CN110579932B - 波长转换元件、投影装置及波长转换元件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种波长转换元件，包括基板及波长转换层。波长转换层配置于基板上。波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，波长转换材料混合于第一无机接着剂，第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂。本发明另提供一种使用上述的波长转换元件的投影装置，以及提供一种上述的波长转换元件的制造方法。
Description
技术领域
本发明是关于一种显示装置，特别是关于一种波长转换元件、使用此波长转换元件的投影装置以及波长转换元件的制作方法。
背景技术
投影装置所使用的光源种类随着市场对投影装置亮度、色彩饱和度、使用寿命、无毒环保等等要求，从超高压汞灯(UHP lamp)、发光二极管(light emitting diode,LED)进化到激光二极管(laser diode,LD)。
目前高亮度的红色激光二极管及绿色激光二极管的成本过高，为了降低成本，通常采用蓝色激光二极管激发荧光粉转轮上的荧光粉来产生黄光、绿光，再经由色轮(filterwheel)将所需的红光过滤出来，再搭配蓝色激光二极管发出的蓝光，而构成投影画面所需的红、绿、蓝三原色。
荧光粉转轮为目前采用激光二极管为光源的投影装置中极为重要的元件。然而，已知荧光粉转轮的荧光粉层为使用高透光硅胶混合荧光粉，由于高透光硅胶导热性差且耐温性低，故无法因应高功率的激光投影装置的需求。此外，已知荧光粉转轮中，漫反射材料需经大于400℃的高温固化而形成漫反射层，固化后的漫反射层具有较多孔隙，会造成荧光粉转轮反射率的下降。
本“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”中所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。此外，在“背景技术”中所揭露的内容并不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种波长转换元件，可提升耐温性，并能提升能量耐承受度。
本发明提供一种波长转换元件的制作方法，可提升波长转换元件的耐温性与能量耐承受度。
本发明提供一种投影装置，可改善影像亮度下降的情况。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的波长转换元件包括基板及波长转换层。波长转换层配置于基板上。波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，波长转换材料混合于第一无机接着剂，第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的投影装置包括照明系统、光阀及投影镜头。照明系统适于提供照明光束。光阀配置于照明光束的传递路径上，以将照明光束转换成影像光束。投影镜头配置于影像光束的传递路径上。其中照明系统包括激发光源及上述的波长转换元件。激发光源适于提供激发光束。波长转换元件配置于激发光束的传递路径上，波长转换元件的波长转换层适于将激发光束转换成转换光束，而照明光束包括转换光束。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明一实施例所提供的波长转换元件的制作方法包括：提供基板，以及将波长转换层形成于基板上，波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，波长转换材料混合于第一无机接着剂，第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂。
本发明实施例的波长转换元件中，波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂，使用上述的第一无机接着剂所制成的波长转换层，由于可直接配置而不需再经由中间介质层黏接，相较于已知的波长转换层，可提升影像亮度。此外，使用上述的第一无机接着剂所制成的波长转换层可进而改善高温烧结造成的基板软化变形或者高反射材料镀膜脱膜或膜失效的问题，并且可提升耐温性，还可提升能量耐承受度，因此可运用于高功率的投影装置。本发明实施例的波长转换元件的制作方法由于使用上述的第一无机接着剂，因此可以制作出上述的波长转换元件。本发明实施例的投影装置因使用上述的波长转换元件，因此可改善影像亮度下降的情况。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一实施例的波长转换元件的示意图。
图2A是本发明另一实施例的波长转换元件的示意图。
图2B是本发明另一实施例的波长转换元件的示意图。
图3是本发明一实施例的光线于波长转换元件上所形成的光斑的示意图。
