專利名稱：燈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燈，它包括至少一個其表面上至少部分地設置了干涉濾光片的燈泡，其中至少所述干涉濾光片包括幾個層，其中層結構中包括交替的高折射率層和低折射率層，并且其中所述干涉濾光片含有至少一個防護層以降低熱應力和/或內(nèi)應力。
高強度放電(HID)燈和更具體而言極高性能(UHP)燈尤其由于其光學特性，所以對于投影目的來說是優(yōu)選的。在本發(fā)明的意義上，名稱UHP燈(Philips)還包括其它廠家的UHP型燈。
在此應用中，需要一個盡可能為點形的光源，以便電極末端之間的燈弧不超過特定長度。此外，還需要具有盡可能最自然的光譜組成的盡可能最高的光強。
光學層例如干涉濾光片在高強度放電燈的燈泡上的整合可以顯著簡化光學設備的設計。
UHP燈上整合的反射體就是這樣一種例子，此UHP燈可被用作數(shù)據(jù)傳送器(data beamer)中的光源。在這里，半個燈泡上裝有被設計成干涉濾光片的鏡子，從而使光弧發(fā)出的光被優(yōu)先地傳送到燈泡的另一半。結果是所發(fā)光可以更有效地用于投影系統(tǒng)。
這種干涉濾光片是由幾個層有規(guī)則地構造成的。在干涉濾光片的多層結構中，高折射率層與低折射率層相互交替。每個層的折射率主要是由所選擇的層材料決定的，因此在這點上該層結構中必須使用至少兩種不同的介電材料。
濾光片的透射和反射性能是由濾光片的不同層的設計特別是層厚決定的。
一般而言，不同濾光片層的折射率之間差異越大，就越容易實現(xiàn)期望的光譜目標功能。當層材料的折射率值之間相差很大時，交替層的數(shù)目以及往往由此干涉濾光片的總厚度通?？梢詼p小。如果燈泡更特別地含有石英或相當材料，則低折射率層的材料常常采用SiO2。高折射率層的材料選擇必須考慮UHP燈的正常工作溫度范圍，其上限在1000℃左右。在這方面，例如氧化鋯(ZrO2)表現(xiàn)出足夠的耐熱性。不過，氧化鋯的熱膨脹系數(shù)比石英高得多。這會導致在HID燈更特別是URP燈的高工作溫度下在干涉濾光片的各層之間產(chǎn)生應力，它可能會導致濾光片形成裂紋甚至完全破壞，或者可能會產(chǎn)生不希望的光散射增強。
如果使用HID燈更具體而言UHP燈，則必須同時滿足兩個重要條件一方面，放電空間內(nèi)表面上的最高溫度不能高到發(fā)生燈泡(一般由石英玻璃構成)的脫?；＿@是不利的，因為位于光弧之上的區(qū)域特別地被燈的放電空間之內(nèi)的強對流強烈地加熱。
另一方面，放電空間內(nèi)表面上的最低溫度必須仍然保持一定高，使得水銀不會在那里沉積，而是整體上保持足夠的汽化水平。這對于具有飽和氣體填充的燈必須特別考慮。
這些對立的要求意味著最高與最低溫度之間的最大可允許差值相對較小。當使這些HID燈中的一種在結構材料的負載極限運行時，溫度場的任何變化，例如溫度的升高，都可能對性能參數(shù)如使用壽命具有負面影響。
此最佳化的系統(tǒng)對于影響或改變放電空間內(nèi)溫度場的措施反應十分靈敏。在外表面上施加反射層就是這樣一種措施，由此UHP燈的工作溫度與不具有涂層的類似燈相比一般會升高。其中一個原因就是，燈內(nèi)的多次反射通常會引起增大的再吸收。涂層，例如多層干涉濾光片，通常會導致與未涂覆表面的純石英表面相比在燈表面的熱輻射減少，由此燈的發(fā)熱較少并因此工作溫度隨之升高。
當使用多層干涉濾光片時，為把溫度場的變化降至最低，干涉濾光片的厚度(包括防護層在內(nèi))必須保持盡可能小。
如果例如在投影系統(tǒng)中安裝一個UHP燈，則通常多層干涉濾光片的設計必須滿足特定要求，在這里，位置不定的防護層的最小可能厚度可能會導致設計方面的新可能性。
