TWI638115B - 發光二極管燈 - Google Patents

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Abstract

提供一種發光二極管燈，即使在以具有多種波長的光照射對象物的情況下，對象物的色調也不易產生不均勻。由反射鏡（12）、支柱（32）、以及在支柱（32）的表面以反射鏡（12）的焦點F為中心呈放射狀配設的多個發光體（30）構成發光二極管燈（10）。由發光二極管（34）、以及在發光二極管（34）的背後的焦點F的位置形成虛像（I）的透鏡（36）構成各發光體（30）。而且，使從構成各發光二極管（34）的多個發光二極管元件（40）發射的光的波長彼此相同，並且，使從各發光二極管（34）發射的光的波長為至少2種。

Description

發光二極管燈
本發明涉及一種具備多個發光二極管的發光二極管燈。
隨著消費者的環保意識的提高，與以往的白熾燈（例如，鹵素燈）相比具有耗電低且壽命長的優點的發光二極管，作為節能對策之一其使用範圍迅速擴大，特別是，希望使用發光二極管作為白熾燈的替代品的需求正在增大。
對此，由於發光二極管元件存在每一個的光量與白熾燈相比較少的問題，因此，為了彌補這個問題，開發了通過設置多個發光二極管元件而能夠發出較多的光量的發光二極管燈（例如，專利文獻1）。
在專利文獻1所記載的發光二極管燈中，通過使多個發光二極管元件以棋盤格狀排列配置而構成發光二極管，並且，從各發光二極管元件發出的光的波長不相同，例如，通過使發出紅色光、藍色光、以及綠色光的發光二極管元件以適當的比例混合，從而能夠以彩色照射對象物。 《先前技術文獻》 《專利文獻》
專利文獻1：日本特開平6－237017號公報
《發明所欲解決之課題》
然而，在專利文獻1中記載的發光二極管燈中存在問題。即，在要使來自發光二極管的光以所期望的聚光程度到達所期望的距離的情況下，使用反射鏡（反射器），利用反射鏡的反射面使來自發光二極管的光反射。特別是，在要使來自發光二極管的光到達遠處的情況下，會使用由旋轉抛物面（抛物面）形成反射面的反射鏡。旋轉抛物面具有1個焦點F，從該焦點F被發射後，在旋轉抛物面反射了的光成為彼此平行的平行光並從反射鏡發出。
在通過使多個發光二極管元件排列配置而構成的發光二極管的情況下，例如，即便使反射鏡的焦點F對準該發光二極管的幾何中心位置，真正意義上成為平行光的，也只有從該焦點F對準的發光二極管元件所發出的光，由於除此以外的發光二極管元件的位置偏離於焦點F，因此，從除此以外的發光二極管元件發出的光在嚴格意義上並不是平行光。
由於這樣的“偏離”是微小的，因此，在發光二極管燈所照射的對象物位於近距離處的情況下，可能不會出現大的問題。但是，在對象物與發光二極管燈相距較遠的情況下，上述“偏離”就變得不可忽視了。
具體而言，當來自與反射鏡的焦點F對準的發光二極管元件的光（以下稱為“焦點光”。）照到對象物的中心時，來自位於從反射鏡偏離的位置的發光二極管元件的光（以下稱為“非焦點光”。）對從對象物的中心偏離的位置進行照射。此時，如果“焦點光”與“非焦點光”是相同波長的光的話，則沒有問題，但在為彼此不同的波長的情況下，就會出現以下3個部分，即：1）只有“焦點光”照射的部分；2）“焦點光”以及“非焦點光”照射的部分；以及3）只有“非焦點光”照射的部分，從1）到3）的部分分別被以彼此不同的色調照射。因此，產生對象物的色調變得“不均勻”的問題。
本發明是鑒於這種以往技術中的問題而開發的。因此，本發明的主要課題是提供一種發光二極管燈，即使在以具有多種波長的光照射對象物的情況下，對象物的色調中也不易產生不均勻。 《用以解決課題之手段》
