專利名稱：具有硫或硒填充物的多次反射無電極燈和用它輻射的方法
本申請(qǐng)是1996年5月31日提交的第08/656,381號(hào)美國(guó)申請(qǐng)的續(xù)展申請(qǐng)。
本發(fā)明針對(duì)一種產(chǎn)生可見光的改進(jìn)方法和用于提供這種光的改進(jìn)的燈泡和燈。
在這里通過引用而合并的No.5,404,076號(hào)和5,606,220號(hào)美國(guó)專利以及WO92/08240號(hào)PCT公布揭示了用于提供可見光的燈，這種燈使用基于硫和硒的填充物。也在這里通過引用合并的1994年10月17日提交的第08/324,149號(hào)待批的美國(guó)申請(qǐng)揭示了類似的用于提供可見光的燈，這種燈使用基于碲的填充物。
這些現(xiàn)有技術(shù)中的硫、硒和碲燈以高效能提供具有良好的顯色性指數(shù)的光。另外，這些燈的無電極形成具有很長(zhǎng)的壽命。
大多數(shù)實(shí)際的硫、硒和碲燈的實(shí)施例需要的旋轉(zhuǎn)燈泡，以適當(dāng)?shù)毓ぷ?。這揭示在第WO 94/084309號(hào)PCT公布中，其中指出，在無旋轉(zhuǎn)燈泡時(shí)，產(chǎn)生隔離的或絲狀的放電，這種放電基本上不充滿燈泡的內(nèi)部。
現(xiàn)有技術(shù)中通常存在的旋轉(zhuǎn)要求引入了某些復(fù)雜的因素。因此，燈泡用馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，該馬達(dá)具有潛在的出故障的可能，并且這對(duì)燈的壽命是一個(gè)限制的因素。另外，需要額外的部件，由此使制造燈更復(fù)雜，并需要備有更多的備件。由此，希望提供既給出原有的硫、硒和碲燈的優(yōu)點(diǎn)，而又不需要旋轉(zhuǎn)的燈。
第WO 95/28069號(hào)PCT公布中揭示了一種杜瓦燈，用于打算去掉旋轉(zhuǎn)。但是，這種杜瓦結(jié)構(gòu)的一個(gè)問題是，它利用電鍍?cè)跓襞萆系闹車椭行碾姌O，并且中心電極易于過熱。
本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生可見光的方法，和這種方法中使用的，消除或減少了對(duì)旋轉(zhuǎn)燈泡的需要的燈泡和燈。
本發(fā)明在提供與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更小的尺寸的燈泡和/或利用具有更低密度的硫、硒和碲填充物的活性物質(zhì)方面給出了較大的設(shè)計(jì)靈活，它仍能夠提供主要的可見光的輸出。例如，這一點(diǎn)便于供給低功率燈，這有助于使用更小的燈泡。本發(fā)明的這個(gè)特點(diǎn)可以和其它的特點(diǎn)一起使用，或獨(dú)立地使用。例如，可以提供不旋轉(zhuǎn)更小的燈泡，或提供旋轉(zhuǎn)的更小的燈泡。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種方法，這種方法利用一種燈填充物，在激勵(lì)時(shí)該填充物包含從硫和硒中選出的至少一種物質(zhì)；激勵(lì)燈填充物以使所述硫或硒產(chǎn)生輻射，該輻射在光譜的紫外線區(qū)域內(nèi)包含相當(dāng)巨大的光譜功率分量，以及在光譜的可見光區(qū)域中的光譜功率分量，輻射在被包含的空間中穿過填充物反射多次，由此將光譜中紫外線區(qū)域中的部分輻射轉(zhuǎn)換到光譜的可見光區(qū)域中的輻射，其可見光輻射比如果發(fā)生反射而沒有轉(zhuǎn)換時(shí)的可見光輻射更大。最后，可見的輻射從包含的空間中發(fā)射。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，激勵(lì)填充物，使硫或硒在紫外線中產(chǎn)生光譜功率分量，并在可見光區(qū)域中產(chǎn)生光譜功率分量，其中多次反射導(dǎo)致減小的紫外線光譜分量的大小至少比原來的分量小50％。
在第WO 93/21655號(hào)PCT公布中，揭示了硫和硒燈，其中光被反射回?zé)襞荩越档桶l(fā)射光的色溫，或者使其更為接近地類似黑體輻射。和本發(fā)明不同，在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，它是具有相當(dāng)大的可見光的(或更高的)光譜輸出的輻射，該輻射被反射以產(chǎn)生另一可見光的光譜輸出，該光譜輸出在紅光區(qū)域中具有更多的光譜功率。和現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于，本發(fā)明中，被反射的輻射在紫外線區(qū)域中具有相當(dāng)大的光譜功率分量(即，至少紫外線和可見光光譜功率總量的10％)，其中的一部分轉(zhuǎn)換為可見光。本發(fā)明中的正是這種通過多次反射的紫外線到可見光的轉(zhuǎn)換，允許小燈泡代替較大的燈泡和/或使用更低密度的活性材料，允許得到穩(wěn)定的工作而不旋轉(zhuǎn)燈泡。
因?yàn)楸景l(fā)明的方法包括光穿過填充物的多次反射并最后射到外面，人們打算使用一種燈泡，它在除小孔徑之外的石英周圍具有反射器層，而光通過所述小孔射出。這種“小孔燈”(aperture lamp)在現(xiàn)有技術(shù)中已知，并且在Robers的第Re34,492美國(guó)專利中示出一個(gè)例子。
