專利名稱：電燈和干擾膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電燈，它包括內(nèi)設(shè)光源的發(fā)光燈泡。
其中，至少部分燈泡配置有允許可見(jiàn)光射線和反射紅外線的干擾膜。
其中，干擾膜包括有第1折射率的第1材料層與有第2折射率的第2材料層交替設(shè)置的多層膜。
其中，第2折射率比第1折射率高。
本發(fā)明還涉及用于電燈中的干擾膜。
所述干擾膜反射和/或允許通過(guò)電磁頻譜的不同部分產(chǎn)生的發(fā)射光。例如，紫外線，可見(jiàn)光和/或紅外光。該干擾膜通常涂在電燈的燈泡上和/或反光鏡上。按此方式，由于加了反射紅外光的涂膜，可以提高電燈的效率。但是它允許肉眼看得見(jiàn)的發(fā)射光通過(guò)。電燈和/或反光鏡的幾何形狀應(yīng)使反射光能反射回到光源，光源包括燈絲或放電室。反射(熱)輻射通常用來(lái)幫助保持光源的工作溫度。由此改善電燈的能量平衡。
本文第一段所述類型的電燈2由美國(guó)專利US-A5138219公開(kāi)。已知的電燈中，氧化硅構(gòu)成第1層材料，氧化鉭構(gòu)成第2層材料，氧化鉭層的折射率高于氧化硅的折射率。
電燈的缺點(diǎn)是，有助于電燈能量平衡的干擾膜反射的輻射熱程度相對(duì)較小，所以效率相對(duì)較小。
本發(fā)明的目的是，提供本文第一段所述類型的效率提高了的電燈。
按本發(fā)明，本文第一段所述類型的燈的特征是，波長(zhǎng)范圍是400至760nm，干擾膜的透射率的平均值至少為90％，和在800至2200nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，干擾膜的反射率平均值至少為75％。
干擾膜在可見(jiàn)光范圍(400-760nm)范圍內(nèi)有高透射率。同時(shí)，在電磁光譜的紅外線范圍(800至2200nm)的較寬部分中有高反射率，因而，由干擾膜反射的輻射熱量增大，結(jié)果，提高了電燈的效率。波長(zhǎng)范圍為400至760nm中的相應(yīng)的透射率處，紅外光范圍內(nèi)的現(xiàn)有電燈的反射率小于按本發(fā)明的電燈的反射率。此外，波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到的已知燈的干擾膜的低反射率比按本發(fā)明的燈中的干擾膜的反射率小很多。在800至1900nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的現(xiàn)有電燈中的干擾膜的反射率平均值約為70％，而按本發(fā)明的電燈中的干擾膜的反射率平均值至少為75％。
800至2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率平均值最好為85％，電磁光譜的紅外線范圍(800-2500nm)的較寬部分中有如此高反射率的干擾膜使干擾膜反射的輻射熱量明顯增大，因而使電燈效率明顯提高。
允許可見(jiàn)光輻射通過(guò)和反射紅外光的常規(guī)干擾膜中，干擾膜是在有不同的折射率的兩種材料上，用有各種設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的常規(guī)的多層膜層疊制成的。這種常規(guī)的多層層疊膜由3層順序?qū)盈B的膜構(gòu)成，即有第1折射率的第1材料層(L)，有第2折射率的第2材料層(H)，和有第1折射率的第3材料層(L)順序?qū)盈B構(gòu)成。這種常規(guī)的3層疊層膜用本行業(yè)公知的方式表示(LaHdLa)x]]>式中1≤a≤2， 1≤d≤2.5， 1≤x≤20。
使用這種常規(guī)疊層的缺點(diǎn)是，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射窗的光譜寬度較小，不可能提高電磁光譜的紅外光范圍內(nèi)的干擾膜的效率，因而使可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射窗的光譜寬度更窄，此外，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)出現(xiàn)不希望出現(xiàn)的干擾峰。
用三種材料膜層代替兩種材料的膜層來(lái)構(gòu)成干擾膜，其中第3種材料膜的折射率介于第1和第2種材料膜的折射率之間，用該方式使干擾膜本身在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射窗的光譜寬度增大。第3材料膜通常叫作中間層(M)。盡管用3種材料膜制成的干擾膜本身是可實(shí)用的，但不容易找到適合于上述目的的3種材料，因此，可提供彼此無(wú)關(guān)的工業(yè)上用于電燈燈泡的干擾膜。
