TW200817777A - Hollow type flat lighting system - Google Patents

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200817777 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明，係有關例如液晶顯示裝置之背光單元般地， 從發光面射出均一亮度分布之照明光線的中空式面照明裝 置。 【先前技術】 近年來，做爲液晶顯示裝置之背光單元用的光源，係 從冷陰極放電燈進步到由LED代替。這是因爲LED不含 有害物質之水銀，適合做爲環保型光源，還有最近大幅提 高發光效率而可大幅降低消耗電力之故。具備LED做爲 光源之背光單元，目前以對應行動電話或行動終端機等小 型機器的用途爲中心，但是最進也進步到被20吋以上之 液晶螢幕或液晶電視等大型液晶顯示裝置所採用。 大型液晶顯示裝置之情況下，該背光單元會被要求高 亮度。因此小型背光單元一般所採用，在導光板側部配置 光源使其發光，從導光板側面來導光而擴散、反射，來從 導光板外面側之面發光部射出的邊緣發光方式，並不能被 採用爲大型液晶顯示裝置的背光。做爲大型液晶顯示裝置 用之背光單元，係如日本特開2005 - 3 1 63 3 7號公報所記載 ，一般是在面發光部正下方配置LED光源的直下型背光 單元。 此種直下型背光單元，因爲光源是LED，故排列後之 多數LED與面發光部的距離若太接近，則會被辨識爲亮 200817777 度不均、色彩不均，使得其照明之液晶的顯示品質惡化。 此現象，在爲了實現高亮度，而將每1個之電力爲1W等 級以上的高輸出LED做爲光源時，尤其明顯。反過來看 ，爲了降低亮度不均、色彩不均，而拉遠LED與面發光 部（擴散板）的距離，會導致裝置整體厚度增加，有違近 年來薄型化之傾向而不理想。 做爲可薄型且大型化之中空式邊緣發光方式的背光單 元，已知有日本特開平8 - 1 7 1 8 0 6號公報所記載者。此文 件所記載之背光單元，係於機殼具備有：在一側邊具備有 射光部之長條狀光源；和在此光源之光射出方向前方側底 部擴張，將自該光源遠離之部位向上傾斜的亂反射層；和 將此亂反射層所亂反射之光線向上面導引的空氣層；和設 置於機殻上面的光擴散層；和靠近配置於光源之射光部的 長條狀凸透鏡體。此先前之背光單元，係藉由長條狀凸透 鏡體之聚光特性，使來自長條狀光源之光線會聚光在亂反 射層的1個場所；其要對發光面整體得到均一亮度，尤其 就大面積之背光單元來說是困難的問題點。 另一方面，做爲中空式邊緣發光式背光單元，已知有 日本特開2006- 1 062 1 2號公報（專利文件3 )所記載者。 然而此文件3所記載之背光單元，其光源之LED數量較 少，有難以將做爲背光單元所需之白色光做大面積發光的 問題點。 【發明內容】 -5- 200817777 發明所欲解決之課題 本案中所謂「邊緣發光方式」，係從發光面之背部側 邊的光源，射出對發光面平行之方向的光線，將此光線折 射、反射、擴散而導光至發光面的照明方式。 本發明係有鑑於上述之先前的技術課題而完成者，其 目的爲提供一種邊緣發光方式之中空式面照明裝置，其不 必將裝置大型化，就可達成照明光的高亮度化以及照度的 高度均一化。 用以解決課題之手段 本發明之特徵點，係在於一種中空式面照明裝置，在 中空之單元箱的底面側配置光反射面構件；在上述單元箱 之與上述光反射面構件相向的外面側，配置發光面構件； 將上述單元箱中，由上述光反射面構件與發光面構件所夾 的空間，做爲中空導光區域；使於配線基板1表面黏著成 列設置多數個LED而成的LED光源鄰接於上述中空導光 區域，以可射出至該中空導光區域的方式來配置；將相對 於單元厚度方向之LED光軸上以成爲平行之方式把來自 上述LED光源的光線予以聚光之LED準直器，以與上述 LED之排列呈平行地配置在上述LED光源的射出部；於 上述LED準直器，係設置有：讓來自上述LED排列之光 線折射，導入箱體內或射出的折射聚光功能部，以及讓導 入體內之光線全反射而射出到上述中空導光區域的全反射 聚光功能部。 -6- 200817777 上述中空式面照明裝置中，上述單元箱之光反射面構 件，可以使用具有高反射率之擴散反射性構件。 又，上述中空式面照明裝置中，上述單元箱之發光面 構件，可使用能讓來自上述中空導光區域之光線透過並擴 散的光透過性擴散構件。 更且，上述中空式面照明裝置中，上述LED光源， 係將紅色LED與藍色LED以特定排列方式表面黏著成列 設置於上述配線基板；並且，在上述中空導光區域之外面 側，且爲上述發光面構件之內面側，可設置吸收上述藍色 LED所放出之藍色光線而轉換爲綠色光線的波長轉換薄片 〇 若依本發明，藉由在LED光源之射出側配置LED準 直器，可以將LED光源之光線變成有效率且平行度較高 的光線，導入單元箱內之中空導光區域，而可從面發光部 均一地射出；結果，可射出高亮度且均一度也高的光線， 而可提供一種能被採用爲大型液晶顯示裝置之背光單元的 LED光源、邊緣發光方式的中空式面照明裝置。 【實施方式】 以下，依據圖示詳細說明本發明之實施方式。 (第1實施方式）第1圖、第2圖係表示本發明之一 種實施方式中，做爲中空式面照明裝置的液晶顯示裝置用 背光單元。此背光單元係在矩形之單元箱1的底面中央， 配置有沿著平行於一個邊之線隆起爲山型’其稜線兩側越 200817777 途則越來越低之山型的光反射構件2。在此單元箱1之表 面開口面’配置有發光面構件3。然後在單元箱1從發光 面構件3側覆蓋前框體4，與單元箱1 一體化，藉此完成 本實施方式的背光單元。單元箱！內，由光反射面構件2 與發光面構件3所包夾的空間部份，則成爲中空導光區域 10。 光反射面構件2，係於金屬或樹脂等基材層積上高反 射性’且具有擴散反射性的材料，例如白色P E T薄膜或白 色墨水，且製爲與發光面3之距離會改變的形狀，以使發 光面構件3中之亮度分布可成爲均一化。做爲具有光擴散 反射性之材料，除了上述以外，也可以在具有鏡面反射性 之高反射鋁等塗佈光透過性擴散材料。 發光面構件3，係最少對光透過擴散板3 a，更加重疊 上擴散薄片3B、3C，透鏡薄片3D等光學薄片而成者；將 通過中空導光區域1 0 ’碰到山型之光反射構件2而反射過 來的光線加以均一地擴散、射出，藉此達成使發光面亮度 沒有不均，均一度提高的工作。 單元箱1，係由鋁合金等高熱傳導性的金屬所形成。 此單元箱1中平行於光反射面構件2之稜線的兩側面，分 別配置有LED基板5。此LED基板5，係在具有單元箱1 之該側面可收容之寬度的細長配線基板6上，將多數個 LED 71表面黏著成列設置爲一列或複數列者。配線基板6 係由高熱傳導性之鋁系、銅系合金等金屬，或氮化鋁等陶 瓷所形成，以螺絲、黏者或其他手段固定在局熱傳導性之 -8- 200817777 單元箱1的側壁。另外，此配線基板6與單元箱1之側壁 之間，介入有高熱傳導性之雙面膠帶、薄片或油膏等爲佳 。安裝於LED基板5上之LED7，係使用以爲了合成期望 之白色色度的數量比，而配置的紅色、綠色、藍色等3色 LED ;或是藉由藍色LED晶片與黃色螢光體之組合，來發 出白光的複數LED。 然後LED基板5之射出側與中空導光區域1 0之間， 配置有細長的LED準直器9，其覆蓋LED7之排列，並形 成有由將LED7所擴散放射之放射光加以入光之凹溝8所 構成的入射面。 此LED準直器9，係由將安裝於LED基板5之LED 7 所擴散放射之放射光加以入光的凹溝8，和連接該凹溝8 之上下兩端而彎曲的全反射面，和聯繫結合複數彎曲面的 放射面所形成；是一種用以將在此放射面以高度爲準而聚 光爲略平行光的光線，入光到中空導光區域1 0的光學構 件；例如由丙烯酸或聚碳酸酯等透明樹脂，或是玻璃來形 成。 