Roberts的專利揭示了一種無電極球形外殼，其上除了與光導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)的小孔之外具有反射敷層。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如在一般的商業(yè)使用中應(yīng)用那樣，Roberts的結(jié)構(gòu)不適合實(shí)施本發(fā)明的方法。這是因?yàn)樗褂昧嗽跓舻耐鈿ど厦娴姆髮?。?dāng)燈泡在使用中變熱時(shí)，石英外殼和敷層的不同的熱膨脹系數(shù)使敷層破裂。因此燈泡的壽命十分有限。還有，敷層通常不夠厚，不能提供從紫外線到可見光的足夠的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換所需的反射率的大小。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，這些問題通過對(duì)于燈泡使用一個(gè)漫射的反射陶瓷覆蓋層來解決，它至少和外殼在一個(gè)位置處接觸，并且不會(huì)因?yàn)椴煌臒崤蛎浂屏?。在第一?shí)施例中，覆蓋層包括不同于敷層的套殼，該套殼不附著到燈泡。還有，套殼做得足夠厚，以提供足夠高的反射率，以實(shí)施需要的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在第二實(shí)施例中，反射燈泡的覆蓋層由和燈泡相同的材料制成，從而沒有因不同的熱膨脹而產(chǎn)生的問題。在這個(gè)實(shí)施例中，覆蓋層還可以取不附著的套殼的形式。在再一個(gè)實(shí)施例中，在套殼和燈泡之間設(shè)置漫射的反射粉末。
通過參照附圖將更好地理解本發(fā)明，其中

圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中具有基于硫、硒或碲的填充物的燈；圖2示出小孔燈；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的無電極的燈泡；圖4和5示出一種特殊構(gòu)造；圖6至8示出本發(fā)明的其它的實(shí)施例；圖9和10示出漫射孔的使用；圖11到13示出漫射孔的其它設(shè)計(jì)；圖14到16示出本發(fā)明的其它的實(shí)施例；圖17示出微波燈的實(shí)施例有覆蓋物和無覆蓋物的燈泡之間的歸一化光譜比較；圖18示出微波燈的實(shí)施例有覆蓋物和無覆蓋物的燈泡之間的光譜比較；圖19示出R.F.燈的實(shí)施例有覆蓋物和無覆蓋物的燈泡之間歸一化的光譜比較；圖20示出R.F.燈的實(shí)施例有覆蓋物和無覆蓋物的燈泡之間的光譜比較。
參照?qǐng)D1，描述了一種現(xiàn)有技術(shù)中具有填充物的燈，填充物在激勵(lì)時(shí)包含硫、硒或碲。如在上面提到的在這里通過引用而包括進(jìn)來的專利中描述的，提供的光是分子輻射，這種輻射主要在光譜的可見光區(qū)域中。
燈20包括微波諧振腔24，該諧振腔24由金屬的圓柱形部件26和金屬網(wǎng)28構(gòu)成。網(wǎng)28允許光從腔中透出，同時(shí)在其內(nèi)部保存大部分的微波能。
燈泡30設(shè)置在腔中，在描述的實(shí)施例中是球形的。燈泡由桿支承，該桿和馬達(dá)34連接，以使燈泡旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)促進(jìn)了燈的穩(wěn)定工作。
微波功率由磁控管36產(chǎn)生，并且波導(dǎo)38將該功率傳送到腔壁中的縫隙(未示出)中，其中功率從該縫隙耦合連到腔，特別是耦合到燈泡30中的填充物，
燈泡30由燈泡玻泡和玻泡中的填充物構(gòu)成。除了包含惰性氣體之外，填充物包含硫、硒或碲。例如，可以使用InS、As2S3、S2Cl2、CS2、In2S3、SeS、SeO2、SeCl4、SeTe、SCe2、P2Se5、Se3As2、TeO、TeCl5、TeBr5、TeBr5和TeI5。其它可以使用的化合物是那些在室溫下蒸氣壓足夠低的化合物，即，固體和液體，以及那些在工作溫度下蒸壓足夠高以提供有用照明的化合物。
在上述本發(fā)明的硫、硒和碲燈以前，由現(xiàn)有技術(shù)中的燈產(chǎn)生的這些物質(zhì)的分子光譜被認(rèn)為主要在紫外線區(qū)域中。在由參照?qǐng)D1描述的硫、硒和碲燈進(jìn)行的過程中，起初由元素硫、硒和碲(這里稱之為“活性材料”)提供的輻射類似于現(xiàn)有技術(shù)中的燈的輻射，即，主要在紫外線區(qū)域中。但是，當(dāng)輻射在其到玻泡壁的路線上穿過填充物時(shí)，該輻射通過吸收和再輻射的過程主要轉(zhuǎn)換為可見輻射。轉(zhuǎn)移的量直接和光程長(zhǎng)度，即，填充物中活性材料的密度乘以燈泡的直徑有關(guān)。如果使用較小的燈泡，則必需提供較高密度的活性材料，以有效地產(chǎn)生需要的可見輻射，而如果使用較大的燈泡時(shí)，則可以使用較低密度的這些物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，通過在輻射起初穿過填充物之后多次穿過填充物反射該輻射以大大增加光程長(zhǎng)，而不增加燈泡的直徑。另外，活性材料的密度和燈泡的尺寸要足夠小，從而最初穿過填充物并且正被反射的輻射可在紫外線區(qū)域中具有的光譜功率分量。即，在沒有多次反射時(shí)，從燈泡發(fā)射出來的光譜在可見光燈的應(yīng)用中對(duì)我們來說是無法接受。但是，由于多次反射，紫外線輻射被轉(zhuǎn)換為可見光，這產(chǎn)生了更好的光譜。穿過填充物的多次反射允許使用較小密度的活性材料，向任何給定的應(yīng)用提供可接受的光譜。還有，較小密度的填充物具有較小的電阻抗，這在許多實(shí)施例中提供了更好的至填充物的微波或R.F.耦合。這種較小密度的活性材料的工作促進(jìn)了穩(wěn)定工作，即使沒有燈泡旋轉(zhuǎn)。另外，使用較小燈泡的能力增加了設(shè)計(jì)的適應(yīng)性，并且例如，便于供應(yīng)較低功率的燈。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“微波”指比“R.F.”的頻帶更高的頻帶。
