CN1914708A

CN1914708A - 光学控制陶瓷电弧管中的光

Info

Publication number: CN1914708A
Application number: CN 200580003387
Authority: CN
Inventors: G·R·阿伦; A·G·查尔默斯; D·C·杜迪克; V·K·瓦加; P·布朗
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2007-02-14

Abstract

一种陶瓷电弧管，优选用于高压放电灯。该陶瓷电弧管可以具有在电弧管的球形部分的外表面上或内表面上的抗反射干涉涂层。该电弧管球形部分的外壁的外表面和/或内表面可以基本上是球形以提高效率。该球形部分的外壁的壁厚可以成形为聚焦从圆弧向光耦合于电弧管的反光镜的预定选择区域传播的光线，从而提高效率。

Description

光学控制陶瓷电弧管中的光

本申请要求于2004年1月30日提交的美国临时申请No.60/540,475的利益，其内容在此引作参考。

技术领域

本发明通常涉及在灯中使用以产生光的陶瓷电弧管，更特别涉及光学控制来自高压放电灯中陶瓷电弧管的光。

背景技术

高压放电灯通过使用在两个电极之间通过的电弧电离填充材料例如汞与卤素或者金属卤化物的混合物来发光。电极和填充材料密封在电弧管中的半透明或者透明弧形腔或者放电腔中，该电弧管中包含并且保持激励填充材料的压力并且允许发射的光通过。在历史上，电弧管由石英形成。然而，为了提高色温、现色性和发光效率，同时减少与填充材料的反应，已经研发了在更高的温度和压力下工作的陶瓷电弧管。参见美国专利No.5,866,982，其内容在此引作参考。然而，使用的陶瓷材料的折射率比石英的折射率更高，而且有可能比石英更有效地散射光。这使得难以控制射向并且通过陶瓷电弧管的光。这需要改进陶瓷电弧管，其发射的光更有效并且有效控制以提高性能。本发明就是针对这种需要。本发明在称为短弧放电灯中具有特别的应用，其弧隙为大约例如1mm，更一般的应用于产生良好控制的光束的任何灯中。

发明内容

提供一种用于放电灯产生电弧的陶瓷电弧管，所述电弧管包括具有球形部分的陶瓷外壁。该电弧管还包括在所述球形部分中弧形腔内部的填充材料并且还包括一对电极。该陶瓷电弧管具有选自以下组的一个或多个光的光学控制特征：a)在所述球形部分的外表面上或内表面上的抗反射干涉涂层；b)球形部分的外壁的外表面或内表面基本上是球形；以及c)球形部分外壁的壁厚成形为从圆弧向光耦合到电弧管的反光镜的预定选择区域聚焦光线。

附图说明

图1是根据本发明的陶瓷电弧管的横截面图；

图2是根据本发明的陶瓷电弧管可选择实施例的横截面图；

图3是根据本发明的陶瓷电弧管可选择实施例的横截面图；

图4是根据本发明的陶瓷电弧管可选择实施例的横截面图；

图5是根据本发明的陶瓷电弧管可选择实施例的横截面图；

图6是包含根据本发明的陶瓷电弧管的反光灯的横截面示意图；

具体实施方式

如在此使用的，当给定范围例如5-25或者5至25时，这表示优选至少为5，优选不超过25。

参考图1，示出了根据本发明的陶瓷电弧管10的横截面。电弧管10包括电极12、14、外部导线16、18、导电材料体20、22、圆柱形陶瓷外壳或外壁24和端塞26、28。示出了设置在电弧管10的外表面上的抗反射(A/R)薄膜干涉涂层30。陶瓷外壳24是围绕由外部导线16，18和电极12，14的纵轴定义的纵轴成形的圆柱形，外壳24可以具有4-20mm，更优选6-10mm的外部直径。

