TWI707162B - 用於發光設備的光擴散透鏡 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種用於發光設備的光擴散透鏡，且根據本發明的一實施例的光擴散透鏡包括：一光進入部，凹入地形成在一主體的下表面的中心；一光發出部，以一彎曲狀形成在所述主體的上表面上；一反射部，沿所述光進入部的周圍形成在所述主體的下表面上；以及一凸緣，沿所述主體的外周從所述光發出部的下端向外突出；其中，所述凸緣具有在其下部沿周向形成的一片逸出凹槽以允許一反射片的片孔的一端部逸出到所述片逸出凹槽中，並且所述凸緣形成為與所述反射部間隔開。

Description

用於發光設備的光擴散透鏡
本發明涉及一種用於發光設備(light emitting device)的光擴散透鏡。
液晶顯示設備(以下稱為“LCD”)是一種平板顯示設備，與其它顯示設備不同，它本身不發光，並且必須需要一個單獨的外部光源來實現圖像。因此，LCD除了液晶面板之外還包括一面光源的一背光單元，且背光單元向液晶面板均勻地提供高亮度的光源，由此實現圖像。
上述背光單元是指用於實現諸如LCD的一顯示設備的一圖像的照明設備(lighting device)，並且根據光源的位置分為邊緣照明型背光單元或直接照明型背光單元。作為背光單元的光源，主要採用具有體積小(compact size)、功耗低、可靠性高的優點的發光二極管(以下稱為“LED”)。
直接照明型背光單元有以固定的間隔直接布置在液晶面板的正下方來直接照亮液晶面板的多個LED，並且能夠克服邊緣 和中心區域之間的光線差異，能夠實現高品質的圖像，且特別是具有實施大尺寸的背光單元的優點。
當LED用作直接照明型背光單元的光源時，由於點光源的特性，在LED正上方的部分上的亮度高，但是亮度隨著進一步離開LED而突然降低，並且存在整體亮度不均勻的問題。為了解決亮度差異，有一種減小LED之間的間隔(gap)的方法。然而，由於需要許多LED，所以製造成本增加。
為了解決這個問題，採用了在每個LED中放置一個光擴散(diffusing)透鏡的技術來分散光。使用該透鏡的背光單元具有解決直接在LED上方的部分與其周邊之間的亮度差並且通過增加LED之間的間隔相對減少所應用的LED的數量的優點。
圖1是示出相關技術的直接照明型背光單元的主要元件的剖視圖。
在如圖1所示的背光單元中，光擴散透鏡30在將安裝在基板10上的LED 20收容在一光源凹部以作為一主體31中的同時連結於基板10，並且光擴散透鏡30被配置成允許LED 20的光通過光擴散透鏡30，此外，反射片40安置於基板10的上表面上。
光擴散透鏡30具有形成在主體31的下表面的中心的一凹的光進入部32，光擴散透鏡30具有形成在其上表面的凸的彎曲形狀的一光發出部33，且光擴散透鏡30具有形成在其下表面的一 反射部34。此外，光擴散透鏡30包括沿光發出部33的一下端的一邊緣向外突出的一凸緣35。凸緣35與相鄰的透鏡接觸或者干涉，由此防止對光發出部33的損害。此外，光擴散透鏡30具有在其下表面上形成且與基板10連結的一個或多個固定突起36。另外，光擴散透鏡30包括多個向外突出且沿凸緣35的外周以預定間隔布置的壓制突起37。
在如上所述配置的背光單元中，LED 20安裝在基板10上，光擴散透鏡30在收容LED 20的同時連結於基板10，然後反射片40在使光擴散透鏡30露出的同時安置在基板10上。為此，反射片40包括在與光擴散透鏡30相對應的位置上形成的多個片孔。
在這種情況下，光擴散透鏡30的連結位置和反射片40的片孔的位置以及它們的尺寸(直徑)應彼此準確匹配。當光擴散透鏡30的位置或尺寸與片孔未準確匹配時，反射片40的端部與壓制突起37緊密接觸或被壓制突起37壓制，從而部分浮動或扭曲，從而導致翹曲wp(warpage)。
反射片40的翹曲wp也可能是由於背光單元的驅動過程中由LED20發出的熱引起的反射片40的熱膨脹而造成的。