鹵素燈為了特定應用，更特別地為提高效率，也涂有光學干涉濾光片。在這里，發(fā)射光譜中不能以其它方式被用于照明目的的紅外部分被反射回熾熱的燈絲并被再吸收。此再吸收能力有助于熾熱的燈絲的加熱，因此可以減少為此所需的電力。在這種情況下高折射率層常常使用選自二氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮或它們的混合物的材料。由于這些應用除了紅外區(qū)的寬反射帶之外還要求在可見光譜區(qū)的良好透射，因此常常使用具有很大層數(shù)和很大總厚度例如超過60層和總厚度超過6μm的復雜濾光片。在鹵素燈的常規(guī)工作溫度下這些材料還接近穩(wěn)定極限，盡管它們與燈泡材料(基材)的熱膨脹系數(shù)差小于例如與ZrO2的。這意味著需要有關于具有降應力層的多層干涉濾光片在更厚和更有效的濾光涂層方面的進一步的設計方案。
從US 5,923,471中已知一種用于燈和顯示器的各種應用的基本解決方案在實際光學有效的多層干涉濾光片上施加了一個外防護層。該文獻尤其建議，為獲得要求的結果，在從室溫到約1200℃的工作溫度范圍內(nèi)防護層的厚度不能降到指定厚度以下。給出了一個防護層的最小厚度值，它不能低于干涉濾光片中所有其它硅酸鹽層的厚度值的至少50％。對HID燈特別是UHP燈的各種具體應用來說，例如由于對于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的高昂制造成本，很難達到這種防護層的必需厚度。此解決方案的另一缺陷同樣是干涉濾光片的外層必須永遠為防護層，因此干涉濾光片的設計方案必然受到限制。
因此本發(fā)明的目的就是開發(fā)一種在開頭段中所述類型的燈或帶有所述燈的照明裝置，其燈泡具有帶防護層的干涉濾光片，所述防護層可以以工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)有效地制造且其厚度可以調(diào)整到適合于所要求的工作溫度。
本發(fā)明的目的是通過權利要求1的特征來實現(xiàn)的。
本發(fā)明的燈包括在其表面上至少部分設置了干涉濾光片的燈泡，其中至少所述干涉濾光片包含幾個層，其中層結構中包括交替的高折射率層與低折射率層，其中干涉濾光片的至少外層和/或至少一個內(nèi)層包括防護層以降低熱應力和/或內(nèi)應力，且其中防護層的厚度值低于所有其它低折射率層的厚度值的40％。
本發(fā)明的技術方案基于從UHP燈的眾多測試(即有關干涉濾光片的各種設計的測試)中所獲得的經(jīng)驗。這些結果更特別地包括在HID燈中下列方面對實現(xiàn)所要求的光譜目標功能非常重要的認識涂層材料的選擇、單個層的設計以及它們在層結構中的排列。在具有較大層厚即厚度超過大約3μm的多層干涉濾光片中，層結構內(nèi)設置例如至少一個防護層是必要的。
對于防護層的最小厚度以前有效的規(guī)則(例如在US5,923,471中的)可能會令人吃驚地明顯不能達到目標。這意味著這種多層干涉濾光片首次可以有效地工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。防護層厚度的減小更特別地能導致涂層材料的節(jié)約和在干涉濾光片制造過程中周期時間更短。此外，這開辟了具有這種干涉濾光片的HID燈的新設計的可能性和應用領域。
干涉濾光片材料的預選和施加相應濾光片材料的方法都采用常規(guī)的方式且特別是基于相應的應用。所選擇的材料應當例如能產(chǎn)生盡可能最低的吸收。此外，這些材料必須具有足夠的耐溫性，即必須特別適于燈的相應最高工作溫度。
從屬權利要求涉及本發(fā)明的其它有利實施方案。
優(yōu)選地，防護層、低折射率層以及燈泡的材料基本上類似。
所述材料更特別地包括SiO2。
根據(jù)權利要求3的優(yōu)選實施方案要求低折射率的干涉濾光片層優(yōu)選地包含SiO2，且干涉濾光片的第二層包含折射率比SiO2高的材料，優(yōu)選地主要為氧化鋯(ZrO2)。