陶瓷外壳24优选是多晶钇-铝-石榴石(PC YAG)-Y₃Al₅O₁₂；不太优选单晶YAG；不太优选蓝宝石(Al₂O₃)；不太优选微晶氧化铝(MCA)；不太优选尖晶石(MgAl₂O₄)或者AlON(Al₂₃O₂₇N₅)或者Yttrialox(Y₂O₃和ZrO₂)或者多晶氧化铝(PCA)。陶瓷外壳24的厚度优选0.3-3mm，更优选1-2mm，更优选1.5-1.6mm。

端塞26、28优选是陶瓷并且优选是与外壳24相同的陶瓷材料，使得它们的热膨胀系数匹配。端塞26、28的厚度与外壳24的厚度相同或者与外壳24的厚度相当。可选择地，该端塞可以不包括在电弧管中。外部导线16、18优选是钼或铌。电极12、14是难熔金属，优选钨。导电材料体20、22优选是本领域公知的金属陶瓷(陶瓷金属复合材料)材料或者可选择的是金属导体例如具有紧密绕卷(优选钼)的钼心轴(mandrel)。从表面32至表面34的内部灯泡长度优选5-20mm，更优选6-15mm，更优选8-12mm。在表面32和表面34之间的腔36还称为弧形腔或者放电腔，并且包含本领域公知的填充材料。电弧管10在弧形腔末端的部分是脚部；示出了脚部38。也示出了球形部分(bulbsection)40。

本发明的一个方面是一种涂覆于电弧管10的外表面上的抗反射(A/R)薄膜干涉涂层30，用于补偿由于陶瓷非常高的折射率引起的从球形部分40的外陶瓷表面的不希望的高菲涅尔反射。通常优选陶瓷材料的折射率在1.7至1.9的范围内，而石英在可见波长范围内的折射率是1.46。更特别地，YAG的折射率是1.84，PCA或者蓝宝石的折射率是1.77。折射率是1.84时，YAG封套或者弧形腔的内表面和外表面都将致使垂直入射的光的8.7％被菲涅尔反射，而石英封套的各个表面将仅仅引起3.5％的菲涅尔反射。因此，陶瓷封套每个表面通常将引起比传统的石英封套更多大约5％的菲涅尔反射，或者封套两面比传统分石英封套更多10％的菲涅尔反射。在所需要的应用中，大部分菲涅尔反射光线不容易聚集成有用的光束。

一般来讲，菲涅尔反射光通常朝向弧光源反射回来。如果光直接通过该弧光源，那么该光将从作为可能有用的光束输出光源的弧光源重新出现。然而，输出光束将可能丢失任何缺少(miss)弧光源(位于反光镜焦点)的菲涅尔反射光，因为其已经从反光镜的焦点外侧发射出来。因此，不包含本发明的典型陶瓷电弧管在光束中提供10％之多的不太有用的光。

A/R涂层涂覆于陶瓷电弧管的外表面或者内表面上通常能够消除大约65-90％的菲涅尔反射，因此在每一表面的损耗可以减少大约3-4个百分点，由此如果两表面都涂覆A/R就直接增加了大约6-8％的光束输出量。如图1所示，A/R涂层30可以设置在外壳24和端塞26、28的外表面。可选择地，涂层30可以仅仅设置在外壳24长度方向的外部圆周上(不设置在垂直于它的暴露端部上)，或者仅仅在弧形腔外部的外壁24部分上，也就是，在球形部分40的外表面上。优选地，所有的或者几乎所有的球形部分的外表面和/或内表面涂覆有涂层30。如果涂覆到内表面，A/R涂层需要仅仅涂覆到表面32和表面34之间的内壳长度方向的圆周。涂覆的A/R涂层是干涉薄膜涂层，在具有硅石的交替层中优选使用钽酸盐(tantala)。可选择地，可以使用以下材料来取代钽酸盐：二氧化钛、氧化铌、氧化铝、混合氧化物溶液例如二氧化钛-钽酸盐，或者本领域公知的其它材料。A/R涂层优选是传统的A/R涂层，例如通常涂覆于折射率为1.4-1.5的玻璃或石英基板的涂层，但是本A/R涂层应该按照本领域公知的方式进行调整，以适应1.7-1.9、通常大约1.8的更高陶瓷折射率。

