JP3963964B2 - 光学被膜及びそれを使用するランプ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜による光学被膜に関し、特定すると、電気ランプ外囲器表面上に被着される光学被膜に関する。
【０００２】
【従来技術、発明の課題】
干渉フィルタ類の薄膜光学被膜は、フィラメントにより発される電磁スペクトルの異なる部分を選択的に反射、透過するため、シリカのような低屈折率物質と、タンタラ、チタニア、ニオビアおよび類似物のような高屈折率物質の交番層より成る。ある応用においては、これらの被膜は、ランプフィラメントにより発せられる赤外線エネルギをフィラメントに選択的に反射し、他方フィラメントにより発せられる電磁スペクトルの可視光部分を透過するための光学的干渉フィルタを形成する。その結果、フィラメントの動作温度を維持するに必要とされる電気エネルギの量は低減される。
【０００３】
この種のフィルタおよびこれを採用したランプは、例えば、１９８０年１０月２１日付にてRancourt等に発行された米国特許第４，２２９，０６６号に開示されている。Rancourt等は、複数の高および低屈折率物質層を少なくとも１周期（１回）積層し、一つおきの層が高反射（屈折率の誤訳）率を有する物質より形成され、他の層が低屈折率の物質より形成されるものより成る可視透過性、赤外線反射性のフィルタを開示している。１周期の隣接層間には、１または複数の反射防止層が配置されている。Rancourt等の特許の第５コラムに例として提示されている４７層のフィルタは、３７層の薄膜（すなわち４００オングストロム以下）を含む。
【０００４】
１９９２年８月１１日付にてKrisl等に発行された米国特許第５，１３８，２１９号は、第１積層体を少なくとも２周期積層した従来形式の短波長パス積層体とした、三つのスペル的に隣接した多周期積層体より成るフィルタを開示している。第２および第３積層体は、スペルトル的に、相互に異なりかつ第１積層体の積層体波長よりも長い波長にて位置づけられている。後者の２積層体は、少なくとも２周期を含み、各周期が、高および低屈折率物質の７層の交番層を含んでいる。表１に提示される例において、Krisl 等は、４００および７７０ナノメータ間のスペクトル的に広い高透過性を提供するため２４の薄層を含むフィルタを開示している。
【０００５】
Rancourt等およびKrisl 等の上述のフィルタは、赤外放射線を反射し、他方において可視放射線を透過するのに有効であり得るが、或る種の欠点がなお存在する。例えば、この種の薄層は厚い層よりも被着するのがより困難であることが知られている。
【０００６】
１９８７年５月５日付でMartine,Jr等に発行された米国特許第４，６６３，５５７号は、第１積層体および第３積層体が従来形式の短波長パス積層体であり、第２積層体が２：１誘電体積層体であるスペクトル的に隣接する三つの多周期積層体を含むフィルタを開示している。フィルタの全層は比較的厚く（すなわち４００ｎｍメータより大）であり、それゆえずっと被着し易いが、製造されたフィルタは付着のエラーにより敏感である。何故ならば、可視透過の窓が非常に狭いからである。
【０００７】
従来技術の光学的被膜は、赤外放射線について反射を最大にし、可視放射線について透過を最大にするように設計されることがしばしばある。しかしながら、この設計基準は、ランプがプランク放射体であり、平坦な放射エネルギ分布を有さないという事実を無視している。
【０００８】
それゆえ、本発明の目的は、従来技術の上述の欠点を排除することである。
【０００９】
本発明の特定の目的は、従来より少数の薄層しか必要としない改良された光学的被膜を提供することである。
【００１０】