權利要求4的優(yōu)選實施方案要求第二層包含選自二氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮、二氧化鉿、氮化硅、特別優(yōu)選氧化鋯ZrO2或它們的混合物的材料。特別優(yōu)選ZrO2是因為它比大多數(shù)其它材料吸收更少且更耐熱。
除了上面提到的材料以及它們的混合物之外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以使用其它材料，它們可以是例如通過適合的測試驗證了適用性的材料。
優(yōu)選的制造干涉濾光片的方法就是已知的標準薄膜技術方法，特別是利用蒸鍍、濺射、化學氣相沉積或浸涂。
優(yōu)選的燈是高強度放電燈或鹵素燈。
還優(yōu)選防護層或所有防護層位于干涉濾光片之內(nèi)。在這種情況下，在這里不存在外防護層。
作為對要求的光譜目標功能設計的進一步優(yōu)化，優(yōu)選幾個防護層位于干涉濾光片之內(nèi)。
本發(fā)明的目的還通過具有至少一個根據(jù)權利要求1-6中任何一項的燈的照明單元來實現(xiàn)。
這種具有至少一個HID燈的照明單元可以更特別地用于投影目的。
現(xiàn)在，參照下面記述的實施方案對本發(fā)明的這些和其它方面進行說明，并使其顯而易見。


圖1示出了高強度放電燈(UHP燈)中帶33層干涉濾光片的燈泡的橫截面示意圖，圖2示出了不帶防護濾光片的48層干涉濾光片的層結構(現(xiàn)有技術)，圖3示出了帶防護濾光片的49層干涉濾光片的層結構(現(xiàn)有技術)，圖4是帶內(nèi)防護層的48層干涉濾光片的層結構。
圖1以橫截面圖(圖1.1)示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明的高強度放電燈(UHP燈)的帶放電空間21的燈泡1。燈泡1包括兩個相對的圓柱形區(qū)域61、62，在它們之間是一個直徑為約8mm到14mm的大致呈球形的區(qū)域63，該燈泡1由一整片構成，它氣密地封閉了充滿常用于此目的的氣體的放電空間21，且其材料通常包括硬質(zhì)玻璃或石英玻璃。所形成的橢圓形帶電極排列2的放電空間21位于區(qū)域63的中心。電極排列2通常包括第一電極22和第二電極23，在它們相對的末端之間在放電空間21內(nèi)激發(fā)發(fā)光弧放電，此發(fā)光弧充當高強度放電燈的光源。電極22、23的末端連接在燈的電接頭71、72上，操作燈所需的電源電壓通過它們由一個圖1.1未示出的建立總線電壓的電源單元輸入進來。
在區(qū)域63的外表面上有干涉濾光片3和發(fā)光孔5。干涉濾光片3總計約3μm厚并包括幾個層，起所謂的冷光反射體的作用。干涉濾光片3的外層是用來降低熱應力和內(nèi)應力的防護層4，該外層特別包含SiO2。包括防護層4在內(nèi)的干涉濾光片3的設計及其結構如圖1.2所示。干涉濾光片3具有33層結構，其中多個SiO2層的總層厚為1993.3nm，且多個ZrO2層的總層厚為1092.3nm。構成干涉濾光片3暴露于空氣的外層的防護層4的厚度為513.5nm。
干涉濾光片3內(nèi)的兩個不同層3.1和3.2的特征特別在于折射率的差異，即低折射率層與高折射率層相互交替。SiO2充當層3.2的低折射率材料，ZrO2充當層3.1的高折射率材料。防護層4的厚度值相當于其它SiO2層即3.2層在內(nèi)的層的總厚度值的大約35％。
干涉濾光片3和防護層4的分層施加是在基于已知濺射方法的制造工藝中實施的。
當具有所述燈泡1的UHP燈在120W的額定功率下工作時，甚至在臨界/高負荷范圍內(nèi)工作數(shù)千個小時之后，仍然未發(fā)現(xiàn)超過對比燈的正常老化的明顯影響。
本發(fā)明的一個特別有利的實施方案涉及一種高強度放電燈，它被設計為短弧燈用于投影目的。
