CN1366621A - 电灯和干扰膜 - Google Patents

Abstract

用于电灯的光干扰膜,在400至760nm可见光波长范围内的平均透射率为90%,包括用有低折射率的材料构成的第1层(L)和有高折射率的材料构成的第2层(H)交替层叠构成3个光谱相邻的多层膜叠层膜。按本发明,在800至2200nm波长范围内干扰膜的平均反射率至少是75%,在400至760nm波长范围内的平均透射率至少是90%。在800至2500nm波长范围内的干扰膜的平均反射率最好是85%。图2所示干扰膜的设计波长λ(S₁)=2100nm的第1叠层膜是用11层有高折射率材料层和低折射率材料层交替层叠构成的。

Description

电灯和干扰膜

本发明涉及电灯，它包括内设光源的发光灯泡。

其中，至少部分灯泡配置有允许可见光射线和反射红外线的干扰膜。

其中，干扰膜包括有第1折射率的第1材料层与有第2折射率的第2材料层交替设置的多层膜。

其中，第2折射率比第1折射率高。

本发明还涉及用于电灯中的干扰膜。

所述干扰膜反射和/或允许通过电磁频谱的不同部分产生的发射光。例如，紫外线，可见光和/或红外光。该干扰膜通常涂在电灯的灯泡上和/或反光镜上。按此方式，由于加了反射红外光的涂膜，可以提高电灯的效率。但是它允许肉眼看得见的发射光通过。电灯和/或反光镜的几何形状应使反射光能反射回到光源，光源包括灯丝或放电室。反射(热)辐射通常用来帮助保持光源的工作温度。由此改善电灯的能量平衡。

本文第一段所述类型的电灯2由美国专利US-A5138219公开。已知的电灯中，氧化硅构成第1层材料，氧化钽构成第2层材料，氧化钽层的折射率高于氧化硅的折射率。

电灯的缺点是，有助于电灯能量平衡的干扰膜反射的辐射热程度相对较小，所以效率相对较小。

本发明的目的是，提供本文第一段所述类型的效率提高了的电灯。

按本发明，本文第一段所述类型的灯的特征是，波长范围是400至760nm，干扰膜的透射率的平均值至少为90％，和

在800至2200nm的波长范围内，干扰膜的反射率平均值至少为75％。

干扰膜在可见光范围(400-760nm)范围内有高透射率。同时，在电磁光谱的红外线范围(800至2200nm)的较宽部分中有高反射率，因而，由干扰膜反射的辐射热量增大，结果，提高了电灯的效率。波长范围为400至760nm中的相应的透射率处，红外光范围内的现有电灯的反射率小于按本发明的电灯的反射率。此外，波长范围内得到的已知灯的干扰膜的低反射率比按本发明的灯中的干扰膜的反射率小很多。在800至1900nm波长范围内的现有电灯中的干扰膜的反射率平均值约为70％，而按本发明的电灯中的干扰膜的反射率平均值至少为75％。

800至2500nm波长范围内的反射率平均值最好为85％，电磁光谱的红外线范围(800-2500nm)的较宽部分中有如此高反射率的干扰膜使干扰膜反射的辐射热量明显增大，因而使电灯效率明显提高。

允许可见光辐射通过和反射红外光的常规干扰膜中，干扰膜是在有不同的折射率的两种材料上，用有各种设计波长的常规的多层膜层叠制成的。这种常规的多层层叠膜由3层顺序层叠的膜构成，即有第1折射率的第1材料层(L)，有第2折射率的第2材料层(H)，和有第1折射率的第3材料层(L)顺序层叠构成。这种常规的3层叠层膜用本行业公知的方式表示： ${\left(\frac{L}{a}\frac{H}{d}\frac{L}{a}\right)}^x$ 式中1≤a≤2， 1≤d≤2.5， 1≤x≤20。

使用这种常规叠层的缺点是，在可见光范围内的透射窗的光谱宽度较小，不可能提高电磁光谱的红外光范围内的干扰膜的效率，因而使可见光范围内的透射窗的光谱宽度更窄，此外，在可见光范围内出现不希望出现的干扰峰。

