高压放电灯、灯单元和图像显示设备的制作方法

专利名称：高压放电灯、灯单元和图像显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压放电灯、灯单元和图像显示设备。
背景技术：
通常使用包含凹反射镜的灯单元作为比如投影仪的图像显示设备的光源，其中高 压放电灯构建在该凹反射镜中。作为向这种灯单元中的屏幕提供改善的光通量的技术，专 利文献1公开一种电弧管，该电弧管所具有的形状使得从高压放电灯辐射的光通量能够被 反射镜高效地捕获。根据电弧管的结构，发光部件外表面的曲率半径在靠近密封部件的部 分比在中心部分小。因此，穿过靠近密封部件的部分的光通量在基本上垂直于电弧管管轴 的方向上从发光部件辐射。由于在垂直于电弧管的管轴的方向上辐射的高水平的光通量的 原因，包含该电弧管的高压放电灯表现出有利的光强度分布特性，且因此能够将大量的光 通量集中在反射镜的反射表面上。因此，有可能提供改善的光通量到灯单元中的屏幕。[引文列表] [专利文献]
日本专利申请公开号No. 2005-285417。

发明内容
[技术问题]
然而，当在近年来在市场中变得普遍的小尺寸高效高压放电灯中采用专利文献1中公 开的电弧管时，由于热而出现电弧管破损。据推测，由于如下原因而出现破损。为了减小在 靠近密封部件的部分中的发光部件外表面的曲率半径，在所述部分中玻璃的厚度减小，从 发光部件到密封部件的热导率减小。这使得在灯点亮期间在发光部件中逐步形成的热量难 以通过密封部件散逸到反射镜侧。换言之，因为发光部件的温度由于热的原因而变高，密封 部件的靠近发光部件的部分的温度变高。破裂于是在被密封在所述部分中的电极附近的玻 璃上产生，导致电弧管破损。鉴于上述问题而获得本发明。本发明的目的是提供一种小尺寸高效高压放电灯， 该高压放电灯表现出有利的光强度分布特性且造成电弧管破损的可能性较小。本发明的另 一目的是提供一种灯单元和图像显示设备，其尺寸小、提供改善的光通量到屏幕并且发生 故障可能性较小。[问题的解决方案]
为了实现上述目的，本发明的一个方面为一种高压放电灯，其包含电弧管，该电弧管 包含具有基本上球形形状且具有封入其中的水银的发光部件；和从该发光部件的对立侧延 伸的一对密封部件；以及一对电极，其布置在该电弧管中使得每个电极的一个端部被相应 密封部件密封且所述电极的另外的端部在该发光部件中彼此相对，其中所封入的水银具有 0. 2[mg/mm3]至 0. 4[mg/mm3]且包含 0. 2[mg/mm3]和 0. 4[mg/mm3]的密度，从接触点 S 到该发光部件的中心0的距离W为3.0 [mm]至5.0 [mm]，且包含3.0 [mm]和5.0 [mm]，其中该接 触点S代表该电弧管的管轴Z与该电弧管的内表面相交的点，从接触点Ttj到该中心0的距 离C。为1. 5 [mm]至3. 0 [mm]，且包含1. 5 [mm]和3. 0 [mm]，其中接触点Tq代表穿过该中心0 且垂直于该管轴Z的竖直轴Ytj与该电弧管的内表面相交的点，所述距离Ctj与从接触点Tm 到中点M的距离Cm满足关系(VQ ^ 0. 8，其中该中点M代表该中心0和该接触点S之间的 中点，且该接触点Tm代表穿过该中点M且垂直于该管轴Z的竖直轴Ym与该电弧管的内表面 相交的点，以及在密封部件侧部分中该电弧管的最小厚度X[mm]与该发光部件的最大外径 D[mm]满足关系X/D ^ 0. 2，所述密封部件侧部分为该发光部件的靠近密封部件的部分。本发明的另一方面为一种灯单元，其包含所述高压放电灯；以及反射镜，该反射 镜包含颈部，该高压放电灯的所述密封部件之一固定到该颈部；以及类似球状的表面，其 反射从该高压放电灯辐射的光通量。本发明的又一方面为包含所述灯单元的图像显示设备。[发明的有益效果]
本发明的高压放电灯尺寸小且高效，这是因为以0. 2[mg/mm3]至0. 4[mg/mm3](且包含 0. 2 [mg/mm3]和0. 4 [mg/mm3])的密度将水银封入其中，距离W为3. 0 [mm]至5. 0 [mm]，且包含 3. 0 [mm]和 5. 0 [mm]，以及距离 C。为 1. 5 [mm]至 3. 0 [mm]，且包含 1. 5 [mm]和 3. 0 [mm]。该高 压放电灯表现出有利的光强度分布特性，这是因为距离Cm与距离(^满足关系CM/C0 ^ 0. 8。 此外，该高压放电灯造成电弧管破损的可能性较小，这是因为最小厚度X与最大外径D满足 关系X/D彡0. 2。本发明的灯单元和图像显示设备均包含小尺寸高效高压放电灯，如上所述，这种 高压放电灯提供有利的光强度分布特性且造成电弧管破损的可能性较小，且因此本发明的 灯单元和图像显示设备均尺寸小，提供改善的光通量到屏幕，且故障可能性较小。


图IA为实施例1中的灯单元的透视图，以及图IB为实施例1中的灯单元的侧视 图2为实施例1中的灯单元的截面图； 图3为电弧管在其发光部件附近的截面图4A示出当水银密度为0. 3[mg/mm3]时X/D与电弧管破损之间的关系，以及图4B示 出当水银密度为0. 4[mg/mm3]时X/D与电弧管破损之间的关系； 图5示出Cm/Q*光强度分布特性之间的关系； 图6示出理想的光强度分布特性；
图7示出CM/^对从发光部件辐射的光通量的光路径的影响；
