專利名稱：用于銀制燈反光件的最佳二氧化硅保護層厚度的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燈技術。更具體講，本發(fā)明涉及一種用在反光燈中的反光鍍層及其制備方法，在所述反光燈中，光源包含在一個具有一個透明部分和一個反光部分的燈罩中，將所述反光部分定位得能夠?qū)⒔^大部分所產(chǎn)生的光穿過所述透明部分反射出去。
背景技術：
在聚光燈、車頭燈以及其它類似照明設備中廣泛采用了反光燈。反光燈的典型實例包括通用電氣生產(chǎn)的PAR 38和PAR 64燈。PAR是“拋物面涂鋁反光件”的公認縮寫。在美國專利第3010045號、第4021659號、第4804878號、第4833576號、第4855634號和第4959583號中介紹了其它一些可商購的反光燈。
反光燈設計中新近的重點領域已經(jīng)轉移到了提高能量效率上。在產(chǎn)業(yè)上，能量效率通常是通過參照輸入到燈中的每電流瓦特下由燈產(chǎn)生的流明(LPW)來量度的。顯然，具有較高LPW的燈要比表現(xiàn)出較低LPW的對比性燈效率高。在這點上，我們預期，在不久的將來，政府的法規(guī)將要求對反光燈LPW進行顯著的改進。
最常用的一種反光鍍層是鋁膜，這種鋁膜是用過熱蒸鍍和濺鍍沉積在反光罩的表面上的。這種膜的生產(chǎn)成本比較低，并且在燈的使用壽命期間，在燈的工作溫度下，這種膜是比較穩(wěn)定的。這種膜在可見光譜范圍內(nèi)的反射率是大約88-90％，從而結合有鋁膜的PAR 38燈能夠?qū)艚z管發(fā)出的光的大約70％轉換成照明輸出。
銀膜具有更高的反射率，從而用在光學儀器、電子設備中，并且用在照明設備中。同樣以PAR 38為例，鍍銀燈的反射率為大約95-98％，這樣的燈一般能夠?qū)艚z管發(fā)出的光的大約80-85％轉換為照明輸出，因此期望15％的流明增益。
用于組裝帶有鋁膜的燈的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法包括數(shù)個高溫工藝，包括預熱、焊管腳、鍍鋁、銅焊和密封。在預熱步驟中，將反光罩加熱到大約735℃。在焊管腳步驟中，將燈口金屬箍和排氣管焊接到反光罩的底部上。然后對反光罩進行鍍鋁，以設置鋁鍍層。銅焊包括將光源焊接到燈口金屬箍上。在密封步驟中，將一個透明的封口透鏡密封在反光罩開口上。通常，使用無遮攔的天然氣和氧氣火焰來進行這些加熱步驟中的大部分。該火焰將會把反光罩的相鄰部分加熱到很高的溫度。例如，在密封過程中，在密封區(qū)域中，反光罩和鍍層將會經(jīng)受1000℃左右的溫度，而遠離密封區(qū)域的地方將會經(jīng)受650℃左右的溫度。
可以使用與制備鋁膜相同的方法來制備銀膜。不過，眾所周知，在超過200℃的溫度下，蒸鍍或濺鍍的銀膜是很不穩(wěn)定的。在密封過程中所使用的溫度下，銀膜很容易遭到氧化，從而使銀膜的光學特性遭到破壞。因此，不受保護的銀膜是不適于通過這種工藝進行的燈制造的。而且，銀膜對硫化銹污表現(xiàn)出很差的化學抗蝕能力，從而暴露在大氣中的不受保護的銀膜的性質(zhì)因此而遭到破壞。
因此，在本領域中，對開發(fā)這樣一種高能量效率的反光燈存在著需求它保持了合乎要求的光溫、光色、壽命以及與當前硬件的兼容性。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的示例性實施例中，提供了一種形成燈的方法。該方法包括設置一個反光內(nèi)表面，包括設置一個反光材料層，和設置一個保護層，該保護層保護所述反光材料層不致形成氧化物和硫化物。由所述內(nèi)表面和光源形成所述燈，選取所述保護層的厚度，以滿足下述至少一個條件(a)所述燈的色彩校正溫度不小于所述光源的色彩校正溫度減去40K，和(b)在400-800nm的可見光譜范圍內(nèi)，所述反光內(nèi)表面的％反射率不小于沒有所述保護層的同等反光內(nèi)表面的％反射率減去大約3％。
在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，給出了一種燈。該燈包括罩；光源，該光源安裝在所述罩中；和反光鍍層，該反光鍍層位于所述罩的內(nèi)表面上。所述反光內(nèi)表面包括銀層和保護層，該保護層設置在所述銀層上，該保護層具有滿足下述關系的光學厚度1.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n)，其中n是從0到10的整數(shù)。