用三种材料膜层代替两种材料的膜层来构成干扰膜，其中第3种材料膜的折射率介于第1和第2种材料膜的折射率之间，用该方式使干扰膜本身在可见光范围内的透射窗的光谱宽度增大。第3材料膜通常叫作中间层(M)。尽管用3种材料膜制成的干扰膜本身是可实用的，但不容易找到适合于上述目的的3种材料，因此，可提供彼此无关的工业上用于电灯灯泡的干扰膜。

允许可见光透过并反射红外光的US-A5138219公开的已知灯的干扰膜中，可用两种不同的材料层组合模拟第3层，即中间材料层(M)。这种情况下是3种材料的5层层叠结构： $\left(\frac{L}{a}\frac{M}{b}\frac{H}{d}\frac{M}{b}\frac{L}{a}\right)$ 式中：2≤a≤4，1≤d≤2.5，

上述结构转换成两种材料的7层H-L叠层结构： $\left(\frac{L}{a}\frac{\mathrm{HL}}{b^{\′}}\frac{H}{d}\frac{\mathrm{LH}}{b^{\′}}\frac{L}{a}\right)$ 式中：  2≤a≤4，5≤b’≤15，1≤d≤2.5；

这种两种材料层的7层叠层结构的干扰膜的缺点是，有效的红外干扰被限制在约800至1900nm的波长范围内。如果还需要反射波长较长的(λ＞1900nm)的红外线，发现这种7层H-L的叠层结构应考虑所要求的设计波长，而不希望在可见光范围内有侧边作用，因为，这导致在可见光范围内的透射窗减小，以及在可见光范围的中心部分出现干扰峰。这种侧边作用对电灯的处理和重现光源发射的光的颜色重显造成负面影响。这些干扰峰是：所谓的第5级干扰峰，它们能用包括两层中间材料层的多层叠层结构来抑制。这种叠层有以下结构。 $\left(\frac{L}{a}\frac{M_1}{b_1}\frac{M_2}{b_2}\frac{H}{d}\frac{M_2}{b_2}\frac{M_1}{b_1}\frac{L}{a}\right)$ 式中，  2≤a≤4； 2≤b₁， b₂≤4； 1≤d≤2.5；

如果找到一种合适的中间材料层，则能明显改善上述的上层叠层结构，之后，主要集中于找寻适合于该5层叠层结构的，其折射率在有高折射率的膜层与有两层低折射率膜之间的两层适合的膜。本发明中，用另外两层材料层即H和L的适当组合模拟这些中间材料层M₁和M₂中的每一层材料层。

电灯的优选实施例的特征是，干扰层包括至少一个由至少7层膜构成的叠层，7层叠层结构的设置方式是，有第1折射率的材料层(L)和有第2折射率的材料层(H)交替层叠，多层结构如下： $\left(\frac{L}{a}\frac{\mathrm{HL}}{b}\frac{\mathrm{HL}}{c}\frac{H}{d}\frac{\mathrm{LH}}{c}\frac{\mathrm{LH}}{b}\frac{L}{a}\right)$ 式中2≤a≤4，5≤b≤50，5≤c≤50，1≤d≤3；

用这种7层H-L的叠层结构，有效反射的红外线波长宽度范围明显地增大到800至2200nm，最好是800至2500nm，而不减小在可见光范围内的透射率。反射的红外光波长宽度的增大导致干扰膜反射的辐射热量增大，提高了电灯的效率。此外，用这种7层H-L叠层膜能使穿过有效波长范围的红外光反射效率明显提高。

以两种材料层(H和L)为基础的干扰膜中，在红外光波长范围内的反射率增大到上述的平均值80％，但不扩展到远红外线范围(λ≥1900nm)内，通常导致在可见光范围(低于300nm)内的透射窗明显变窄。为了获得在可见光范围内的“正常”透射窗，而转变用于干扰膜的这种滤光镜的设计导致反射率下降。本发明的基础是认识到，保持在可见光范围(400-760nm)内的要求的“正常”透射窗，而且使红外光波长范围内的反射频带增大到800至2200nm，最好是800至2500nm。