如第3圖、第4圖詳細表示般，LED準直器9中面對 LED 7列的入射部側形成有凹溝8。此凹溝8之溝壁面， 係成爲將接近LED7光軸之角度之放射光導光到體內的凸 形狀入射面InA ;和將遠離LED7光軸之角度之放射光導 光到體內的平面形狀入射面ΙηΒΙ、ΙπΒ2。LED準直器9 在圖中位於下側與上側的側面，係彎曲爲能夠全反射體內 之光線的全反射面TIR1、TIR2。LED準直器9之出射部 200817777 ，係成爲對應來自入射面InA之入射光的凸形狀出射面 ExA ;和對應自入射面ΙηΒΙ、ΙπΒ2射入後，被全反射面 ΤIR 1、ΤIR 2全反射之光線的凹曲面形狀出射面Ε X Β 1、 ΕχΒ2。 上述實施方式之背光單元，係如第4圖詳細表示般， 藉由LED準直器9，可將來自LED基板5中LED7之光線 聚光到中空導光區域1 〇的厚度方向，而射入到此中空導 光區域1 0。亦即在LED準直器9中，從LED7射入到入 射面InA之光RYA，係在剖面凸形狀之入射面InA及出射 面ExA折射，而被聚光在中空導光區域1〇的厚度方向。 又，射入到入射面ΙηΒ1、ΙηΒ2之光線RYB1、RYB2，會 藉由全反射面TIR1、TIR2之全反射與出射面ExBl、ExB2 的折射，而被聚光在中空導光區域10的厚度方向。 從LED準直器9射出到中空導光區域1〇之光線RYA 、RYB1、RYB2，係在形狀被最佳化之反射面構件2的反 射面，被反射到發光面構件3的方向，而從此發光面構件 3之發光面，以高亮度且沒有亮度不均的狀態射出。 若依本實施方式之背光單元，藉由LED準直器9之 存在，可將自光源亦即LED7以廣角度所放射之光線，用 光利用效率8 0 %以上之高效率且窄角度來聚光，將中空導 光區域1 〇中之反射損失控制到最低限度，而比起先前之 中空方式之背光單元可更加提高亮度。又，先前之中空方 式之背光單元，爲了使光線能從光源盡量到達遠方，係將 中空導光區域之反射面做爲鏡面反射性，或是接近鏡面的 -10- 200817777 反射特性，而在發光面會產生局部性亮線；但是本實施方 式之背光單元之情況下，因爲光源之聚光性較高，故即使 將反射面做爲擴散反射性也可提高亮度均一度，且可防止 局部性売線的產生。 第5圖，係針對本實施方式之背光單元3 0，對分別設 置於發光面之相向兩側面的一對LED光源5，將其造成之 光源線的直角方向（正交於LED排列方向或是平行於 LED光軸方向的方向）做爲亮度分布測定線3 1，表示在 該亮度分布測定線3 1上一對LED光源5所造成之光源線 之間的亮度分布。另外，LED光源5在此情況下，於第5 (a )圖之背光單元3 0中，係被設置爲相向於上下個別的 長邊。 (第2實施方式）使用第6圖、第7圖，說明本發明 第2實施方式之背光單元。本實施方式之背光單元，特徵 係做爲LED準直器9A，是使用第6圖、第7圖所示者； 雖然與第1圖、第2圖所示之第1實施方式的LED準直 器9爲相同形狀，但是將凹溝8A之溝壁面所構成的入射 面InA、InBl、InB2做爲稜鏡面。另外本實施方式中，其 他構造與第1圖、第2圖所示之第1實施方式的背光單元 共通。 本實施方式之背光單元，係如第7圖所示，來自LED 基板5上之LED7的光線，在從凹溝8A之溝壁面所構成 的入射面InA、InBl、InB2射入LED準直器9時，會於 稜鏡面有效率地往LED準直器方向擴散。從而來自LED7 -11 - 200817777 之光線，擴散到此LED準直器9的整個體內之後，從出 射面ExA、ExBl、ExB2射出到中空導光區域10。