本发明中的A/R涂层可以使用任何本领域公知的普通涂层工艺进行涂覆，优选地用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和蒸发法。这些普通涂覆工艺系列存在很多变形，包括但不限于金属-有机CVD(MOCVD)、等离子增强CVD(PECVD)、等离子促进CVD(PACVD)、等离子脉冲CVD(PICVD)、常压CVD(APCVD)。还存在相似的大量PVD变形，绝大部分使用溅射材料作为涂覆源。普通蒸发***使用例如电子束以熔化并且引起涂覆材料源的蒸发或者离子促进蒸发。本领域公知的掩模工艺可以用于仅仅在球形部分40上提供A/R涂层。

现在给出一个在陶瓷YAG基板上的A/R涂层的实例，使用钽酸盐和硅石。仅仅涂覆一侧。直接相邻基板的层#1是160.13nm的硅石。其它的层是：层2是12.41nm的钽酸盐；层3是18.89nm的硅石；层4是101.45nm的钽酸盐；层5是82.37nm的硅石。未涂覆的YAG基板具有大约17.4％的光反射率。与涂覆具有非常好非反射涂层的YAG基板一侧有关的效果(entitlement)将整个反射率减少至大约8.7％。具有该实例的5层结构设计，预期反射率减少至大约9.4％，其相应于整个反射率减少大约41％或者效果的大约91％。本领域公知的其它A/R涂层可以用于电弧管10上。

此外，相同或相似的A/R涂层可以涂覆于陶瓷电弧管10的内表面，优选地例如涂覆于具有如图1所示的直圆柱的陶瓷电弧管的内表面上。如果使用CVD涂覆工艺涂覆陶瓷电弧管的内表面，那么纵横比(长度/内径)应该优选小于20，更优选小于10，以控制层厚度。如果该涂层涂覆于YAG基板的内侧和外侧上，那么全反射将减少至大约1.4％，其对应于全反射减少91％。而且，可以根据本领域公知常识调整A/R涂层设计以减少紫外线(UV)的反射损耗。将UV保持在电弧管内部具有减小下游光学元件暴露于光束中的UV的优点，和/或进一步增加弧光放电效率的优点。A/R涂层30优选包含2-100、更优选3-20、更优选3-7层。

参考图2，示出了与电弧管10相同的陶瓷电弧管，除了球形部分42具有椭圆(或者可选择的是任何凹曲线)外表面和内表面，如图所示，该椭圆外表面和内表面围绕电极之间的大约中间位置的焦点44。(本领域公知的，该弧位于焦点上，该焦点在电极之间的大约中间位置并且是反光镜的焦点。)例如，该外表面和内表面可以是其中心在焦点44之下或之上的圆弧。好处是当与图1所示的直圆柱球形部分40相比时，球形部分42的内表面和外表面反射出来的射线46、48的更多部分将返回通过焦点44，因此用作有用的控制光束输出成分。而且，可以涂覆A/R涂层30。但是，对于没有用于减少菲涅尔反射的A/R涂层的陶瓷电弧管，用于通过该弧引导菲涅尔反射光线的曲线表面的优点甚至更有用。

参考图3，示出了与图2的电弧管相同的陶瓷电弧管，如图所示，除了球形部分50是具有球形或者大致上球形的球形形状，并且具有它们的中心在焦点52的同心外表面和内表面(当以横截面示出时其是圆形)；而且，为了简洁起见没有示出A/R涂层30，尽管可以涂覆A/R涂层30。因此，图3示出了球形或者大致上球形的球形部分的外壁的外表面和内表面。对于没有减少菲涅尔反射的A/R涂层的陶瓷电弧管，用于通过该弧引导菲涅尔反射光线返回的球形表面的优点甚至更有用处。其好处是，球形部分50的内表面和外表面反射出的很多、或者物质部分或材料部分、或者大部分、或者大致上所有的光线54将通过焦点52返回，并且因此用作有用可控光束输出的部分。这种设计对于图2的设计是更优选的，而图2的设计又优选于图1的设计，因为球形部分的内表面和外表面反射出的更多光线通过焦点返回，并且用作有用光束输出部分。不太优选的球形部分的内表面或外表面(并不是两者)可以是中心在焦点52的球形形状。