本発明の他の特定の目的は、単に厚層のみから構成されない光学被膜を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の特定の目的は、フィラメントからの赤外線放射が最高である電磁スペクトル部分に最大の赤外線反射を生ずる光学的被膜を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の１側面において、これらの目的は、スペクトル的に隣接する三つの多周期積層体を含み、赤外放射線を反射し、可視放射線を透過する光学干渉被膜を提供することによって達成される。積層体のうちの二つは短波長パス積層体であり、前記積層体のうちの残りの積層体は、高および低屈折率物質の７層の交番層を含む。第３層は、[L/a H/b L/c H/d L/c H/b L/a]の形式の周期を有する。ここで、ＬおよびＨは、それぞれ低および高屈折率物質である。ＬおよびＨは、各々の物質の層が積層体波長の１／４波長の倍数の光学的厚さを有するものとして定義される。ａ，ｂ，ｃおよびｄは上記倍数を定める値であって、２≦ａ≦４，５≦ｂ≦１５，５≦ｃ≦１５および１≦ｄ≦２．５を満足し、更に好ましくは，ａ＝２．６３、ｂ＝９．０７、ｃ＝９．６５およびｄ＝１．２２である。
【００１３】
本発明の教示に従うと、短波長パス積層体の各々は、[L/2 H L/2] の形式の反復を含む１／４波長積層体である。好ましくは、第３積層体は、スペクトル的に、短波長パス積層体の積層体波長よりも長い波長に位置づけられるのがよい。好ましい実施例において、積層体の各々は少なくとも３周期の反復を有する。
【００１４】
本発明の他の目的、特徴および新規な特徴は、以下に続く説明に記載されており、また一部は以下の検討の際に当業者に明らかとなるものであり、あるいは本発明の実施により教示されよう。
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明のこれらおよびその他の目的、利点および可能性について説明する。
【００１６】
図面を参照して詳細に説明すると、図１には本発明の好ましい実施例が示されている。詳述すると、溶融シリカのようなガラス質透光性材料の密封外囲器１２を含む両端部型管状白熱ランプ１０を例示している。ランプ外囲器１２は下記の部分を含み得る。すなわち、中央部分１４、好ましくは中央部分１４の両端部に接続された二つの遷移部分１６および１８、それぞれ遷移部分１６および１８に接続された二つのフィラメント支持部分２０および２２、ランプ外囲器の両端部に配置された二つのプレスシール部分２４および２６である。
【００１７】
フィラメント３０は、二端部型管状ランプ外囲器１２内に機械的に支持されており、好ましくは巻かれたコイル状形態を有しており、三つの同軸部分、すなわち、中央部分３２および二つの端部部分３４および３６を備えるのがよい。フィラメント３０は、中心軸線３８を有しており、三つの部分はこの軸線に沿って同軸的に配置されている。中央部分３２は、それぞれスキップ巻き４０および４２を介して端部部分３４および３６に連なる。導入部分４４および４６は、フィラメント３０の両端部に配置されており、それぞれ端部部分３４および３６に接続する。フィラメントの端部部分は、動作中電気的に不活性である。スキップ巻きは、端部部分３４および３６と中央部分３２との間を軸方向に離間させることによって、フィラメント部分を二端部型外囲器内に軸線方向において正確に位置づける。そのようにすることにより、スキップ巻き４０および４２は、動作中フィラメントの電気的活性部分と不活性部分間を離間させる。
【００１８】
フィラメントスキップ巻き４０および４２を取り巻く遷移部分１６および１８は、一定の直径を有し、スキップ巻きの外径より若干大きい内径を有しており、遷移部分１６および１８においてフィラメント３０と外囲器１２間に正確に間隙が存するようになされている。この間隙は、ランプの動作中、フィラメント３０の活性部分とランプ外囲器１２との間に有害な相互作用が生ずるのを防ぐために提供される。遷移部分１６および１８内において、フィラメント３０は、端部部分３４および３６内に保持される心棒（図示せず）の存在に起因してスキップ巻き４０および４２を介して活性部分から不活性部分に遷移する。