在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，給出了一種形成燈的方法。該方法包括設置一個反光表面，該反光表面包括銀，并且由透光的保護層覆蓋該反光表面，當針對由所述反光表面和保護層形成的燈依據(jù)光學厚度繪制出色彩校正溫度和百分比反射率之一時，所述保護層表現(xiàn)為一個振蕩函數(shù)，對該保護層的光學厚度進行選擇，以滿足下述關系所述燈的色彩校正溫度不小于與光學厚度為零的保護層相應的色彩校正溫度減去20K；在光譜的可見光范圍內(nèi)，所述反射率不小于與光學厚度為零的保護層相應的反射率減去3％。
在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，給出了一種形成燈的方法。該方法包括設置反光面。針對用于形成所述保護層的選定保護材料，確定作為光學厚度的函數(shù)的色彩校正溫度和反射率中的至少一個的關系。利用所述關系，確定至少滿足下述關系之一的光學厚度所述燈的色彩校正溫度不小于與光學厚度為零的保護層相應的色彩校正溫度減去20K；在光譜的可見光范圍內(nèi)，所述反射率不小于與光學厚度為零的保護層相應的反射率減去3％。由透光的保護材料形成的保護層覆蓋所述反光表面，該保護層具有滿足所述至少一個關系的光學厚度。
本發(fā)明的至少一個實施例的一個優(yōu)點是給出了一種新穎且經(jīng)改良的反光燈，該反光燈具有優(yōu)異的LPW。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一個優(yōu)點是給出了一種鍍覆在銀反光件上的保護鍍層。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一個優(yōu)點是給出了一種高透射性的二氧化硅鍍層。
本發(fā)明的至少一個實施例的另一個優(yōu)點是給出了這樣一種燈該燈的色彩校正溫度基本上不低于其包含的光源的色彩校正溫度。
在閱讀和理解了下述的優(yōu)選實施例的詳細說明之后，對本領域的技術人員而言，本發(fā)明的再有的其它優(yōu)點將變得顯而易見。


附圖1是一個組裝好了的按照本發(fā)明的白熾燈的截面圖，表示出了一個反光層和一個保護層(并不按實際比例)；附圖2是針對由化學氣相沉積工藝產(chǎn)生的硅氧化物保護鍍層得出的色彩校正溫度(CCT)(主Y軸)與保護層厚度和％反射率(次Y軸)與保護層厚度的曲線圖；附圖3是表示針對由等離子增強化學氣相沉積工藝產(chǎn)生的硅氧化物保護鍍層，在與附圖2相比較寬的保護層厚度范圍內(nèi)的CCT和％反射率的圖曲線圖；附圖4表示針對Ta2O5鍍層的CCT和％反射率與厚度的曲線圖；和附圖5是針對四種保護鍍層的CCT與光學厚度的曲線圖。
附圖標記10燈；12反光罩；13內(nèi)表面；14內(nèi)反光鍍層；16反光材料內(nèi)層；18外保護層或頂部鍍層；20光源；22透鏡；24開口端；30封閉端；32兩個通過通道；34，36導線或燈口金屬箍；38底部；44，46導線；50燈絲；52外殼；60氣密室。
具體實施例方式
參照附圖1，燈10包括一個反光罩12，該反光罩12具有一個內(nèi)表面13，在該內(nèi)表面13上，托著一個內(nèi)反光鍍層14。該反光鍍層14包括一個與所述罩相鄰接的第一反光材料內(nèi)層16，和一個由諸如穩(wěn)定氧化物之類的保護材料形成的第二外保護層或頂部鍍層18，該層覆蓋著反光層16。最優(yōu)選擇該保護層18的厚度，以最大化燈的性能，這將在后面進行介紹。
所述反光罩12的內(nèi)表面13可以是拋物面形的或橢圓形的(比如附圖1所示的PAR 30或38燈)，或者也可以具有其它適當?shù)男螤?，以引導來自位于該反光罩中的光?0的光線。一個透鏡22覆蓋著該反光罩的開口端24。透鏡22可以對所有光線都是透明的、可以包括一個濾光片來吸收/反射由光源20散發(fā)的光線并且可以包括一個抗反射鍍層來增強光的透射。
反光罩12的第二封閉端30包括兩個通過通道32，這兩個通道容納著光源的供電接線。在附圖1所示的實施例中，這些供電接線包括導線或燈口金屬箍34和36，它們通過燈的底部38與一個電源(未示出)進行電連接。導線34和36分別與金屬箔(未示出)電連接，而金屬箔與導線44和46電連接。這樣，就將電流提供給了光源20，在所示出的實施例中，該光源20包括一個燈絲50，比如一根鎢絲，該燈絲50與其包容其自身的氣體一起封裝在一個外殼52中，該外殼52由石英、二氧化硅或其它適當?shù)牟牧现瞥?。所述氣體是鹵素填充氣，典型地包括氪和甲基溴。
雖然所示出的光源適于與本發(fā)明的鍍層一起使用，但是應當意識到，各種其它的光源可以代替這個所示出的光源。這些光源包括發(fā)光二極管(LED)、激光二極管、傳統(tǒng)的白熾燈、石英金屬鹵化物燈和陶瓷鹵化物燈以及其它類似的光源，這些光源可以單獨使用，或者組合在一起使用和/或多個一起使用。
