专利名称：用于银制灯反光件的最佳二氧化硅保护层厚度的制作方法
技术领域：
本发明涉及灯技术。更具体讲，本发明涉及一种用在反光灯中的反光镀层及其制备方法，在所述反光灯中，光源包含在一个具有一个透明部分和一个反光部分的灯罩中，将所述反光部分定位得能够将绝大部分所产生的光穿过所述透明部分反射出去。
背景技术：
在聚光灯、车头灯以及其它类似照明设备中广泛采用了反光灯。反光灯的典型实例包括通用电气生产的PAR 38和PAR 64灯。PAR是“抛物面涂铝反光件”的公认缩写。在美国专利第3010045号、第4021659号、第4804878号、第4833576号、第4855634号和第4959583号中介绍了其它一些可商购的反光灯。
反光灯设计中新近的重点领域已经转移到了提高能量效率上。在产业上，能量效率通常是通过参照输入到灯中的每电流瓦特下由灯产生的流明(LPW)来量度的。显然，具有较高LPW的灯要比表现出较低LPW的对比性灯效率高。在这点上，我们预期，在不久的将来，政府的法规将要求对反光灯LPW进行显著的改进。
最常用的一种反光镀层是铝膜，这种铝膜是用过热蒸镀和溅镀沉积在反光罩的表面上的。这种膜的生产成本比较低，并且在灯的使用寿命期间，在灯的工作温度下，这种膜是比较稳定的。这种膜在可见光谱范围内的反射率是大约88-90％，从而结合有铝膜的PAR 38灯能够将灯丝管发出的光的大约70％转换成照明输出。
银膜具有更高的反射率，从而用在光学仪器、电子设备中，并且用在照明设备中。同样以PAR 38为例，镀银灯的反射率为大约95-98％，这样的灯一般能够将灯丝管发出的光的大约80-85％转换为照明输出，因此期望15％的流明增益。
用于组装带有铝膜的灯的传统生产方法包括数个高温工艺，包括预热、焊管脚、镀铝、铜焊和密封。在预热步骤中，将反光罩加热到大约735℃。在焊管脚步骤中，将灯口金属箍和排气管焊接到反光罩的底部上。然后对反光罩进行镀铝，以设置铝镀层。铜焊包括将光源焊接到灯口金属箍上。在密封步骤中，将一个透明的封口透镜密封在反光罩开口上。通常，使用无遮拦的天然气和氧气火焰来进行这些加热步骤中的大部分。该火焰将会把反光罩的相邻部分加热到很高的温度。例如，在密封过程中，在密封区域中，反光罩和镀层将会经受1000℃左右的温度，而远离密封区域的地方将会经受650℃左右的温度。
可以使用与制备铝膜相同的方法来制备银膜。不过，众所周知，在超过200℃的温度下，蒸镀或溅镀的银膜是很不稳定的。在密封过程中所使用的温度下，银膜很容易遭到氧化，从而使银膜的光学特性遭到破坏。因此，不受保护的银膜是不适于通过这种工艺进行的灯制造的。而且，银膜对硫化锈污表现出很差的化学抗蚀能力，从而暴露在大气中的不受保护的银膜的性质因此而遭到破坏。
因此，在本领域中，对开发这样一种高能量效率的反光灯存在着需求它保持了合乎要求的光温、光色、寿命以及与当前硬件的兼容性。
发明内容
在本发明的示例性实施例中，提供了一种形成灯的方法。该方法包括设置一个反光内表面，包括设置一个反光材料层，和设置一个保护层，该保护层保护所述反光材料层不致形成氧化物和硫化物。由所述内表面和光源形成所述灯，选取所述保护层的厚度，以满足下述至少一个条件(a)所述灯的色彩校正温度不小于所述光源的色彩校正温度减去40K，和(b)在400-800nm的可见光谱范围内，所述反光内表面的％反射率不小于没有所述保护层的同等反光内表面的％反射率减去大约3％。
在本发明的另一个示例性实施例中，给出了一种灯。该灯包括罩；光源，该光源安装在所述罩中；和反光镀层，该反光镀层位于所述罩的内表面上。所述反光内表面包括银层和保护层，该保护层设置在所述银层上，该保护层具有满足下述关系的光学厚度1.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n)，其中n是从0到10的整数。