图8A为包含口 50mm反射镜的灯单元的截面图，以及图8B为包含口 35mm反射镜的灯 单元的截面图9为示出实施例2中的图像显示设备的实例的局部切割透视图； 图10为示出实施例3中的图像显示设备的实例的透视图； 图11为改进例1中的灯单元在其发光部件附近的截面图； 图12为改进例1中的灯单元在其发光部件附近的截面图；以及图13为改进例2中的灯单元的截面图。
具体实施例方式下文在实施例中参考附图描述高压放电灯、灯单元和图像显示设备。注意，附图不 是成比例的，因此附图中的元件的比例不同于实际比例。[高压放电灯和灯单元的配置]
图IA为实施例1中的灯单元的透视图。图IB为实施例1中的灯单元的侧视图。如图 IA和IB所示，灯单元100包含实施例1中的高压放电灯101、反射镜102以及外壳103。图2为实施例1中的灯单元的截面图。图2略去了外壳。如图2所示，高压放电 灯101为所谓的双端高压水银灯，并且包含由石英玻璃制成的电弧管110以及一对电极组 件120。电弧管110包含具有基本上球形形状的发光部件111以及连接到发光部件111的 相对侧的一对密封部件112。高压放电灯101例如具有200[W]的额定功率和70[V]的额定 电压。图3为电弧管在其发光部件附近的截面图。图3略去了电极组件。如图3所示， 发光部件111中电弧管110的最大外径D约为9. 0 [mm]，并且发光部件111中电弧管110的 外表面的曲率半径约为5. 45[mm]。在发光部件111内部形成容积约为60[mm3]的放电空间 113。从接触点S到发光部件111的中心0(放电空间113的中心)的距离W约为4[mm]。 从接触点Ttj到中心0的距离C0约为2. 0[mm]。注意，距离Ctj对应于放电空间113中包围的 并且中心与中心0吻合的最大的圆的半径。从接触点Tm到中心0与接触点S之间的中点M 的距离Cm约为1.7 [mm]。注意，距离Cm对应于放电空间113中包围的且中心与中点M吻合 的最大的圆的半径。密封部件侧部分114中电弧管110的最小厚度X约为1.95[mm]。这 里，接触点S为电弧管110的管轴Z与电弧管110的内表面相交的点。接触点Ttj为穿过中 心0且垂直于管轴Z的竖直轴Ytj与电弧管110的内表面相交的点。接触点Tm为穿过中点 M且垂直于管轴Z的竖直轴Ym与电弧管110的内表面相交的点。注意，在实施例中，发光部件111的中心0定义为与管轴Z的位于放电空间113中 的部分相对应的线段的中点。在本申请中，出于讨论的目的，发光部件111被竖直轴Ym划 分为多个部分。靠近密封部件112的部分定义为密封部件侧部分114。而靠近中心0的其 它部分定义为中心部分115。最小厚度X定义为从电弧管110的外表面上的边界U到电弧 管110的内表面的最小距离。这里，边界U为发光部件111和密封部件112之间的边界。注意，发光部件111的尺度不限于上述尺度，且可以根据高压放电灯101的规格而 相应地改变。然而，为了减小高压放电灯101的尺寸，距离W需要落在3.0 [mm]至5.0[mm] 的范围内，且包含3.0 [mm]和5.0 [mm]，距离C。需要落在1.5 [mm]至3.0 [mm]的范围内，且 包含1. 5[mm]和3. 0[mm]。为了提供表现出有利的光强度分布特性的高压放电灯101，距离 Cm和距离Ctj需要满足关系Cm/Q彡0. 8。为了防止电弧管110破损，最小厚度X和最大外径 D需要满足关系X/D彡0. 2。稍后描述这些尺度的具体原因。放电空间113被填充有密度大约为0. 2[mg/mm3]至0. 4[mg/mm3](且包含0. 2[mg/ mm3]和0.4[mg/mm3])的作为发光材料的水银(Hg)、压强大约为30[kPa]的作为起动辅助剂 (starting aid)的稀有气体、以及密度大约为10_7[ μ mol/mm3]至10_2[ μ mol/mm3](且包含
610-7[ymol/mm3]和10_2 [ μ mol/mm3])的作为卤素材料的溴(Br)。灯点亮期间的水银蒸气压 强约为20[kPa]至30[kPa]且包含20[kPa]和30[kPa]。高压放电灯101是高效的，这是因 为水银以大约 0. 2[mg/mm3]至 0. 4[mg/mm3](且包含 0. 2[mg/mm3]和 0. 4[mg/mm3])的密度 封入该高压放电灯中。注意，发光材料不限于水银，并且碱金属原子等可以用作发光材料。稀有气体的 实例为氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)以及其中至少两种的混合物。卤素材料的实例为碘(I)、 溴(Br)、氯(Cl)以及其中至少两种的混合物。灯点亮期间的水银蒸气压强不限于大约 20 [kPa]至 30 [kPa]且包含 20 [kPa]和 30 [kPa]。往回参考图2，该对密封部件112的每一个具有例如基本上柱状形状。密封部件 112的外径约为5. 2[mm]，并且从中心0到密封部件112的最远端的距离为22. 5[mm]。每 个电极组件120由该对密封部件112中的相应一个密封。该对密封部件112中的仅仅一个 利用胶接剂162等固定到反射镜102的颈部161。注意，密封部件112的尺度不限于上述尺 度，且可以根据高压放电灯101的规格而相应地改变。