允許可見(jiàn)光透過(guò)并反射紅外光的US-A5138219公開(kāi)的已知燈的干擾膜中，可用兩種不同的材料層組合模擬第3層，即中間材料層(M)。這種情況下是3種材料的5層層疊結(jié)構(gòu)(LaMbHdMbLa)]]>式中2≤a≤4，1≤d≤2.5，上述結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成兩種材料的7層H-L疊層結(jié)構(gòu)(LaHLb′HdLHb′La)]]>式中 2≤a≤4，5≤b’≤15，1≤d≤2.5；這種兩種材料層的7層疊層結(jié)構(gòu)的干擾膜的缺點(diǎn)是，有效的紅外干擾被限制在約800至1900nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。如果還需要反射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的(λ＞1900nm)的紅外線，發(fā)現(xiàn)這種7層H-L的疊層結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮所要求的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，而不希望在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有側(cè)邊作用，因?yàn)?，這導(dǎo)致在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射窗減小，以及在可見(jiàn)光范圍的中心部分出現(xiàn)干擾峰。這種側(cè)邊作用對(duì)電燈的處理和重現(xiàn)光源發(fā)射的光的顏色重顯造成負(fù)面影響。這些干擾峰是所謂的第5級(jí)干擾峰，它們能用包括兩層中間材料層的多層疊層結(jié)構(gòu)來(lái)抑制。這種疊層有以下結(jié)構(gòu)。(LaM1b1M2b2HdM2b2M1b1La)]]>式中， 2≤a≤4； 2≤b1， b2≤4； 1≤d≤2.5；如果找到一種合適的中間材料層，則能明顯改善上述的上層疊層結(jié)構(gòu)，之后，主要集中于找尋適合于該5層疊層結(jié)構(gòu)的，其折射率在有高折射率的膜層與有兩層低折射率膜之間的兩層適合的膜。本發(fā)明中，用另外兩層材料層即H和L的適當(dāng)組合模擬這些中間材料層M1和M2中的每一層材料層。
電燈的優(yōu)選實(shí)施例的特征是，干擾層包括至少一個(gè)由至少7層膜構(gòu)成的疊層，7層疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)置方式是，有第1折射率的材料層(L)和有第2折射率的材料層(H)交替層疊，多層結(jié)構(gòu)如下(LaHLbHLcHdLHcLHbLa)]]>式中2≤a≤4，5≤b≤50，5≤c≤50，1≤d≤3；用這種7層H-L的疊層結(jié)構(gòu)，有效反射的紅外線波長(zhǎng)寬度范圍明顯地增大到800至2200nm，最好是800至2500nm，而不減小在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射率。反射的紅外光波長(zhǎng)寬度的增大導(dǎo)致干擾膜反射的輻射熱量增大，提高了電燈的效率。此外，用這種7層H-L疊層膜能使穿過(guò)有效波長(zhǎng)范圍的紅外光反射效率明顯提高。
以兩種材料層(H和L)為基礎(chǔ)的干擾膜中，在紅外光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率增大到上述的平均值80％，但不擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外線范圍(λ≥1900nm)內(nèi)，通常導(dǎo)致在可見(jiàn)光范圍(低于300nm)內(nèi)的透射窗明顯變窄。為了獲得在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的“正常”透射窗，而轉(zhuǎn)變用于干擾膜的這種濾光鏡的設(shè)計(jì)導(dǎo)致反射率下降。本發(fā)明的基礎(chǔ)是認(rèn)識(shí)到，保持在可見(jiàn)光范圍(400-760nm)內(nèi)的要求的“正常”透射窗，而且使紅外光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射頻帶增大到800至2200nm，最好是800至2500nm。