保護層18最好是這樣的對發(fā)自光源的光線透明或基本透明。它具有適當?shù)某煞趾秃穸龋栽跓?0的組裝期間(比如在將透鏡熱封到反光罩上期間)以及在燈泡的有效壽命期間，防止銀層16銹蝕或出現(xiàn)其它的退化過程。保護層的期望特性包括1)在鍍覆和燈制造過程期間與反光層的相容性。尤其是，期望反光層與保護層之間會發(fā)生輕微的化學反應或根本不發(fā)生化學反應。
2)結構的整體性-在燈的形成和其期望壽命期間，該保護層具有抗機械故障能力。
3)抗熱性-該保護層能夠經(jīng)受得住作用在該保護層上的熱應力，比如在透鏡的熱封期間，以及在燈泡工作期間。對于保護層而言，希望它具有這樣一個熔點該熔點顯著高于氣密地密封燈所使用的溫度。
4)光學性能-對于光譜的可見區(qū)，該保護層是透明的或基本透明的。該保護層的消光系數(shù)理想值為零，或者盡可能地低，例如大約0.001或更低。按照一種實施方式，該消光系數(shù)為0.00001或更低。
用于形成保護層18的適當?shù)谋Ｗo材料包括，但不局限于，氧化物、低價氧化物、碳化合物、氫化合物、氟化物、氮化物、硫化物以及它們的混合物和組合物。示例性的氧化物、低價氧化物、碳化合物和氫化合物包括硅、鈦、鉭、鋯、鉿、鈮、鋁、鈧、銻、銦、釔等等中的一個或多個的氧化物、低價氧化物、碳化合物和氫化合物，包括石英(SiO2)、一氧化硅、TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Nb2O5、Al2O3、Sc2O3、Sb2O3、In2O3、Y2O3、氧化鈦鉭以及這些材料的非化學計量氧化物。示例性的氟化物包括鎂、鈉、鋁、釔、鈣、鉿、鑭、鐿和釹等等中的一個或多個的氟化物，包括MgF2、Na3AlF6、YF3、CaF2、HfF4、LaF3、YbF3和NdF3。示例性的氮化物包括硅、鋁、鉻、鈦等等中的一個或多個的氮化物，包括氮化硅、氮化鉻、氮化鈦、氮化鋁以及氮化鋁鉻。示例性的硫化物包括硫化鋅。也可以使用通常用于形成二向色鍍層的電介質(zhì)薄膜的其它類型的材料。
按照一種實施方式，保護層18包括一個化學計量的(SiO2)或非化學計量的硅氧化物層。硅氧化物是一種穩(wěn)定的氧化物，它與銀不發(fā)生化學反應。其熔點為1700℃，該溫度高于將透鏡密封到反光罩上所使用的溫度(通常大約為700-800℃)數(shù)百度。當其厚度為約150埃(Δ)或更高時，對保護銀層非常有效。它具有良好的光學特性，并且對于電磁頻譜的可見光區(qū)，是不吸收或基本不吸收的薄膜。它是一種處理起來很安全的材料，并且可以容易地通過化學氣相沉積或者其它適當?shù)腻兏补に囘M行鍍覆。
按照另一種實施方式，保護鍍層18是由鉭氧化物(Ta2O5)形成的。按照一種實施方式，保護層18中摻雜程度為少于10％。按照一種實施方式，摻雜程度少于1％，即，在硅氧化物保護層的情況下，該層包含至少99％的硅氧化物。
反光層16最好是完全或主要由銀形成的，比如純銀或銀合金，不過也可以考慮其它的反光材料和反光材料的組合物。按照一種實施方式，反光層中的摻雜程度為少于10％。按照另一種實施方式，摻雜程度為少于1％，即，在銀反光層的情況下，該層包含至少99％的銀。該反光層最好具有足夠的厚度，以光從其表面上反射而不會穿透該反光層。按照一種實施方式，照射在反光層的可見光至少有大約80％從其上反射回去，而只有少于20％的可見光會由該反光層吸收或穿過該反光層。在一個具體實施例中，至少90％的光得到了反射。反光層的厚度可以為從約0.05到約1微米的厚度。在一個具體的實施例中，反光層是銀制的并且厚度為約0.1到0.6微米。
雖然所介紹的反光鍍層14具有兩層的形式，但是可以意識到鍍層14還可以包括其它層。例如，在銀層16和罩層13之間夾著一個中間層(未示出)，比如鉻或鎳層。這樣的附加層可用于提高銀鍍覆在該罩的石英或玻璃表面上的固著性?；蛘撸撝虚g層也可以用于其它目的，比如增加反光膜的厚度，以使在該反光膜上出現(xiàn)小孔開口的可能性最小，這些小孔將會使光能夠穿到所述罩的后面。另外地或可選擇地，可以在銀層16與保護層18之間插入一個或多個層，如美國專利第6382816號中所介紹的那樣。
保護層18要具有足夠的厚度，才能在燈的成形過程中和其有效壽命期間起到保護銀層16的作用。還要對該厚度進行優(yōu)選以實現(xiàn)反光性能。反光性能可以以兩種方式表述a)校正色溫(CCT)損耗或增益(相對于光源的色溫，例如，該光源為不帶(銀)反光層16并且不帶(硅氧化物)保護層18的鎢絲)，和b)％反射率(照射在反光鍍層14上的可見光中反射回來而沒有被吸收或從中透過的光所占的百分比)。反射率與流明輸出(供給燈泡的每瓦特功率的流明，LPW)有關，隨著反射率增大，流明輸出增大。由這兩種方法確定的反光性能隨著硅氧化物保護鍍層的厚度的增加而降低。這樣，提高反射率的一種方法是提供盡可能薄的層18，以使這種影響最小。