然而优选的是，密封部件112的外径 落在5.0[mm]至6.0[mm]的范围内且包含5. 0[mm]和6.0[mm]。每个电极组件120包含电极130、金属箔140以及外引线150。电极组件120例如 通过将电极130、金属箔140和外引线150按此顺序焊接在一起而制成。电极组件120主要 在金属箔140的部分被密封部件112密封。电极130包含例如电极引脚131和线圈132，所述电极引脚和线圈均由钨制成。线 圈132通过熔融而卷绕电极引脚131的一个端部。该对电极130在放电空间113中彼此相 对布置，其间的距离约为0. 95 [mm]，使得在电极130的一个端部被相应密封部件112密封的 状态下，电极130基本上位于同一直线上。优选的是，这对电极130的相对末梢(tip)之间 的距离，即弧长，落在0.5 [mm]至2.0 [mm]的范围内(且包含0. 5 [mm]和2. 0 [mm])，从而将高 压放电灯置为接近点光源。这对电极130的每一个的末梢通过用线圈132卷绕而增大直径。利用这种结构， 提高了热容量，且因而减轻电极130的退化。此外，这对电极130的每一个的末梢通过用线 圈132卷绕而增大表面积。利用这种结构，提高热散逸，且因而防止电极130的温度不必要 地增大。这对电极130的每一个的末梢优选地是逐渐变细的，从而防止由电极130造成的渐晕。金属箔140为例如基本上条形且由钼制成。金属箔140在较长方向上的宽度约为 14[mm]，且在较短方向上的宽度约为1.5[mm]。金属箔140的厚度约为20[ μ m]。金属箔 140的尺度不限于上述尺度。然而优选的是，在较长方向上的宽度落在10[mm]至20[mm]的 范围内且包含10 [mm]和20 [mm]，在较短方向上的宽度落在1.0 [mm]至2.0 [mm]的范围内且 包含1.0 [mm]和2.0 [mm]，并且金属箔140的厚度落在10 [μ m]至30 [μ m]的范围内且包含 10[μ ]禾口 30[μπι]ο电极130结合到金属箔140的一个端部，且外引线150结合到金属箔140的另一 端部。整个金属箔140埋在密封部件112中。如上所述通过将金属箔140夹置在电极130 和外引线150之间并且主要在金属箔140的部分密封电极组件120，将放电空间113形成为 气密的。外引线150例如由钼制成。位于金属箔140的一侧上的外引线150的一个端部埋在密封部件112中，且外引线150的另一端部从密封部件112被拖曳到外部。反射镜102为漏斗形二向色反射镜，其包含颈部161和类似球状的表面163。高 压放电灯101的这对密封部件112的一个固定到颈部161。类似球状的表面163将从高压 放电灯101辐射的光通量反射到外壳103的一侧。反射镜102是通过压制比如硼硅酸盐玻 璃、铝硅酸盐玻璃和结晶化玻璃的耐热材料而制成。类似球状的表面163是由通过真空沉积方法、溅射方法、离子辅助沉积方法等制 成的光学多层构成。该多层根据波长透射或反射光，且由此抑制反射镜的温度上升并且改 善反射效率。类似球状的表面163具有这样的结构，其中角度OF2R等于或小于角度OF2Q (在图 2中，角度OF2R等于角度0F2Q)。这里，当中心0与类似球状的表面163的第一焦点F1吻合 时，角度OF2R代表由中心0、类似球状的表面163的第二焦点F2以及未固定到颈部161的 密封部件112的端部的外周R形成的角度。角度OF2Q代表由中心0、第二焦点F2、以及发光 部件的外表面与竖直轴\相交处的接触点Q形成的角度。类似球状的表面163的长半径A 和小半径B满足关系0. 4≤(A-B) /A≤0. 6。利用这些结构，高压放电灯101表现出有利的 光强度分布特性。稍后描述这些尺度的详细原因。往回参考图IA和1B，外壳103包含盒状本体171。例如利用硅树脂粘合剂(未示 出)或通过托架(未示出)，准直透镜172在与反射镜102相对的一侧上结合到本体171。用于将室外空气吸入本体171中的冷却窗口 174设于本体171的相对的侧壁173 的每一个中。通过冷却窗口 174有效地冷却被反射镜102和外壳103包围的高压放电灯 101。利用这种结构，高压放电灯101的发光部件111和密封部件112保持在合适的温度， 且由于热引起的发光部件111的劣化和破损发生的可能性较小。注意，防尘过滤器175附 连到冷却窗口 174。[发光部件的形状的细节]
下文描述发光部件111的最佳尺度及其至关重要性。< 关系 X/D ≥ 0. 2>
图4A示出当水银密度为0. 3[mg/mm3]时X/D与电弧管破损之间的关系，以及图4B示 出当水银密度为0. 4[mg/mm3]时X/D与电弧管破损之间的关系。图4A和4B中的值表明损 坏的电弧管的数目与评估样品的数目的比率。为了检查值X/D对由于热引起的电弧管破损的影响，制作分别具有不同X/D值的 各种高压放电灯，并且评估所制作的高压放电灯的破损频率。特别地，关于最大外径D分别 为8. 0[mm]、9. 0[mm]和10. 0[mm]并且发光部件外表面的曲率半径相同的三种类型的高压 放电灯，调整最小厚度X，使得每个高压放电灯具有不同X/D值。接着，评估所制作的高压放 电灯的破损频率。以200[W]功率点亮每个高压放电灯。此时，不进行每个高压放电灯的冷却，以便 尽可能增大发光部件和密封部件的温度，且由此增大热冲击的范围。在一个点亮循环中，每 个高压放电灯被接通并点亮一个小时，且接着被关闭并保持半个小时。重复点亮循环，使得 总的点亮小时设置为30小时。通过处理由X射线设备捕获的电弧管110的图像来测量厚 度。注意，由于密封部件侧部分位于发光部件的相对侧，通过测量全部两个所述密封部件侧 部分的厚度并选择较薄的一个来确定最小厚度X。