然後與 第1實施方式一樣，從LED準直器9A射出到中空導光區 域1 〇的光線，在形狀被最佳化之反射面構件2的反射面 ，被反射到發光面構件3的方向，而從此發光面構件3之 發光面，以高亮度且沒有亮度不均的狀態射出。 另外本實施方式中，LED準直器9A之由凹溝8A之 溝壁面所構成的入射面ΙηΑ、ΙηΒΙ、ΙιιΒ2係全部做爲棱鏡 面，但是僅將其中一面或兩面做爲稜鏡面，也可提高光擴 散效果。 (第3實施方式）使用第8圖、第9圖，說明本發明 第3實施方式之背光單元。本實施方式之背光單元，特徵 係做爲LED準直器9B，是使用第8圖、第9圖所示者； 雖然與第1圖、第2圖所示之第1實施方式的LED準直 器9爲相同形狀，但是將長邊方向之兩端部分別以凹溝 8B來中斷，將該凹溝8B之溝端壁面做爲端部入射面inC ;又，將LED準直器9B之端面做爲端部全反射面TiR3。 另外本實施方式中，其他構造也與第1圖、第2圖所示之 第1實施方式的背光單元共通。 本實施方式之背光單元，係如第9圖所示，來自LED 基板5上之LED7的光線，係從凹溝8B之溝壁面所構成 的入射面ΙηΑ、ΙηΒΙ、InB2射入LED準直器9，同時在長 邊方向之兩端部也從端部入射面InC射入。然後在LED 準直器9B內部，與第4圖所示相同，將入射光折射或全 -12- 200817777 反射，從出射面ExA、ExB 1、ΕχΒ2有效聚光而射出到中 空導光區域10;同時在LED準直器9Β之兩端部，則如第 9圖所示，將從端部入射面InC射入到端部體內之光線， 以端部全反射面TIR3做全反射，從出射面ExA、ExB 1、 ExB2射出到中空導光區域10。 藉此，本實施方式之背光單元中，來自位於LED基 板5之端部之LED7的光線，可抑制其在接觸單元箱1之 壁面時的反射及吸收耗損，而可提高發光面的亮度。 另外，此第3實施方式中，也可與第2實施方式一樣 ，將凹溝8B之溝壁面一面或複數面做爲稜鏡面，藉此可 提升對LED準直器8B入射光的擴散情況。 (第4實施方式）使用第10圖〜第12圖，說明本發 明第4實施方式之背光單元。本實施方式之背光單元，特 徵係LED基板5之構造，和配置在中空導光區域2之外 面側，並且爲發光面構件3之內面側的波長轉換薄片1 3 0 。另外本實施方式中，其他構造也與第1圖、第2圖所示 之第1實施方式的背光單元共通。 如第10圖、第11圖所示，本實施方式之背光單元中 ，LED基板5係在配線基板6上交互排列有發出藍色光線 的藍色LED7B與發出紅色光線的紅色LED7R，來排列構 成；不像其他實施方式有使用率色LED。又，爲了將藍色 光與紅色光與綠色光混合做爲白色光，係在中空導光區域 1 〇之初光面側亦即外面側，且爲發光面構件3的內面側， 設置將藍色光轉換爲綠色光的波長轉換薄片1 3 0。 -13- 200817777 藍色LED7B與紅色LED7R，係準備爲例如個別之數 量爲2 : 1的比例，或亮度爲2 : 1的比例，來安裝於配線 基板6。此等LED可以是表面發光型，也可以是端面發光 型。但是都被鑲嵌爲該發光可射入到準直器9的凹溝8內 〇 紅色LED7R之放射光的峰値波長以5 90〜670nm的範 圍爲佳。此種發光元件，可使用例如InGaA1P系的化合物 半導體來實現。對應各種用途，調整紅色 LED7R之 InGaAlP活性層的成分等，可藉此得到此波長範圍中最理 想的峰値波長。另一方面，藍色LED 7B之放射光的峰値 波長以420〜48 Onm的範圍爲佳。此種發光元件，可使用例 如InGaAIN系的化合物半導體來實現。對應各種用途，調 整藍色LED7B之InGaAIN活性層的成分等，可藉此得到 此波長範圍中最理想的峰値波長。 波長轉換薄片1 3 0係由樹脂所形成。亦即波長轉換薄 片130，係在樹脂中分散螢光體而成型爲薄片狀者。此波 長轉換薄片1 3 0係在透光性薄膜表面（或背面）塗佈螢光 體者。 