（1） 根據本發明的一個方面， 提供一種發光二極管燈，其特徵在於，由以下部件構成： 反射鏡，在內側形成有由具有開口以及焦點的旋轉面規定的反射面； 支柱，其從所述反射面的底部朝向所述開口延伸；以及 多個發光體，其在所述支柱的表面以所述焦點為中心呈放射狀配設， 各所述發光體分別具有： 發光二極管，其由朝向所述反射面發射光的多個發光二極管元件構成；以及 透鏡，其配置在所述發光二極管以及所述反射面之間，使從對應的所述發光二極管發射的光朝向所述反射面折射，並在所述發光二極管的背後的所述焦點的位置形成所述發光二極管的虛像，從構成各所述發光二極管的多個所述發光二極管元件發射的光的波長各自彼此相同，並且，從各所述發光二極管發射的光的波長至少有2種。
（2） 優選地，從各所述發光二極管發射的光的量至少有2種。
（3） 優選地，所述反射面由旋轉抛物面規定，在所述反射面的所述開口的直徑與所述支柱的支柱半徑之間，以下關係式成立， 0.05×A＜B≤0.1485×A， 其中， A為反射面的開口的直徑（mm）， B為支柱半徑（mm）。
（4） 優選地，所述反射面由旋轉抛物面規定，在所述反射面的所述開口的直徑與所述支柱的支柱半徑之間，以下關係式成立， 0.05×A＜B≤0.109×A， 其中， A為反射面的開口的直徑（mm）， B為支柱半徑（mm）。
（5） 優選地，以使所述發光二極管達到能夠發射規定波長的光的溫度的方式設定所述支柱的支柱半徑。 《發明效果》
根據本發明，使從構成1個發光二極管的多個發光二極管元件發射的光的波長彼此相同，並且，使以發光二極管為單位能夠發射至少2種波長的光。由此，來自1個發光二極管的光按照構成該發光二極管的各個發光二極管元件以規定“偏離”來照射對象物，但是通過使從構成1個發光二極管的各發光二極管元件發射相同波長的光，即使存在上述那樣的“偏離”，對象物的色調也不會產生不均勻。
並且，從各發光二極管發射的光的波長至少有2種，即，與從某個發光二極管發射出的光波長不同的光從其他發光二極管發射。此時，如上所述，使從1個發光二極管發射相同波長的光，因此當從某個發光二極管發射出的光以規定的“偏離”照射對象物時，從其他發光二極管發射的波長不同的光以同樣的“偏離”照射對象物。這樣，通過使具有彼此不同波長的光以同樣的“偏離”照射對象物，能夠抑制對象物的色調產生不均勻。
以下，對應用了本發明的發光二極管燈10進行說明。如圖1以及圖2所示，該發光二極管燈10大致由碗狀的反射鏡12和發光二極管光源14構成。
反射鏡12具有形成於其內側的反射面20、發出由反射面20反射的光的開口22、以及在與該開口22相對的位置設於反射面20的底部中央的大致圓筒狀的中央安裝筒部24。另外，將穿過反射鏡12的中心並與開口22正交的直線設為反射鏡12（以及反射面20）的中心軸C。
反射鏡12具有形成於其內側的反射面20、發出由反射面20反射的光的開口22、以及在與該開口22相對的位置設於反射面20的底部中央的大致圓筒狀的中央安裝筒部24。另外，將穿過反射鏡12的中心並與開口22正交的直線設為反射鏡12（以及反射面20）的中心軸C。
反射面20由以上述中心軸C為中心的旋轉面所規定，在反射鏡12的內側的該中心軸C上設定有焦點F。該焦點F的位置根據收納於反射鏡12的內側的發光二極管34的大小或個數等要素被設定於最合適的位置。例如，在發光二極管34較大或者發光二極管34的個數較多的情況下，焦點F的位置被設定為稍微遠離反射面20的底部，相反地，在發光二極管34較小或者發光二極管34的個數較少的情況下，焦點F的位置則被設定為靠近反射面20的底部。此外，在規定反射面20的旋轉面為旋轉橢圓面或旋轉抛物面的情況下，規定這些旋轉橢圓面或旋轉抛物面的橢圓或拋物線的焦點成為反射面20的焦點F。
在圖1、圖2的基礎上，參照圖3，發光二極管光源14由4個發光體30、以及在規定的位置對這些發光體30進行保持的支柱32構成。此外，發光體30的數量不限於4個，通過使用2個以上發光體30，可以實現本發明的效果。
如圖4所示，發光體30由發光二極管34、透鏡36、透鏡保持部件38構成。在從反射面20的底部沿中心軸C延伸的大致四棱柱狀的支柱32的前端部，本實施例中所使用的4個發光體30分別以反射面20的焦點F為中心在周向上以均等間隔呈放射狀配設。