电灯的优选实施例的特征是，干扰膜至少包括一个至少由7层膜层叠构成的叠层膜，叠层膜的设置方式是，有第1折射率的第1材料层(L)和有第2折射率的第2材料层交替叠层，该叠层膜有以下结构： $\left(\frac{L}{a^{\′}}\frac{\mathrm{HL}}{b^{\′}}\frac{H}{d^{\′}}\frac{\mathrm{LH}}{b^{\′}}\frac{L}{a^{\′}}\right)$ 式中2≤a’≤4；5≤b’≤50，1≤d’≤3，

有第1折射率的第1层(L)材料最好主要含氧化硅。

有第2折射率的第2层(H)材料最好选自：氧化钛，氧化铌，氧化锆，氧化铪和氧化钽。这些有高折射率的膜层可用两层交替构成，例如TiO₂×ZrO₂，TiO₂×HfO₂，TiO₂×Nb₂O₅，Ta₂O₅×TiO₂或Ta₂O₅×2TiO₂。

发现按本发明的没有干扰膜的电灯用Nb₂O₅作有高折射率的材料，用SiO₂作有低折射率的材料，在灯的整个使用寿命中保持它的原始性能。用Nb₂O₅×Ta₂O₅混合膜的另一干扰膜中，如果电灯的工作温度较高时，它特别合适。实验表明，这种干扰膜的滤光镜设计几乎不需要采用。

灯光源是白炽体，例如，在含卤素气体或者在可离子化气体中有电极时，例如有金属卤化物的惰性气体，也可能用汞作缓冲气体。光源可用最里层的气密性外壳包围。也可以有包围灯泡的最外层的外壳。

形成干扰膜的常规方式例如有物理汽相淀积法(PVD)或直流反应溅射法，或浸涂法，或LP-CVD(低压化学汽相淀积)法，PE-CVD(等离子增强型CVD)法。

通过以下参见多个实施例所做的说明，本发明的这些方法和其它方案将会很清楚。

图1是白炽电灯的侧视图；

图2是本发明的干扰膜结构图；

图3是本发明的电灯和现有电灯的红外反射干扰膜的透射光谱图。

附图只是图形没画出尺度。尤其是为了图清晰，有些尺寸被放大了。这些图中，相同部分用相同的参考数字标示。

图1所示电灯包括石英玻璃制造的装入作为光源2的白炽体的灯泡1。电流导体3从灯泡1伸到外面并连接到光源2。灯泡1中充有含卤素的气体，例如溴化氢。至少部分灯泡1涂有干扰膜5，干扰膜5包括主要由氧化硅(SiO₂的平均折射率为1.45左右)构成的第1层和有较高折射率的材料构成的第2层交替层叠的多层膜，见图2，在本例中有较高折射率的材料用平均折射率为2.35的氧化铌(Nb₂O₅)。干扰膜5允许可见光通过并反射红外光。

灯泡1安装在外玻壳4中，外玻壳4由与电流导体3电连接的灯头6支承。图1所示的电灯是60瓦的交流电灯，使用寿命至少是2000小时。

电灯的干扰膜5至少包括多层膜构成的3个相邻叠置的叠层膜，每个叠层膜至少包括第1层L和第2层H。

图2是按本发明的干扰膜的结构图。从图2中的衬底1看，干扰膜5的设计包括第1叠层膜S₁，按本发明第1叠层S₁包括11层，它是用有低折射率的L层和有高折射率的H层交替层叠构成的。第1叠层S₁的设计波长λ(S₁)是2100nm。用本发明的滤光镜设计能抑制5级反射峰，后面的更高的干扰峰可能出现在λ(S₁)/7＝300nm处，它是在可见光范围内(400-760nm)的好的外边透射窗。按本发明的干扰膜设计中，叠层膜S₁用3次，换句话说x＝3，见图2，表1中叠层膜S₁的周期是A、B和C。