如上所述，由于本發(fā)明的方法在光發(fā)射到外面之前需要穿過填充物的多次反射，故人們打算使用其上除了一個(gè)小孔之外具有反射層的燈泡，光從該小孔射出。這種類型的燈(揭示在Robert等人的RE 34,492號(hào)專利中)示于圖2中。參照?qǐng)D2，球形玻泡或燈泡9(它典型地由石英制成)包含一種形成放電填充物3。玻泡在除了小孔2之外的整個(gè)表面上具有反射層1，小孔2與光導(dǎo)4對(duì)準(zhǔn)。
但是，如上所述，發(fā)現(xiàn)由于Robert的結(jié)構(gòu)使用了本來附著的敷層(它不同于燈泡的材料)，故它不適合實(shí)施本發(fā)明的方法。當(dāng)燈泡在一般的商業(yè)應(yīng)用中變熱時(shí)，石英玻泡和敷層的不同的熱膨脹系數(shù)使敷層破裂。因此，裝置的壽命被十分有限。還有，通常敷層并不厚到足以提供為提供從紫外線到可見光的適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)轉(zhuǎn)換所需的反射率的大小。
參照?qǐng)D3，描述了一種根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該實(shí)施例解決了這些問題。封入填充物42的燈泡40由不附著的反射套殼44圍繞。套殼制作得足夠厚，以提供足夠高的紫外線反射率，以進(jìn)行所需的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在燈泡和套殼之間有空氣隙46，其數(shù)量級(jí)可以是幾千分之幾英寸。套殼在一位置的極小處和燈泡接觸，并且可以在多個(gè)位置處和燈泡接觸。有一個(gè)小孔48，光就通過該小孔射出。由于套殼并不附著到燈泡，故可以適應(yīng)在工作溫度下不同的熱膨脹，而不使套殼破裂。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，漫反射粉末(諸如鋁土或其它的粉末)可以用于填充套殼和燈泡之間的空隙。在這種情況下，空隙可以更寬一些。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，使用陶瓷做的燈泡的反射覆蓋層，它由和燈泡相同的材料制成。因此，不存在不同熱膨脹的問題。這種覆蓋層還可以如此構(gòu)造，從而不附著到燈泡。
在構(gòu)成套殼的一種方法中，直接在球形的燈泡上制作燒結(jié)體。它開始時(shí)為粉末，但被加熱并施壓，以便形成經(jīng)燒結(jié)的固體。由于沒有附著，故當(dāng)套殼破裂時(shí)它會(huì)分崩離析。適當(dāng)?shù)牟牧鲜浅煞勰┑匿X土和硅土，或它們的組合。套殼制作得足夠厚，以提供這里所述的所需的UV和可見光反射率，并且它一般厚于0.5mm，直到約2至3mm，這要比敷層厚得多。
參照?qǐng)D4和5描述套殼的結(jié)構(gòu)。在此情形中，套殼和燈泡分開形成。石英燈泡吹氣模制為球形，這導(dǎo)致了對(duì)OD(外直徑)和壁厚進(jìn)行尺寸控制的燈泡。在模制時(shí)將填充管裝到球形燈泡上。例如，一個(gè)7mmOD和壁厚0.5mm，并且填充有0.05mg的Se和500Toor的Xe的燈泡電感應(yīng)性耦合的設(shè)備中工作。去除填充管，從而燈泡只保留較短的突出部分。套殼由稍稍燒結(jié)過的高反射鋁土(Al2O3)做成的兩44A和44B形成，如圖所示。套殼材料的顆粒尺寸分布和晶體結(jié)構(gòu)必需能夠提供需要的光學(xué)性質(zhì)。粉末狀的鋁土由不同的廠商出售，例如，由Nichia AmericaCorp.出售的牌號(hào)為NP999-42的鋁土是適合的。附圖是燈泡、套殼和小孔的截面圖(通過燈泡的中心截取)。圖中未示出封離(tip-off)頭。除了封離附近的區(qū)域(未示出)之外套殼的ID(內(nèi)直徑)是球形的。部分燒結(jié)的套殼燒結(jié)到這樣的程度，使顆粒的頸縮(necking)(顆粒之間的連接)可以在微尺度上觀察到。燒結(jié)由所需的通過陶瓷的熱導(dǎo)率支配。頸縮的目的是加強(qiáng)熱傳導(dǎo)，而只對(duì)陶瓷的反射率產(chǎn)生最小的影響。陶瓷兩半爿配合非常緊密，并可由機(jī)械裝置合在一起，并或者能夠用例如General Electric Arc Tube Coating No.113-7-38粘在一起。選擇套殼ID和燈泡OD，從而平均空氣隙允許足夠的熱量從燈泡傳導(dǎo)出去，并且為所需的反射率選擇陶瓷的厚度。燈泡它用千分之幾英寸的空氣隙和只有1mm的最少的陶瓷厚度工作。