已經(jīng)使用計算機模型確定了CCT損耗和％反射率隨著硅氧化物保護層18厚度的增加而出現(xiàn)的降低，并且在附圖2中給出。在這個圖中，將所述計算機模型編制為，針對一個雙端石英(DEQ)PAR燈預測反射率和色溫，該燈具有一個色溫為2900度(開氏溫標(K))的鎢絲50和通過化學氣相沉積(CVD)鍍覆在銀反光層16上的硅氧化物層18。在附圖2和3中的主Y軸上標出了由保護鍍層的厚度造成的任何色溫損耗或增益。例如，如果沒有使用保護層，則具有DEQ燈泡的PAR 38燈的色溫為2969K(零CCT損耗/增益)，這在主Y軸的原點標出。CCT的截距不為零，這是因為反光銀鍍層使CCT減小了大約36K，這部分是由于銀鍍層固有的對可見光譜的藍光區(qū)的低反射率造成的。在SiO2厚度為450-550左右時，CCT的下降達到了一個最大值。
不是所有從DEQ燈泡發(fā)出的流明都變成了PAR 38燈的面流明，部分是因為反光鍍層14的反射率小于100％。反射率在次Y軸上標繪為％反射率。例如，當保護層18的厚度為零(即，沒有保護層)時，反射率為96％。這表明球面流明的96％變成了PAR 38燈的面流明。
可以從附圖2中看出，當層18的厚度從0增加到約400Δ(0.04微米)時，％反射率和CCT都單調(diào)下降。CCT，例如可以下降75K-80K，這導致了可察覺到的光發(fā)黃。通過盡可能接近零地選擇厚度，反射率和CCT可以至少部分得到保持。例如，鍍層可以為50-330Δ。按照一種實施方式，保護層18厚度為100-200Δ。在一個具體的實施例中，保護層厚度為155-175Δ。
不過，當需要薄的(＜200)鍍層時，有時候很難通過傳統(tǒng)的鍍覆技術精確地控制層18的厚度。此外，如果厚度過低，可能在燈的形成或之后的使用中無法為銀層的保護提供足夠的厚度。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，燈泡性能表現(xiàn)為一個周期性振蕩的函數(shù)，類似于正弦波，其中，在波谷之后，該性能升高到一個波峰，然后在升高到下一個波峰之前，又降低到波谷，并且如此往復。保護層18和銀反光層16構成了一個光干涉薄膜系統(tǒng)。對于位于給定的反光罩(拋物面反光罩)中的給定的光源(比如雙端石英(DEQ)燈泡)，總的流明輸出和色溫是保護層厚度的函數(shù)。前面所述的這些情況在附圖2和附圖3中表示出來，其中附圖2是針對通過化學氣相沉積產(chǎn)生的保護層18得出的，而附圖3是針對通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD，例如，通過一個Leybold CVD鍍覆機)得出的，附圖3將圖擴大為兩個波峰和兩個波谷。
由于這種周期性，能夠通過在任何一個周期性波峰的范圍內(nèi)選擇保護層厚度來給出得到改善的反光性能。應當注意，％反射率的波峰(依次標注為PR1、PR2等)并不與CCT的波峰(依次標注為PCCT1、PCCT2等)剛好一致。這些波峰之間存在著相位差，同時反射率波峰稍稍落后于CCT波峰。結果，選擇對CCT而言最優(yōu)的保護鍍層厚度不能確保得到最高的面流明(％反射率的函數(shù))。
這樣，如果對于特定的燈應用，認為CCT損耗更重要的話，那么在一個CCT波峰的范圍內(nèi)選擇一個厚度將是很令人滿意的。按照一種實施方式，保護層厚度t處于下述范圍之內(nèi)t＝PCCTn±400埃(公式1)其中PCCTn是在CCT波峰n處的厚度，并且其中n是從0到大約10的整數(shù)(例如，n＝0，1，2，3，等等)。按照另一種實施方式，n至少為1。按照再另一種實施方式，n小于大約5。
按照另外一種實施方式，保護層厚度t處于PCCTn±200埃的范圍之內(nèi)。按照再另外一種實施方式，保護層厚度處于PCCTn±100埃的范圍之內(nèi)(見附圖2中虛線之間的范圍A，該范圍對應于1100-1300埃的硅氧化物厚度)。如果認為％反射率更加重要，那么一個反射率波峰(PRn)范圍之內(nèi)的厚度可能更為適用，例如，該厚度可處于PRn±400埃的范圍之內(nèi)。在一個具體的實施例中，該厚度為PRn±200埃，而在另一個具體的實施例中，層18的厚度為PRn±100埃。由于所述周期性取決于材料的反射系數(shù)，因此可以通過增加與兩個波峰之間的差值d對應的厚度來確定其它的厚度，在硅氧化物的情況下，對于CCT和反射率而言，該差值d皆為約1800埃，即，PCCTn≅PCCT1+d(n-1)]]>(公式2)同樣
PRn≅PR1+d(n-1)]]>(公式3)其中d是兩個連續(xù)的波峰之間的距離，以埃為單位。
在硅氧化物的情況下，可以將這些公式表示為 ，和 在希望同時考慮燈性能中的兩個參數(shù)的情況下，可以選擇處于兩個波峰之間的保護層18的厚度。例如，處于曲線之間交點的區(qū)域中的厚度，比如處于交點I1或I2的區(qū)域中的厚度，可能是比較合適的。例如，該厚度可以位于這個范圍之內(nèi)t＝In±400埃(公式4)其中In是CCT/反射率曲線交點處的厚度，而n是從1到10的整數(shù)。在一個具體實施例中，硅氧化物層的厚度t處于In±200埃的范圍之內(nèi)。例如，在硅氧化物的情況下，可以選擇800到1600(I1±400埃)或1000到1400(In±200埃)的厚度。應當會意識到，雖然在連續(xù)的波峰之間曲線相交兩次，但是In應該是處于CCT和反射系數(shù)波峰之間的交點，而不是相應的波谷之間的交點。