在本发明的另一个示例性实施例中，给出了一种形成灯的方法。该方法包括设置一个反光表面，该反光表面包括银，并且由透光的保护层覆盖该反光表面，当针对由所述反光表面和保护层形成的灯依据光学厚度绘制出色彩校正温度和百分比反射率之一时，所述保护层表现为一个振荡函数，对该保护层的光学厚度进行选择，以满足下述关系所述灯的色彩校正温度不小于与光学厚度为零的保护层相应的色彩校正温度减去20K；在光谱的可见光范围内，所述反射率不小于与光学厚度为零的保护层相应的反射率减去3％。
在本发明的另一个示例性实施例中，给出了一种形成灯的方法。该方法包括设置反光面。针对用于形成所述保护层的选定保护材料，确定作为光学厚度的函数的色彩校正温度和反射率中的至少一个的关系。利用所述关系，确定至少满足下述关系之一的光学厚度所述灯的色彩校正温度不小于与光学厚度为零的保护层相应的色彩校正温度减去20K；在光谱的可见光范围内，所述反射率不小于与光学厚度为零的保护层相应的反射率减去3％。由透光的保护材料形成的保护层覆盖所述反光表面，该保护层具有满足所述至少一个关系的光学厚度。
本发明的至少一个实施例的一个优点是给出了一种新颖且经改良的反光灯，该反光灯具有优异的LPW。
本发明的至少一个实施例的另一个优点是给出了一种镀覆在银反光件上的保护镀层。
本发明的至少一个实施例的另一个优点是给出了一种高透射性的二氧化硅镀层。
本发明的至少一个实施例的另一个优点是给出了这样一种灯该灯的色彩校正温度基本上不低于其包含的光源的色彩校正温度。
在阅读和理解了下述的优选实施例的详细说明之后，对本领域的技术人员而言，本发明的再有的其它优点将变得显而易见。
附图1是一个组装好了的按照本发明的白炽灯的截面图，表示出了一个反光层和一个保护层(并不按实际比例)；附图2是针对由化学气相沉积工艺产生的硅氧化物保护镀层得出的色彩校正温度(CCT)(主Y轴)与保护层厚度和％反射率(次Y轴)与保护层厚度的曲线图；附图3是表示针对由等离子增强化学气相沉积工艺产生的硅氧化物保护镀层，在与附图2相比较宽的保护层厚度范围内的CCT和％反射率的图曲线图；附图4表示针对Ta2O5镀层的CCT和％反射率与厚度的曲线图；和附图5是针对四种保护镀层的CCT与光学厚度的曲线图。
附图标记10灯；12反光罩；13内表面；14内反光镀层；16反光材料内层；18外保护层或顶部镀层；20光源；22透镜；24开口端；30封闭端；32两个通过通道；34，36导线或灯口金属箍；38底部；44，46导线；50灯丝；52外壳；60气密室。
具体实施例方式
参照附图1，灯10包括一个反光罩12，该反光罩12具有一个内表面13，在该内表面13上，托着一个内反光镀层14。该反光镀层14包括一个与所述罩相邻接的第一反光材料内层16，和一个由诸如稳定氧化物之类的保护材料形成的第二外保护层或顶部镀层18，该层覆盖着反光层16。最优选择该保护层18的厚度，以最大化灯的性能，这将在后面进行介绍。
所述反光罩12的内表面13可以是抛物面形的或椭圆形的(比如附图1所示的PAR 30或38灯)，或者也可以具有其它适当的形状，以引导来自位于该反光罩中的光源20的光线。一个透镜22覆盖着该反光罩的开口端24。透镜22可以对所有光线都是透明的、可以包括一个滤光片来吸收/反射由光源20散发的光线并且可以包括一个抗反射镀层来增强光的透射。
反光罩12的第二封闭端30包括两个通过通道32，这两个通道容纳着光源的供电接线。在附图1所示的实施例中，这些供电接线包括导线或灯口金属箍34和36，它们通过灯的底部38与一个电源(未示出)进行电连接。导线34和36分别与金属箔(未示出)电连接，而金属箔与导线44和46电连接。这样，就将电流提供给了光源20，在所示出的实施例中，该光源20包括一个灯丝50，比如一根钨丝，该灯丝50与其包容其自身的气体一起封装在一个外壳52中，该外壳52由石英、二氧化硅或其它适当的材料制成。所述气体是卤素填充气，典型地包括氪和甲基溴。