如圖5所示，發光二極體34由多個發光二極體元件40構成。此外，在本實施例中，使9個發光二極管元件40呈棋盤格狀排列來構成1個發光二極管34。構成發光二極管34的發光二極管元件40的數量不限於該數量，只要以2個以上的發光二極管元件40構成1個發光二極管34即可。
發光二極管元件40是如下的電子部件，即，通過流過規定的電流，以例如120°的光發射角（光發射角θ當然不限於此。）發射特定波長的光。在本實施例中，使得構成1個發光二極管34的多個發光二極管元件40全部發射相同波長的光。另外，使得從各發光二極管34發射的光的波長至少有2種。例如，在本實施例的發光二極管燈10中使用了4個發光體30，雖然使用了4個發光二極管34，但是在這4個發光二極管34中，使任意3個發出相同波長的光，使從剩餘的1個發光二極管34發出與之不同波長的光。當然，不限於此，也可以使從任意2個發光二極管34發出相同波長的光，並從剩餘的2個發光二極管34發出與之不同波長的光。而且換句話說，也可以使從4個發光二極管34能分別發出彼此不同的4種波長的光。
另外，關於從各發光二極管34發射的光的波長，紫外光、可見光、或者紅外光等任何波長的光都可以組合。例如，可以組合紅、藍、綠這3種可見光，也可以組合彼此波長不同的多種紅外光。
回到圖1及圖4，透鏡36是如下的光學部件，即，是聚碳酸酯制的凸彎月透鏡（具有大致條形的截面，一個面是凸面、另一個面是凹面的透鏡），其在發光二極管34與反射面20之間，與發光二極管34相對分開配設，使從發光二極管34發射的光朝向反射面20折射，並在發光二極管34的背後形成該發光二極管34的虛像I。當然，透鏡36的材質不限於聚碳酸酯，可以使用玻璃等材料。
如圖4所示，在發光二極管34的背後形成的虛像I的大小比該發光二極管34的實際尺寸大。而且，存在如下傾向，即，虛像I的位置越遠離該發光二極管34的實際位置，則形成的虛像I的尺寸也越大。此外，雖然除凸彎月透鏡以外也可以使用平凸透鏡或雙凸透鏡，但是向透鏡36的左右端部進光的來自發光二極管34的光在透鏡36的入射面反射容易變成雜散光，因此從這點來看，優選使用凸彎月透鏡。
另外，對由各發光體30的透鏡36所形成的發光二極管34的虛像I而言，以使其幾何中心位於反射面20的焦點F的方式來設定。作為將虛像I設定於這樣的位置的方法，可以通過調節透鏡36的折射率來調整光學上虛像I的位置。或者，也可以調整支柱32的截面尺寸。使支柱32的截面尺寸變小則虛像I的位置會遠離焦點F，反之，使截面尺寸變大則虛像I的位置會靠近焦點F。當然，可以二者並用。
透鏡保持部件38是由金屬、不透明樹脂或者透光性樹脂等形成的環狀體，使其圍繞發光二極管34，其一端被安裝於支柱32的表面，並且在另一端嵌入透鏡36（或者，可以與透鏡36一體形成。）。在透鏡保持部件38是由金屬、不透明樹脂形成的情況下，從發光二極管34發射的光全部通過透鏡36被發射。另外，在透鏡保持部件38由透光性樹脂形成的情況下，從發光二極管34發射的光，大部分通過透鏡36被發射，但一部分通過透光性樹脂制的透鏡保持部件38被發射。
支柱32是從反射面20的底部沿中心軸C延伸的鋁制（只要是熱傳導性高的材料，也可以使用銅等其他的材料。）的四棱柱材料（例如，如果發光體30的數量是3個，則優選使用三棱柱材料，如果是5個，則優選使用五棱柱材料。），在其前端部，4個發光體30分別以反射面20的焦點F為中心在周向上以均等間隔呈放射狀配設。
這樣，由於支柱32是由熱傳導性高的鋁形成的，因此能夠從發光二極管34快速地接受發光二極管34在發光的同時產生的熱量。即，支柱32不僅保持發光二極管34、透鏡36，還具有作為發光二極管34的散熱材料的作用。另外，使支柱32的另一個端部在插入反射鏡12的中央安裝筒部24後，通過矽系黏接劑等黏接到反射鏡12（圖1）。