在上述的另一個(gè)實(shí)施例中，用于燈泡的材料是石英(SIO2)，而反射覆蓋層是硅土(SiO2)。由于材料相同，故沒有不同的熱膨脹的問題。硅土是非晶狀態(tài)的，并且由輕微地熔合在一起的小片構(gòu)成。它被制造得足夠厚，以達(dá)到需要的反射率，并且是白色的。還可以以不附著的套殼形式應(yīng)用硅土。
當(dāng)使用提到過的基于硫、硒和碲的填充物時(shí)雖然當(dāng)上述本發(fā)明的設(shè)備方面(并結(jié)合圖6到13)的具有特別的適應(yīng)性，但它們具有與填充物無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，因而以有利地和任何填充物(包括各種金屬鹵化物填充物，諸如鹵化錫、鹵化銦、鹵化鎵、鹵化溴(例如，碘化物)以及鹵化鉈)一起使用。
當(dāng)基于硫和硒的填充物一同使用時(shí)，圖3中的套殼44的材料在紫外線和可見光區(qū)域中是高反射的，并且在這些區(qū)域中具有較低的吸收率，并且在紅外線區(qū)域也較佳。大致上敷層反射所有的射于其上的紫外線和可見光輻射，至少在330nm和730nm之間的范圍(UV和可見光)中，這意味著套殼在光譜的紫外線和可見光部分的反射率大于85％。這樣的反射率最好大于97％更好，最好大于99％。反射率被定義為在上述波長(zhǎng)的范圍中返回到內(nèi)部的入射的輻射功率的總的部分，該輻射人們需要高的反射率，因?yàn)楣獾娜魏螕p耗都要乘以反射的次數(shù)。套殼10最好是輻射的漫反射件，但也可以是鏡面反射件。套殼反射入射的輻射，而不管入射角如何。上述的反射率百分比最好延伸至遠(yuǎn)低330nm波長(zhǎng)，例如，低到250nm，最好是低到220nm。
雖然不是必需的，但對(duì)套殼來說，在紅外線區(qū)域中它具有反射率也是有利的，從而較佳的材料是從遠(yuǎn)紫外線到紅外線都是高反射率的。人們需要高的紅外線反射率，因?yàn)樗纳屏四芰科胶?，并允許在更低的功率下工作。套殼還必需能夠經(jīng)得起燈泡中產(chǎn)生的高溫。如上所述，鋁土和硅土是合適的材料，并以套殼的形式出現(xiàn)，該套殼厚得足夠，以提供所需的反射率和結(jié)構(gòu)剛性。
如上所述，在使用硫或硒的燈泡的工作中，由套殼對(duì)輻射的多次反射模擬了大得多的燈泡的效果，允許在活性材料較低密度下和/或用更小的燈泡工作。光子集合的每一個(gè)吸收和再發(fā)射(包括和被反射的大致上為紫外線輻射相應(yīng)的那些)導(dǎo)致光譜功率的轉(zhuǎn)移，以向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)方向分布。光子在燈泡玻泡中反射的平均數(shù)越大，則吸收/再輻射的數(shù)目越大，因而得到的和光子相關(guān)的光譜移動(dòng)越大。光譜移動(dòng)將由活化種類的振動(dòng)溫度決定。
雖然圖3中描述了不用套殼遮蓋的小孔48，但它最好設(shè)置一種物質(zhì)，這種物質(zhì)具有高的紫外線反射率，但對(duì)可見光輻射的透明度高。這種物質(zhì)的一種例子是多層介質(zhì)疊層，該疊層具有所需的光學(xué)性質(zhì)。
參數(shù)α定義為小孔的表面積與反射表面總面積(包括小孔的面積)的比值。于是α可以取零附近的值(對(duì)于非常小的孔)至0.5(對(duì)于一半有套殼的燈泡)。較佳的α對(duì)于許多應(yīng)用具有0.02到0.3范圍中的值。依賴于特殊的應(yīng)用，這個(gè)范圍之外的比值也可以工作，但可能不太有效。典型地，更小的α值一般將增加亮度，減小包溫，并降低效能。因此，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供極為明亮的光源。
圖6中示出另一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例利用光導(dǎo)纖維14形式的光端口，該光纖和小孔12相接。小孔的面積被認(rèn)為是端口的截面積。在圖6的實(shí)施例中漫反射的套殼10圍繞在燈泡19周圍。
圖7中示出另一個(gè)實(shí)施例，其中類似于圖6中的部分由類似的標(biāo)號(hào)表示。參照?qǐng)D7，和小孔12’相接的光的端口是復(fù)合拋物柱面反射器(CPC)70，如所知道的，CPC截面呈現(xiàn)為兩條以一傾斜角相互傾斜的拋物線部分。它將具有從0到90度的角分布的光轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉枚嗟慕欠植?例如0到10度或更少(偏離法線的最大值為10度))是有效的。CPC可以是空氣中工作的反射器或使用內(nèi)部全反射的折射器。
在圖7所示的實(shí)施例中，可以安排CPC，例如，通過覆蓋反射CPC內(nèi)表面，以便反射紫外線和可見光，同時(shí)設(shè)置端面72，它使可見光通過，但該端面72可構(gòu)造或覆蓋得將不想要的輻射分量反射回小孔。這些不想要的分量例如可以(但不限于)包括特別波長(zhǎng)區(qū)域、特別的偏振和光線的空間取向。表面72示為短劃線，意味著它既使輻射通過，也使輻射反射。
圖8是另一個(gè)利用CPC的實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，燈泡和圖7中的一樣，但是光端口是光導(dǎo)纖維14”，它饋送CPC70。在圖8的實(shí)施例中，和圖7的實(shí)施例相比，到達(dá)CPC的熱量更少。
圖6到8的實(shí)施例中的問題在于，在燈泡和光端口之間有相交處，光在該相交處漏出。