反射片40的翹曲wp可能表現為針對發出的光的諸如莫爾(Moire)的斑駁圖案(mottled pattern)，且結果，可能導致光特性的下降。
由於從LED發出的光通過透鏡提供給液晶面板，因此即使在LED和透鏡之間的對準發生微小變化時，通過透鏡發出的光的分布也可能會有很大的變化，且因此，實現高品質背光更加困難。
隨著大尺寸和超薄螢幕的趨勢，顯示設備已增强來具有高清圖像品質，最近的顯示設備提供範圍從4K(3840x2160)到8K(7680x4320)的解析度。
因此，背光單元應提供高品質的光以應用於提供8K或更高解析度的顯示設備。為此，背光單元應防止由反射片的翹曲引起的光損傷，並且應通過控制LED和透鏡之間的對準來更精確地控制通過透鏡發出的光的發光特性。
為了解決上述問題而開發了本發明，本發明的一目的是提供一種光擴散透鏡，該光擴散透鏡通過防止反射片的翹曲並防止光特性的損傷和變化而能夠提供高品質的光。
本發明的另一目的是提供一種光擴散透鏡，該光擴散透鏡通過準確地控制與LED的對準並精確地控制發射的光的發光特性而能夠提供高品質的光。
為了實現上述目的，根據本發明的一實施例，一種光擴散透鏡包括：一光進入部，凹入地形成在一主體的下表面的中 心；一光發出部，以彎曲狀形成在所述主體的一上表面上；一反射部，沿所述光進入部的周圍形成在所述主體的下表面上；以及一凸緣，沿所述主體的外周從所述光發出部的下端向外突出；其中，所述凸緣形成為允許一反射片與凹設在所述凸緣的下端的一預定空間連結。
此外，所述凸緣可包括從其向外突出的壓制突起。
此外，所述光進入部可包括第一光圖案，所述第一光圖案沿光朝向向上偏移產生的所述凸緣的向上偏移區域行進的區域的周圍形成並且改變光的行進方向。
此外，所述反射部可包括向上向外傾斜的一傾斜表面。
此外，所述光發出部可包括第二光圖案，所述第二光圖案形成在所述凸緣的上側以引導光的發射。
根據本發明的另一實施例，一種用於發光設備的光擴散透鏡包括：一光進入部，凹入地形成在一主體的下表面的中心；一光發出部，以彎曲狀形成在所述主體的上表面上；一反射部，沿所述光進入部的周圍形成在所述主體的下表面上；以及一壓制突起，從所述光發出部的下端向外突出；其中，所述壓制突起形成為允許一反射片與凹設在所述壓制突起的下端的一預定空間連結。
此外，所述光進入部可包括第一光圖案，所述第一光圖案沿朝向所述壓制突起行進的光進入的一區域形成並且改變光 的行進方向。
此外，所述光發出部包括第二光圖案，所述第二光圖案形成在所述壓制突起的上側以引導光的發射。
根據本發明，所述反射片的片孔的端部逸入所述光擴射透鏡的凸緣或壓制突起的下部中，從而能夠防止製造過程的誤差或熱膨脹引起的所述反射片的翹曲，且因此，能夠防止光特性的降低。
另外，本發明不會引起因光擴散透鏡的凸緣的偏移而引起的光損失或亮度差，且因此能夠維持高品質的光特性。
10:基板
20:LED
30:光擴散透鏡
31:主體
32:光進入部
33:光發出部
34:反射部
35:凸緣
36:固定突起
37:壓制突起
40:反射片
100:基板
200:LED
300:光擴散透鏡
310:主體
320:光進入部
321:第一光圖案
330:光發出部
331:第二光圖案
340:反射部
341:傾斜表面
350:凸緣
360:片逸出凹槽
370:固定突起
380:壓制突起
400:反射片
410:片孔
411:端部
L1:特定部分
L2:特定部分
t:向上偏移區域
T:厚度
wp:翹曲
α:預定角度