图4A是本发明一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。
图4B是本发明另一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。
图5A是本发明另一实施例的波长转换元件的示意图。
图5B是本发明另一实施例的波长转换元件的示意图。
图6是本发明一实施例的投影装置的方块示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1是本发明一实施例的波长转换元件的示意图。请参考图1，本实施例的波长转换元件100包括基板110及波长转换层120。波长转换元件100例如为片状元件，但不局限于此，在其他实施例中，波长转换元件100也可以是波长转换轮，而基板110例如为转盘。波长转换层120配置于基板110上。波长转换层120包括第一无机接着剂及波长转换材料，波长转换材料混合于第一无机接着剂，第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂，且第一无机接着剂的固化温度为200℃～300℃。波长转换材料例如为荧光粉或量子点(Quantum dot)，但不局限于此。上述的基板110材料例如为金属，但不局限于此，金属例如包括铝、铝合金、铜、铜合金、氮化铝、碳化硅等。
上述的第一醇溶性无机接着剂的成分例如包含硅氧烷以及金属氧化物。金属氧化物中所使用的金属例如为铝、钛、锆等。
上述的第一水溶性无机接着剂的成分例如包含硅溶胶、磷酸盐、玻璃胶、以及水玻璃至少其中之一。此类第一水溶性无机接着剂的性质例如为在固化前呈现透明液态，黏度小于1000cps，光线的穿透率大于90％。
本实施例的波长转换元件100中使用第一无机接着剂来制作波长转换层120，第一无机接着剂包括醇溶性无机接着剂或水溶性无机接着剂，上述配方的第一无机接着剂中具有羟基(-OH)，在固化升温的过程中，约在200℃～300℃的情况下，相邻的羟基会脱水并形成键结。举例而言，水溶性无机接着剂中的硅溶胶的胶体粒子表面具有大量的硅醇基(Si-OH)，在升温的过程中，胶体粒子会互相靠近，硅醇基中相邻的羟基会脱水而形成-Si-O-Si-键，达到固化的效果。此种方式的固化温度仅为200℃～300℃，相较于已知材料的固化温度需大于400℃，本发明实施例的波长转换层120可改善高温(>400℃)烧结产生的细小孔隙及易吸附液体的特性。此外，相较于已知的波长转换层，本实施例的波长转换层120可提升耐温性，以及在相同厚度下，可以提升能量耐承受度。以已知材料为磷硅胶的波长转换层为例，本实施例的波长转换层120c的耐温性可达400℃～600℃，而已知的磷硅胶波长转换层的耐温性仅约为200℃。而本实施例的波长转换层120c所能承受的激发光束能量，约为已知的磷硅胶波长转换层的150％～180％。
为达到上述效果，本实施例的波长转换层120在垂直于基板110的方向C上的厚度范围例如为0.10mm～0.25mm。第一无机接着剂占波长转换层120的体积比例如为5％～50％，重量百分比例如为5％～50％。
图2A、2B是本发明另两实施例的波长转换元件的示意图。请参考图2A、2B，波长转换元件100a、100b与上述波长转换元件100的功能及优点相似，差异在于波长转换元件100a、100b例如还包括反射层。
在图2A的实施例的波长转换元件100a中，反射层例如为高反射层130，配置于基板110及波长转换层120之间。高反射层130的材料例如包括银、银合金、铝、铝合金或介电质。当高反射层130的材料为上述所举例的金属时，可再额外加上介电质层及保护层至少其中之一，保护层可以保护金属以避免被氧化。
在图2B的实施例的波长转换元件100b中，反射层例如为漫反射层140，配置于基板110及波长转换层120之间，漫反射层140包括第二无机接着剂以及混合于其中的漫反射粒子，第二无机接着剂包括第二醇溶性无机接着剂或第二水溶性无机接着剂。其中第二无机接着剂可以是上述任一实施例的无机接着剂。
上述的漫反射粒子的材料例如为白色粒子，并包括二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、氮化硼及二氧化锆至少其中之一，但不局限于此。
本实施例的波长转换元件100b中使用第二无机接着剂来制作漫反射层140，由于第二无机接着剂可以是上述任一实施例的无机接着剂，因此第二无机接着剂的固化温度仅为200℃～300℃，相较于已知材料的固化温度需大于400℃，本发明实施例的漫反射层140可改善高温(>400℃)烧结产生的细小孔隙及易吸附液体的特性，使光线入射至漫反射层140时较易被反射，因此可提升波长转换元件100b的反射率。以本发明实施例而言，漫反射层140对于波长为400nm～700nm的光线的反射率为大于或等于92％。
为达到上述的漫反射效果，上述的漫反射层140在垂直于基板110的方向C上的厚度例如为0.03mm～0.15mm，漫反射粒子的粒径例如为5nm～500nm。此外，上述的无机接着剂占漫反射层140的体积比例如为10％～80％，重量百分比例如为30％～70％。