虽然所示出的光源适于与本发明的镀层一起使用，但是应当意识到，各种其它的光源可以代替这个所示出的光源。这些光源包括发光二极管(LED)、激光二极管、传统的白炽灯、石英金属卤化物灯和陶瓷卤化物灯以及其它类似的光源，这些光源可以单独使用，或者组合在一起使用和/或多个一起使用。
保护层18最好是这样的对发自光源的光线透明或基本透明。它具有适当的成分和厚度，以在灯10的组装期间(比如在将透镜热封到反光罩上期间)以及在灯泡的有效寿命期间，防止银层16锈蚀或出现其它的退化过程。保护层的期望特性包括1)在镀覆和灯制造过程期间与反光层的相容性。尤其是，期望反光层与保护层之间会发生轻微的化学反应或根本不发生化学反应。
2)结构的整体性-在灯的形成和其期望寿命期间，该保护层具有抗机械故障能力。
3)抗热性-该保护层能够经受得住作用在该保护层上的热应力，比如在透镜的热封期间，以及在灯泡工作期间。对于保护层而言，希望它具有这样一个熔点该熔点显著高于气密地密封灯所使用的温度。
4)光学性能-对于光谱的可见区，该保护层是透明的或基本透明的。该保护层的消光系数理想值为零，或者尽可能地低，例如大约0.001或更低。按照一种实施方式，该消光系数为0.00001或更低。
用于形成保护层18的适当的保护材料包括，但不局限于，氧化物、低价氧化物、碳化合物、氢化合物、氟化物、氮化物、硫化物以及它们的混合物和组合物。示例性的氧化物、低价氧化物、碳化合物和氢化合物包括硅、钛、钽、锆、铪、铌、铝、钪、锑、铟、钇等等中的一个或多个的氧化物、低价氧化物、碳化合物和氢化合物，包括石英(SiO2)、一氧化硅、TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Nb2O5、Al2O3、Sc2O3、Sb2O3、In2O3、Y2O3、氧化钛钽以及这些材料的非化学计量氧化物。示例性的氟化物包括镁、钠、铝、钇、钙、铪、镧、镱和钕等等中的一个或多个的氟化物，包括MgF2、Na3AlF6、YF3、CaF2、HfF4、LaF3、YbF3和NdF3。示例性的氮化物包括硅、铝、铬、钛等等中的一个或多个的氮化物，包括氮化硅、氮化铬、氮化钛、氮化铝以及氮化铝铬。示例性的硫化物包括硫化锌。也可以使用通常用于形成二向色镀层的电介质薄膜的其它类型的材料。
按照一种实施方式，保护层18包括一个化学计量的(SiO2)或非化学计量的硅氧化物层。硅氧化物是一种稳定的氧化物，它与银不发生化学反应。其熔点为1700℃，该温度高于将透镜密封到反光罩上所使用的温度(通常大约为700-800℃)数百度。当其厚度为约150埃(Δ)或更高时，对保护银层非常有效。它具有良好的光学特性，并且对于电磁频谱的可见光区，是不吸收或基本不吸收的薄膜。它是一种处理起来很安全的材料，并且可以容易地通过化学气相沉积或者其它适当的镀覆工艺进行镀覆。
按照另一种实施方式，保护镀层18是由钽氧化物(Ta2O5)形成的。按照一种实施方式，保护层18中掺杂程度为少于10％。按照一种实施方式，掺杂程度少于1％，即，在硅氧化物保护层的情况下，该层包含至少99％的硅氧化物。
反光层16最好是完全或主要由银形成的，比如纯银或银合金，不过也可以考虑其它的反光材料和反光材料的组合物。按照一种实施方式，反光层中的掺杂程度为少于10％。按照另一种实施方式，掺杂程度为少于1％，即，在银反光层的情况下，该层包含至少99％的银。该反光层最好具有足够的厚度，以光从其表面上反射而不会穿透该反光层。按照一种实施方式，照射在反光层的可见光至少有大约80％从其上反射回去，而只有少于20％的可见光会由该反光层吸收或穿过该反光层。在一个具体实施例中，至少90％的光得到了反射。反光层的厚度可以为从约0.05到约1微米的厚度。在一个具体的实施例中，反光层是银制的并且厚度为约0.1到0.6微米。