图2-6的电弧管可以没有A/R涂层30，但是优选它们具有如上所述的A/R涂层30。

图4示出了与图1的电弧管相同的陶瓷电弧管，除了为了简洁起见没有示出A/R涂层，球形部分56是如图所示增厚的以产生透镜部分62，其聚焦(lens)该发射光线。例如，图1示出了起源于电极之间大约中间位置的焦点59、并且基本上直线穿过陶瓷外壁24的光线58。然而，在图4中，光线64起源于焦点60并且当其通过陶瓷外壁的透镜部分62时被聚焦或者弯曲。通过改变壁厚和提供透镜部分62，这引起来自弧的光线朝向反光镜的更优选区域(例如反光镜的中心或中间部分)聚焦，以增加集中到装置中的光线总量。为了实现光线聚焦，调整陶瓷外壁的形状，使得外表面的曲率大于内表面的曲率，作用就象或者是凸透镜，在赤道线66壁厚最大，并且随着你靠近脚部68、70逐渐以及平滑地变薄。因此，获得希望的透镜。如图4所示，球形部分56的内表面是围绕由电极的纵轴定义的纵轴的圆柱形。

图5与图4的相同，除了通过提供具有中心在焦点82的球形内表面76和抛物线、椭圆或者其它弯曲外表面78的球形部分74来实现透镜部分72。因此，球形部分74的内表面76围绕由电极的纵轴定义的纵轴定义了非圆柱球形。可以看出，提供透镜部分72，因为随着你从赤道线80向脚部走，壁厚减小。这种设计的一个优点是从球形内表面76反射出的光线被反射回焦点82，并且因此用作有用光束输出，同时A/R涂层30可以提供在外表面78上，使得减少或者最小化外表面78的反射。可选择地，可以提供透镜部分72，其中外表面78基本上是其中心在焦点82的球形(也就是，类似于图3中的外表面77)，同时内表面76是(a)具有比外表面78的曲率半径更长或者相当长的曲率半径的弧形，从而提供透镜形状，或者(b)类似于图2中的内表面81的椭圆形或者浅曲线状。结果是提供了优选具有光滑弧形外表面和平坦或者光滑弧形内表面并且在赤道线更厚而随着接近脚部逐渐变薄的透镜。

在其中脚部84、86连接或者结合成球形部分74的部分，以及在因此其中外壁88结合成透镜部分72的部分，优选壁厚保持不变或者基本上不变，使得从外壁88到透镜部分72具有平滑的过渡，然后如图所示透镜部分72逐渐变厚。关于透镜部分62和72，在赤道线的透镜部分厚度与其中结合成脚部外壁的透镜部分厚度的比率优选在10和1.01之间，更优选地在5和1.05之间，更优选地在3和1.1之间，更优选地在2.5和1.3之间，更优选地是2或大约2。

参考图6，示出了一种反光灯92，包括：与图5的电弧管相当的陶瓷电弧管90，安装在本领域公知的反光镜94中并且与其光耦合，该反光灯94优选是抛物线形或者椭圆形。这示出了透镜部分96的优点；如果光线97被发射出而没有聚焦，其将逃脱反光镜94并且在有用光束输出中消失。然而，由于透镜部分96，光线97a被弯曲或者聚焦，使得其射向反光镜94，因此被聚集并且用作有用光束输出。光线98还朝向反光镜94的更优选区域聚焦。