如图4A所示，当水银密度为0. 3[mg/mm3]时，只要关系X/D≥0. 20被满足，则不 发生电弧管破损。如图4B所示，当水银密度为0. 4[mg/mm3]时，只要关系X/D≥0. 20被满 足，也不发生电弧管破损。然而，当关系X/D<0. 20被满足时，水银密度为0. 4[mg/mm3]的情形中损坏的电弧 管的数目略大于水银密度为0.3 [mg/mm3]的情形中损坏的电弧管的数目。据推测，这是因 为由于水银密度增大而引起水银蒸气压强增大的缘故。下文描述当关系X/D≥0. 20被满足时不发生电弧管破损的原因。首先，由放电空间113的尺寸和发光部件111的玻璃厚度确定最大外径D。然而， 放电空间113需要具有一定的尺寸。因此，为了减小高压放电灯的尺寸，必须减小最大外径 D。结果，必须相应地减小密封部件侧部分中的玻璃厚度。放电空间需要具有一定的尺寸的原因在于，当发光中心定位为太靠近内表面时， 钨附着到电弧管的内表面。这会使电弧管变黑，且造成卤素循环中的错误而使电极退化。此 外，当放电空间小时，由于电弧管的内表面温度增大的原因，构成电弧管的石英玻璃变得有 云纹(clouded)。这造成光通量减小。接着，当密封部件侧部分的玻璃厚度减小时，在靠近发光部件的部分中的密封部 件的温度增大。这可能引起破裂的发生。这是因为下述原因。由钨制成的电极引脚的热膨 胀系数为38 X 10-7 [/°C],而由石英玻璃制成的密封部件的热膨胀系数为5 X 10-7 [/°C ]。它 们之间的差异巨大。当密封部件的温度在靠近发光部件的部分中变高时，该差异在该部分 上引起应力。结果，会在围绕电极引脚的玻璃中发生破裂，且该破裂会扩展。特别地，当额定功率P在100 [W]至300 [W]的范围内(且包含100 [W]和300 [W])， 且最大外径D和额定功率P满足关系D≤0. 02XP+6 (例如，当额定功率P为200 [W]且最 大外径D等于或小于10.0 [mm]时)时，发光部件111的温度可能变高。这种情况下，破裂可 能发生且在高压放电灯101的密封过程中已经发生的破裂由于应力的原因有可能扩展。根据实施例1中的高压放电灯101，在发光部件111的密封部件侧部分114中玻璃 厚度大，因为最小厚度X[mm]和最大外径D[mm]满足关系X/D>0.2。这种结构使得容易将 在放电空间113中产生且传递到发光部件111的热量通过密封部件侧部分114中的玻璃传 导到密封部件112，并允许所述热量通过密封部件112逃逸到反射镜102的一侧。因此，发 光部件111的温度变高的可能性较小。结果，将电极130密封的密封部件112的发光部件 侧部分116的温度变高的可能性也较小，且因此在围绕电极130的玻璃中发生破裂的可能 性较小并且电弧管110破损发生的可能性较小。为了防止发光部件111造成的渐晕阻挡由类似球状的表面163反射的光通量，优 选地尽可能减小最大外径D。< 关系 CM/CQ ≥ 0. 80>
为了检查值Cm/Q对光强度分布特性的影响，制作分别具有不同CM/Q值的三种类型的 高压放电灯，并且评估每一个所制作的高压放电灯的光强度分布特性。在每个所制作的高 压放电灯中，最大外径D为9.0 [mm]，距离C。为2.0 [mm]，且发光部件111的外表面的曲率 半径为5. 45 [mm]。在电弧管绕中心0旋转360度的同时，通过使用置于距中心0距离30cm 处的照度计来测量灯点亮期间的照度，从而评估光强度分布特性。图5示出C/Q和光强度分布特性之间的关系。图6示出理想的光强度分布特性。如图5所示，当Cm/Q为0. 73时，高压放电灯表现出心形光强度分布特性，表明密封部件侧 部分中的光通量水平高于中心部分中的光通量水平。当CVQj为0. 80时，密封部件侧部分 的光通量水平基本上等于中心部分的光通量水平。与Cm/Q为0. 73的情形相比，密封部件 侧部分中的光通量的水平减少且中心部分中的光通量水平增大。当C/Q为0. 85时，如图 6所示，高压放电灯表现出理想的光强度分布特性，表明中心部分中的光通量的水平高于密 封部件侧部分中的光通量的水平。如上所述，发现CM/CQ越高，光强度分布特性越佳。当CM/CQ等于或大于0. 80时，中 心部分中的光通量的水平等于或大于密封部件侧部分中的光通量的水平。光强度分布特性 随着Cm/Q增大而改善的原因在于，当CM/Q大时，穿过中心部分的光通量可以在基本上垂直 于电弧管管轴的方向上(在基本上平行于竖直轴\的方向上)从发光部件辐射。图7示出Cm/Q对从发光部件辐射的光通量的光路径的影响。如图7所示，当CM/Q 为0. 80时，穿过发光部件111的中心部分115的光通量遵循光路径Li。另一方面，当CmA^ 为0. 73时，由于电弧管110的内表面具有由虚线示出的形状，穿过发光部件111的中心部 分115的光通量遵循光路径L2。