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是示出相關技術的直接照明型背光單元的主要元件的剖視圖；圖2是示出根據本發明的一直接照明型背光單元的主要部分的立體圖；圖3是示出沿圖2中的I-I線所截取的直接照明型背光單元的剖視圖；圖4是示出作為圖2的主要部分的光擴散透鏡的一第一實施例 的仰視立體圖；圖5是示出沿圖4中II-II線所截取的一剖視圖，說明光擴散透鏡的光行進路徑；圖6是示出沿圖4中III-III線所截取的一放大剖視圖，說明光擴散透鏡的主要部分的凸緣；圖7是示出光擴散透鏡的一第二實施例的剖視圖；圖8是示出圖7中的A區域的光擴散透鏡的光進入部的放大剖視圖；圖9是示出圖7中的B區域的光擴散透鏡的光發出部的放大剖視圖；圖10是示出相關技術的光擴散透鏡與根據本發明的光擴散透鏡的光特性；圖11是示出光擴散透鏡的一第三實施例的剖視圖；以及圖12是示出應用圖11的光擴散透鏡的一背光單元的截面圖。
通過下面將說明的本發明的優選實施例，本發明和通過本發明的實施例實現的技術目的將更清楚。在下文中，將參照附圖詳細說明本發明的優選實施例。
下文說明的實施例中的差異應被理解為不是相互排斥 的。也就是說，下面說明的具體的形狀、結構和特性在不脫離本發明的技術構思和範圍可以在與一個實施例相關的其他實施例中實施，並且應當理解的是，本發明公開的各個實施例中的各個組件的位置或布置可以改變。在附圖中，相似的附圖標記在各個方面表示相同或相似的功能，並且為了方便起見，製造原料、長度、面積和厚度及其形狀可以誇大表示。
圖2是示出根據本發明的一直接照明型背光單元的主要部分的立體圖，圖3是沿圖2中的I-I線所截取一剖視圖，示出直接照明型背光單元，而圖4是示出作為圖2的主要部分的光擴散透鏡300的一第一實施例的仰視立體圖。
參照圖2和圖3，一LED 200安裝在基板100上，一光擴散透鏡300在覆蓋LED 200的同時連結於基板100，而一反射片400安置在基板100上。另外，基板100可以收容且固定於框架(圖中未示出)，並且可以具有擴散板或光學片(圖中未示出，諸如疊置在其上部、與光擴散透鏡300間隔預定距離的稜鏡片)。
具體地，基板100可以形成為條型或板型，並且可以連結LED 200、光擴散透鏡300和反射片400。此外，基板100可以由印刷電路板形成，印刷電路板上具有驅動安裝在其上的LED 200的預定電路，並且基板100可以在其上表面上形成一個或多個連結凹部(圖中未示出)，以允許光擴散透鏡300連結於其上。
LED 200是背光單元的光源，多個LED 200沿縱向以預定間隔安裝在條型的基板100上，或者多個LED 200沿水平方向、竪直方向、對角線方向或特定方向以預定間隔安裝在板型的基板100上。LED 200可以由發射白光的元件或發射藍光的元件形成。當LED 200由藍光發射元件形成時，可將量子點(Quantum dot)片布置在光擴散透鏡300的上部以將藍光轉換為白光。
光擴散透鏡300被配置為將LED 200發射的光擴散，並且在將LED 200收容在其中央的同時連結於基板100。分別收容各LED 200的多個光擴散透鏡300根據基板100的形狀，沿縱向、水平方向、竪直方向、對角線方向或特定方向耦合。光擴散透鏡300可以由具有預定折射率的透明丙烯酸樹脂形成，並且例如可以使用諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、間苯乙烯(MS)、聚碳酸酯(PC)等的樹脂。
本實施例的光擴散透鏡300包括：一主體310，以半球形或圓頂形形成；一光進入部320，凹入地形成在主體310的下表面的中心；一光發出部330，形成在主體310的上表面上；以及一反射部340，沿光進入部320的周圍形成在主體310的下表面上。此外，光擴散透鏡300還包括從光發出部330的下端沿主體310的外周突出的凸緣350，以及形成在主體310的下表面上以與基板100連結的固定突起370。多個固定突起370可以根據與基板100的連結凹部 對應的位置來形成。
另外，向外突出的多個壓制突起380沿凸緣350的周向以預定間隔形成。當光擴散透鏡300與反射片400組裝時，凸緣350或壓制突起380允許反射片400連結於預定空間，該預定空間在從反射部340到光發出部330的方向上且在周向上凹設在凸緣350或壓制突起380的下端。