電燈的優(yōu)選實(shí)施例的特征是，干擾膜至少包括一個(gè)至少由7層膜層疊構(gòu)成的疊層膜，疊層膜的設(shè)置方式是，有第1折射率的第1材料層(L)和有第2折射率的第2材料層交替疊層，該疊層膜有以下結(jié)構(gòu)(La′HLb′Hd′LHb′La′)]]>式中2≤a’≤4；5≤b’≤50，1≤d’≤3，有第1折射率的第1層(L)材料最好主要含氧化硅。
有第2折射率的第2層(H)材料最好選自氧化鈦，氧化鈮，氧化鋯，氧化鉿和氧化鉭。這些有高折射率的膜層可用兩層交替構(gòu)成，例如TiO2×ZrO2，TiO2×HfO2，TiO2×Nb2O5，Ta2O5×TiO2或Ta2O5×2TiO2。
發(fā)現(xiàn)按本發(fā)明的沒(méi)有干擾膜的電燈用Nb2O5作有高折射率的材料，用SiO2作有低折射率的材料，在燈的整個(gè)使用壽命中保持它的原始性能。用Nb2O5×Ta2O5混合膜的另一干擾膜中，如果電燈的工作溫度較高時(shí)，它特別合適。實(shí)驗(yàn)表明，這種干擾膜的濾光鏡設(shè)計(jì)幾乎不需要采用。
燈光源是白熾體，例如，在含鹵素氣體或者在可離子化氣體中有電極時(shí)，例如有金屬鹵化物的惰性氣體，也可能用汞作緩沖氣體。光源可用最里層的氣密性外殼包圍。也可以有包圍燈泡的最外層的外殼。
形成干擾膜的常規(guī)方式例如有物理汽相淀積法(PVD)或直流反應(yīng)濺射法，或浸涂法，或LP-CVD(低壓化學(xué)汽相淀積)法，PE-CVD(等離子增強(qiáng)型CVD)法。
通過(guò)以下參見(jiàn)多個(gè)實(shí)施例所做的說(shuō)明，本發(fā)明的這些方法和其它方案將會(huì)很清楚。


圖1是白熾電燈的側(cè)視圖；圖2是本發(fā)明的干擾膜結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的電燈和現(xiàn)有電燈的紅外反射干擾膜的透射光譜圖。
附圖只是圖形沒(méi)畫(huà)出尺度。尤其是為了圖清晰，有些尺寸被放大了。這些圖中，相同部分用相同的參考數(shù)字標(biāo)示。
圖1所示電燈包括石英玻璃制造的裝入作為光源2的白熾體的燈泡1。電流導(dǎo)體3從燈泡1伸到外面并連接到光源2。燈泡1中充有含鹵素的氣體，例如溴化氫。至少部分燈泡1涂有干擾膜5，干擾膜5包括主要由氧化硅(SiO2的平均折射率為1.45左右)構(gòu)成的第1層和有較高折射率的材料構(gòu)成的第2層交替層疊的多層膜，見(jiàn)圖2，在本例中有較高折射率的材料用平均折射率為2.35的氧化鈮(Nb2O5)。干擾膜5允許可見(jiàn)光通過(guò)并反射紅外光。
燈泡1安裝在外玻殼4中，外玻殼4由與電流導(dǎo)體3電連接的燈頭6支承。圖1所示的電燈是60瓦的交流電燈，使用壽命至少是2000小時(shí)。
電燈的干擾膜5至少包括多層膜構(gòu)成的3個(gè)相鄰疊置的疊層膜，每個(gè)疊層膜至少包括第1層L和第2層H。
圖2是按本發(fā)明的干擾膜的結(jié)構(gòu)圖。從圖2中的襯底1看，干擾膜5的設(shè)計(jì)包括第1疊層膜S1，按本發(fā)明第1疊層S1包括11層，它是用有低折射率的L層和有高折射率的H層交替層疊構(gòu)成的。第1疊層S1的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ(S1)是2100nm。用本發(fā)明的濾光鏡設(shè)計(jì)能抑制5級(jí)反射峰，后面的更高的干擾峰可能出現(xiàn)在λ(S1)/7＝300nm處，它是在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(400-760nm)的好的外邊透射窗。按本發(fā)明的干擾膜設(shè)計(jì)中，疊層膜S1用3次，換句話說(shuō)x＝3，見(jiàn)圖2，表1中疊層膜S1的周期是A、B和C。
圖2中，第1疊層膜之后，干擾膜包括第2疊層膜S2，它包括7層用有低折射率的L層和有高折射率的H層交替層疊構(gòu)成的疊層膜。通常在兩個(gè)不同的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)用兩種第2疊層膜。兩個(gè)不同的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)是λ1(S2)＝1700nm，λ2(S2)＝1300nm。濾光鏡設(shè)計(jì)能抑制3級(jí)反射峰，之后，會(huì)在λ1(S2)/5＝340nm或λ2(S2)/5＝260nm處出現(xiàn)更高的干擾峰，它們是在可見(jiàn)光范圍(400-760nm)內(nèi)的兩個(gè)好的外部透射窗。按本發(fā)明的干擾膜設(shè)計(jì)中，疊層膜S2用11次，換句話說(shuō)y＝11，見(jiàn)圖2，表1中疊層膜S2的周期是A至K。