在支柱32的4個側面分別配設有用於向發光二極管34供電的供電部件42（圖4），電力通過該供電部件42向發光二極管34供給。在本實施例中，由於支柱32是鋁制的，因此需要使支柱32與供電部件42之間絕緣。此外，向供電部件42的供電是從外部電源（未圖示）經由引線（未圖示）進行的。另外，也可以使用引線向發光二極管34直接供電。
對該發光二極管燈10而言，舉出一個例子，按以下步驟來製造。將發光二極管34黏接於支柱32後，通過進行該發光二極管34與供電部件42的電連接而進行安裝。然後，在發光二極管34的周圍配置透鏡保持部件38後，分別安裝透鏡36。之後，將支柱32插入反射鏡12的中央安裝筒部24，並在規定的位置利用矽系黏接劑等進行固定。
向這樣製造出的發光二極管燈10的供電部件42通電時，發光二極管34經由該供電部件42被通電，發光二極管34發射光。從發光二極管34發射的光，被透鏡36折射，並沿著如同以虛像I為中心發射出來那樣的光路前進，分別在反射面20反射後，通過配設於開口22的前面罩26從發光二極管燈10向外部發出。
根據本實施例的發光二極管燈10，從構成1個發光二極管34的多個（9個）發光二極管元件40發射的光的波長彼此相同，並且，以發光二極管34為單位發射至少2種波長的光。由此，來自1個發光二極管34的光按照構成該發光二極管34的各個發光二極管元件40以規定的“偏離”來照射對象物。但是，如上所述，由於從構成1個發光二極管34的各發光二極管元件40發射相同波長的光，因此即使存在上述那樣的“偏離”，對象物的色調也不會產生不均勻。
並且，從各發光二極管34發射的光的波長至少有2種，即，與從某個發光二極管34發射出來的光波長不同的光從其他發光二極管34被發射。此時，如上所述，因為使得從1個發光二極管34發射相同波長的光，因此，在從某個發光二極管34發射出的光以規定的“偏離”照射對象物時，從其他的發光二極管34發射出的波長不同的光以同樣的“偏離”照射對象物。這樣，由於具有彼此不同的波長的光以同樣的“偏離”照射對象物，因此能夠抑制對象物的色調產生不均勻。
（關於反射面20的開口22的尺寸與支柱32的尺寸之間的關係） 如上所述，由於支柱32還具有作為發光二極管34的散熱材料的作用，因此，支柱32的截面積（更具體而言，是用與中心軸C正交的面切斷支柱32時的截面積）越大則支柱32的散熱能力越大，能夠使用可發射更多的光的高輸出的發光二極管34。
然而，已知在使支柱32的截面積增大時，會產生其他問題。即，如上所述，通過透鏡36在發光二極管34的背後形成該發光二極管34的虛像I，但該虛像I的大小存在如下傾向，即，虛像I的位置越遠離該發光二極管34的實際位置，則該虛像I的大小也越大。對上述實施例的發光二極管燈10而言，使該虛像I的位置與反射面20的焦點F的位置對準是要點之一，由於需要使安裝在支柱32的表面的多個發光二極管34的虛像I的位置對準由反射面20唯一確定的焦點F的位置，因此，必然地，以焦點F位於支柱32的截面的中心的方式設定支柱32與反射鏡12的位置。
因此，支柱32的截面積越大，從支柱32的表面到焦點F的距離越長。在從支柱32的表面位置（即，發光二極管34的實際位置）到焦點F的距離變長時，則發光二極管34的虛像I也存在變大的傾向。在發光二極管34的虛像I變大時，看起來從虛像I發射的光中，從偏離於焦點F的位置發射的光變多，並且，從焦點F偏離的距離也變長。即，可以認為，支柱32的截面積越大，對所期望的照射範圍以外進行照射的光的量越多。
因此，關於反射面20的開口22的直徑A（mm）與支柱32的支柱半徑B（mm）的關係，利用圖6所示那樣的模型進行了研究。
首先，對“支柱半徑B”的定義進行說明。如圖7所示，支柱半徑B是指從與發光二極管34的底面相接觸的支柱32的表面到該支柱32的中心的距離。例如，在安裝有4個發光二極管34的支柱32的情況下，該支柱32的截面是正方形，該情況下的支柱半徑B是圖7的（a）中所示的距離。同樣地，在安裝有3個發光二極管34的支柱32的情況下，該支柱32的截面是正三角形，該情況下的支柱半徑B是圖7的（b）中所示的距離。另外，在安裝有6個發光二極管34的支柱32的情況下，該支柱32的截面是正六邊形，該情況下的支柱半徑B是圖7的（c）中所示的距離。