通過謹慎選擇硅氧化物(或其它保護層18)的厚度，能夠?qū)舻腃CT保持在一個選定的CCT損耗之上。按照一種實施方式，由PAR 38燈得出的CCT損耗小于大約-40到-60開氏度(K)。對于PAR 38燈而言，它具有2969K的初始色溫，這相當于2909-2929K或更高的色溫。在通過PECVD沉積的硅氧化物作為保護層的情況下，適于實現(xiàn)小于約-40K的CCT損耗的厚度為從約830埃到約1720埃(即，在大約波峰PCCT1±400埃之內(nèi))和從約2500埃到約3400埃(在波峰PCCT2的情況下)。按照一種實施方式，CCT損耗為不超過-20K，在所示出的實施例中，這相當于2949K的色溫。在PECVD沉積的硅氧化物作為保護層的情況下，適于實現(xiàn)-20K的CCT損耗或更低的CCT損耗的厚度為從大約850埃到大約1400埃(波峰PCCT1)和從大約2600埃到大約3250埃(波峰PCCT2)。按照另一種實施方式，CCT損耗不大于-10K，相當于2959K的色溫。在硅氧化物作為保護層的情況下，適于實現(xiàn)-10K或更低的CCT損耗的厚度為從大約930埃到大約1280埃(波峰PCCT1)和從大約2680埃到大約3200埃(波峰PCCT2)。按照另一種實施方式，CCT損耗不大于0K，相當于2969K的色溫。在硅氧化物作為保護層的情況下，適于實現(xiàn)0K或更低的CCT損耗的厚度為從大約2680埃到大約3120埃(波峰PCCT2)。
請注意，附圖3與附圖2中的波峰與波谷并不完全對應。這是因為所使用的沉積工藝(附圖3中為PECVD，附圖2中為CVD)對所產(chǎn)生的硅氧化物層的性質(zhì)及其反射系數(shù)和吸收特性具有微小而不明顯的影響。反射系數(shù)上的差異可以通過以光學厚度的形式而不是物理厚度的形式定義的層的厚度來進行說明，這將在下面進行詳細介紹。
從附圖3可以看出，通過選擇第二個CCT波峰PCCT2附近的區(qū)域，CCT的變化實際上是增益。這樣，當希望增大燈的色溫時，可以選擇波峰PCCT2范圍之內(nèi)的保護層厚度。也可以選擇在第三以及之后的波峰范圍之內(nèi)的厚度，即，PCCTx范圍之內(nèi)的厚度，其中x為大于1的整數(shù)。應注意到，在較高硅氧化物厚度的情況下，反射率波峰按照各個連續(xù)波峰的順序逐漸減小了。這對所有的波峰都是成立的，這是因為由增加了的膜厚度造成的光干涉和吸收而引起的。在硅氧化物的情況下，例如，PR1處的波峰反射率為大于95.5％，即，從DEQ燈泡發(fā)出的球面流明的超過95.5％變成了PAR燈的面流明。在波峰PR2處，反射率為小于95％。因此，與選擇第二個或之后的波峰區(qū)域中的保護層厚度相關地，反射率會有一定的損失，并且因此會損失流明輸出。
按照另一種實施方式，可以針對反射率來優(yōu)化燈，例如，通過選擇反射率的降低不大于，例如沒有鍍層的情況下的反射率的2.5％或2％的反射率波峰區(qū)域。在硅氧化物保護鍍層的情況下，這可以通過選擇能夠?qū)崿F(xiàn)至少93.5％或94％的反射率的厚度來實現(xiàn)，例如，通過選擇0-350(波峰PR0)或1000-2100(波峰PR1)的厚度。按照另一種實施方式，反射率損失不大于1％。
保護層18的厚度當然總是大于0，并且按照一種實施方式，至少為50，按照另一種實施方式為至少100。
按照一種實施方式，例如，通過選擇與按照一種實施方式不大于-20K和按照另一種實施方式不大于0K的CCT損耗以及按照一種實施方式比沒有鍍層的燈的反射率低不超過3％和按照另一種實施方式不超過2.5％的反射率相對應的厚度，滿足了兩個條件，從而燈實現(xiàn)了良好的CCT值以及良好的反射率。在硅氧化物的情況下，這分別相當于大致處于1000-1400和1100-1400埃范圍之內(nèi)的厚度。這實現(xiàn)了CCT和反射率特性之間的良好的平衡。附圖3中的虛線之間的窗A大致相當于反射率降低不超過2.5％且CCT損耗不超過6K的情況下的厚度。
保護層18的厚度應當?shù)陀谠谑褂闷陂g其易于龜裂和剝落的厚度。此外，在厚度很高的情況下，鍍層18傾向于變得吸收性較強。最好，在上面的表達式中，n小于10。按照一種針對硅氧化物保護層的實施方式，保護層的厚度小于大約2600。不過，為了實用的目的，大多數(shù)現(xiàn)有的鍍覆系統(tǒng)都不具有容易地生長出例如1000的硅氧化物鍍層的能力。某些現(xiàn)有的鍍覆設備無法生長出超過約200的硅氧化物鍍層。