圖2中第2疊層膜S2之后，干擾膜包括所謂的常規(guī)型第3疊層膜S3，它包括3層有低折射率的L層，有高折射率的H層和有低折射率的L層。第3疊層膜的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ(S3)是900nm。在λ(S3)＝300nm處出現(xiàn)的第3級(jí)干擾峰是在可見(jiàn)光范圍(400-760nm)內(nèi)的好的外邊透射窗。按本發(fā)明的干擾膜設(shè)計(jì)中，疊層膜S3用6次，換句話說(shuō)z＝6，見(jiàn)圖2，表1中疊層膜S3的周期是A至F。
總之，圖2所示干擾膜用4個(gè)光譜相鄰的疊層膜組件構(gòu)成，通常是(a)第1疊層膜S1，它包括11層H-L，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ(S1)＝2100nm；(b)第2疊層膜S2，它包括7層H-L，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ(S2)＝1700nm；(c)另一第2疊層膜S2，它包括7層H-L，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ2(S2)＝1300nm；(d)第3疊層膜S3，它包括3層H-L，設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ(S3)＝1700nm；
各3疊層膜S1、S2和S3重復(fù)多少次，換句話說(shuō)，指數(shù)x、y和z值的選擇應(yīng)根據(jù)濾光鏡設(shè)計(jì)的每單位厚度增大所引起的反射率的最大增大值分析來(lái)確定。分析結(jié)果表明，如果要求高反射率，按本發(fā)明，最好用11層H-L疊層膜。通常，y和z再增大不會(huì)引起更寬的紅外線波長(zhǎng)范圍，此外，它的缺點(diǎn)是，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射窗寬度減小。不希望可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透射窗寬度減小。因?yàn)?，它?huì)在干擾膜制造中隨著膜層厚度變化而使濾光鏡設(shè)計(jì)的容差減小。表1表明按本發(fā)明的允許透過(guò)可見(jiàn)光的和反射紅外線的干擾膜的濾光鏡設(shè)計(jì)與所述設(shè)計(jì)容差關(guān)系不大。
表1所示的按本發(fā)明的109-層H-L干擾膜的實(shí)際膜層厚度是計(jì)算機(jī)最佳化的結(jié)果，上述的紅外反射光干擾膜設(shè)計(jì)本身是符合要求的。
表1按本發(fā)明的干擾膜
表1所示干擾膜中，Nb2O5的總厚度為2687nm，SiO2的總厚度為5077nm。
用反應(yīng)濺射法在燈泡1的相關(guān)部分涂按本發(fā)明的干擾膜5。反應(yīng)濺射時(shí)，在Ar和O2氣環(huán)境中濺射Si，制成SiO2層。濺射的典型條件是Ar氣壓力為400-1400Pa(3-10m torr)，O2氣壓力是25-50 Pa(0.2-0.4mtorr)。在Ar/O2混合氣體中濺射金屬材料也能制成有高折射率的材料。典型的形成條件是Ar的壓力為400-1400Pa(3-10m torr)，O2壓力是40-140Pa(0.3-1.0m torr)。這兩種氣體中Ar壓力通常選用恒流，O2壓力選用特殊的氧傳感器監(jiān)測(cè)，濺射溫度為20至100℃。
在電燈的整個(gè)使用壽命中按本發(fā)明的干擾膜5保持原封不動(dòng)并保持它最初的性能。
圖3是透射光譜與用47層SiO2和Nb2O5交替層疊構(gòu)成的膜的紅外反射率的波長(zhǎng)λ(nm)的關(guān)系曲線。以連續(xù)線表示的光譜本身是已知的，與用109層SiO2和Nb2O5膜層交替層疊構(gòu)成的疊層膜的紅外反射率相比，在可見(jiàn)光范圍(400-760nm)內(nèi)，按本發(fā)明的干擾膜的透射率，上述的現(xiàn)有干擾膜的透射率平均值至少是90％。
US-A5138219公開(kāi)的電燈配置有47層Ta2O5/SiO2干擾膜在800nm至1900nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率平均值為67％左右。設(shè)有上述的47層Nb2O5/SiO2干擾膜的電燈在800nm至1900nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率平均值為70％左右。設(shè)有表1所示干擾膜的電燈在800nm至2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率平均值為90％。反射熱的高效率對(duì)電燈的能量平衡有積極的正面作用。因此，能制成有高效率的電燈。