图3是本发明一实施例的光线于波长转换元件上所形成的光斑的示意图。请参考图1、2及图3，在将上述的波长转换层120及反射层(高反射层130或漫反射层140)配置于基板110上时，波长转换层120及反射层(高反射层130或漫反射层140)在平行于基板110的方向A上的宽度D(本实施例中两层的宽度相同，因此仅以D代表两层的宽度)皆需大于光线于波长转换元件100、100a、100b上形成的光斑S的长轴B(图3中以最上层的波长转换层120示意)，使得光线能照射于波长转换元件100、100a、100b上，以提升光的利用率。
图4A是本发明一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。请参考图1及图4A，本实施例的波长转换元件100的制造方法包括以下步骤：进行步骤S101：提供基板110，接着，进行步骤S103：将波长转换层120形成于基板110上。
图4B是本发明另一实施例的波长转换元件的制造方法的流程示意图。请参考图2A、2B及图4B，本实施例的波长转换元件100a、100b的制造方法包括以下步骤：进行步骤S201，提供基板110，接着，进行步骤S202，将反射层形成于基板110上，之后再执行步骤S203，将波长转换层120形成于反射层上。在图4B的实施例中，反射层位于基板110及波长转换层120之间。
在图4B的制造方法中，以图2A的实施例为例，具体而言，反射层为高反射层130，在进行步骤201后，接着在步骤S202例如是将高反射层130以蒸镀或溅镀的方式镀膜于基板110的第一表面111，接着，步骤S203例如是将波长转换层120涂布或印刷于高反射层130的远离基板110的第二表面131，再使波长转换层120在200℃～300℃的温度下进行固化。
在图4B的制造方法中，若以图2B的实施例为例，具体而言，反射层为漫反射层140，在进行步骤201后，接着在步骤S202例如是将漫反射层140涂布或印刷于基板110的第一表面111，再使漫反射层140在200℃～300℃的温度下进行固化，接着，步骤S203例如是将波长转换层120涂布或印刷于漫反射层140的远离基板110的第二表面141，再使波长转换层120在200℃～300℃的温度下进行固化。
以图2B为例，在制造上述的波长转换元件100b时，漫反射层140与波长转换层120在平行于基板110的方向A上的宽度D可以是相同或不同，然而为达到优选的漫反射效果，漫反射层140与波长转换层120两者的宽度比范围例如为0.7～1.5。以下将举例说明不同实施例中的涂布情况。
图2B的实施例中漫反射层140与波长转换层120在平行于基板110的方向A上的宽度D(以下简称为宽度)为相同。图5A为本发明另一实施例的波长转换元件100c的示意图。图5B是本发明另一实施例的波长转换元件100d的示意图。请参考图5A及图5B，在漫反射层140c的宽度D1小于波长转换层120c的宽度D2的实施例中(图5A)，将波长转换层120c涂布于漫反射层140c时，波长转换层120c的周边例如可覆盖过漫反射层140c的两侧边并直接涂布于基板110，使得波长转换层120c能更稳固的黏接于基板110，让波长转换元件100c的整体结构更稳定。此外，亦可使漫反射层140的宽度D3大于波长转换层120d的宽度D4(如图5B所示)。
图6是本发明一实施例的投影装置的方块示意图。请参考图6，在本实施例中，上述的波长转换元件100例如为波长转换轮，其中的基板110例如为转盘。本实施例的投影装置1包括照明系统10、光阀20及投影镜头30。照明系统10适于提供照明光束L1。照明系统10包括激发光源11及上述的波长转换元件100(波长转换轮)。激发光源11适于提供激发光束Le。波长转换元件100配置于激发光束Le的传递路径上，且包括波长转换区(图未示)。波长转换区包括上述的波长转换层120及反射层(可为高反射层130或漫反射层140)，波长转换元件100的波长转换区适于将激发光束Le转换成转换光束Lp，而照明光束L1即包括转换光束Lp，但不限于此。照明系统10可还包括其他光学元件，例如：合光元件、色轮、光均匀化元件及聚光透镜，以使照明光束L1传递至光阀20。光阀20配置于照明光束L1的传递路径上，以将照明光束L1转换成影像光束L2。光阀20可以是穿透式光阀或反射式光阀，其中穿透式光阀可以是液晶显示面板，而反射式光阀可以是数字微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)或硅基液晶面板(liquid crystal on silicon panel,LCoS panel)。依不同的设计架构，光阀的数量可为一个或多个。投影镜头30配置于影像光束L2的传递路径上，且用于使影像光束L2投射出投影装置1。
图6中是以图1的波长转换元件100为例，但波长转换元件100可替换成上述任一实施例的波长转换元件。