返回圖6，對使用的模型進行說明。使用具有由旋轉抛物面規定的反射面20的反射鏡12，向位於距離開口22規定的距離R處的對象面照射光。雖然在這個模型中設定R為10m，但是當然不限於此，可以是數m，也可以設定為數百m。理論上，從反射面20的焦點F發射的光，由於通過在該反射面20反射而作為平行光被發射，因此在對象面，與開口22的尺寸相同的範圍（以下稱之為“目標範圍T”）被照射。但是實際上，由於發光二極管34的虛像I具有比實物大的規定面積，因此從偏離於焦點F的位置發射出的光在反射面20反射後，從目標範圍T偏離，成為非有效的光。
在模擬時，使用4個1個邊的長度為26mm的大致正方形的發光二極管34，將可安裝這4個發光二極管34的最小的尺寸即13mm設為支柱32的支柱半徑B。而且，將反射面20的開口22的直徑A設定為支柱32的支柱半徑B（13mm）的20倍即260mm。將使用支柱半徑B為13mm的支柱32時的目標範圍T的光量設為100%，不改變開口22的直徑A以及發光二極管34的大小，僅增大支柱32的支柱半徑B，求出在各種情況下的目標範圍T的光量的比例。此外，反射面20的開口22的直徑A一般為100mm到1000mm。
表1以及圖8中示出了模擬的結果。此外，圖8是表示支柱半徑B的倍率與照射目標範圍T的光量之間的關係的曲線。 ＜表1＞
將使用了支柱半徑B為13mm的支柱32時的目標範圍T的光量設為100%時，目標範圍T的光量不足50%，則不成為產品。因此，將目標範圍T的光量為100%時的支柱半徑B設為1時，由於當支柱半徑B增大到2.97時目標範圍T的光量變為50%，因此，需要使支柱半徑B為“1＜B≤2.97”。此外，如果從作為模型的開口22到對象面的距離R增大，則目標範圍T的光量的下限比例也當然會減小。
進一步來說，由於優選使目標範圍T的光量不低於70%的範圍，因此，換言之，優選支柱半徑B為“1＜B≤2.18”。
如上所述，由於將反射面20的開口22的直徑A設定為支柱32的支柱半徑B（13mm）的20倍即260mm，因此，需要使支柱半徑B與反射面20的開口22的直徑A之間的關係滿足以下關係，即，目標範圍T的光量在不低於50%的範圍即“0.05×A＜B≤0.1485×A”。此外，將支柱半徑B設為比開口22的直徑A的1/20（＝0.05）倍大，這是因為，如果將支柱半徑B設為比之小，由於發光二極管34的放熱的關係，將難以使用具有與反射面20的大小匹配的輸出的發光二極管34。另外，反射面20的大小基於目標範圍T的大小來決定。
進一步來說，優選支柱半徑B與反射面20的開口22的直徑A之間的關係滿足以下關係，即，目標範圍T的光量在不低於70%的範圍即“0.05×A＜B≤0.109×A”。
此外，如模擬的結果所示，支柱半徑B增大則目標範圍T的光量降低，其原因在於，如上所述，發光二極管34的虛像I具有比實物大的規定面積，從發光二極管34的實際位置到焦點F的距離增大，則虛像I也存在增大的傾向，因此在支柱半徑B增大時，從虛像I發射的光中偏離於焦點F的部分看起來增多，其結果，在反射面20反射後，從目標範圍T偏離的光增多。
此外，其原因還在於，當支柱半徑B增大時，從發光二極管34發射並在反射面20反射的光與支柱32碰撞的概率增加。
但是，著眼於發光時的發光二極管34的溫度，在未使用熒光體的發光二極管34情況下，發光時的溫度升高時，則發射的光的波長存在增加的傾向。因此，優選以如下方式設定支柱半徑B，即，在滿足上述的支柱半徑B與開口22的直徑A之間的關係的同時，使發光時的發光二極管34達到能發射所期望波長的光的溫度。