如上所述，当C/Q变为大时，穿过中心部分115的光通量 在基本上垂直于电弧管110的管轴Z的方向上从发光部件111辐射。换言之，Cm/Q越大， 由穿过中心部分115的光通量与竖直轴\形成的角度变得越小。因此，在垂直于管轴Z的 方向上辐射的光通量的水平增大，且光强度分布特性因而改善。图8A为包含口 50mm反射镜的灯单元的截面图，以及图8B为包含口 35mm反射镜 的灯单元的截面图。这里，口 50mm反射镜为尺寸与可以被容纳在50-mm立方体中的最大的 镜的尺寸相同的镜。如图8A所示，在作为传统反射镜的实例的口 50mm反射镜中，例如，第一焦距fl为 6. 5 [mm]，第二焦距f2为150 [mm]，且椭圆率(A-B)/A为0. 59。从电弧管辐射的光通量的有 效反射区域是在通过将穿过中心0的竖直线旋转48. 31[° ]到颈部侧而测量的范围内以及 通过将所述竖直线旋转39.59]到开口侧而测量的范围内。当使用口 50mm反射镜时，对于高压放电灯中的CM/CQ为0. 73,0. 80或0. 85的所 有情形，并不发生收集光通量的主要问题，因为在开口侧穿过密封部件侧部分的光通量落 在反射镜的有效反射区域内。此外，在颈部侧，发生问题的可能性较小，因为有效反射区域 对于光强度分布具有大约8]的余地。另一方面，如图8B所示，作为近年来在市场中变得普遍的小尺寸反射镜的实例的 □ 35mm反射镜具有的开口尺寸和第一焦距Π比口 50mm反射镜的开口尺寸和第一焦距fl 小大约百分之20至百分之30。例如，第一焦距Π为4. 8 [mm]，第二焦距f2为60 [mm]，且椭 圆率(A-B)/A为0. 48。从电弧管110辐射的光通量的有效反射区域是在通过将穿过中心0 的竖直线旋转30.43Γ ]到颈部侧而测量的范围内以及通过将该竖直线旋转39. 46[° ] 到开口侧而测量的范围内。颈部侧上的有效反射区域比口 50mm反射镜的小17.88]。如上所述，在有效反射区域小的口 35mm反射镜中，聚焦在第二焦点F2上的光通量 趋于减小。当该反射镜与Cm/QS 0.73c的高压放电灯组合时，包含在大约10]的角度 内的密封部件侧部分中的光通量未被使用，且聚焦在第二焦点F2上的光通量相应地减小。 当该反射镜与CVQj为0. 80或0. 85的高压放电灯组合时，高压放电灯表现出的光强度分 布特性表明中心部分中的光通量的水平等于或高于密封部件侧部分中的光通量的水平。因此，未使用的光通量与全部光通量的比率低。由于密封部件侧部分中的光通量的仅一部分 未被使用，到屏幕的光通量未显著地减小。注意，由于Cm/QS 0. 85c的高压放电灯表现出有利的光强度分布特性表明中心部 分中的光通量的水平最高，因此即使当该高压放电灯与有效反射区域小的小尺寸反射镜组 合时，仍可以充分地利用光通量。与其它部分相比，类似球状的表面的精确性在颈部附近趋于减小，且厚度在开口 附近趋于减小。然而，在中心部分，不存在这种趋势。再者，中心部分在反射效率方面具有 高的权重，且对到达屏幕的光通量具有强的影响。由于这些原因，Cm/Q为0. 85c的高压放 电灯适于与反射镜组合。然而，当(VQ高于0. 9时(例如，当(VQ为0. 93时)，关于聚焦在对应于第二焦点 F2的受辐射表面上的光通量，在受辐射表面的中心和受辐射表面的外围之间形成巨大亮度 差异。即使当通过使用许多小尺寸透镜提供均勻光分布的透镜阵列将光通量投射在屏幕上 时，在屏幕的中心和屏幕的外围之间也形成显著亮度差异。因此，为了减小屏幕的中心和屏 幕的外围之间的亮度差异，优选地Cm/Q为0. 9或更低。<距离C。和距离W>
如图3所示，当距离Ctj在1. 5[mm]至3. 0[mm]的范围内(且包含1. 5[mm]和3. 0[mm]) 且距离W在3.0 [mm]至5.0 [mm]的范围内(且包含3. 0 [mm]和5. 0 [mm])时，发光部件111 的内表面具有圆弧形状。因此，由从放电空间113入射在发光部件111中玻璃上的光通量 与竖直轴Ytj形成的角度减小。利用这种结构，表现出这样的光强度分布特性，其中强度峰 位于中心部分。因此，当具有这种结构的高压放电灯与有效反射区域小的小尺寸反射镜组 合时，光通量的绝对量减小的可能性较小。因此，该组合对于小尺寸薄型图像显示设备是有 用的。然而，当距离Ctj小于1.5[mm]时，发光中心定位为太靠近发光部件111的内表面， 并且比如去玻璃化(devitrification)和变黑的问题可能出现。当距离C。大于3. 0 [mm]时， 发光部件111的厚度过度减小，且耐压性减小。这会导致电弧管110破损。当距离W小于3.0[mm]时，发光中心定位为太靠近密封部件112的发光部件侧部 分116，且密封部件112的发光部件侧部分116的温度因而变得太高。这会导致电弧管110 破损。此外，有可能发生比如钨(其构成电极且在启动期间被溅射)附着到内表面的问题。 当距离W大于5. 0[mm]时，由于发光部件111的密封部件侧部分114太远离发光中心，密封 部件侧部分114的温度变低。因而，水银不彻底蒸发，且因此光通量的量减小。〈发光部件的成型方法〉