圖2的實施方案以表格形式顯示了一個不帶防護層的48層干涉濾光片的層結構。如果要求下列光譜目標功能，即400-780nm的反射率超過95％而825-2000nm的反射率低于20％，則通常會選擇干涉濾光片的這種設計。這種干涉濾光片具有48層結構，其中多個SiO2層的總層厚為2327nm，多個ZrO2層的總層厚為1353nm。因此濾光片的總厚為3680nm。但是，這種干涉濾光片并不具有所要求的在從室溫到約1000℃的工作溫度范圍內(nèi)的耐溫性。
圖3的實施方案以表格形式顯示了一種根據(jù)US 5,923,471所述的帶外防護層的49層干涉濾光片的層結構。這種干涉濾光片具有49層，其中多個SiO2層的總層厚是3382nm，此值包括1163nm的外防護層厚度。多個ZrO2層的總層厚為1382nm?？紤]到防護層的厚度，濾光片的總厚為4764nm。因此防護層的厚度值是所有其它SiO2層的總厚度值的約52％。
圖4的實施方案以表格形式顯示了一種根據(jù)本發(fā)明的具有兩個內(nèi)防護層(層19和層37)的48層干涉濾光片3的層結構。這種干涉濾光片3具有48層結構，其中多個SiO2層的總層厚為3230nm，多個ZrO2層的總層厚為1496nm。因此干涉濾光片的總厚為4726nm。兩個層(層19和層37)的總厚度為965nm，它們的厚度分別為572nm(層19)和393nm(層37)。在層19和層37中整合了含有SiO2的防護層4。假定，當拋棄防護層4時，如圖2和圖4所示的干涉濾先片在相對應層，更特別地是第19層和第37層的厚度方面彼此相當，由此可以得到能由電腦確定的兩個防護層4的厚度值。因此兩個防護層4為大約775nm厚。由此兩個整合的防護層4的厚度值是所有其它SiO2層的總厚度值的約32％。
權利要求
1.一種燈，它包括在其表面上至少部分設置了至少一個干涉濾光片(3)的燈泡(1)，其中至少該干涉濾光片(3)包括幾個層，其中所述層結構包括交替的高折射率層(3.1)與低折射率層(3.2)，其中至少干涉濾光片的外層(3)和/或至少一個內(nèi)層包括防護層(4)以降低熱應力和/或內(nèi)應力，且其中一個防護層(4)或多個防護層(4)的厚度值低于所有其它低折射率層的厚度值的40％。
2.權利要求1的燈，特征在于防護層(4)、層(3.2)和燈泡(1)中所用的材料基本相似。
3.權利要求1的燈，特征在于干涉濾光片(3)中的低折射率層(3.2)優(yōu)選地主要包含SiO2，且干涉濾光片(3)的第二層(3.1)包含折射率比SiO2高的材料，優(yōu)選地主要包含氧化鋯(ZrO2)。
4.權利要求3的燈，特征在于第二層(3.1)包含選自二氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮、氧化鉿、氮化硅、以及特別優(yōu)選氧化鋯ZrO2或它們的混合物的材料。
5.權利要求1的燈，特征在于優(yōu)選的燈是高強度放電燈或鹵素燈。
6.權利要求1的燈，特征在于一個保護層(4)或所有保護層(4)位于干涉濾光片(3)之內(nèi)。
7.具有至少一個如前面任何一項權利要求所述的燈的照明單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燈，它包括其表面上至少部分設置了干涉濾光片(3)的燈泡(1)，其中至少此干涉濾光片(3)包含幾個層，其中層結構包括交替的高折射率層(3.1)與低折射率層(3.2)，其中至少干涉濾光片(3)的外層和/或至少一個內(nèi)層包括防護層(4)以降低熱應力和/或內(nèi)應力，且其中該防護層(4)或多個防護層(4)的厚度值低于所有其它低折射率層的總厚度值的40％。
文檔編號H01K1/32GK1764852SQ200480007877
公開日2006年4月26日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權日2003年3月24日
發(fā)明者A·里茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司