當組裝反射片400之後，反射片400被外力或熱膨脹移動時，壓制突起380通過壓制片孔410的端部411來防止反射片400與基板100分離。
此外，在凸緣350和壓制突起380下方形成片逸出凹槽(sheet escape recess)360，以允許反射片400逸出到其中。也就是說，凸緣350與反射部340隔開，並且在兩者之間形成片逸出凹槽360。當反射片400組裝之後，反射片400被外力或熱膨脹移動時，片逸出凹槽360允許片孔410的端部411逸出到其中，從而防止反射片400的翹曲。
在如上所述配置的背光單元中，光擴散透鏡300連結於基板100，以允許安裝在基板100上的LED 200收容在光進入部320中，並且反射片400被安置在基板100上，通過片孔410露出光擴散透鏡300。在這種情況下，在組裝反射片400之後，片孔410的端部411逸出到壓制突起380下方的片逸出凹槽360中並固定到壓制突 起380上，從而防止其分離。
圖5是在圖4的II-II線上作出的剖視圖，示出了光擴射透鏡300的光行進方向，圖6是在圖4的III-III線上作出的放大剖視圖，示出了作為光擴射透鏡300的主要部分的凸緣350，圖7是示出了光擴散透鏡300的一第二實施例的剖視圖，圖8是示出圖7的光擴散透鏡300的光進入部320的放大剖視圖，圖9是示出圖7的光擴散透鏡300的光發出部330的放大剖視圖。
首先，如圖5所示，背光單元允許從LED 200發射的光通過光進入部320進入光擴散透鏡300的內部、向邊緣擴散並穿過光發出部330在橫向擴散和發射。因此，光擴散透鏡300將LED 200的光擴散，使針對光源的中心和外部具有均勻的亮度。
本實施例的光擴散透鏡300具有在壓制突起380下方形成的片逸出凹槽360，因此壓制突起380向上偏移。當壓制突起380向上偏移時，凸緣350也朝向設置在其上方的光發出部330偏移預定距離，從而在它們的下部上形成片逸出凹槽360。
凸緣350應具有最小厚度T(參見圖6)，以在使用注塑等的製造過程中保持其形狀。因此，即使在凸緣350和壓制突起380的下部上形成片逸出凹槽360，也不應減小凸緣350和壓制突起380的厚度T，所以凸緣350向上偏移片逸出凹槽360的向上偏移區域t，如圖6所示。
由於凸緣350的向上偏移，光擴散透鏡300的光發出部330的面積減小，並且朝向光發出部330的減小的向上偏移區域t(即，凸緣350向上偏移的區域)行進的光不會發射到外部，而是進入凸緣350的內部。在向上偏移區域t中進入凸緣350的內部的光的一部分可在凸緣350的內部消散，並且一部分光被全反射並在中心區域上通過光發出部330發射。因此，當凸緣350向上偏移時，會發生光損失，從而導致亮度降低，並且光會聚在光擴散透鏡300的中央，並且亮度差增大。
本實施例的光擴散透鏡300防止由凸緣350的偏移引起的光特性的改變。為了實現這一點，光擴散透鏡300通過改變進入光擴散透鏡300的內部並傾向於朝向凸緣350的向上偏移區域t行進的光的行進方向來引導光發射到光發出部330。
參照圖7和圖8，從LED 200發出的光通過光進入部320進入內部，並且傾向於向凸緣350的向上偏移區域t行進的光通過光進入部320的特定部分L1進入。本實施例的光擴散透鏡300在光進入部320的特定部分L1中形成第一光圖案321，並且第一光圖案321改變進入光的行進方向，尤其是改變朝向凸緣350的向上偏移區域t的光的行進方向。
第一光圖案321形成在包括特定部分L1的部分中，在該特定部分L1中，進入光朝向凸緣350的向上偏移區域t行進，並 且第一光圖案321沿光進入部320的內周形成為環形。另外，第一光圖案321可以形成為凹或凸的結構，或者可以形成為凹結構與凸結構重複的凹凸結構，並且可以具有諸如透鏡狀、金字塔形或稜柱形的形狀。