分散或包含於波長轉換薄片1 3 0之螢光體，係吸收從 藍色LED 7B放射之藍色光，而放射綠色光者。綠色光之 峰値波長以520〜560nm的範圍爲佳。做爲此種螢光材料， 可舉出例如於ZnS添加Cu或A1者，或是於（Ba · Mg ) Α1ι〇017添加Eu或Μη者。 第12Α圖〜第12D圖，係例舉波長轉換薄片130的剖 -14- 200817777 面構造。亦即第12A圖，係表示在樹脂等薄膜狀之母體 13 0c表面，塗佈螢光層130f而形成的波長轉換薄片130 。又，第12B圖表示在樹脂母體中分散螢光體而形成的波 長轉換薄片130。第12C圖，表示層積複數透光性薄膜 13 0c，在其間設置塗佈或分散有螢光體之層130s，而爲此 種構造的波長轉換薄片1 3 0。更且，波長轉換薄片1 3 0不 需要是一體構造，也可如第1 2D圖所示，分別將含有螢光 體之複數薄膜130s加以層積構成。又，波長轉換薄片130 可以與發光面構件3分開，也可以一體形成。 若依本實施方式，藉由調節波長轉換薄片1 3 0所包含 之螢光體的材質或成分，就可調節綠色光的波長。例如當 作LCD之背光來使用時，藉由適當選擇波長轉換薄片130 所包含之螢光體的材質或成分，可以得到符合LCD之綠 色彩色濾光片之透過特性的光線。如此一來，就不需要使 用效率較低的綠色LED。結果，可降低整體成本並得到較 高亮度與顏色重現性。 又，若依本實施方式，則綠色發光不是在LED基板5 側，而是在發光面側由波長轉換薄片1 3 0來得到。從而， 可以消除使用綠色LED時所產生之綠色LED個別差異所 造成的特性不一致。又，波長轉換薄片1 3 0，係被由光反 射面構件2提高均一度的藍色發光所激發，故不需要爲了 使發光面構件3之出光面整體的綠色亮度分布均一，而針 對波長轉換薄片1 3 0之各部份調整波長轉換用的螢光體濃 度分布。亦即以綠色波長轉換光之亮度爲藍色激發光之亮 -15- 200817777 度之5倍以上的方式，將波長轉換用螢光體之濃度調整爲 於整個波長轉換薄片1 3 〇都一樣即可。如此一來，最後從 發光面構件3所放射的光線，可得到對應人類視覺感受的 白色光。 又，若依本實施方式，則藉由獨立控制施加於紅色 LED 7R的電流値，也可將紅色光之亮度控制在綠色光的 1 /5左右。同樣的，藍色光與紅色光的亮度比也可控制， 故色溫也可在一定範圍內作調整。此時，比起將RGB三 色LED分別以所謂RGB排列方式來調整3色LED，其控 制電路會更簡單。 將紅色LED、藍色LED和吸收藍色光而發出綠色光 的螢光體，密封在相同封裝內，成爲放出白色光之白色 LED封裝的情況下，一旦混入螢光體則綠亮度/藍亮度比 會固定，之後就無法調節。以特定分布、濃度將螢光體對 每個封裝安定混入，實際上是很困難的。亦即綠亮度/藍 亮度的比値常常於每個封裝都有不同。因此製造完成後， 使用沒有加上後期工程之封裝製品，則難以控制爲特定亮 度比（5 : 1 )，會延滯成品率而需要挑選。 相對地，若依本實施方式，則藍色L E D 7 B與含有螢 光體之長轉換薄片1 3 0是分別來構成。從而，藉由適當組 合此等，可輕易調整藍色光與綠色光的亮度平衡。例如， 預先準備綠色螢光體含量不同的複數波長轉換薄片130， 配合從面發光構件3之外面側所發出的藍色光亮度，選用 此等複數波長轉換薄片1 3 0中的任一種，將藍色光與綠色 16- 200817777 光的平衡調整到最佳。 又’例如做爲波長轉換薄片1 03，如第1 2D圖所示， 採用層積含有螢光體之複數薄膜的層積構造時，也能得到 可輕易變更螢光體含量的效果。亦即配合從藍色螢光體 LED 7B放出的藍色光亮度，和因應用途所分別要求之綠色 /藍色的平衡，來層積必要片數的薄片，藉此可得到最佳 的平衡。 【圖式簡單說明】 第1圖，係本發明之第1實施方式之背光單元的分解 立體圖。 