【００１９】
フィラメント支持部分２０および２２は、フィラメント端部部分３４および３６をそれぞれ機械的に保持しており、中央部分１４内においてフィラメント３０を中央に正確に位置づけるのに役立つ。フィラメント支持部分２０および２２の内表面４８および４９は、フィラメント端部部分３４および３６とそれぞれ接触する。端部部分３４および３６は電気的に不活動であるから、フィラメント３０と石英ランプ外囲器間になんら有害な相互作用は生じない。
【００２０】
フィラメント導入部分４４および４６は、それぞれモリブデン箔導体５４および５６により外部リード５０および５２に接続される。箔導体５４および５６は、それぞれランプ外囲器１２の両端にてプレスシール部分２４および２６中を通る。プレスシール部分２４および２６は、石英ランプ外囲器１２と箔導体５４および５６間に密封シールを提供する。電力は、外部リード５０および５２を介してフィラメント３０に供給される。
【００２１】
この点まで論述したランプに類似のランプの例は、１９９２年１０月２３日付にて出願された米国特許出願第０７／９６５，５０３号開示されているから、この特許出願も参照されたい。
【００２２】
フィラメント端部部分３４および３６の回りにフィラメント支持部分２０および２２をそれぞれ焼き嵌めするタッキング法を、親密な係止止めを形成しランプ製造中フィラメント３０をランプ外囲器１２の固定位置に固定するのに利用できる。適当なタッキング方法は、１９９３年５月１１日付で発行された米国特許第５，２０９，６８９号に開示されているので、この特許を参照されたい。
【００２３】
製造中、外囲器１２は排気され、不活性充填ガスと１種または２種のハロゲン（すなわち沃素、臭素、塩素およびフッ素）が導入される。低電圧ランプ（例えば１２ボルト）の好ましい実施例においては、ランプ充填物は、０．３％（容積）の臭化ハロゲン、ホスフィンゲッター、残部のクリプトンより成る。総充填圧力は、室温にて約５絶対気圧である。１２０Ｖランプの好ましい実施例において、ランプ充填物は、０．１７％（容積）の臭化水素、ホスフィンゲッターを含み、残部は９５％のクリプトン／５％の窒素混合物である。総充填圧力は、室温にて約５絶対気圧である。本発明の白熱ランプの外囲器およびフィラメント構造体は、図１に示されるもの以外の形態を有してよいことを認められたい。
【００２４】
ランプ動作中、ハロゲンガスは、フィラメントから蒸発したタングステンと反応する。生じたガスは、タングステンフィラメントの熱い表面にて化学的に分解され、その中のタングステン原子はフィラメント上に付着し、ハロゲンは追加の遊離された原子を除去するように解放される。ハロゲンサイクルランプが適正に動作するようにするためには、外囲器１２は約８００℃の近傍の高温に維持されなければならないが、一般に、これは外囲器の直径を比較的小さく維持することにより遂行される。
【００２５】
図２は、３，０００ケルビン温度黒体から放射される放射エネルギスペクトルを例示するグラフであり、ハロゲンサイクルランプのフィラメントからの総放射線の小割合（％）のみが４００ないし７００ナノメータ間の可視光領域内にあることを示している。図２の曲線６４は、人間の目のスペクトル感度を例示している。図２から、フィラメントにより放射される放射線の大部分は、スペクトルの可視領域より上の（すなわち７００ナノメータより大きい）赤外線領域にある。ランプが加熱および照明の両方に対して使用されない限り、ランプからの赤外線の放射はエネルギの浪費であり、ある種の応用においては周囲環境の望ましくない加熱を生じる。