图2中，第1叠层膜之后，干扰膜包括第2叠层膜S₂，它包括7层用有低折射率的L层和有高折射率的H层交替层叠构成的叠层膜。通常在两个不同的设计波长用两种第2叠层膜。两个不同的设计波长是λ₁(S₂)＝1700nm，λ₂(S₂)＝1300nm。滤光镜设计能抑制3级反射峰，之后，会在λ₁(S₂)/5＝340nm或λ₂(S₂)/5＝260nm处出现更高的干扰峰，它们是在可见光范围(400-760nm)内的两个好的外部透射窗。按本发明的干扰膜设计中，叠层膜S₂用11次，换句话说y＝11，见图2，表1中叠层膜S₂的周期是A至K。

图2中第2叠层膜S₂之后，干扰膜包括所谓的常规型第3叠层膜S₃，它包括3层：有低折射率的L层，有高折射率的H层和有低折射率的L层。第3叠层膜的设计波长λ(S₃)是900nm。在λ(S₃)＝300nm处出现的第3级干扰峰是在可见光范围(400-760nm)内的好的外边透射窗。按本发明的干扰膜设计中，叠层膜S₃用6次，换句话说z＝6，见图2，表1中叠层膜S₃的周期是A至F。

总之，图2所示干扰膜用4个光谱相邻的叠层膜组件构成，通常是：

(a)第1叠层膜S₁，它包括11层H-L，设计波长λ(S₁)＝2100nm；

(b)第2叠层膜S₂，它包括7层H-L，设计波长λ(S₂)＝1700nm；

(c)另一第2叠层膜S₂，它包括7层H-L，设计波长λ₂(S₂)＝1300nm；

(d)第3叠层膜S₃，它包括3层H-L，设计波长λ(S₃)＝1700nm；

各3叠层膜S₁、S₂和S₃重复多少次，换句话说，指数x、y和z值的选择应根据滤光镜设计的每单位厚度增大所引起的反射率的最大增大值分析来确定。分析结果表明，如果要求高反射率，按本发明，最好用11层H-L叠层膜。通常，y和z再增大不会引起更宽的红外线波长范围，此外，它的缺点是，在可见光范围内的透射窗宽度减小。不希望可见光范围内的透射窗宽度减小。因为，它会在干扰膜制造中随着膜层厚度变化而使滤光镜设计的容差减小。表1表明按本发明的允许透过可见光的和反射红外线的干扰膜的滤光镜设计与所述设计容差关系不大。

表1所示的按本发明的109-层H-L干扰膜的实际膜层厚度是计算机最佳化的结果，上述的红外反射光干扰膜设计本身是符合要求的。

               表1：按本发明的干扰膜

膜层	材料	最佳厚度(nm)	叠层膜	周期
					0	衬底	-	-	-
1	SiO2	33.0	S1	A
					2	Nb2O5	2.1	S1	A
3	SiO2	57.4	S1	A
					4	Nb2O5	12.3	S1	A
5	SiO2	28.9	S1	A
					6	Nb2O5	83.7	S1	A
7	SiO2	3.7	S1	A
					8	Nb2O5	32.6	S1	A
9	SiO2	35.3	S1	A
					10	Nb2O5	13.6	S1	A
11	SiO2	334.2	S1	A/B
					12	Nb2O5	6.6	S1	B

膜层	材料	最佳厚度(nm)	叠层膜	周期
					13	SiO2	36.4	S1	B
14	Nb2O5	22.1	S1	B
					15	SiO2	16.4	S1	B
16	Nb2O5	161.0	S1	B
					17	SiO2	8.8	S1	B
18	Nb2O5	34.0	S1	B
					19	SiO2	31.1	S1	B
20	Nb2O5	17.1	S1	B
					21	SiO2	228.4	S1	B/C
22	Nb2O5	15.8	S1	C
					23	SiO2	44.4	S1	C
24	Nb2O5	36.6	S1	C
					25	SiO2	15.6	S1	C
26	Nb2O5	139.7	S1	C
					27	SiO2	5.9	S1	C
28	Nb2O5	17.6	S1	C
					29	SiO2	23.9	S1	C
30	Nb2O5	17.7	S1	C
					31	SiO2	219.9	S2	C/A
32	Nb2O5	15.2	S2	A
					33	SiO2	33.7	S2	A
34	Nb2O5	119.7	S2	A
					35	SiO2	31.7	S2	A
36	Nb2O5	13.0	S2	A
					37	SiO2	361.2	S2	A/B
38	Nb2O5	13.3	S2	B
					39	SiO2	29.4	S2	B
40	Nb2O5	110.4	S2	B
					41	SiO2	23.7	S2	B
42	Nb2O5	14.2	S2	B