下文描述包含具有期望形状的发光部件的电弧管的制造方法。例如，外径为6[mm]、内 径为2[mm]且长度为1200[mm]的石英管划分为四等份以获得长度均为300[mm]的四个截 断管头。所述截断管头之一的两个端部由旋转卡盘保持，且在该截断管头旋转的同时，该截 断管头的中心部分被气体燃烧器加热软化。此时，比如氩和氮的惰性气体通过该截断管头 的两个端部被吹入该截断管头以形成发光部件的内部形状。同时，该截断管头的膨胀部分 通过设为围绕截断管头中心部分的成型夹具而成型，以形成该发光部件的外形。通过调整 比如燃烧器的热功率、惰性气体的压强以及从两个端部朝向中心部分推动截断管头的力和 速度的条件来加工该电弧管的发光部件。
11
[反射镜形状的细节] 〈角度OF2R和角度0F2Q>
如图2所示，高压放电灯101和反射镜102定位为使得中心0与类似球状的表面163 的第一焦点F1吻合。从电弧管110辐射的光通量在从G到H的区域中被类似球状的表面 163反射。所有的在从G到H的区域中反射的光通量理想地被聚焦在类似球状的表面163
的第二焦点F2上。然而，当穿过第二焦点F2和接触点Q的线与类似球状的表面163相交的点由N表 示时，在从G到N的区域中反射的光通量损失，这是因为发光部件111阻挡该光通量。此 外，当穿过第二焦点F2和外周R的线与类似球状的表面163相交的点由N’表示时，在从N 到N’的区域中反射的光通量损失，这是因为在角度OF2R大于角度OF2Q的情况下密封部件 112阻挡该光通量。因此，为了不损失在从N到N’的区域中反射的光通量，角度OF2R优选地等于或小 于角度OF2Qtj利用这种结构，防止了由密封部件112造成的渐晕，且因而有效地将光通量聚 焦在第二焦点F2上。因此，有可能提供改善的光通量到灯单元100中的屏幕。特别地，通过减小密封部件112的端部的直径，可以使角度0&1 等于或小于角度 OF2Q0换言之，当密封部件112的直径如图2中虚线所示那样为恒定时，且因而角度OF2R' 大于角度OF2Q时，通过减小密封部件112的端部的直径，可以使角度OF2R等于或小于角度 OF2Q。注意，通过减小密封部件112的长度，可以使角度OF2R等于或小于角度0F2Q。然 而，当额定功率P大时，密封部件112需要加长以降低电弧管110的温度。在这种情况下， 一种有效的方式是减小密封部件112的端部的直径。注意，通过使用燃烧器、激光器等来加 热，可以使密封部件112的端部逐渐变细。〈椭圆率(A-B)/A>
如图2所示，类似球状的表面163的长半径A和小半径B优选地满足关系0. 4 ( (A-B) / A <0.5。例如，对于口 35mm反射镜的情形，通过将长半径A设置为32. 4 [mm]，小半径B设 置为16. 971 [謹]，第一焦距f 1设置为4. 8 [謹]以及第二焦距f2设置为60 [謹]，获得了一 种提供改善的光通量到屏幕的小尺寸反射镜。在这种情况下，(A-B)/A约为0. 48，且在准直 透镜172上的入射角约为19]。当(A-B)/A大于0.5时，在上述口 35mm反射镜中，第一焦距fl等于或小于 4. 5 [mm]。因此，电弧管110的发光部件111定位为太靠近反射镜102的类似球状的表面 163。这不是优选的，因为密封部件112和发光部件111的温度容易增大，且容易发生电弧 管110破损。相比之下，当(A-B)/A小于0.4时，在定位在类似球状的表面163的第二焦点F2上 的准直透镜172上的入射角(见图IA和1B)增大。因此，一部分光通量在准直透镜172的 表面上被反射并损失。例如，当第一焦距约为1 [mm]的双凹透镜被用作准直透镜172时，要 求入射角等于或小于26. 6[° ]以减小光通量的损失。出于上述原因，在比如口 35mm反射镜的小尺寸反射镜的情形中，优选地应满足关 系0.4彡(A-B)/A彡0.5。注意，在口 50mm反射镜的情形中，由于长半径A和小半径B大 于小尺寸反射镜中的长半径A和小半径B，优选地应满足关系0. 4彡(A-B) /A彡0. 6。
[高效率确认实验]
为了确认本发明在效率方面的效果，进行了下述实验。< 实验 1>
通过将包含本发明的电弧管(最大外径D为9. 0 [mm]，电弧管的外表面的曲率半径为 5. 45 [mm]，距离 C0 为 2. 0 [mm]，CM/C0 为 0. 8，距离 W 为 4. 0 [mm]且水银密度为 0. 3 [mg/mm3]) 的高压放电灯构建在口 35mm反射镜(第一焦距fl为4.8[mm]且第二焦距f2为60[mm])中 来制作灯单元。接着以200[W]的功率点亮所制作的灯单元。穿过5Φ孔径的光被收集在积 分球上，并且测量其照度[lx]。为了比较，通过将包含传统电弧管(最大外径D为10. 2 [mm]， 电弧管的外表面的曲率半径为5. 1 [mm]，距离C0为2. 2 [mm]，CM/C0为0. 72，距离W为4. 0 [mm] 且水银密度为0. 3 [mg/mm3])的高压放电灯构建在口 50mm反射镜(第一焦距Π为6. 5 [mm] 且第二焦距f2为150[mm])中来制作另一灯单元。接着，在与本发明的高压放电灯使用的 条件相同的条件下测量所述另一灯单元的照度。注意，将5Φ孔径定位在每个反射镜的第 二焦点上，并且允许光穿过该孔径。作为评估的结果，发现本发明的灯单元的照度与传统灯单元的照度相比提高了大 约8[%]。相应地，发现本发明的灯单元是高效的，同时其在尺寸上小于传统灯。< 实验 2>