图1的陶瓷外壳或者外壁24优选通过挤压制造；图2-6的电弧管的陶瓷外壳或者陶瓷外壁(包括球形部分)可以通过本领域公知的注模法或者粉浆浇铸法或者其它方法来制造。如果注射成形，陶瓷外壳或者陶瓷外壁可以选择制成两对称片(沿着赤道线66或者80分开)，然后烧结在一起。

本发明的另一方面提供一种减少来自球形部分的体积散射的陶瓷电弧管。在材料体积中的光散射可能使得光线偏离它们的入射路径。散射的光线可能落在聚焦光束之外，并且降低整体性能。在烧结多晶材料中的体积散射是由残留孔隙和颗粒之间的边界引起的，这些颗粒通常具有10至50微米的尺寸。在玻璃状材料中例如石英或者单晶陶瓷，它们没有颗粒边界，并且其密度理论上是100％，因此没有内部孔隙。这些材料具有有效的零体积散射。在多晶陶瓷材料中的体积散射可以通过提高密度来减少，由此减少孔隙和内部孔隙，或者增加颗粒尺寸以减少颗粒数量，以至将颗粒尺寸减小至大约1微米或者更小。

为了减小或者最小化体积散射量，陶瓷材料优选是蓝宝石(单晶氧化铝Al₂O₃)或者单晶钇-铝-石榴石(SC YAG)-Y₃Al₅O₁₂；不太优选的是多晶尖晶石(PC尖晶石)-MgAl₂O₄；不太优选的是多晶钇-铝-石榴石(PC YAG)-Y₃Al₅O₁₂；不太优选的是多晶氧化铝(PCA)-Al₂O₃。在优选实施例中，球形部分的外壁是由单晶制成的。

在通常的应用中，这些材料的折射率“n”、两表面的合成菲涅尔反射“R”、光聚集效率“e”说明体积散射和菲涅尔反射损耗，分别是：

1、蓝宝石：n＝1.77；R＝15.4％；e＝92％

2、SC YAG：n＝1.84；R＝17.5％；e＝90％

3、PC尖晶石：n＝1.72；R＝14.0％；e＝90％

4、PC YAG：n＝1.84；R＝17.5％；e＝85％

5、PCA：n＝1.77；R＝15.4％；e＝55％

优选地，本发明用于与灯的连接，优选高压放电灯，优选具有非常短的弧隙以及非常精确的光束模式控制，具有以下优选特征。因此，更低和更高瓦数的灯具有这些值规定的参数。

1、填充材料：汞、卤素(优选溴，不太优选的是其它卤素)、稀有气体(优选氩)和少量氧气。本领域公知的，在优选的短弧放电灯中填充物不包括金属卤化物。

2、在操作期间的汞蒸汽压：2-600atm，更优选5-600atm，更优选50-600atm，更优选100-400atm，更优选200-300atm，更优选225-275atm，更优选大约250atm。

3、添加汞的量：0.01-2mg/mm³，更优选0.05-1.5mg/mm³，更优选0.1-1mg/mm³，更优选大约0.5mg/mm³。

4、在电极之间的距离(间隙)：0.2-10mm，更优选0.2-5mm，更优选0.5-2mm，更优选0.7-1.3mm，更优选大约1mm。

5、额定电压：30-300V，更优选60-120V，更优选大约75V。

6、额定功率：10-3000W，更优选50-500W，更优选100-300W，更优选大约300W。该灯通常提供50-70LPW。

7、壁负载(基于弧形腔的内表面积)：0.1-5W/mm²，更优选1-3W/mm²，更优选大约2W/mm²。

8、弧形腔内部体积：10-1000mm³，更优选50-300mm³，更优选大约200mm³。

9、对于石英短弧灯，电极的直径、形状和尺寸是本领域公知的；参见美国专利No.5,357,167、5,109,181和5,497,049。其内容在此引作参考。优选地，柄直径为0.1-1mm，更优选的0.3-0.5mm，更优选的大约0.5mm；优选的头直径为0.3-5mm，更优选1-2mm，更优选大约2mm。