【００２６】
したがって、外囲器１４の中央部分の外部表面は、光学被膜６０を含む。光学被膜６０は、フィラメント３０により放射される赤外線エネルギを選択的にフィラメントに反射する光学的干渉フィルタを含んでおり、そして赤外放射線の少なくとも一部はフィラメントにより吸収される。この反射エネルギはフィラメントを加熱するのを補助するが、これは、フィラメントをその設計された動作温度に維持するに必要なエネルギの量を減ずる。外囲器１２の中央部分１４は、フィラメント３０の電気的に活性な中央部分３２に反射される赤外線光線を光学的に最適化するように幾何学的に賦型されており、好ましくは楕円形状がよい。
【００２７】
図３は、スペクトル的に隣接する三つの多周期積層体Ｓ₁，Ｓ₂およびＳ₃より成り、各々それぞれの積層体波長λ₁、λ₂、λ₃を有して成る、本発明に従う光学的フィルタを表わす構成図である。スペクトル的に隣接するとは、一つの積層体の最長の高反射率波長が他の積層体の最短の高反射率波長とおおむね一致していることを意味する。積層体波長は、最強の反射またはストップバンドが位置する波長として定義される。
【００２８】
光学的フィルタは、フィラメントにより放射される電磁スペクトルの異なる部分を選択的に反射、透過するため、シリカのような低屈折率物質（Ｌにより表わされる）と、タンタラ、チタニカ、ニオビアおよび類似物のような高屈折率物質（Ｈにより表される）の交番層を含む。物質ＬおよびＨは、各々、積層体波長の１／４として定義される光学的厚さ、すなわち１／４波長光学的厚さを有する。周期反復を形成する層は、括弧で囲んであり、上付き文字ｘ，ｙ，ｚは周期が積層内において繰り返される度数である。残りの層における分母数ａ，ｂ，ｃおよびｄの値は、下式に従い各層の必要とされる光学的厚さＴ_oに基づいて選ばれる。
【数１】
Ｔ₀＝λ／（４×分母数）
ここで、λは積層体の設計波長である。各層の物理的厚さＴ_pは、光学的厚さＴ_oを物質の屈折率により分割したものに等しい。
【００２９】
第１の誘電体積層体Ｓ₁は、最短波長パス積層体であり、[L/2 H L/2]^xとして一般的に表される誘電体積層設計を有する従来形式の短波長パス積層体フィルタである。積層体Ｓ₁は短波長パスフィルタと考えることができる。何故ならば、この積層体は、設計波長よりも低い波長にて非常に低い屈折率を有し、ついで設計波長よりも高い波長にて相当の屈折率領域を有するからである。
【００３０】
好ましい実施例において、第１積層体Ｓ₁は基板と接触しているものとして示されている。しかしながら、積層体の二つまたは全部の順序は切り換えることができる、例えば、第１積層体は、基板と接触している代わりに、環境と接触してよい。もしもシリカが第１積層体Ｓ₁の第１の層Ｌ／２として選ばれ、溶融シリカが基板として選ばれると、第１の層は基板の一部として考えることができる。
【００３１】
代表的に、分母数ａ，ｂ，ｃ，ｄの値は下記のごとくである。
２≦ａ≦４
５≦ｂ≦１５
５≦ｃ≦１５
１≦ｄ≦２．５
第１層Ｓ₁における周期ｘの数は、一般に３に等しいかそれよりも大きい。
【００３２】
第２すなわち中央層Ｓ₂は、[L/2 H L/2]^yとして一般的に表される誘電体設計を有する第２の従来形式の短波長パス積層体フィルタである。第２短波長パス積層体の設計波長は、代表的には、第１短波長パス積層体Ｓ₁の設計波長より大きい。第２積層体Ｓ₂における周期ｙの数は、一般に３に等しいかそれよりも大きい。
【００３３】
図３に例示されるように、光フィルタの第３層Ｓ₃の各周期ｚは、高および低屈折率物質の７層の交番層を含む。第３層Ｓ₃は、環境と接触しているものとして示されている。
【００３４】
