。
光束22a、22b尤其是并非在其入射到光学元件时例如已通过粗化部漫散射并且以此方式混匀,而是不同颜色的光可以在分离的路径上彼此独立地穿过光学元件。
尤其是在凹处的侧面6b的区域中,辐射入射面31平滑地构建,使得形成光束22a、22b朝着外壳面32的限定的折射并且接着朝着辐射出射面33的限定的反射。
结合图2A、2B进一步阐述了这里所描述的照明装置的另一实施例。与图1A、1B的实施例不同,光源1在此具有四个发光二极管芯片。例如,光源可以包括两个绿色发光二极管芯片2b、一个红色发光二极管芯片2a和一个蓝色发光二极管芯片(未示出)。
此外,与图1A、1B的实施例不同,凹处6的底面6a并非平滑地构建,而是局部凸面地和凹面地弯曲。凹处在此又关于光学元件的纵向中轴线11旋转对称地构建。
光学元件3在其辐射出射面33上具有结构化部8。结构化部8以椭圆透镜形式实施,该结构化部凸面地从光学元件3伸出并且例如由光学元件3的材料成形。椭圆透镜设置在围绕光学元件的纵向中轴线11与辐射出射面33的相交点的同心圆中,其中椭圆透镜的主延伸方向指向相交点。
光学元件3的辐射入射面31以及辐射出射面33的构型在此导致发光二极管芯片2a、2b的各个颜色在远场中的特别均匀的光混合。
在图1和2的照明装置中,现在会出现如下问题:在对光学元件3的一些确定的观察方向上,可以看到确定的发光二极管芯片2a、2b增大并且在远场中在所标识的点上因此形成更差的色彩混合。结合图3A、3B和4描述的用于这里所描述的照明装置的光学元件3也可以解决该问题。
在结合图3A和3B所描述的光学元件3中,光学元件的外壳面32通过具有不同的张角的截锥体9形成。截锥体9的纵向中轴线在此与光学元件3的纵向中轴线11重合。截锥体9的张角越小,则其设置得与辐射出射面33越近。光学元件例如包括大小不同的至少两个,尤其是至少三个截锥体9并且最多包括大小不同的十个截锥体9。这些截锥体9近似于一个较大的截锥体。换言之,外壳面32通过旋转对称的刻面形成。
在辐射出射面33上,光学元件可以具有凹入7,在该凹入中构建有辐射出射面33的第一区域331,该区域凸面向外弯曲。在辐射出射面33的第二区域332中并未设置凹入7。第二区域332高出第一区域331并且框架状地围绕该第一区域。
结合图4更为详细地阐述了这里所描述的照明装置的光学元件,其中外壳面32至少局部地通过非旋转对称的刻面、例如通过平的面10形成。平的面10在此近似于截锥体的外壳面。
例如,截锥体借助至少40个平的面10和最多500个平的面10来近似。光学元件3又包括凹入7,在该凹入中设置有辐射出射面33的第一区域331,第一区域被第二区域高出并且侧向围绕。
结合图5、6A和6B借助图形阐述这里所描述的照明装置的颜色混合。在图5中针对在远场中的四个不同的切割角示出了混合光的色度坐标,该色度坐标例如由光束22a和22b组成。如从图5中可看到的那样,色度坐标对于所有角度处于唯一的ANSI格内,使得人类观察者不能够察觉颜色不均匀性。
图6A和6B示出了针对围绕照明装置的半球绘制的、四个不同切割角的色度坐标的CX坐标或CY坐标。从图6中也可以看到的是,均匀的色彩混合几乎与角度无关。
本发明并不由于借助实施例的描述而限于这些实施例。更确切地说,本发明包括任意新特征以及特征的任意组合,尤其是包含权利要求中的特征的任意组合,即使该特征或者组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中予以说明。例如,在此所描述的光学元件本身是一个发明并且也可以与照明装置独立地要求予以保护。
本专利申请要求德国专利申请102009008368.5和102009017495.8的优先权,其公开内容通过引用分别结合于此。
Claims (13)
1.一种照明装置,具有:
-光源(1),其包括至少两个发光二极管芯片(2a,2b),所述发光二极管芯片在工作中发射不同颜色的光,以及
-光学元件(3),其构建为由介电材料构成的实心体,所述光学元件具有:
-辐射入射面(31),其朝着发光二极管芯片(2a,2b),
-辐射出射面(33),其背离发光二极管芯片(2a,2b),以及
-外壳面(32),其将辐射入射面(31)和辐射出射面(33)彼此连接,其中:
-外壳面(32)构建为针对由发光二极管芯片(2a,2b)在工作中发射的光是反射性的,并且
-辐射入射面(31)和/或辐射出射面(33)至少局部不平,
其中
-在光源(1)的发光二极管芯片(2a,2b)的至少之一与辐射入射面(31)之间设置有间隙(5),所述间隙填充以气体,并且与至少一个发光二极管芯片的辐射出射面直接接触,并且
-光学元件(3)是照明装置的设置在光源(1)的所有发光二极管芯片(2a,2b)之后唯一的光学元件,
-光学元件(3)在辐射出射面(31)的侧上具有凹入(7),
-光学元件(3)在凹入(7)中具有凸面向外弯曲的第一区域(331),该第一区域侧向至少局部被光学元件(3)的第二区域(332)围绕,并且第二区域(332)至少局部高出第一区域(331)。
2.根据权利要求1所述的照明装置,其中在工作中光源(1)在光学元件(3)的辐射出射面(33)上存在色度坐标方面的不均匀性,所述不均匀性能够被观察者察觉,其中在远场中借助照明装置的光照亮的面的色度坐标对于观察者显得均匀。
3.根据权利要求1所述的照明装置,其中外壳面(32)至少局部是截锥体(9)的外壳面。
4.根据权利要求1所述的照明装置,其中发光二极管芯片(2a,2b)的光借助在外壳面(32)上的全反射而朝着辐射出射面(33)的方向反射。
5.根据权利要求1所述的照明装置,其中由发光二极管芯片(2a,2b)发射的光的任何光束在通过辐射出射面(33)离开光学元件(3)之前在外壳面(32)上最多反射一次。
6.根据权利要求1所述的照明装置,其中光学元件(3)局部构建为截锥体(9),所述截锥体在辐射入射面(31)的侧上具有凹处(6)。
7.根据上一权利要求所述的照明装置,其中凹处(6)圆柱形地或截锥体状地构建。
8.根据权利要求1所述的照明装置,其中光学元件(3)的如下的面的至少之一至少局部具有结构化部(8):辐射入射面(31)、辐射出射面(33)、外壳面(32)。
9.根据上一权利要求所述的照明装置,其中结构化部(8)包括尤其是椭圆的光学透镜,所述透镜成形到所述面中和/或其中结构化部(8)包括粗化部。
10.根据权利要求1所述的照明装置,其中辐射入射面(31)至少局部平滑地实施。
11.根据权利要求1所述的照明装置,其中外壳面(32)至少局部由至少两个截锥体(9)的外壳面组成,所述截锥体在其张角方面彼此不同。
12.根据权利要求1所述的照明装置,其中外壳面(32)至少局部由平的面(10)组成,所述平的面至少近似于截锥体。
13.根据权利要求1所述的照明装置,其中
-光源(1)的发光二极管芯片(2a,2b)设置在共同的安装平面(12)中,
-光学元件(3)关于纵向中轴线(11)旋转对称地构建,以及
-光源(1)的相同颜色的发光二极管芯片(2a,2b)关于纵向中轴线(11)与安装平面(12)的相交点(13)而点对称地设置。
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