10、如果在填充物中使用溴，溴的添加量优选为10^-12至10^-7摩尔/mm³，更优选大约10^-11至10^-9摩尔/mm³。如果使用其它的卤素，量相似。

本发明优选的用途是用于视频投射灯的短弧陶瓷电弧管、同样用于汽车、光导纤维、显示器、医学、科学设备中，特别是用于高密度放电灯设备中。其它商业应用为使用陶瓷或者高性能电弧管的在应用时要求良好控制光束(高亮度、低眩目等)的任何灯产品中。本发明还可以用于高温白炽卤素灯中，其中这种应用需要具有透明陶瓷电弧管的简洁更小的外套，以及具有透明陶瓷电弧管的简洁无电极高密度放电灯。本发明还应用在具有陶瓷电弧管的所有高压放电灯中，优选高压汞灯(不包括金属卤化物)，不太优选高压汞-金属卤化物灯(包含汞和金属卤化物)以及高压金属卤化物灯(填充物中不包含汞)，同样可以用于白炽卤素灯和无电极高强度放电灯。

虽然参考优选实施例已经描述了本发明，但本领域技术人员应该理解在不脱离本发明范围的前提下可以进行各种变化以及对其元件进行等同替换。此外，在不脱离其实质范围的前提下，可以进行许多修改以使特殊情形或者材料适应本发明的教导。因此，本发明不局限于作为用于执行本发明最佳实施方式公开的特定实施例，而是本发明将包括落入附加的权利要求书范围内的所有实施例。

Claims

1、一种用于放电灯产生电弧的陶瓷电弧管，所述电弧管包括：具有球形部分的陶瓷外壁，所述电弧管还包括在所述球形部分中弧形腔内部的填充材料，所述陶瓷电弧管具有选自以下组的一个或多个光的光学控制特征：

a)在所述球形部分的外表面上或内表面上的抗反射干涉涂层；

b)球形部分的外壁的外表面或内表面基本上是球形的；以及

c)球形部分的外壁的壁厚成形为从圆弧向光耦合到所述电弧管的反光镜的预定选择区域聚焦光线。

2、权利要求1的电弧管，其中所述电弧管具有在球形部分的外表面或者内表面上的抗反射干涉涂层。

3、权利要求2的电弧管，其中所述电弧管具有涂覆在球形部分的基本整个外表面上的所述抗反射干涉涂层。

4、权利要求1的电弧管，其中球形部分的外壁的外表面或者内表面基本上是球形。

5、权利要求4的电弧管，其中球形部分的外壁的外表面基本上是球形。

6、权利要求4的电弧管，其中球形部分的外壁的内表面基本上是球形。

7、权利要求5的电弧管，其中球形部分的外壁的内表面基本上是球形。

8、权利要求1的电弧管，其中球形部分的外壁的壁厚成形为从圆弧向光耦合到所述电弧管的反光镜的预定选择区域聚焦光线。

9、权利要求8的电弧管，其中球形部分的内表面为围绕由电极的纵轴定义的纵轴成形的圆柱形。

10、权利要求8的电弧管，其中球形部分的内表面围绕由电极的纵轴定义的纵轴定义非圆柱球形。

11、权利要求8的电弧管，其中球形部分的外壁的外表面基本上是球形。

12、权利要求8的电弧管，其中球形部分的外壁的内表面基本上是球形。

13、权利要求12的电弧管，其中所述电弧管具有在球形部分的基本整个外表面上的所述抗反射干涉涂层。

14、权利要求1的电弧管，其中球形部分的外壁由单晶材料制成。

15、权利要求1的电弧管，其中所述电弧管设置在视频投射灯中。

16、权利要求15的电弧管，所述电弧管还包括一对电极。

17、权利要求4的电弧管，其中球形部分的外壁由选自由蓝宝石、单晶钇-铝-石榴石和多晶钇-铝-石榴石组成的组中的材料制成。