參照?qǐng)D3，這個(gè)問題可以通過把在小孔前部的套殼形成孔的內(nèi)部漫反射壁47用作光端口來解決。由此，參照?qǐng)D9，將光導(dǎo)纖維80設(shè)置在漫射孔前面，而在圖10中，固體或反射光學(xué)元件82(例如，CPC)設(shè)置在孔的前部。光通過孔漫射，并平滑地進(jìn)入光纖或其它光學(xué)元件，而不遇到任何突然的相交處。依賴于應(yīng)用，光學(xué)元件的直徑可以更大、更小或和孔的直徑相同。
將漫射孔做得足夠長(zhǎng)，從而使光隨機(jī)化，但不是長(zhǎng)得使太多的光被吸收。圖11到13示出各種孔的設(shè)計(jì)。在圖11中，套殼92具有孔92，其中呈現(xiàn)了平坦的前表面。在圖12中，套殼91具有孔93，該孔93延伸超出套殼的厚度。圖13中，套殼95具有孔97和漸變厚度區(qū)域98。典型地，孔的截面形狀是圓形的，但可以是矩形或某種其它的形狀。內(nèi)反射壁可以會(huì)聚或發(fā)散，這些孔的設(shè)計(jì)是例示的，出現(xiàn)其它設(shè)計(jì)對(duì)熟悉本領(lǐng)域的人來說是可以的。
參照?qǐng)D3、9、10和11，示出反射器49(圖11中的96)。反射器放置得與或接近于與套殼44接觸，并且其功能是反射在孔附近的界面處或附近漏出的光。雖然反射器是可選的，但人們想要改進(jìn)其性能。反射回進(jìn)入界面附近的陶瓷中的光主要將返回小孔或燈泡(除非因?yàn)楸晃斩鴨适?。反射器49的徑向尺寸(在孔具有圓截面的情況下，反射器將是圓環(huán)形的，并尺寸將是“徑向”的)應(yīng)孔47的高度大約相同或更小。在可見光中，較好地它是具有覆蓋介質(zhì)疊層的石英。
圖14描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中紫外線/可見光反射覆蓋層51位于金屬外殼52的壁上。在外殼中是沒有反射覆蓋層的燈泡50。網(wǎng)54(它也是小孔)使該外殼完整。反射表面強(qiáng)制產(chǎn)生光通過網(wǎng)區(qū)域射出。外殼可以是微波諧振器，并且可以通過例如腔中的耦合槽引進(jìn)微波激勵(lì)。在一種替換方法中，微波或R.F.功率可以感應(yīng)式施加，在這種情況下，外殼不必是諧振腔，但能夠提供有效的屏蔽。
圖15中示出了提供了有效屏蔽的一個(gè)實(shí)施例。燈泡類似于參照?qǐng)D3描述的實(shí)施例中的燈泡，雖然在此特定實(shí)施例中，它具有比圖3所示的更大的α。它通過微波或R.F.功率供給能量，激勵(lì)圍繞著燈泡的耦合線圈62(以截面圖示出)。(除了光端口69周圍的區(qū)域之外)法拉第屏蔽60圍繞裝置，用于電磁屏蔽。如果需要，有損耗的鐵氧體或其它磁屏蔽材料可以設(shè)置在外殼60的外側(cè)，以提供額外的屏蔽。在其它的實(shí)施例中，其它的光學(xué)元件可以和小孔連通，在這種情況下，除了光學(xué)元件周圍的區(qū)域之外法拉第屏蔽將包含該裝置。封閉盒子的開口足夠小，從而它超過截止值。填充物中活性物質(zhì)的密度可以在與作為標(biāo)準(zhǔn)值的相同值到非常低的密度值中變化。
雖然本發(fā)明能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的可見光，而不需要旋轉(zhuǎn)燈泡，但在某些應(yīng)用中，燈泡旋轉(zhuǎn)可能是需要的。圖16的實(shí)施例描述了如何實(shí)現(xiàn)這種需要。參照附圖，由空氣渦輪實(shí)施旋轉(zhuǎn)，以便不阻擋可見光。圖中示出空氣軸承7和進(jìn)風(fēng)口8，并且將來自空氣渦輪(圖中未示出)的空氣送到進(jìn)風(fēng)口。
雖然已經(jīng)結(jié)合了燈泡上的反射媒體或內(nèi)部的屏蔽外殼描述了本發(fā)明的方法方面的實(shí)施，但是它并不如此限制唯一需要為如此設(shè)置反射媒體，從而反射輻射通過填充物多次。例如，介質(zhì)反射器可以設(shè)置在燈泡的外部。還有，在使用具有耦合槽的微波腔的實(shí)施例中，可以通過用介質(zhì)反射覆蓋層覆蓋槽來避免光的損失。
下面參照?qǐng)D17描述上述的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的原理，圖17描述了包含硫填充物的各個(gè)無電極燈的燈泡在紫外線和可見光區(qū)域中的光譜。光譜A是從具有低的硫填充物密度(大約0.43mg/cc)，并且不具有任何反射套殼和覆蓋物的的燈泡中取得的?？吹贸?，從燈泡發(fā)射出來的輻射的一部分在紫外線區(qū)域中(這里規(guī)定為在370nm以下)。
另一方面，光譜B從具有覆蓋物以根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面提供多次反射的同一燈泡取得的?？梢钥闯?，在光譜B的可見光區(qū)域中有更大比例的輻射，而紫外線的輻射至少減少(超過)50％。
雖然圖17中描述的光譜B適合于某些應(yīng)用，但是通過使用具有更高反射率的覆蓋層，能夠得到具有占比例更大的可見光和作比例更小的紫外線的光譜。如上所述，小孔越小，產(chǎn)生的相對(duì)的可見光越多，但是效能越低。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過將小孔做得非常小，可以得到明亮的光源，例如在某些投影應(yīng)用中有用的光源。在這種情況下，以較低的效能得到較高的亮度。