膜层	材料	最佳厚度(nm)	叠层膜	周期
					43	SiO2	189.2	S2	B/C
44	Nb2O5	17.3	S2	C
					45	SiO2	22.6	S2	C
46	Nb2O5	106.9	S2	C
					47	SiO2	24.9	S2	C
48	Nb2O5	15.4	S2	C
					49	SiO2	218.8	S2	C/D
50	Nb2O5	18.8	S2	D
					51	SiO2	27.7	S2	D
52	Nb2O5	130.7	S2	D
					53	SiO2	32.3	S2	D
54	Nb2O5	14.9	S2	D
					55	SiO2	361.9	S2	D/E
56	Nb2O5	13.5	S2	E
					57	SiO2	29.0	S2	E
58	Nb2O5	110.2	S2	E
					59	SiO2	29.9	S2	E
60	Nb2O5	14.4	S2	E
					61	SiO2	222.1	S2	E/F
62	Nb2O5	13.0	S2	F
					63	SiO2	33.1	S2	F
64	Nb2O5	112.0	S2	F
					65	SiO2	32.67	S2	F
66	Nb2O5	11.1	S2	F
					67	SiO2	304.1	S2	F/G
68	Nb2O5	14.3	S2	G
					69	SiO2	26.0	S2	G
70	Nb2O5	102.6	S2	G
					71	SiO2	22.6	S2	G
72	Nb2O5	14.0	S2	G

膜层	材料	最佳厚度(nm)	叠层膜	周期
					73	SiO2	174.3	S2	G/H
74	Nb2O5	13.8	S2	H
					75	SiO2	26.8	S2	H
76	Nb2O5	110.1	S2	H
					77	SiO2	18.5	S2	H
78	Nb2O5	12.9	S2	H
					79	SiO2	169.3	S2	H/I
80	Nb2O5	18.2	S2	I
					81	SiO2	19.8	S2	I
82	Nb2O5	109.2	S2	I
					83	SiO2	19.8	S2	I
84	Nb2O5	18.7	S2	I
					85	SiO2	174.5	S2	I/J
86	Nb2O5	11.6	S2	J
					87	SiO2	19.5	S2	J
88	Nb2O5	87.5	S2	J
					89	SiO2	11.8	S2	J
90	Nb2O5	16.7	S2	J
					91	SiO2	193.0	S2	J/K
92	Nb2O5	19.0	S2	K
					93	SiO2	22.1	S2	K
94	Nb2O5	93.8	S2	K
					95	SiO2	13.6	S2	K
96	Nb2O5	15.9	S2	K
					97	SiO2	161.1	S2/S3	K/A
98	Nb2O5	96.0	S3	A
					99	SiO2	160.7	S3	A/B
100	Nb2O5	88.3	S3	B
					101	SiO2	154.5	S3	B/C
102	Nb2O5	92.6	S3	C

膜层	材料	最佳厚度(nm)	叠层膜	周期
					103	SiO2	155.8	S3	C/D
104	Nb2O5	89.7	S3	D
					105	SiO2	155.9	S3	D/E
106	Nb2O5	92.4	S3	E
					107	SiO2	165.1	S3	E/F
108	Nb2O5	93.5	S3	F
					109	SiO2	79.8	S3	F
	air	-	-	-

表1所示干扰膜中，Nb₂O₅的总厚度为2687nm，SiO₂的总厚度为5077nm。

用反应溅射法在灯泡1的相关部分涂按本发明的干扰膜5。反应溅射时，在Ar和O₂气环境中溅射Si，制成SiO₂层。溅射的典型条件是：Ar气压力为400-1400Pa(3-10m torr)，O₂气压力是25-50 Pa(0.2-0.4mtorr)。在Ar/O₂混合气体中溅射金属材料也能制成有高折射率的材料。典型的形成条件是：Ar的压力为400-1400Pa(3-10m torr)，O₂压力是40-140Pa(0.3-1.0m torr)。这两种气体中Ar压力通常选用恒流，O₂压力选用特殊的氧传感器监测，溅射温度为20至100℃。