虽然所介绍的反光镀层14具有两层的形式，但是可以意识到镀层14还可以包括其它层。例如，在银层16和罩层13之间夹着一个中间层(未示出)，比如铬或镍层。这样的附加层可用于提高银镀覆在该罩的石英或玻璃表面上的固着性。或者，该中间层也可以用于其它目的，比如增加反光膜的厚度，以使在该反光膜上出现小孔开口的可能性最小，这些小孔将会使光能够穿到所述罩的后面。另外地或可选择地，可以在银层16与保护层18之间插入一个或多个层，如美国专利第6382816号中所介绍的那样。
保护层18要具有足够的厚度，才能在灯的成形过程中和其有效寿命期间起到保护银层16的作用。还要对该厚度进行优选以实现反光性能。反光性能可以以两种方式表述a)校正色温(CCT)损耗或增益(相对于光源的色温，例如，该光源为不带(银)反光层16并且不带(硅氧化物)保护层18的钨丝)，和b)％反射率(照射在反光镀层14上的可见光中反射回来而没有被吸收或从中透过的光所占的百分比)。反射率与流明输出(供给灯泡的每瓦特功率的流明，LPW)有关，随着反射率增大，流明输出增大。由这两种方法确定的反光性能随着硅氧化物保护镀层的厚度的增加而降低。这样，提高反射率的一种方法是提供尽可能薄的层18，以使这种影响最小。
已经使用计算机模型确定了CCT损耗和％反射率随着硅氧化物保护层18厚度的增加而出现的降低，并且在附图2中给出。在这个图中，将所述计算机模型编制为，针对一个双端石英(DEQ)PAR灯预测反射率和色温，该灯具有一个色温为2900度(开氏温标(K))的钨丝50和通过化学气相沉积(CVD)镀覆在银反光层16上的硅氧化物层18。在附图2和3中的主Y轴上标出了由保护镀层的厚度造成的任何色温损耗或增益。例如，如果没有使用保护层，则具有DEQ灯泡的PAR 38灯的色温为2969K(零CCT损耗/增益)，这在主Y轴的原点标出。CCT的截距不为零，这是因为反光银镀层使CCT减小了大约36K，这部分是由于银镀层固有的对可见光谱的蓝光区的低反射率造成的。在SiO2厚度为450-550左右时，CCT的下降达到了一个最大值。
不是所有从DEQ灯泡发出的流明都变成了PAR 38灯的面流明，部分是因为反光镀层14的反射率小于100％。反射率在次Y轴上标绘为％反射率。例如，当保护层18的厚度为零(即，没有保护层)时，反射率为96％。这表明球面流明的96％变成了PAR 38灯的面流明。
可以从附图2中看出，当层18的厚度从0增加到约400Δ(0.04微米)时，％反射率和CCT都单调下降。CCT，例如可以下降75K-80K，这导致了可察觉到的光发黄。通过尽可能接近零地选择厚度，反射率和CCT可以至少部分得到保持。例如，镀层可以为50-330Δ。按照一种实施方式，保护层18厚度为100-200Δ。在一个具体的实施例中，保护层厚度为155-175Δ。
不过，当需要薄的(＜200)镀层时，有时候很难通过传统的镀覆技术精确地控制层18的厚度。此外，如果厚度过低，可能在灯的形成或之后的使用中无法为银层的保护提供足够的厚度。
现在已经发现，灯泡性能表现为一个周期性振荡的函数，类似于正弦波，其中，在波谷之后，该性能升高到一个波峰，然后在升高到下一个波峰之前，又降低到波谷，并且如此往复。保护层18和银反光层16构成了一个光干涉薄膜系统。对于位于给定的反光罩(抛物面反光罩)中的给定的光源(比如双端石英(DEQ)灯泡)，总的流明输出和色温是保护层厚度的函数。前面所述的这些情况在附图2和附图3中表示出来，其中附图2是针对通过化学气相沉积产生的保护层18得出的，而附图3是针对通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD，例如，通过一个Leybold CVD镀覆机)得出的，附图3将图扩大为两个波峰和两个波谷。