雖然附圖2和3具體涉及PAR 38燈，但是可以對具有不同色溫燈泡不同的燈采用同樣的建模技術?？偟膩碚f，已經(jīng)證實，公式1-4中所定義的關系對各種不同的反光件形狀、燈泡色溫和保護層材料同樣有效。
應意識到，所舉例說明的實施例中的燈發(fā)出遍布整個可見光范圍(400-800nm)的光。同樣也考慮到了僅發(fā)出可見光譜中的很窄區(qū)域中的光的燈，例如藍光或綠光。
附圖4表示針對用Ta2O5保護層代替附圖2和3中的硅氧化物層的燈的類似的曲線圖。溫度損耗和反射率曲線具有隨厚度變化的周期性的正弦波形變化方式，這與硅氧化物鍍層一樣。不過，可以看出，與硅氧化物相比，適于提供良好的CCT和/或反射率水平的保護性鉭氧化物鍍層的厚度向下偏移了。例如，與在硅氧化物的情況下第二個反射率波峰PR2出現(xiàn)在大約3400處相比，對于鉭氧化物而言，第二個反射率波峰PR2出現(xiàn)在大約2300。此外，波峰之間的距離也有所減小，為約1300。這些結果是這兩種材料的反射系數(shù)R的差異造成的對于硅氧化物，R＝1.46，而對于鉭氧化物，R＝2.0。此外，色溫和反射率的幅度變大了。例如，當鉭氧化物厚度為1500時，溫度損耗達到了200K，而在大約2000的厚度時，溫度增益可以達到120K。
在鉭氧化物的情況下，附圖4中虛線間所示的用于維持良好的CCT和反射率值(即，反射率降低不超過2.5％，且CCT損耗不大于0K)的適當厚度的示例性的窗B對應于700到850，該窗B比用于硅氧化物的相應的窗具有較低的厚度。該窗還稍窄于相應的滿足同樣條件的硅氧化物的窗。
應意識到，在第二個以及之后的波峰上也可以標出相應的窗。
反光鍍層加上保護層，可以看作一個光學干涉薄膜。這里沒有以埃為單位定義鍍層的厚度，而是可以以光學厚度的形式定義該厚度，該光學厚度為物理厚度與反射系數(shù)的乘積，即，光學厚度，tOPT＝R×t (公式5)其中t是物理厚度(以埃為單位)。
附圖5表示在四分之一波長為550nm(5500-對應于綠光，人眼對其尤為敏感)的光的情況下，針對四種不同的頂部鍍層的PAR燈的色溫與保護層的光學厚度之間對應關系的曲線圖，這些不同的頂部鍍層標示為MgF2(氟化鎂)、SiO2LH(在等離子體增強CVD鍍覆機上制成的硅氧化物鍍層)、SiO2B(由低壓CVD工藝制成的硅氧化物鍍層)和Ta2O5(鉭氧化物鍍層)?？梢钥闯?，這四種鍍層具有總體上位于相應的光學厚度上且沒有明顯相位差的波峰和波谷。
因此可以為任何系統(tǒng)定義這樣一個適當?shù)谋Ｗo鍍層光學厚度范圍在該范圍內(nèi)CCT損耗小于一個指定值并且反射率損失小于一個指定的百分比。因此，對于任何選定的波峰，適當?shù)墓鈱W厚度(四分之一波長)tOPT是由下述表達式定義的L(1+n×D)≤tOPT≤H(1+n×D) (公式6)其中L是在第一個波峰中滿足指定條件的以四分之一波長為單位的最低光學厚度，H是在第一個波峰中滿足指定條件的以四分之一波長為單位的最高光學厚度，n是對應于波峰的從0到10的整數(shù)，而D是波峰之間以四分之一波長為單位的距離，在附圖5中可看出該距離為0.9四分之一波長。
例如，在希望CCT降低不超過-20K和反射率損失不小于2.5％的情況下，L為大約1.1，而H為大約1.4，所以公式6變?yōu)?.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n) (公式7)最好，n是0到5的整數(shù)。公式1-7的表示對光譜的可見光范圍內(nèi)(即，在400-800nm的光譜范圍內(nèi))的所有波長的光都是成立的。這些表達式也適用于電磁頻譜的IR和UV范圍內(nèi)的波長。
保護層18的理想厚度在一定程度上還取決于燈的形成工藝。在形成工藝是比較具有侵蝕性的情況下，較厚的保護層會為下面的銀層提供更好的保護。按照一種實施方式，比如在鎢-鹵素光源20包括燈絲50的情況下，其中所述燈絲50與包容著其自己的氣體一起被封裝在一個外殼52中，無須將透鏡22氣密地密封到罩12上來產(chǎn)生一個密封空間。因此，可以避免在將透鏡22火封到罩12上時通常使用的高溫(600℃或更高)。而且，在這種情況下，由于不再需要真空密封來保護燈絲的完整，因此可以將透鏡22粘接或采用別的方式固定在反光罩12上。通過在鍍覆鍍層之前進行任何焊管腳(tubulating)步驟和任何將有效的熱量施加到燈上的其它步驟，使得該鍍層在燈成形過程中不會出現(xiàn)潛在的鍍層剝蝕現(xiàn)象，并且因此保護鍍層僅需要具有足夠用于在燈的有效壽命期間提供保護的厚度就可以了。本實施例的硅氧化物或其它保護鍍層18保護銀反光層16不會出現(xiàn)銀的硫化現(xiàn)象并且不產(chǎn)生破壞銀反光層16的反射特性的結果。這樣，層18可以相對較薄。