在用于得到光譜B的燈中，由石英制成的球形燈泡(ID為33mm,OD為35mm)填充密度為0.43mg/cc的硫和50toor的氬。用于圖17到圖20的燈泡只用于示范本發(fā)明的方法，并是是有覆蓋層的。如上所述，使用覆蓋層的燈泡因?yàn)閴勖鼏栴}而不用于一商業(yè)的實(shí)施例中。圖17和18中的燈泡用鋁土(G.E.LightingProduct No.113-7-38)覆蓋層(除了小孔區(qū)域之外)，厚度為0.18mm，并且α為0.02。燈泡被圓柱形微波腔包圍，該腔具有耦合槽并且施加400瓦的施加微波功率，這導(dǎo)致了功率密度為21弋瓦/cc。
圖17中的光譜已經(jīng)被歸一化，即，已經(jīng)被任意地使各個(gè)光譜的峰值相等。圖17和圖18的燈的工作不旋轉(zhuǎn)燈泡。非歸一的光譜示于圖18中。
圖19描述了沒有覆蓋層的R.F.供給能量的硫燈的歸一的光譜A，該燈在紫外線區(qū)域中具有顯著的光譜分量，以及從具有反射覆蓋物的同一盞的燈得到的光譜B?？梢钥闯?，在光譜B中可見光輻射占比例更大。在這種情況下，燈泡為ID23mm，而OD為25mm，并硫填充密度為0.1mg/cc的硫和100toor的氪。在220瓦下供給能量，功率密度為35瓦/cc。覆蓋層的燈泡用鋁土覆蓋層，厚度為大約0.4mm，而α為0.07。不旋轉(zhuǎn)燈泡，燈的工作穩(wěn)定，并且圖20中示出非歸一的光譜。雖然輻射在多次的反射中有損失，但是非歸一的光譜B顯得比光譜A高，這是因?yàn)樗玫臋z測(cè)器僅由從無覆蓋層的燈泡發(fā)射的輻射的一部分對(duì)著，但由從小孔發(fā)射出的輻射的更大的一部分對(duì)著。
比較圖18和圖20，可以注意到較大的α導(dǎo)致較高的效能。參照?qǐng)D18，注意到，在有覆蓋層的燈泡中的可見光的輸出低于無覆蓋層的燈泡中的輸出，這是因?yàn)檩椛湓诙啻蔚姆瓷渲杏袚p失；但是，可見光的輸出比如果發(fā)生反射而不發(fā)生從紫外線到可見光的轉(zhuǎn)換時(shí)的輸出更大些。
根據(jù)本發(fā)明，在某些實(shí)施例中，燈泡可以用比現(xiàn)有技術(shù)中密度低得多的活性材料填充。
本發(fā)明可以用不同形狀的燈泡，例如球形、圓柱形、扁橢球形、環(huán)形等等。根據(jù)本發(fā)明的燈的用途包括用作投射光源和用作用于一般照明的照明光源。
應(yīng)該注意，可以提供不同功率的燈泡，從較低的功率(例如50瓦)到300瓦以上(包括1000瓦特和3000瓦)。由于光可以通過光端口取出，故光的損失可以較低，并且通過端口取出的光可以用于分布型的照明(例如在辦公樓中)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，這里所述的燈泡和燈可以用作再利用機(jī)(recaptureengine)，用于地來自任意源的紫外線輻射轉(zhuǎn)換到可見光。例如，可以提供外部的紫外線燈，并且將從該燈發(fā)射出來的光送到，通過光端口送到這里所述的燈泡中。然后燈泡將紫外線發(fā)射轉(zhuǎn)換為可見光。
最后，應(yīng)該知道，雖然已經(jīng)結(jié)合說明性的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但對(duì)熟悉本領(lǐng)域的人來說可以有各種變化，因此本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1．一種提供輻射的方法，其特征在于包括下述步驟提供燈填充物，在激勵(lì)時(shí)它包含至少一種從硫和硒的組中選出的物質(zhì)，激勵(lì)所述燈填充物，以使所述硫或者硒產(chǎn)生分子輻射，所述分子輻射在光譜的紫外線區(qū)域中包括相當(dāng)大的光譜功率分量而在光譜的可見光區(qū)域中包括光譜功率分量，在包含的空間中穿過所述填充物多次反射所述產(chǎn)生的輻射，由于在紫外線區(qū)域中有所述相當(dāng)大的光譜功率分量，穿過所述填充物的通路有效地將至少一部分輻射轉(zhuǎn)換為可見光區(qū)域中的輻射，導(dǎo)致經(jīng)變換的輻射，所述經(jīng)變換的輻射由減小的紫外線輻射和可見光輻射的組合構(gòu)成，該可見光輻射比如果在沒有所述從紫外線區(qū)域到可見光區(qū)域中的轉(zhuǎn)換的情況下，發(fā)生反射時(shí)將有的可見光輻射更大，以及從所述包含的空間發(fā)射所述可見光。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述光譜的紫外線區(qū)域中的所述相當(dāng)大的光譜功率分量具有第一量值，并且所述減小的紫外線輻射至少比所述第一量值小50％。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于具有所述第一量值的所述光譜的紫外線區(qū)域中所述相當(dāng)大的光譜功率分量是在紫外線和可見光區(qū)域中產(chǎn)生的輻射的光譜功率分量的總和的至少20％。
4．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于光譜的可見光區(qū)域中的所述光譜功率分量具有第二量值，并且從所述包含的空間發(fā)射出來的所述可見光輻射由所述第二量值增加所述第一量值與所述減小的紫外線輻射的光譜功率分量的量值之間差值的至少50％。