由于这种周期性，能够通过在任何一个周期性波峰的范围内选择保护层厚度来给出得到改善的反光性能。应当注意，％反射率的波峰(依次标注为PR1、PR2等)并不与CCT的波峰(依次标注为PCCT1、PCCT2等)刚好一致。这些波峰之间存在着相位差，同时反射率波峰稍稍落后于CCT波峰。结果，选择对CCT而言最优的保护镀层厚度不能确保得到最高的面流明(％反射率的函数)。
这样，如果对于特定的灯应用，认为CCT损耗更重要的话，那么在一个CCT波峰的范围内选择一个厚度将是很令人满意的。按照一种实施方式，保护层厚度t处于下述范围之内t＝PCCTn±400埃(公式1)其中PCCTn是在CCT波峰n处的厚度，并且其中n是从0到大约10的整数(例如，n＝0，1，2，3，等等)。按照另一种实施方式，n至少为1。按照再另一种实施方式，n小于大约5。
按照另外一种实施方式，保护层厚度t处于PCCTn±200埃的范围之内。按照再另外一种实施方式，保护层厚度处于PCCTn±100埃的范围之内(见附图2中虚线之间的范围A，该范围对应于1100-1300埃的硅氧化物厚度)。如果认为％反射率更加重要，那么一个反射率波峰(PRn)范围之内的厚度可能更为适用，例如，该厚度可处于PRn±400埃的范围之内。在一个具体的实施例中，该厚度为PRn±200埃，而在另一个具体的实施例中，层18的厚度为PRn±100埃。由于所述周期性取决于材料的反射系数，因此可以通过增加与两个波峰之间的差值d对应的厚度来确定其它的厚度，在硅氧化物的情况下，对于CCT和反射率而言，该差值d皆为约1800埃，即，PCCTn≅PCCT1+d(n-1)]]>(公式2)同样
PRn≅PR1+d(n-1)]]>(公式3)其中d是两个连续的波峰之间的距离，以埃为单位。
在硅氧化物的情况下，可以将这些公式表示为 ，和 在希望同时考虑灯性能中的两个参数的情况下，可以选择处于两个波峰之间的保护层18的厚度。例如，处于曲线之间交点的区域中的厚度，比如处于交点I1或I2的区域中的厚度，可能是比较合适的。例如，该厚度可以位于这个范围之内t＝In±400埃(公式4)其中In是CCT/反射率曲线交点处的厚度，而n是从1到10的整数。在一个具体实施例中，硅氧化物层的厚度t处于In±200埃的范围之内。例如，在硅氧化物的情况下，可以选择800到1600(I1±400埃)或1000到1400(In±200埃)的厚度。应当会意识到，虽然在连续的波峰之间曲线相交两次，但是In应该是处于CCT和反射系数波峰之间的交点，而不是相应的波谷之间的交点。
通过谨慎选择硅氧化物(或其它保护层18)的厚度，能够将灯的CCT保持在一个选定的CCT损耗之上。按照一种实施方式，由PAR 38灯得出的CCT损耗小于大约-40到-60开氏度(K)。对于PAR 38灯而言，它具有2969K的初始色温，这相当于2909-2929K或更高的色温。在通过PECVD沉积的硅氧化物作为保护层的情况下，适于实现小于约-40K的CCT损耗的厚度为从约830埃到约1720埃(即，在大约波峰PCCT1±400埃之内)和从约2500埃到约3400埃(在波峰PCCT2的情况下)。按照一种实施方式，CCT损耗为不超过-20K，在所示出的实施例中，这相当于2949K的色温。在PECVD沉积的硅氧化物作为保护层的情况下，适于实现-20K的CCT损耗或更低的CCT损耗的厚度为从大约850埃到大约1400埃(波峰PCCT1)和从大约2600埃到大约3250埃(波峰PCCT2)。按照另一种实施方式，CCT损耗不大于-10K，相当于2959K的色温。在硅氧化物作为保护层的情况下，适于实现-10K或更低的CCT损耗的厚度为从大约930埃到大约1280埃(波峰PCCT1)和从大约2680埃到大约3200埃(波峰PCCT2)。按照另一种实施方式，CCT损耗不大于0K，相当于2969K的色温。在硅氧化物作为保护层的情况下，适于实现0K或更低的CCT损耗的厚度为从大约2680埃到大约3120埃(波峰PCCT2)。