第2圖，係上述第1實施方式之背光單元的剖面圖。 第3圖，係上述第1實施方式所採用之LED準直器 的部份切開立體圖。 第4圖，係表示上述第1實施方式中LED準直器之 聚光特性的剖面圖。 第5圖，係表示上述第1實施方式之背光單元之亮度 分布特性的圖表。 第6圖，係本發明第2實施方式之背光單元所採用之 LED準直器的部份切開立體圖。 第7圖，係表示上述第2實施方式中LED準直器之 光擴散特性的剖面圖。 第8圖，係本發明第3實施方式之背光單元所採用之 LED準直器的部份切開立體圖。 -17- 200817777 第9圖，係表示上述第3實施方式中，在LED細面 之光線動作的剖面圖。 第10圖，係本發明第4實施方式之背光單元的分解 立體圖。 第1 1圖，係上述第4實施方式之背光單元的剖面圖 〇 第12A圖，係表示上述第4實施方式中波長轉換薄片 之構造例的剖面圖。 第12B圖，係表示上述第4實施方式中波長轉換薄片 之其他構造例的剖面圖。 第12C圖’係表示上述第4實施方式中波長轉換薄片 之更其他構造例的剖面圖。 弟12D圖’係表不上述第4實施方式中波長轉換薄片 之更其他構造例的剖面圖。 【主要元件符號說明】 1 :單元箱 2 :光反射面構件 3 :發光面構件 3 A :光透過擴散板 3B :擴散薄片 3C :擴散薄片 3 D :透鏡薄片 4 :前框體 -18- 200817777 5 : LED基板 6 :配線基板

7 ： LED

7R ··紅色 LED 7B :藍色LED 8 :凹溝 8A :凹溝 8B :凹溝 9 : LED準直器 9A : LED準直器 9B : LED準直器 1 〇 :中空導光區域 3 0 :背光單元 3 1 :亮度分布測定線 1 3 0 :波長轉換薄片 130c :透光性薄膜 130f :螢光體層 1 3 0 s :層、薄膜 InA :入射面 InBl :入射面 InB2 :入射面 InC :端部入射面 ExA :出射面 ExB 1 :出射面 -19- 200817777

ExB2 :出射面 RYA :光 RYB1:光 RYB2 ··光 TIR1 :全反射面 TIR2 :全反射面

Claims (1)

1. 200817777 十、申請專利範圍 1 . 一種中空式面照明裝置，其特徵爲·· 在中空之單元箱的底面側配置光反射面構件； 在上述單元箱之與上述光反射面構件相向的外面側， 配置發光面構件； 將上述單元箱中，由上述光反射面構件與發光面構件 所夾的空間，做爲中空導光區域； 使於配線基板表面黏著成列設置多數個led而成的 LED光源鄰接於上述中空導光區域，以可射出至該中空導 光區域的方式來配置； 將相對於單元厚度方向之LED光軸上以成爲平行之 方式把來自上述LED光源的光線予以聚光之LED準直器 ’以與上述LED之排列呈平行地配置在上述LED光源的 射出部； 於上述LED準直器，係設置有：讓來自上述LED排 列之光線折射，導入箱體內或射出的折射聚光功能部，以 及讓導入體內之光線全反射而射出到上述中空導光區域的 全反射聚光功能部。 2 ·如申請專利範圍第1項所記載之中空式面照明裝 置，其中，上述單元箱之光反射面構件，係由具有高反射 率之擴散反射性構件所構成。 3.如申請專利範圍第1項或第2項所記載之中空式 面照明裝置，其中，上述單元箱之發光面構件，係由能讓 來自上述中空導光區域之光線透過並擴散的光透過性擴散 -21 - 200817777 構件所構成。 4.如申請專利範圍第1項或第2項所記載之中空式 面照明裝置，其中，上述LED光源，係僅將紅色LED與 藍色LED以特定排列方式表面黏著成列設置於上述配線 基板；並且，在上述中空導光區域之外面側，且爲上述發 光面構件之內面側，設置吸收從上述藍色LED所放出之 藍色光線而轉換爲綠色光線的波長轉換薄片而構成。 -22-