參照圖7與圖8，穿過光進入部320的形成第一光圖案321的區域的光散射。在這種情況下，一部分光朝向光發出部330行進並且直接發射到外部，而一部分光朝向反射部340行進、被反射、然後發射到光發出部330。因此，由於朝向向上偏移區域t的凸緣350行進的光通過第一光圖案321而通過光發出部330發射，所以可以防止光損失並且可以抑制亮度差的增加。
參照圖5和圖7，光擴散透鏡300的反射部340可以包括傾斜表面341。傾斜表面341被配置為從與光進入部320相鄰的位置或從與光進入部320間隔開的位置向上向外傾斜一預定角度α。傾斜表面341將被第一光圖案321向下折射的光朝向布置在其上的光發出部330反射。另外，傾斜表面341與設置在其下方的基板100形成間隙，並且提供散熱路徑，通過該散熱路徑排出LED 200中產生的熱。因此，傾斜表面341防止LED 200元件的壽命降低，並且防止由LED 200中產生的熱引起的光擴散透鏡300和反射片400的變形。傾斜表面341可以形成在光擴散透鏡300的下表面的整個區域上，或者可以形成在一些區域上，並且可以重複地形成多個傾斜 表面341。
參照圖7和圖9，本實施例的光擴散透鏡300可以具有形成在光發出部330上的第二光圖案331。進入光擴散透鏡300內部的光分布在光擴散透鏡300的內部的整個區域上，沿光擴散透鏡300的表面重複全反射且同時，通過光發出部330發射以作為均勻光源。在這種情況下，全反射條件在第二光圖案331中被破壞並且相對大量的光被發射。
由於光擴散透鏡300的凸緣350的向上偏移區域t，光發出部330的面積減小，特別是，橫向方向的亮度減小。相應地，第二光圖案331將分布在光擴散透鏡300內部的光引導以沿橫向方向發射，由此補償了由於凸緣350的向上偏移而導致的亮度降低。
第二光圖案331可以形成在包括光發出部330的與凸緣350相鄰或隔開的特定部分L2的區域中，並且第二光圖案331沿光發出部330的表面的周圍形成為環形。在這種情況下，其中形成第二光圖案331的特定部分L2可以是與凸緣350的向上偏移區域t相對應的部分。另外，第二光圖案331可以形成為凸形或凹形的結構，或可以形成為凹結構與凸結構重複的凹凸結構，並且可以具有諸如透鏡狀、金字塔形或稜柱形的各種形狀。
圖10是示出相關技術的光擴散透鏡和根據本實施例的光擴散透鏡300的光特性的圖。
在圖10的光特性實驗中，在未形成有片逸出凹槽的光擴散透鏡(比較例)的情況下的光特性、在形成有片逸出凹槽360的光擴散透鏡300(第一實施例)的情況下的光特性、以及形成有片逸出凹槽360和第一光圖案321的光擴散透鏡300(第二實施例)的情況下的光特性、和從光擴散透鏡的中心到邊緣的亮度特性，通過曲線圖示出。
參照圖10，能看出的是，與比較例相比，在形成有片逸出凹槽360的第一實施例的光擴散透鏡300的情況下(即，具有向上偏移的凸緣350的光擴散透鏡300)，中心的亮度較高。然而，能看出的是，在光擴散透鏡300如第二實施例的情況下(其中在光擴散透鏡的下表面上形成有片逸出凹槽360且在光進入部320的特定區域L1中形成第一光圖案321)，中心的亮度相對低，邊緣的亮度與比較例基本相同並且高於第一實施例。
因此，本實施例的光擴散透鏡300在維持整體亮度的同時，防止光集中在中央，並且具有使光向邊緣擴散的效果。
圖11是示出光擴散透鏡300的第三實施例的剖視圖，圖12是示出應用圖11的光擴散透鏡300的背光單元的剖視圖。
參照圖11，本實施例的光擴散透鏡300具有直接形成在主體310上的壓制突起380。也就是說，壓制突起380從光發出部330的下端向外突出，並且多個壓制突起380沿周圍以預定間隔形 成。在這種情況下，壓制突起380形成在從反射部340向上偏移的位置處並且具有形成在其下部上的片逸出凹槽360。
相應地，如圖12所示，反射片400的片孔410的端部411插入到片逸出凹槽360中並固定於壓制突起380。