请注意，附图3与附图2中的波峰与波谷并不完全对应。这是因为所使用的沉积工艺(附图3中为PECVD，附图2中为CVD)对所产生的硅氧化物层的性质及其反射系数和吸收特性具有微小而不明显的影响。反射系数上的差异可以通过以光学厚度的形式而不是物理厚度的形式定义的层的厚度来进行说明，这将在下面进行详细介绍。
从附图3可以看出，通过选择第二个CCT波峰PCCT2附近的区域，CCT的变化实际上是增益。这样，当希望增大灯的色温时，可以选择波峰PCCT2范围之内的保护层厚度。也可以选择在第三以及之后的波峰范围之内的厚度，即，PCCTx范围之内的厚度，其中x为大于1的整数。应注意到，在较高硅氧化物厚度的情况下，反射率波峰按照各个连续波峰的顺序逐渐减小了。这对所有的波峰都是成立的，这是因为由增加了的膜厚度造成的光干涉和吸收而引起的。在硅氧化物的情况下，例如，PR1处的波峰反射率为大于95.5％，即，从DEQ灯泡发出的球面流明的超过95.5％变成了PAR灯的面流明。在波峰PR2处，反射率为小于95％。因此，与选择第二个或之后的波峰区域中的保护层厚度相关地，反射率会有一定的损失，并且因此会损失流明输出。
按照另一种实施方式，可以针对反射率来优化灯，例如，通过选择反射率的降低不大于，例如没有镀层的情况下的反射率的2.5％或2％的反射率波峰区域。在硅氧化物保护镀层的情况下，这可以通过选择能够实现至少93.5％或94％的反射率的厚度来实现，例如，通过选择0-350(波峰PR0)或1000-2100(波峰PR1)的厚度。按照另一种实施方式，反射率损失不大于1％。
保护层18的厚度当然总是大于0，并且按照一种实施方式，至少为50，按照另一种实施方式为至少100。
按照一种实施方式，例如，通过选择与按照一种实施方式不大于-20K和按照另一种实施方式不大于0K的CCT损耗以及按照一种实施方式比没有镀层的灯的反射率低不超过3％和按照另一种实施方式不超过2.5％的反射率相对应的厚度，满足了两个条件，从而灯实现了良好的CCT值以及良好的反射率。在硅氧化物的情况下，这分别相当于大致处于1000-1400和1100-1400埃范围之内的厚度。这实现了CCT和反射率特性之间的良好的平衡。附图3中的虚线之间的窗A大致相当于反射率降低不超过2.5％且CCT损耗不超过6K的情况下的厚度。
保护层18的厚度应当低于在使用期间其易于龟裂和剥落的厚度。此外，在厚度很高的情况下，镀层18倾向于变得吸收性较强。最好，在上面的表达式中，n小于10。按照一种针对硅氧化物保护层的实施方式，保护层的厚度小于大约2600。不过，为了实用的目的，大多数现有的镀覆系统都不具有容易地生长出例如1000的硅氧化物镀层的能力。某些现有的镀覆设备无法生长出超过约200的硅氧化物镀层。
虽然附图2和3具体涉及PAR 38灯，但是可以对具有不同色温灯泡不同的灯采用同样的建模技术。总的来说，已经证实，公式1-4中所定义的关系对各种不同的反光件形状、灯泡色温和保护层材料同样有效。
应意识到，所举例说明的实施例中的灯发出遍布整个可见光范围(400-800nm)的光。同样也考虑到了仅发出可见光谱中的很窄区域中的光的灯，例如蓝光或绿光。