在电灯的整个使用寿命中按本发明的干扰膜5保持原封不动并保持它最初的性能。

图3是透射光谱与用47层SiO₂和Nb₂O₅交替层叠构成的膜的红外反射率的波长λ(nm)的关系曲线。以连续线表示的光谱本身是已知的，与用109层SiO₂和Nb₂O₅膜层交替层叠构成的叠层膜的红外反射率相比，在可见光范围(400-760nm)内，按本发明的干扰膜的透射率，上述的现有干扰膜的透射率平均值至少是90％。

US-A5138219公开的电灯配置有47层Ta₂O₅/SiO₂干扰膜在800nm至1900nm波长范围内的反射率平均值为67％左右。设有上述的47层Nb₂O₅/SiO₂干扰膜的电灯在800nm至1900nm波长范围内的反射率平均值为70％左右。设有表1所示干扰膜的电灯在800nm至2500nm波长范围内的反射率平均值为90％。反射热的高效率对电灯的能量平衡有积极的正面作用。因此，能制成有高效率的电灯。

显然，在发明范围内本行业的技术人员还会做出各种改变。

本发明要求保护的范围不限于这里提供的实施例。发明可以按每个新特征和各个特征的各种组合加以实施。权利要求中的参考数字不限制发明要求保护的范围。术语“包括”及其动词变化并不排出除权利要求中已说到的那些元件之外还有别的元件。在元件前面用的冠词“a”或“an”不排除有多个元件存在。

Claims (8)

1.电灯，包括内装光源(2)的透射灯泡(1)，

其中，灯泡(1)的至少一部分设有允许可见光通过并反射红外光的干扰膜(5)，

其中，干扰膜(5)包括有第1折射率的第1材料层(L)和有第2折射率的第2材料层(H)交替层叠的多层膜(L，H)；

其中，第2折射率比第1折射率高，其特征是，在400至760nm的波长范围内，干扰膜(5)的透射率平均值至少是90％；和

在800至2200nm的波长范围内，干扰膜(5)的反射率平均值至少是75％。

2.按权利要求1的电灯，其特征是，在800至2500nm波长范围内，反射率平均值至少是25％。

3.按权利要求1或2的电灯，其特征是，干扰膜(5)包括至少一个用11层膜层叠构成的多层叠层膜，它的设置方式是，有第1折射率的第1材料层(L)和有第2折射率的第2材料层(H)交替层叠，多层叠层膜有以下结构： $\left(\frac{L}{a}\frac{\mathrm{HL}}{b}\frac{\mathrm{HL}}{c}\frac{H}{d}\frac{\mathrm{LH}}{c}\frac{\mathrm{LH}}{b}\frac{L}{a}\right)$ 式中2≤a≤4，5≤b≤50，5≤c≤50，1≤d≤3。

4.按权利要求3的电灯，其特征是，干扰膜(5)包括至少还有另一个用至少7层膜构成的叠层膜，它的设置方式是，有第1折射率的第1材料层(L)和有第2折射率的第2材料层(H)交替层叠，另一个叠层膜有以下结构： $\left(\frac{L}{a^{\′}}\frac{\mathrm{HL}}{b^{\′}}\frac{H}{d^{\′}}\frac{\mathrm{LH}}{b^{\′}}\frac{L}{a^{\′}}\right)$ 式中2≤a’≤4，5≤b’≤50，1≤d’≤3。

5.按权利要求4的电灯，其特征是，干扰膜(5)包括至少3个光谱相邻的多层膜构成的叠层膜，每个叠层膜至少包括第1层(L)和第2层(H)。

6.按权利要求1或2的电灯，其特征是，有第1折射率的第1层(L)材料主要含SiO₂。

7.按权利要求6的电灯，其特征是，有第2折射率的第2层(H)材料选自氧化钛，氧化铌，氧化锆，氧化铪，氧化钽及其组合物。

8.按权利要求1或2的电灯所用的干扰膜。

Images