接着，通过将包含实验1中使用的传统电弧管的高压放电灯构建在口 35mm反射镜中 来制作灯单元。接着，通过收集穿过Φ5孔径的光，在与在实验1中使用的条件相同的条件 下测量灯单元的照度。结果，发现与通过将包含传统电弧管的高压放电灯构建在实验1中使用的口 50mm反射镜中而制作的传统灯单元的照度相比，通过将包含传统电弧管的高压放电灯构建 在口 35mm反射镜中而制作的灯单元的照度减少了大约3 [%]。基于实验2的结果，假设照度减小是因为由于反射镜尺寸的简单减小引起反射镜 的有效反射区域减小，以及因为如结合图8A和8B所述，当对电弧管的光强度分布特性有贡 献的CVQj低于0. 8时，密封部件侧部分中的光通量未被用于增大照度。在实验1中，通过将包含本发明的电弧管的高压放电灯构建在口 35mm反射镜中 而制作的灯单元的照度可以提高的原因在于，通过将CVQ设置为0. 8以改善光强度分布特 性，密封部件侧部分中的光通量损失得到抑制。此外，可以防止由于电弧管的发光部件的尺 寸减小引起的渐晕。[图像显示设备]
图9为示出实施例2中的图像显示设备的实例的局部切割透视图。图9略去图像显示 设备的壳体的顶板，使得可以看到内部部件。如图9所示，实施例2中的第一图像显示设备 200为将图像投射在置于其前方的屏幕(未示出)上的前投式投影仪，并且使用DLP 技术。 图像显示设备200具有这样的结构，其中光学单元202、控制单元203、投影透镜204、冷却扇 单元205以及电源单元206容纳在壳体201中。光学单元202包含用作光源的灯单元100、 DMD (未示出)以及由三种不同颜色的滤色器构成的色轮(未示出)。控制单元203控制并 驱动DMD等。电源单元206将从商业电源供应的电功率转换成适合于控制单元203和灯单 元100的电功率，并且供应经转换的电功率。图10为示出实施例3中的图像显示设备的实例的透视图。如图10所示，实施例3中的第二图像显示设备300为背投式投影仪且具有这样的结构，其中作为光源的灯单元 100、光学单元(未示出)、投影透镜(未示出)以及反射镜(未示出)容纳在壳体301中。从投 影透镜投射且接着被反射镜反射的图像从半透明屏幕302后方被投射和显示。在实施例2中的图像显示设备200和实施例3中的图像显示设备300中，使用这 样的高压放电灯101，其尺寸小且高效，表现出有利的光强度分布特性，且包含很少损坏的 电弧管110。因此，与传统图像显示设备相比，图像显示设备200和300尺寸更小，提供增加 的光通量到屏幕，且故障可能性较小。[改进例]
尽管本发明的高压放电灯、灯单元和图像显示设备的细节在上文中基于实施例予以描 述，但本发明不限于在上述实施例中描述的那些细节。下文描述它们的改进例。<改进例1>
图11和12为改进例1中的灯单元在其发光部件附近的截面图。注意，图11和12中 的符号“G”、“N”和“N’ ”分别对应于图2中的符号“G”、“N”和“N’ ”。如图11所示，改进例1中的灯单元的反射镜102还包含在颈部的一侧(图11中在 左侧)位于类似球状的表面163上的球形反射表面164。当反射镜102不包含球形反射表面164时，类似球状的表面163形成于图11中虚 线所示的从G到N的区域中。在从G到N的区域中反射的光通量被电弧管110的发光部件 111阻挡而不聚焦在第二焦点F2上。然而，当曲率中心与类似球状的表面163的第一焦点F1吻合的球形反射表面164 至少形成于从G到N的区域中时，在类似球状的表面163上从G到N的区域中将被反射且 被发光部件111阻挡的光通量可以被球形反射表面164反射并聚焦在中心0上。聚焦在中 心0上的光通量接着穿过中心0和发光部件111，被类似球状的表面163反射，并聚焦在第 二焦点F2上。如上所述，可以有效地使用由于发光部件111造成的渐晕而将损失的光通量。 因此，在灯单元中收集光通量的效率提高，且因而增加投射在屏幕上的光通量。通过形成球形反射表面164而获得的另一效果为高压放电灯的寿命提高。这是因 为，通过增大电弧管Iio和反射镜102之间的距离，防止了电弧管110的局部温度上升。如图12所示，当角度OF2R大于角度OF2Q时，需要形成球形反射表面164从而至少 覆盖从G到N’的区域。利用这种结构，也可以有效地使用由于密封部件112造成的渐晕而 将损失的光通量。注意，当球形反射表面164形成时，在颈部161的一侧的电极130的温度会由于球 形反射表面164反射且聚焦在中心0上的光通量而增大，且会引起电极130的退化。作为用 于减轻在颈部161的该侧的电极130退化的方法，考虑这样的方法与在另一侧的电极130 相比，增大在颈部161的该侧的电极130的热容量。通过调整电极引脚131的直径以及线 圈132的直径或匝数，增大电极130的热容量。当电极130的热容量通过这些方法增大时， 优选防止光通量被电极130阻挡。<改进例2>