附图4表示针对用Ta2O5保护层代替附图2和3中的硅氧化物层的灯的类似的曲线图。温度损耗和反射率曲线具有随厚度变化的周期性的正弦波形变化方式，这与硅氧化物镀层一样。不过，可以看出，与硅氧化物相比，适于提供良好的CCT和/或反射率水平的保护性钽氧化物镀层的厚度向下偏移了。例如，与在硅氧化物的情况下第二个反射率波峰PR2出现在大约3400处相比，对于钽氧化物而言，第二个反射率波峰PR2出现在大约2300。此外，波峰之间的距离也有所减小，为约1300。这些结果是这两种材料的反射系数R的差异造成的对于硅氧化物，R＝1.46，而对于钽氧化物，R＝2.0。此外，色温和反射率的幅度变大了。例如，当钽氧化物厚度为1500时，温度损耗达到了200K，而在大约2000的厚度时，温度增益可以达到120K。
在钽氧化物的情况下，附图4中虚线间所示的用于维持良好的CCT和反射率值(即，反射率降低不超过2.5％，且CCT损耗不大于0K)的适当厚度的示例性的窗B对应于700到850，该窗B比用于硅氧化物的相应的窗具有较低的厚度。该窗还稍窄于相应的满足同样条件的硅氧化物的窗。
应意识到，在第二个以及之后的波峰上也可以标出相应的窗。
反光镀层加上保护层，可以看作一个光学干涉薄膜。这里没有以埃为单位定义镀层的厚度，而是可以以光学厚度的形式定义该厚度，该光学厚度为物理厚度与反射系数的乘积，即，光学厚度，tOPT＝R×t (公式5)其中t是物理厚度(以埃为单位)。
附图5表示在四分之一波长为550nm(5500-对应于绿光，人眼对其尤为敏感)的光的情况下，针对四种不同的顶部镀层的PAR灯的色温与保护层的光学厚度之间对应关系的曲线图，这些不同的顶部镀层标示为MgF2(氟化镁)、SiO2LH(在等离子体增强CVD镀覆机上制成的硅氧化物镀层)、SiO2B(由低压CVD工艺制成的硅氧化物镀层)和Ta2O5(钽氧化物镀层)。可以看出，这四种镀层具有总体上位于相应的光学厚度上且没有明显相位差的波峰和波谷。
因此可以为任何系统定义这样一个适当的保护镀层光学厚度范围在该范围内CCT损耗小于一个指定值并且反射率损失小于一个指定的百分比。因此，对于任何选定的波峰，适当的光学厚度(四分之一波长)tOPT是由下述表达式定义的L(1+n×D)≤tOPT≤H(1+n×D) (公式6)其中L是在第一个波峰中满足指定条件的以四分之一波长为单位的最低光学厚度，H是在第一个波峰中满足指定条件的以四分之一波长为单位的最高光学厚度，n是对应于波峰的从0到10的整数，而D是波峰之间以四分之一波长为单位的距离，在附图5中可看出该距离为0.9四分之一波长。
例如，在希望CCT降低不超过-20K和反射率损失不小于2.5％的情况下，L为大约1.1，而H为大约1.4，所以公式6变为1.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n) (公式7)最好，n是0到5的整数。公式1-7的表示对光谱的可见光范围内(即，在400-800nm的光谱范围内)的所有波长的光都是成立的。这些表达式也适用于电磁频谱的IR和UV范围内的波长。
保护层18的理想厚度在一定程度上还取决于灯的形成工艺。在形成工艺是比较具有侵蚀性的情况下，较厚的保护层会为下面的银层提供更好的保护。按照一种实施方式，比如在钨-卤素光源20包括灯丝50的情况下，其中所述灯丝50与包容着其自己的气体一起被封装在一个外壳52中，无须将透镜22气密地密封到罩12上来产生一个密封空间。因此，可以避免在将透镜22火封到罩12上时通常使用的高温(600℃或更高)。而且，在这种情况下，由于不再需要真空密封来保护灯丝的完整，因此可以将透镜22粘接或采用别的方式固定在反光罩12上。通过在镀覆镀层之前进行任何焊管脚(tubulating)步骤和任何将有效的热量施加到灯上的其它步骤，使得该镀层在灯成形过程中不会出现潜在的镀层剥蚀现象，并且因此保护镀层仅需要具有足够用于在灯的有效寿命期间提供保护的厚度就可以了。本实施例的硅氧化物或其它保护镀层18保护银反光层16不会出现银的硫化现象并且不产生破坏银反光层16的反射特性的结果。这样，层18可以相对较薄。