顯然，在發(fā)明范圍內(nèi)本行業(yè)的技術(shù)人員還會(huì)做出各種改變。
本發(fā)明要求保護(hù)的范圍不限于這里提供的實(shí)施例。發(fā)明可以按每個(gè)新特征和各個(gè)特征的各種組合加以實(shí)施。權(quán)利要求中的參考數(shù)字不限制發(fā)明要求保護(hù)的范圍。術(shù)語(yǔ)“包括”及其動(dòng)詞變化并不排出除權(quán)利要求中已說(shuō)到的那些元件之外還有別的元件。在元件前面用的冠詞“a”或“an”不排除有多個(gè)元件存在。
權(quán)利要求
1.電燈，包括內(nèi)裝光源(2)的透射燈泡(1)，其中，燈泡(1)的至少一部分設(shè)有允許可見(jiàn)光通過(guò)并反射紅外光的干擾膜(5)，其中，干擾膜(5)包括有第1折射率的第1材料層(L)和有第2折射率的第2材料層(H)交替層疊的多層膜(L，H)；其中，第2折射率比第1折射率高，其特征是，在400至760nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，干擾膜(5)的透射率平均值至少是90％；和在800至2200nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，干擾膜(5)的反射率平均值至少是75％。
2.按權(quán)利要求1的電燈，其特征是，在800至2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，反射率平均值至少是25％。
3.按權(quán)利要求1或2的電燈，其特征是，干擾膜(5)包括至少一個(gè)用11層膜層疊構(gòu)成的多層疊層膜，它的設(shè)置方式是，有第1折射率的第1材料層(L)和有第2折射率的第2材料層(H)交替層疊，多層疊層膜有以下結(jié)構(gòu)(LaHLbHLcHdLHcLHbLa)]]>式中2≤a≤4，5≤b≤50，5≤c≤50，1≤d≤3。
4.按權(quán)利要求3的電燈，其特征是，干擾膜(5)包括至少還有另一個(gè)用至少7層膜構(gòu)成的疊層膜，它的設(shè)置方式是，有第1折射率的第1材料層(L)和有第2折射率的第2材料層(H)交替層疊，另一個(gè)疊層膜有以下結(jié)構(gòu)(La′HLb′Hd′LHb′La′)]]>式中2≤a’≤4，5≤b’≤50，1≤d’≤3。
5.按權(quán)利要求4的電燈，其特征是，干擾膜(5)包括至少3個(gè)光譜相鄰的多層膜構(gòu)成的疊層膜，每個(gè)疊層膜至少包括第1層(L)和第2層(H)。
6.按權(quán)利要求1或2的電燈，其特征是，有第1折射率的第1層(L)材料主要含SiO2。
7.按權(quán)利要求6的電燈，其特征是，有第2折射率的第2層(H)材料選自氧化鈦，氧化鈮，氧化鋯，氧化鉿，氧化鉭及其組合物。
8.按權(quán)利要求1或2的電燈所用的干擾膜。
全文摘要
用于電燈的光干擾膜,在400至760nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透射率為90%,包括用有低折射率的材料構(gòu)成的第1層(L)和有高折射率的材料構(gòu)成的第2層(H)交替層疊構(gòu)成3個(gè)光譜相鄰的多層膜疊層膜。按本發(fā)明,在800至2200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)干擾膜的平均反射率至少是75%,在400至760nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透射率至少是90%。在800至2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的干擾膜的平均反射率最好是85%。圖2所示干擾膜的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ(S
文檔編號(hào)H01J61/40GK1366621SQ01800805
公開(kāi)日2002年8月28日 申請(qǐng)日期2001年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月3日
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