5．一種提供輻射的方法，其特征在于包括下述步驟提供燈填充物，在激勵(lì)時(shí)它包含至少一種從硫和硒的組中選出的物質(zhì)，激勵(lì)所述燈填充物，以使所述硫或者硒產(chǎn)生分子輻射，所述分子輻射包括在具有給定量值級(jí)的光譜的紫外線區(qū)域中的光譜功率分量和在光譜的可見光區(qū)域中的光譜功率分量，在包含的空間中穿過所述填充物多次反射所述產(chǎn)生的輻射，由于在紫外線區(qū)域有中所述光譜功率分量，穿過所述填充物的通路有效地將至少一部分輻射轉(zhuǎn)換為可見光區(qū)域中的輻射，導(dǎo)致經(jīng)變換的輻射，所述經(jīng)變換的輻射由具有比所述給定的量值小至少50％的減小的紫外線輻射和可見光輻射的組合構(gòu)成，該可見光輻射比如果在沒有所述從紫外線區(qū)域到可見光區(qū)域中的轉(zhuǎn)換時(shí)將有的可見光輻射更大，以及從所述包含的空間發(fā)射所述可見光。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于光譜的可見光區(qū)域中的所述光譜功率分量具有某一量值，并且從所述包含的空間發(fā)射出來的所述可見光輻射由所述某一量值增加所述給定的量值與所述減小的紫外線輻射的光譜功率分量的量值之間的差值的至少50％。
7．如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述至少一種物質(zhì)是硫。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于來自所述硫的變換的所述經(jīng)輻射主要是可見光輻射。
9．如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述至少一種物質(zhì)是硒。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于來自所述硒的所述經(jīng)變換的輻射主要是可見光輻射。
11．如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述至少一種物質(zhì)是硫和硒。
12．如權(quán)利要求的11所述的方法，其特征在于來自所述硫和硒的所述經(jīng)變換的輻射主要是可見光輻射。
13．如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述反射的步驟包括反射大致上所有在所述光譜紫外線區(qū)域中的所述輻射。
14．如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述反射的步驟包括反射所述光譜的紫外線區(qū)域中的97％以上的所述輻射。
15．如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述包含的空間包含一玻泡，所述玻泡包含所述燈填充物。
16．如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述包含的空間包含激勵(lì)腔，在所述激勵(lì)腔中放置了包含所述燈填充物的玻泡。
17．一種發(fā)光裝置，其特征在于包括無電極玻泡，包含形成放電填充物，所述玻泡具有第一和第二部分，及用于接近于所述第一玻泡部分的漫反射陶瓷覆蓋層，它至少接觸所述玻泡的一個(gè)位置，并且不會(huì)由于所述玻泡和所述覆蓋層之間的不同的熱膨脹而在工作溫度下破裂，其中所述玻泡的第二部分包含透光孔，所述漫反射陶瓷覆蓋層通過所述透光孔反射光。
18．如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述漫反射陶瓷覆蓋層包括不附著到所述玻泡的套殼。
19．如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述套殼接觸所述玻泡的多個(gè)位置。
20．如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于所述套殼的不接觸所述玻泡的那些部分與所述玻泡相隔在千分之幾英寸的內(nèi)。
21．如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于所述漫反射陶瓷覆蓋層用和所述玻泡的材料相同的材料制成。
22．如權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于所述材料是硅土。
23．一種發(fā)光裝置，其特征在于包括無電極玻泡，包含形成放電填充物，該玻泡具有第一和第二部分，在所述玻泡的所述第一部分周圍的漫反射光反射套殼，所述不附到所述玻泡的反射套殼，至少在所述玻泡的一個(gè)位置處與之接觸，及所述玻泡的所述第二部分包括透光孔，所述套殼通過所述透光孔反射光。
24．如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述玻泡由所述第一和第二部分構(gòu)成。
25．如權(quán)利要求23或24所述的裝置，其特征在于還包含從所述小孔延伸的光端口。
26．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述套殼在多個(gè)位置處接觸所述玻泡。
27．如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述套殼的不接觸所述玻泡的那些部分與所述玻泡隔開千分之幾英寸。
28．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述套殼是燒結(jié)過的粉末。
29．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述玻泡是球形的，并且所述套殼由半圓形的兩部分形成。