第一光圖案321(參見圖8)可以形成在光進入部320上，並且多個第一光圖案321可以形成在與多個壓制突起380相對應的位置上同時沿光進入部320的周圍以預定間隔形成。在這種情況下，第一光圖案321通過改變朝向壓制突起380行進的光的方向來允許光通過光發出部330發射。
另外，第二光圖案331(參見圖9)可以形成在光發出部330上，且多個第二光圖案331可以沿包括壓制突起380的上側的周圍形成。第二光圖案331能夠通過引導光的發射來防止由壓制突起380引起的亮度降低。
儘管如上已經圖示並說明了本發明的示例性實施例，但是本領域技術人員能夠實施各種變化和其它的實施例。應注意的是，這種變化和其它實施例視為包括在隨附請求項中並且未脫離本發明的真實目的和範圍。
100:基板
200:LED
300:光擴散透鏡
310:主體
320:光進入部
330:光發出部
340:反射部
350:凸緣
360:片逸出凹槽
370:固定突起
380:壓制突起
400:反射片
411:端部

Claims (9)

  1. 一種用於發光設備的光擴散透鏡，所述光擴散透鏡包括：一光進入部，凹入地形成在一主體的下表面的中心，並包括第一光圖案；一光發出部，以彎曲狀形成在所述主體的上表面上；一反射部，沿所述光進入部的周圍形成在所述主體的下表面上；以及一凸緣，沿所述主體的外周從所述光發出部的下端向外突出；其中，所述凸緣形成為允許一反射片與凹設在所述凸緣的下端的一預定空間連結，所述第一光圖案沿朝向向上偏移產生的所述凸緣的向上偏移區域行進的光所進入之區域的周圍形成並且改變光的行進方向。
  2. 如請求項1所述的光擴散透鏡，其中，所述凸緣包括從其向外突出的壓制突起。
  3. 如請求項1所述的光擴散透鏡，其中，所述反射部包括向上向外傾斜的一傾斜表面。
  4. 如請求項1所述的光擴散透鏡，其中，所述光發出部包括第二光圖案，所述第二光圖案形成在所述凸緣的上側以引導光的發射。
  5. 一種用於發光設備的光擴散透鏡，所述光擴散透鏡包括：一光進入部，凹入地形成在一主體的下表面的中心；一光發出部，以彎曲狀形成在所述主體的上表面上，所述光發出部包括第二光圖案，所述第二光圖案形成在所 述凸緣的上側以引導光的發射；一反射部，沿所述光進入部的周圍形成在所述主體的下表面上，並包括向上向外傾斜的一傾斜表面；以及一凸緣，沿所述主體的外周從所述光發出部的下端向外突出；其中，所述凸緣形成為允許一反射片與凹設在所述凸緣的下端的一預定空間連結。
  6. 如請求項5所述的光擴散透鏡，其中，所述凸緣包括從其向外突出的壓制突起。
  7. 一種用於發光設備的光擴散透鏡，所述光擴散透鏡包括：一光進入部，凹入地形成在一主體的下表面的中心，並包括第一光圖案；一光發出部，以彎曲狀形成在所述主體的上表面上；一反射部，沿所述光進入部的周圍形成在所述主體的下表面上；以及一壓制突起，從所述光發出部的下端向外突出；其中，所述壓制突起形成為允許一反射片與凹設在所述壓制突起的下端的一預定空間連結，所述第一光圖案沿朝向所述壓制突起行進的光進入的一區域形成並且改變光的行進方向。
  8. 如請求項7所述的光擴散透鏡，其中，所述光發出部包括第二光圖案，所述第二光圖案形成在所述壓制突起的上側以引導光的發射。
  9. 一種用於發光設備的光擴散透鏡，所述光擴散透鏡包括： 一光進入部，凹入地形成在一主體的下表面的中心；一光發出部，以彎曲狀形成在所述主體的上表面上，所述光發出部包括第二光圖案，所述第二光圖案形成在所述壓制突起的上側以引導光的發射；一反射部，沿所述光進入部的周圍形成在所述主體的下表面上，並包括向上向外傾斜的一傾斜表面；以及一壓制突起，從所述光發出部的下端向外突出；其中，所述壓制突起形成為允許一反射片與凹設在所述壓制突起的下端的一預定空間連結。
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