而当本实施例的投影装置1使用上述的波长转换元件100、100a、100b、100c、100d时，由于波长转换层120、120c、120d使用上述的无机接着剂，在制程方法上，波长转换层120可直接涂布于基板110上，或者，高反射层130、漫反射层140、140c可直接涂布于基板110上，波长转换层120、120c、120d再涂布于高反射层130、漫反射层140、140c上，因此不须再经由中间介质层黏接至基板110，而由于中间介质层可能会影响波长转换元件的导热及反射效果，因此上述的波长转换元件100、100a、100b、100c相较于已知的波长转换元件可以改善激发光束Le入射时因为经过中间介质层而影响反射效果的情形，进而改善影像亮度下降的情况。此外，以铝制基板为例，在超过300℃的温度下可能会产生基板软化变形的情况，再者，一般前述镀膜的高反射层材料在超过300℃的温度下可能会产生脱膜或膜失效的情况，若使用上述制程方法，波长转换层120直接涂布于基板110上进行固化时，或者漫反射层140、140c直接涂布于基板上进行固化时，或者波长转换层120涂布于高反射层130上进行固化时，由于固化温度为200℃～300℃，因此可改善固化温度大于400℃的已知材料直接涂布于基板上所造成的基板软化变形问题，或者可改善固化温度大于400℃的已知材料涂布于高反射材料上所造成的脱膜或膜失效问题。再者，相较于已知的波长转换层，上述的波长转换层120、120c、120d可提升耐温性，并且能提升能量耐承受度。
本实施例的投影装置1由于使用上述的可提升反射率的波长转换元件100b、100c、100d，因此可提升影像亮度。举例而言，将使用材料为磷玻璃的波长转换层加本发明实施例的漫反射层140的波长转换元件100b以及使用材料为磷玻璃的波长转换层加已知漫反射层的波长转换元件进行积分球亮度量测，本发明实施例的波长转换元件100b相较于使用已知漫反射层的波长转换元件，亮度可以提升约3％。
综上所述，本发明实施例的波长转换元件中，波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂，使用上述的第一无机接着剂所制成的波长转换层，由于可直接涂布而不需再经由中间介质层黏接，相较于已知的波长转换层，可提升影像亮度。此外，使用上述的第一无机接着剂所制成的波长转换层可进而改善高温烧结造成的基板软化变形或者高反射材料镀膜脱膜或膜失效的问题，并且可提升耐温性，还可提升能量耐承受度，因此可运用于高功率的投影装置。本发明实施例的波长转换元件的制作方法由于使用上述的第一无机接着剂，因此可以制作出上述的波长转换元件。本发明实施例的投影装置因使用上述的波长转换元件，因此可改善影像亮度下降的情况。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记
1：投影装置
10：照明系统
11：激发光源
20：光阀
30：投影镜头
100、100a、100b、100c、100d：波长转换元件
110：基板
111：第一表面
120、120c、120d：波长转换层
140、140c：漫反射层
131、141：第二表面
A：平行方向
C：垂直方向
B：长轴
D、D1、D2、D3、D4：宽度
L1：照明光束
L2：影像光束
Le：激发光束
Lp：转换光束
S：光斑
S101、S103、S201、S202、S203：步骤
Claims (17)
1.一种波长转换元件，其特征在于，包括基板以及波长转换层：
所述波长转换层配置于所述基板上，所述波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，所述波长转换材料混合于所述第一无机接着剂，所述第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂，
其中，所述波长转换元件还包括反射层，所述反射层配置于所述基板及所述波长转换层之间，所述波长转换元件的所述反射层为漫反射层，所述漫反射层包括第二无机接着剂以及混合于其中的多个漫反射粒子，所述第二无机接着剂包括第二醇溶性无机接着剂或第二水溶性无机接着剂，
其中，所述波长转换层的所述第一无机接着剂的固化温度为200℃～300℃，以及
其中，所述漫反射层的所述第二无机接着剂的固化温度为200℃～300℃。
2.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换层的所述第一无机接着剂为所述第一醇溶性无机接着剂，所述第一醇溶性无机接着剂的成分包含硅氧烷以及金属氧化物。
3.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换层的所述第一无机接着剂为所述第一水溶性无机接着剂，所述第一水溶性无机接着剂的成分包括硅溶胶、磷酸盐、玻璃胶及水玻璃至少其中之一。
4.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换元件的所述反射层为高反射层，所述高反射层的材料包括银、银合金、铝、铝合金及介电质至少其中之一。
5.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述漫反射层的所述第二无机接着剂为所述第二醇溶性无机接着剂，所述第二醇溶性无机接着剂的成分包含硅氧烷以及金属氧化物。