图13为改进例2的灯单元的截面图。如图13所示，改进例2中的灯单元是通过利用 底座104将高压放电灯101和反射镜102结合在一起而获得的。底座104具有类似帽的形状，并具有位于其顶部的通孔181和位于其两侧的一对通气孔182。密封部件112穿过通孔181。室外空气通过这对通气孔182被吸入底座104。 通过使用粘合剂等在底座104装配在反射镜102的颈部161上的状态下，将底座104固定 到反射镜102。通过使用粘合剂等在高压放电灯101在其密封部件112处穿过通孔181的 状态下，将底座104也固定到高压放电灯101。空气穿过颈部161和密封部件112之间的空 间，因为高压放电灯101和反射镜102通过底座104结合在一起且因而该空间未用胶接剂 填充。利用上述结构，有可能允许经过外壳的冷却窗口在反射镜102中流动的室外空气 (见图IA和1B)穿过颈部161和密封部件112之间的空间并且通过通气孔182逃逸到底座 104外部。利用这种结构，有效地冷却高压放电灯101的发光部件111。此外，通过有效地 冷却发光部件111，降低了冷却扇(未示出)的流速，且因而抑制图像显示设备中的噪声。[工业应用性]
本发明的高压放电灯、灯单元和图像显示设备可广泛地应用于比如液晶投影仪和DMD 投影仪的投影仪。[参考标记列表]
100灯单元101高压放电灯102反射镜103外壳110电弧管111发光部件112密封部件161颈部163类似球状的表164球形反射表面130电极174冷却窗口200 和 300图像显示设备
权利要求
1.一种高压放电灯，包含 电弧管，该电弧管包含具有基本上球形形状且具有封入其中的水银的发光部件；和 从该发光部件的对立侧延伸的一对密封部件；以及一对电极，其布置在该电弧管中使得每个电极的一个端部被相应密封部件密封且所述 电极的另一端部在该发光部件中彼此相对，其中所封入的水银具有 0. 2 [mg/mm3]至 0. 4 [mg/mm3]且包含 0. 2 [mg/mm3]和 0. 4 [mg/mm3]的 密度，从接触点S到该发光部件的中心0的距离W为3. 0 [mm]至5. 0 [mm]，且包含3. 0 [mm]和 5. 0[mm]，其中该接触点S代表该电弧管的管轴Z与该电弧管的内表面相交的点，从接触点T0到该中心0的距离C0为1. 5 [mm]至3. 0 [mm]，且包含1. 5 [mm]和3. 0 [mm]， 其中接触点Ttj代表穿过该中心0且垂直于该管轴Z的竖直轴Ytj与该电弧管的内表面相交 的点，所述距离Q与从接触点Tm到中点M的距离Cm满足关系CVQj彡0. 8，其中该中点M代 表该中心0和该接触点S之间的中点，且该接触点Tm代表穿过该中点M且垂直于该管轴Z 的竖直轴、与该电弧管的内表面相交的点，以及在密封部件侧部分中该电弧管的最小厚度X[mm]与该发光部件的最大外径D[mm]满足 关系X/D ^ 0. 2，所述密封部件侧部分为该发光部件的靠近密封部件的部分。
2.权利要求1的高压放电灯，其中额定功率P为100 [W]至300 [W]且包含100 [W]和300 [W]，以及 该最大外径D [mm]和该额定功率P满足关系02XP+6。
3.一种灯单元，包含权利要求1或2的高压放电灯；以及 反射镜，该反射镜包含颈部，该高压放电灯的所述密封部件之一固定到该颈部；以及 类似球状的表面，其反射从该高压放电灯辐射的光通量。
4.权利要求3的灯单元，进一步包含外壳，其在与该颈部相对的一侧上附连到该反射镜的一部分并且具有冷却窗口。
5.权利要求3的灯单元，其中当该中心0与所述类似球状的表面的第一焦点F1吻合时，角度OF2R等于或小于角度 OF2Q,其中所述角度OF2R代表由该中心0、所述类似球状的表面的第二焦点F2以及未固定到 该颈部的所述密封部件之一的端部的外周R形成的角度，并且所述角度OF2Q代表由该中心 0、该第二焦点F2以及该发光部件的外表面与该竖直轴\相交处的接触点Q形成的角度。
6.权利要求3的灯单元，其中所述类似球状的表面的长半径A和小半径B满足关系0. 4 ( (A-B) /A < 0. 6。
7.权利要求3的灯单元，其中该反射镜进一步包含球形反射表面，其在该颈部的一侧位于所述类似球状的表面上并且具有与所述类似球 状的表面的第一焦点F1吻合的曲率中心。
8. 一种图像显示设备，包含权利要求3至7中任何一项的灯单元。
全文摘要
本发明旨在提供一种小尺寸、高效的高压放电灯，其表现出有利的光强度分布特性且造成电弧管破损的可能性较小。本发明在于一种高压放电灯101，其包含电弧管110，该电弧管包含具有基本上球形形状且具有封入其中的水银的发光部件111和从发光部件111的相对侧延伸的一对密封部件112；以及一对电极130，其布置在电弧管110中使得每个电极的一个端部被相应密封部件密封且所述电极的另一端部在该发光部件中彼此相对。所封入的水银密度为0.2[mg/mm3]至0.4[mg/mm3]且包含0.2[mg/mm3]和0.4[mg/mm3]。从接触点S到中心O的距离W为3.0[mm]至5.0[mm]且包含3.0[mm]和5.0[mm]。从接触点TO到中心O的距离CO为1.5[mm]至3.0[mm]且包含1.5[mm]和3.0[mm]。距离CO与距离CM满足关系CM/CO≥0.8，并且最小厚度X与最大外径D满足关系X/D≥0.2。
文档编号H01J61/20GK102150232SQ20108000255
公开日2011年8月10日 申请日期2010年6月2日 优先权日2009年7月14日
发明者太田和纪, 水津将幸, 田丸修治, 蒲田幸平 申请人:松下电器产业株式会社