按照另一種實施方式，透鏡是火封到反光罩上的，以產(chǎn)生氣密腔室60。腔室60的氣體或填充物最好包括至少一種惰性氣體，比如氪、氦或者氮?；鸱獠襟E是在鍍覆了鍍層之后進行的，因此鍍層將會受到火封過程中所使用的溫度的作用。這個實施例適用于光源20不包括其自己的外殼并且密封的內(nèi)部空間60中封裝了選定的燈氣體的應用情況。所述鍍層應當具有足夠的厚度，以避免在火封期間遭到破壞。像前面的實施例那樣，焊管腳和其它的高溫處理最好在鍍覆鍍層之前進行。
按照一種實施方式，產(chǎn)生光的燈絲50或者其它光源位于與由反光罩的內(nèi)表面限定的拋物面的中心軸線平行的位置上，同時燈絲50的中點從拋物面的焦點向外。這樣減少了在該燈中發(fā)生的光反射量，并且實現(xiàn)了更單一的從透鏡的光線反射。這是很有益處的，因為即使銀與多晶鋁相比是更加有效的反光材料，但是每次反射還是會損失掉一定部分的光能。雖然縱向的燈絲50是優(yōu)選的，但是應當意識到，在具有垂直燈絲的燈中也可以采用保護銀鍍層14。
鍍層14是通過兩個步驟制備的，第一個步驟是銀反光層16的沉積，第二個步驟包括保護層18的沉積。在鍍銀層之前，先對罩的表面進行清潔，例如，通過氧氣等離子體進行清潔?？蛇x地，在銀層上沉積一層過渡層，即，在第一和第二步驟之間。該過渡層可以是硅、鉭等等的薄層(即，氧化物保護層中的元素的還原形式)，這個過渡層有助于在保護性氧化物的沉積過程中保護銀層。其厚度可以在大約0.003和0.01微米之間。隨著氧化物層的鍍覆，該過渡層會被消耗。
按照一種實施方式，首先在玻璃或石英罩12的內(nèi)表面上沉積一層銀，沉積厚度在大約0.1到0.6微米之間。按照另一種實施方式，厚度為從0.2到0.4微米。該銀層可以通過真空沉積法來沉積，比如濺鍍、離子輔助沉積(IAD)、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)，或者通過其它公知的工藝進行沉積，比如熱蒸鍍或浸鍍。按照一種實施方式，對銀靶進行濺鍍。
磁控管濺鍍是另一種可選的沉積方法。按照這種工藝，使用高能惰性氣體等離子體來轟擊一個靶，比如銀。被濺鍍的原子凝結在冷的玻璃或石英罩上?？梢圆捎肈C(直流)脈沖DC(40-400KHz)或RF(射頻，13.65MHz)工藝，RF或脈沖DC是優(yōu)選的。
離子輔助沉積是沉積銀的另一種方法。離子束與沉積技術結合地使用，比如PVD電子束蒸鍍。離子束(例如，由Ion Tech公司生產(chǎn)的考夫曼(Kaufman)離子槍產(chǎn)生的離子束)用于在沉積處理過程中轟擊所沉積的膜的表面。這些離子壓緊該表面并填充空穴，否則這些空穴可能會由水蒸汽填充，致使在后續(xù)的加熱步驟中對所述膜造成破壞。與標準濺鍍技術相比，這一技術相對比較復雜并且比較難于控制。
本發(fā)明的保護層可以通過例如與上述相同的方法進行鍍覆。按照一種實施方式，可以通過諸如低壓CVD工藝之類的化學氣相沉積(CVD)工藝或者通過諸如使用由Leybold生產(chǎn)的鍍覆機進行的沉積之類的等離子體加強化學氣相沉積(PECVD)來沉積出期望的厚度。例如，包含Si、O、C和H的由諸如六甲基二硅醚的SiOxCyHz化合物得出的等離子體，可用于沉積硅氧化物層。在該層中，H和C的比例很低，通常均小于0.1-0.5％?？蛇x地，硅氧化物靶也可在氧氣中進行濺鍍。
磁控管濺鍍是另一種形成保護層的方法。按照這種方法，首先向真空室中注入氧氣。氧氣的一部分轉換為離子。然后開始某種元素的濺鍍，比如硅。在例如濺鍍硅的情況下，經(jīng)濺鍍的硅與未反應的氧氣化合形成了硅氧化物，該硅氧化物沉積在銀上，或者在使用過渡層的時候，沉積在過渡層上。
在使用了過渡層的情況下，可以通過上面所討論的用于沉積銀層的方法之一將該過渡層沉積在銀層上。濺鍍是一種示例性的方法。例如，在同一沉積室中，用硅靶替換銀靶并且將一層硅濺鍍到銀層上。
美國專利第4663557號、第4833576號、第4006481號、第4211803號、第4393097號、第4435445號、第4508054號、第4565747號以及第4775203號全都給出了用于沉積銀、硅氧化物以及其它保護層材料的效果不錯的沉積工藝，上述這些專利作為參考在此引入。
根據(jù)需要，本發(fā)明的燈在沉積了保護鍍層之后，還要經(jīng)過退火處理，以助其形成沒有空穴的勻質(zhì)層。對保護層進行退火可通過這樣的方法進行使用例如火焰對經(jīng)過鍍覆的燈罩進行加熱，以不發(fā)生龜裂地緩慢升高燈罩的溫度，直至達到一個適當?shù)臏囟?，例?00-1000℃左右。來自火焰的氧和來自周圍空氣中的氧擴散到缺氧的保護層中，填充了保護層中的空穴并增大了保護層的密度，從而增大了燈的反射率。
通過選取處于波峰之一的范圍內(nèi)的保護鍍層厚度，并且通過低壓CVD或PECVD鍍覆機來鍍覆鍍層，可以簡便地回避這一退火步驟。
一旦形成了鍍層，就可以將燈絲管焊到燈口金屬箍上并且將透鏡裝到燈罩上了。這可以通過粘接和/或加熱或者其它適當?shù)陌惭b技術來完成。