図４は、本発明の１つの実施例である光学的干渉フィルタの非最適化の例である。この例において、第１短波長パスフィルタ（すなわち積層体Ｓ₁）は、４周期を含み、１０００ナノメータの設計波長を有する。第２短波長パスフィルタ（すなわち、積層体Ｓ₂）は、６つの周期を含み、１１８４ナノメータの設計波長を有する。第３誘電体積層体Ｓ₃は、３．５周期を含み、１６４８ｎｍの設計波長を有している。図３の分母数ａ，ｂ，ｃおよびｄの実際の値は図４に示してある。
【００３５】
屈折率２．１８および１．４６をそれぞれ有するタンタラ（Ｔａ₂Ｏ₄）およびシリカ（ＳｉＯ₂）より成る高および低屈折率の交番層に対して、図４に例示される完全なフィルタに必要な計算を適用した。表１は、従来形式のコンピュータ最適化技術に従う層の数および各層の物理的厚さを示す。
【００３６】
【表１】

【表２】

【００３７】
表１の例を詳しく参照すると、光学的干渉フィルタは、三つのスペクトル的に隣接する多周期誘電体積層体Ｓ₁，Ｓ₂およびＳ₃を含む。ここで、各層は少なくとも３周期を有する。
【００３８】
表１の１〜８を付した層は、基板との組合せで第１の誘電体積層体Ｓ₁を形成するが、これは１０００ナノメータの設計波長の短波長光学干渉フィルタを構成する。表１に示されるように、短波長パスフィルタは４周期Ａ，Ｂ，ＣおよびＤを含む。第１周期は、溶融シリカ基板の一部を層１および２とともに含む。層２〜４，４〜６および６〜８は、周期Ｂ，ＣおよびＤをそれぞれ含む。誘電体積層体Ｓ₁は、１０００ナノメータの設計波長以下の波長にて非常に低い反射率を有し、ついで１０００ナノメータより高い波長にて相当の反射率の領域を有する。
【００３９】
表１の層８〜２０は、１１８４ナノメータの設計波長を有する短波長パス干渉フィルタの形式で第２の誘電体積層体Ｓ₂を形成する。この第２短波長パスフィルタは、６周期Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，ＥおよびＦを含む。
【００４０】
光学干渉フィルタの第３層Ｓ₃は、層２０〜４１を含む。表１に示されるように、積層体Ｓ₃は３．５周期Ａ，Ｂ，ＣおよびＤを含む。完全周期のＡ，ＢおよびＣは、高および低屈折率物質の７層の交番層を含む。層２０〜２６，２６〜３２および３２〜３８は、それぞれ周期Ａ，ＢおよびＣを構成する。部分周期Ｄは層３８および４１含む。反射を減ずるために、光学干渉フィルタは、反射防止層を含んでよいが、これはこの例においては、９５．２ナノメータの物理的厚さを有する。
【００４１】
図５は、表１に記載された最適化光学フィルタのスペクトル反射率のグラフである。コンピュータによる最適化は、高い赤外線反射率と最低の層数の要求を平衡させるために使用される。本発明の光学フィルタは、従来のフィルタよりも高い平均赤外線反射率を有さなくてよいが、より高い平均エネルギ反射を有する。
【００４２】
【発明の効果】
以上に図示説明されるように、赤外線反射能力の損失を伴うことなく必要とされる透過窓を得るために包含される薄層の数が低減された改良された光学被膜が提供される。光学被膜は、単に厚層より成るだけでなく、フィラメントからの赤外放射線が最高である電磁スペクトルの一部に最大の赤外線反射を生じさせる。
【００４３】
以上本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の技術思想から逸脱することなく、種々の変化変更をなし得ることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ランプ外囲器の外表面上に配された本発明の光学被膜を有する白熱ランプの１具体例の一部断面の正面図である。
【図２】 ３０００ケルビン温度黒体からの放射エネルギスペクトルと、人間の目のスペクトル感度を例示するグラフである。
【図３】 各積層体の設計を示す本発明に従う光学フィルタを表わす構成図である。
【図４】 本発明に従う実際のフィルタを表わす構成図である。