應該認為，此處公開的實施方式在所有方面都是例示而不是限制性的。本發明的保護範圍並非由上述的說明來表示，而是由申請專利範圍來表示，並且意在包括與申請專利範圍等同的意思以及在其範圍內的所有變更。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 10 </td><td> 發光二極管燈 </td></tr><tr><td> 12 </td><td> 反射鏡 </td></tr><tr><td> 14 </td><td> 發光二極管光源 </td></tr><tr><td> 20 </td><td> 反射面 </td></tr><tr><td> 22 </td><td> 開口 </td></tr><tr><td> 24 </td><td> 中央安裝筒部 </td></tr><tr><td> 26 </td><td> 前面罩 </td></tr><tr><td> 30 </td><td> 發光體 </td></tr><tr><td> 32 </td><td> 支柱 </td></tr><tr><td> 34 </td><td> 發光二極管 </td></tr><tr><td> 36 </td><td> 透鏡 </td></tr><tr><td> 38 </td><td> 透鏡保持部件 </td></tr><tr><td> 40 </td><td> 發光二極管元件 </td></tr><tr><td> 42 </td><td> 供電部件 </td></tr><tr><td> C </td><td> 中心軸 </td></tr><tr><td> I </td><td> 虛像 </td></tr><tr><td> T </td><td> 目標範圍 </td></tr><tr><td> R </td><td> 從模擬的開口22到對象面的距離 </td></tr></TBODY></TABLE>
圖1是表示應用了本發明的發光二極管燈10的一個例子的剖視圖。 圖2是表示應用了本發明的發光二極管燈10的一個例子的主視圖。 圖3是表示應用了本發明的發光二極管光源14的一個例子的立體圖。 圖4是表示應用了本發明的發光二極管光源14的一個例子的剖視圖。 圖5是表示發光二極管34的一個例子的圖。 圖6是表示模擬中使用的模型的圖。 圖7是表示支柱半徑B的定義的圖。 圖8是表示模擬的結果的曲線。

Claims (6)

  1. 一種發光二極管燈，其特徵在於，由以下部件構成： 反射鏡，在內側形成有由具有開口以及焦點的旋轉面規定的反射面； 支柱，其從所述反射面的底部朝向所述開口延伸；以及 多個發光體，其在所述支柱的表面以所述焦點為中心呈放射狀配設， 各所述發光體分別具有： 發光二極管，其由朝向所述反射面發射光的多個發光二極管元件構成；以及 透鏡，其配置在所述發光二極管以及所述反射面之間，使從對應的所述發光二極管發射的光朝向所述反射面折射，並在所述發光二極管的背後的所述焦點的位置形成所述發光二極管的虛像， 從構成各所述發光二極管的多個所述發光二極管元件發射的光的波長彼此相同，並且，從各所述發光二極管發射的光的波長至少有2種。
  2. 如請求項1所述的發光二極管燈，其中從各所述發光二極管發射的光的量至少有2種。
  3. 如請求項1或2所述的發光二極管燈，其中 所述反射面由旋轉抛物面規定，在所述反射面的所述開口的直徑與所述支柱的支柱半徑之間，以下關係式成立， 0.05×A＜B≤0.1485×A， 其中， A為反射面的開口的直徑（mm）， B為支柱半徑（mm）。
  4. 如請求項1或2所述的發光二極管燈，其中 所述反射面由旋轉抛物面規定，在所述反射面的所述開口的直徑與所述支柱的支柱半徑之間，以下關係式成立， 0.05×A＜B≤0.109×A， 其中， A為反射面的開口的直徑（mm）， B為支柱半徑（mm）。
  5. 如請求項3所述的發光二極管燈，其中 以使所述發光二極管達到能夠發射規定的波長的光的溫度的方式設定所述支柱的支柱半徑。
  6. 如請求項4所述的發光二極管燈，其中 以使所述發光二極管達到能夠發射規定的波長的光的溫度的方式設定所述支柱的支柱半徑。
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