沉積膜的厚度可以通過橢圓光度法測得。
雖然是具體參照白熾燈和鹵素鎢燈對本發(fā)明的燈進行的介紹，但是應當意識到，本發(fā)明也可以采用其它的光源，包括陶瓷金屬鹵化物燈。
此外，也可以使用其它的反射鍍層來取代銀，包括銀合金和其它金屬。
雖然是結合本發(fā)明的具體實施例對本發(fā)明進行介紹的，但是顯然，根據(jù)前述的說明，對本領域的技術人員而言，很多可選方案、修改方案和變化方案都是顯而易見的。因此，我們期望本發(fā)明包含所有這些落在所附的權利要求書的思想和廣義范圍內(nèi)的可選方案、修改方案和變化方案。
權利要求
1.一種形成燈(10)的方法，包括設置反光內(nèi)表面(14)，包括設置反光材料層(16)，和設置保護層(18)，該保護層防止反光材料層形成氧化物和硫化物；和由所述內(nèi)表面和光源(20)形成所述燈，選取所述保護層的厚度，以滿足下述至少一個條件(a)所述燈的色彩校正溫度不小于所述光源的色彩校正溫度減去40K，(b)在400-800nm的可見光譜范圍內(nèi)，所述反光內(nèi)表面的％反射率不小于沒有所述保護層的同等反光內(nèi)表面的％反射率減去大約3％。
2.按照權利要求1所述的方法，其中滿足下述至少一個條件(a)和(b)全都滿足；所述色彩校正溫度不小于所述光源的色彩校正溫度減去大約20K；和所述燈的色彩校正溫度大于所述光源的色彩校正溫度。
3.按照權利要求3所述的方法，其中滿足下述至少一個條件在400-800nm的可見光譜范圍內(nèi)，所述反光內(nèi)表面的％反射率為至少所述反光材料層的94.5％；和在400-800nm的可見光譜范圍內(nèi)，所述反光內(nèi)表面的％反射率不小于所述反光材料層的％反射率減去大約2.5％。
4.按照權利要求1所述的方法，其中所述反光材料層包含銀，并且所述保護層包含至少一種下述物質(zhì)硅、鈦、鉭、鋯、鉿、鈮、鋁、鈧、銻、銦和釔中的一個或多個的氧化物、低價氧化物、碳化合物和氫化合物；鎂、鈉、鋁、釔、鈣、鉿、鑭、鐿和釹中的一個或多個的氟化物；硅、鋁、鉻和鈦中的一個或多個的氮化物；和硫化鋅。
5.按照權利要求4所述的方法，其中所述保護層包含硅氧化物并且具有處于下述范圍之一中的厚度50-200；850-1400；和2600-3250。
6.按照權利要求1所述的方法，其中所述保護層具有滿足下述關系的光學厚度tOPT1.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n)其中n是從0到10的整數(shù)。
7.按照權利要求1所述的方法，其中所述方法還包括一個焊管腳步驟，所述設置反光層的步驟包括在所述焊管腳步驟之后形成所述反光層。
8.按照權利要求1所述的方法，還包括在所述設置反光層的步驟之前針對用于形成所述保護層的選定保護材料，確定作為光學厚度的函數(shù)的色彩校正溫度和反射率中的至少一個的關系式；利用所述關系式，確定至少滿足下述關系之一的光學厚度所述燈的色彩校正溫度不小于與保護層光學厚度為零相應的色彩校正溫度減去40K；在光譜的可見光范圍內(nèi)，所述反射率不小于與保護層光學厚度為零相應的反射率減去3％。
9.一種燈(10)，包括罩(12)；光源(20)，該光源安裝在所述罩中；反光鍍層(14)，該反光鍍層位于所述罩的內(nèi)表面上，所述反光內(nèi)表面包括反光材料層(16)，和保護層(18)，該保護層設置在所述反光材料層之上，對所述保護層的厚度進行選擇，以滿足下述至少一個條件(a)所述燈的色彩校正溫度不小于所述光源的色彩校正溫度減去40K，(b)在400-800nm的可見光譜范圍內(nèi)，所述反光內(nèi)表面的％反射率不小于沒有所述保護層的同等反光內(nèi)表面的％反射率減去大約3％。
10.按照權利要求9所述的燈，其中所述保護層具有滿足下述關系的光學厚度tOPT1.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n)其中n是從0到10的整數(shù)。
全文摘要
一種反光燈具有一個總體上為拋物面形的罩(12)，該罩具有一個內(nèi)表面，在該內(nèi)表面上鍍覆有一個銀層(16)，該銀層具有一個由諸如硅氧化物之類的穩(wěn)定保護材料形成的保護層(18)，該保護層設置在所述銀層之上。對所述保護層的厚度進行選擇，以至少滿足下述關系之一所述燈的色彩校正溫度不小于光源的色彩校正溫度減去大約40K，和所述反光內(nèi)表面的％反射率不小于沒有保護層的同等反光內(nèi)表面的％反射率減去大約3％。
文檔編號F21V7/22GK1581422SQ200410055659
公開日2005年2月16日 申請日期2004年8月2日 優(yōu)先權日2003年8月1日
發(fā)明者雷賈辛·伊斯雷爾, 阿什法奎爾·I·喬杜里, 趙天吉 申請人:通用電氣公司