6.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述漫反射层的所述第二无机接着剂为所述第二水溶性无机接着剂，所述第二水溶性无机接着剂的成分包括硅溶胶、磷酸盐、玻璃胶及水玻璃至少其中之一。
7.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述多个漫反射粒子的材料包括二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、氮化硼及二氧化锆至少其中之一。
8.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述漫反射层与所述波长转换层在平行于所述基板的方向上的宽度比为0.7～1.5。
9.如权利要求1所述的波长转换元件，其特征在于，所述波长转换元件为波长转换轮，所述基板为转盘。
10.一种投影装置，其特征在于，包括照明系统、光阀及投影镜头，
所述照明系统适于提供照明光束，
所述光阀配置于所述照明光束的传递路径上，以将所述照明光束转换成影像光束，
所述投影镜头配置于所述影像光束的传递路径上，
其中所述照明系统包括激发光源及波长转换元件：
所述激发光源适于提供激发光束；以及
所述波长转换元件配置于所述激发光束的传递路径上，所述波长转换元件的所述波长转换层适于将所述激发光束转换成转换光束，而所述照明光束包括所述转换光束，且其中所述波长转换元件包括基板以及波长转换层：
所述波长转换层配置于所述基板上，所述波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，所述波长转换材料混合于所述第一无机接着剂，所述第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂，
其中，所述波长转换元件还包括反射层，所述反射层配置于所述基板及所述波长转换层之间，所述波长转换元件的所述反射层为漫反射层，所述漫反射层包括第二无机接着剂以及混合于其中的多个漫反射粒子，所述第二无机接着剂包括第二醇溶性无机接着剂或第二水溶性无机接着剂，
其中，所述波长转换层的所述第一无机接着剂的固化温度为200℃～300℃，以及
其中，所述漫反射层的所述第二无机接着剂的固化温度为200℃～300℃。
11.一种波长转换元件的制作方法，其特征在于，包括：
提供基板；
将反射层形成于所述基板上，其中所述反射层为漫反射层，所述漫反射层包括第二无机接着剂以及混合于其中的多个漫反射粒子，所述漫反射层的所述第二无机接着剂包括第二醇溶性无机接着剂或第二水溶性无机接着剂，其中将所述漫反射层涂布或印刷于所述基板的第一表面，以及使所述漫反射层在200℃～300℃的温度下进行固化；以及
将波长转换层涂布或印刷于所述反射层的远离所述基板的第二表面上，其中所述反射层位于所述基板及所述波长转换层之间，所述波长转换层包括第一无机接着剂及波长转换材料，所述波长转换材料混合于所述第一无机接着剂，所述第一无机接着剂包括第一醇溶性无机接着剂或第一水溶性无机接着剂，其中使所述波长转换层在200℃～300℃的温度下进行固化。
12.如权利要求11所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，所述波长转换层的所述第一无机接着剂为所述第一醇溶性无机接着剂，所述第一醇溶性无机接着剂的成分包含硅氧烷以及金属氧化物。
13.如权利要求11所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，所述波长转换层的所述第一无机接着剂为所述第一水溶性无机接着剂，所述第一水溶性无机接着剂的成分包括硅溶胶、磷酸盐、玻璃胶及水玻璃至少其中之一。
14.如权利要求11所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，所述反射层为高反射层，所述高反射层的材料包括银、银合金、铝、铝合金及介电质至少其中之一。
15.如权利要求14所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，将所述高反射层形成于所述基板上的方法包括：
将所述高反射层以蒸镀或溅镀的方式镀膜于所述基板的第一表面。
16.如权利要求11所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，所述漫反射层的所述第二无机接着剂为所述第二醇溶性无机接着剂，所述第二醇溶性无机接着剂的成分包含硅氧烷以及金属氧化物。
17.如权利要求11所述的波长转换元件的制作方法，其特征在于，所述漫反射层的所述第二无机接着剂为所述第二水溶性无机接着剂，所述第二水溶性无机接着剂的成分包括硅溶胶、磷酸盐、玻璃胶及水玻璃至少其中之一。
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