【図５】 本発明に従う光学フィルタのスペクトル反射を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 白熱ランプ
１２ 密封外囲器
１４ 中央部分
１６，１８ 遷移部分
２０，２２ フィラメント支持部分
２４，２６ プレスシール部分
３０ フィラメント
３２ フィラメント中央部分
３４，３６ フィラメント端部部分
３８ フィラメント中央軸線
４０，４１ スキップ巻き
４４，４６ フィラメント導入部分
５０，５２ 外部リード
５４，５６ 箔導体
６０ 光学被膜

Claims (12)

1. 赤外放射線を反射し可視放射線を透過するための光学干渉被膜であって、前記被膜はスペクトル的に隣接する三つの多周期積層体より成り、これらの積層体のうちの二つが短波長パス積層体であり、残りの積層体が高屈折率物質および低屈折率物質の７層の交番層であって下記の形式の周期、すなわち
   ［L/a H/b L/c H/d L/c H/b L/a]
   の周期を有し（ここで、ＬおよびＨはそれぞれ低屈折率物質および高屈折率物質の層であって各々が積層体波長の１／４の倍数の光学的厚さを有し、ａ，ｂ，ｃおよびｄは上記倍数を定める分母数であり、括弧内の順序はＬおよびＨの物質の積層の順序を示す）、ａ，ｂ，ｃおよびｄの値が、２≦ａ≦４，５≦ｂ≦１５，５≦ｃ≦１５および１≦ｄ≦２．５を満足することを特徴とする光学干渉被膜。
2. 前記二つの短波長パス積層体の各々が、[L/2 H L/2]の形式の周期を含む１／４波長積層体である請求項１記載の光学干渉被膜。
3. 前記低屈折率物質がシリカであり、前記高屈折率物質がタンタラである請求項１記載の光学干渉被膜。
4. 前記残りの層が、スペクトル的に前記短波長パス積層体の積層体波長より長い波長に位置づけられている請求項１記載の光学干渉被膜。
5. 前記積層体の各々が少なくとも３周期を有する請求項１記載の光学干渉被膜。
6. ａ，ｂ，ｃおよびｄの値が、ａ＝２．６３、ｂ＝９．０７、ｃ＝９．６５およびｄ＝１．２２を満足する請求項１記載の光学干渉被膜。
7. 透光性物質の外囲器およびフィラメントを備え、前記外囲器の表面の少なくとも一部が赤外放射線を反射し、可視放射線を透過するための、該外囲器表面上に配された光学干渉被膜を有し、この光学干渉被膜が、スペクトル的に隣接する、三つの多周期積層体より成り、この積層体のうちの二つが短波長パス積層体であり、残りの積層体が高屈折率物質および低屈折率物質の層の交番層を含み、下記の形式、すなわち
   ［L/a H/b L/c H/d L/c H/b L/a]
   の周期の７層の交番層を有し（ここで、ＬおよびＨはそれぞれ低および高屈折率物質の層であって各々が積層体波長の１／４波長の倍数の光学的厚さを有する層であり、ａ，ｂ，ｃおよびｄはＬおよびＨの上記倍数を定める分母数であり、括弧内の順序はＬおよびＨの物質の積層の順序を示す）、ａ，ｂ，ｃおよびｄの値が、２≦ａ≦４，５≦ｂ≦１５，５≦ｃ≦１５および１≦ｄ≦２．５を満足することを特徴とする電気ランプ。
8. 前記二つの短波長パス積層体の各々が、[L/2 H L/2]の形式の周期を含む１／４波長積層体である請求項７記載の電気ランプ。
9. 前記低屈折率物質がシリカであり、前記高屈折率物質がタンタラである請求項７記載の電気ランプ。
10. 前記残りの層が、スペクトル的に前記短波長パス積層体の積層体波長より長い波長に位置づけられている請求項７記載の電気ランプ。
11. 前記積層体の各々が少なくとも３周期を有する請求項７記載の電気ランプ。
12. ａ，ｂ，ｃおよびｄの値が、ａ＝２．６３、ｂ＝９．０７、ｃ＝９．６５およびｄ＝１．２２を満足する請求項７記載の電気ランプ。

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