30．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述套殼包含光漫射孔，所述孔包含所述光端口。
31．如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于所述孔足夠長(zhǎng)，以使進(jìn)入所述孔的光隨機(jī)化。
32．如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于所述光端口包括光纖元件。
33．如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于所述光端口包括復(fù)合拋物面聚光器。
34．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述填充物受激勵(lì)時(shí)包括硫、硒或碲，用于主要提供可見光輻射。
35．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述套殼用這樣的材料制成，并且足夠厚，從而大致上所有入射于其上的可見光和紫外線輻射被反射。
36．如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于和用于提供電磁功率的微波或R.F.產(chǎn)生裝置，以及和用于將所述電磁功率耦合到所述玻泡中的填充物的裝置相組合。
37．一種發(fā)光裝置，其特征在于包括被包含的填充物，在激勵(lì)時(shí)它包括至少一種從硫和硒的組中選出的物質(zhì)，及包圍所述填充物，由第一和第二部分構(gòu)成的外殼，在所述外殼的所述第一部分上或周圍的反射器，它由大致上反射所有穿過填充物入射到其上的紫外線和可見光輻射的材料制成，其中所述外殼的所述第二部分包括小孔徑，所述小孔不被所述反射器圍繞，并且對(duì)可見光大致上是透明的。
38．如權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于所述物質(zhì)以預(yù)定數(shù)量在經(jīng)激勵(lì)的填充物中出現(xiàn)，并且所述預(yù)定數(shù)量和穿過所述填充物的所述反射的組合足以在所述光譜的可見光部分中產(chǎn)生的主要是分子輻射所光譜，該可見光部分從所述小孔中發(fā)射出來。
39．如權(quán)利要求37或38所述的裝置，其特征在于所述材料是漫反射材料。
40．如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于所述漫反射材料反射入射在其上的大于97％的紫外線和可見光輻射。
41．如權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于所述漫反射材料反射入射在其上的大于99％的紫外線和可見光輻射。
42．如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于所述小孔大致上反射紫外線輻射。
43．如權(quán)利要求41所述的裝置，其特征在于所述漫反射材料包括鋁土。
44．如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于所述裝置是無電極燈的燈泡，并且所述外殼是包含所述填充物的玻泡。
45．如權(quán)利要求44所述的發(fā)光裝置，其特征在于所述反射器包括套殼，所述套殼圍繞所述玻泡的所述第一表面部分，并且在至少一個(gè)位置處接觸所述玻泡的所述第一表面部分，但不附著到該處。
46．如權(quán)利要求37所述的發(fā)光裝置，其特征在于所述外殼圍繞所述玻泡，并且是金屬的，并且所述反射器在所述金屬外殼的內(nèi)側(cè)上。
47．一種無電極燈，其特征在于包括包含形成放電填充物的玻泡，所述玻泡的第一部分，具有光反射材料，所述玻泡的第二部分，包括一小孔，和所述小孔對(duì)準(zhǔn)的光端口，及圍繞所述玻泡的金屬外殼，除所述光端口延伸的開口之外它是封閉的，在所述外殼中接近于所述玻泡的電感性耦合裝置，以及R.F.產(chǎn)生裝置，用于激勵(lì)所述電感性耦合裝置，它將所述R.F.功率耦合度所述玻泡中的填充物。
48．一種無電極燈，其特征在于包括包含形成放電填充物的無電極玻泡，具有第一和第二部分，圍繞所述第一部分的外殼，及留在所述外殼和所述玻泡之間的漫反射粉末，其中，所述玻泡的所述第二部分包含透光射小孔，所述粉末通過所述小孔反射光。
49．如權(quán)利要求48所述的燈，其特征在于所述外殼也由漫反射材料制成。
50．如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于還包含鄰近于所述孔的反射裝置，用于將孔界面處的光反射回孔。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種方法,其中硫或硒燈中的光穿過填充物多次,以將紫外線輻射轉(zhuǎn)變成可見光。發(fā)光裝置包括無電極玻泡,光反射覆蓋層,圍繞玻泡第一部分,覆蓋層不會(huì)因?yàn)椴煌臒崤蛎浂?并且玻泡具有第二部分,該部分含有光透小孔。
文檔編號(hào)H01J17/02GK1222248SQ97195109
公開日1999年7月7日 申請(qǐng)日期1997年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月29日
發(fā)明者唐納德·A·麥克倫南, 布賴恩·特納, 肯特·基普林 申請(qǐng)人:熔化照明股份有限公司