按照另一种实施方式，透镜是火封到反光罩上的，以产生气密腔室60。腔室60的气体或填充物最好包括至少一种惰性气体，比如氪、氦或者氮。火封步骤是在镀覆了镀层之后进行的，因此镀层将会受到火封过程中所使用的温度的作用。这个实施例适用于光源20不包括其自己的外壳并且密封的内部空间60中封装了选定的灯气体的应用情况。所述镀层应当具有足够的厚度，以避免在火封期间遭到破坏。像前面的实施例那样，焊管脚和其它的高温处理最好在镀覆镀层之前进行。
按照一种实施方式，产生光的灯丝50或者其它光源位于与由反光罩的内表面限定的抛物面的中心轴线平行的位置上，同时灯丝50的中点从抛物面的焦点向外。这样减少了在该灯中发生的光反射量，并且实现了更单一的从透镜的光线反射。这是很有益处的，因为即使银与多晶铝相比是更加有效的反光材料，但是每次反射还是会损失掉一定部分的光能。虽然纵向的灯丝50是优选的，但是应当意识到，在具有垂直灯丝的灯中也可以采用保护银镀层14。
镀层14是通过两个步骤制备的，第一个步骤是银反光层16的沉积，第二个步骤包括保护层18的沉积。在镀银层之前，先对罩的表面进行清洁，例如，通过氧气等离子体进行清洁。可选地，在银层上沉积一层过渡层，即，在第一和第二步骤之间。该过渡层可以是硅、钽等等的薄层(即，氧化物保护层中的元素的还原形式)，这个过渡层有助于在保护性氧化物的沉积过程中保护银层。其厚度可以在大约0.003和0.01微米之间。随着氧化物层的镀覆，该过渡层会被消耗。
按照一种实施方式，首先在玻璃或石英罩12的内表面上沉积一层银，沉积厚度在大约0.1到0.6微米之间。按照另一种实施方式，厚度为从0.2到0.4微米。该银层可以通过真空沉积法来沉积，比如溅镀、离子辅助沉积(IAD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)，或者通过其它公知的工艺进行沉积，比如热蒸镀或浸镀。按照一种实施方式，对银靶进行溅镀。
磁控管溅镀是另一种可选的沉积方法。按照这种工艺，使用高能惰性气体等离子体来轰击一个靶，比如银。被溅镀的原子凝结在冷的玻璃或石英罩上。可以采用DC(直流)脉冲DC(40-400KHz)或RF(射频，13.65MHz)工艺，RF或脉冲DC是优选的。
离子辅助沉积是沉积银的另一种方法。离子束与沉积技术结合地使用，比如PVD电子束蒸镀。离子束(例如，由Ion Tech公司生产的考夫曼(Kaufman)离子枪产生的离子束)用于在沉积处理过程中轰击所沉积的膜的表面。这些离子压紧该表面并填充空穴，否则这些空穴可能会由水蒸汽填充，致使在后续的加热步骤中对所述膜造成破坏。与标准溅镀技术相比，这一技术相对比较复杂并且比较难于控制。
本发明的保护层可以通过例如与上述相同的方法进行镀覆。按照一种实施方式，可以通过诸如低压CVD工艺之类的化学气相沉积(CVD)工艺或者通过诸如使用由Leybold生产的镀覆机进行的沉积之类的等离子体加强化学气相沉积(PECVD)来沉积出期望的厚度。例如，包含Si、O、C和H的由诸如六甲基二硅醚的SiOxCyHz化合物得出的等离子体，可用于沉积硅氧化物层。在该层中，H和C的比例很低，通常均小于0.1-0.5％。可选地，硅氧化物靶也可在氧气中进行溅镀。
磁控管溅镀是另一种形成保护层的方法。按照这种方法，首先向真空室中注入氧气。氧气的一部分转换为离子。然后开始某种元素的溅镀，比如硅。在例如溅镀硅的情况下，经溅镀的硅与未反应的氧气化合形成了硅氧化物，该硅氧化物沉积在银上，或者在使用过渡层的时候，沉积在过渡层上。
在使用了过渡层的情况下，可以通过上面所讨论的用于沉积银层的方法之一将该过渡层沉积在银层上。溅镀是一种示例性的方法。例如，在同一沉积室中，用硅靶替换银靶并且将一层硅溅镀到银层上。
美国专利第4663557号、第4833576号、第4006481号、第4211803号、第4393097号、第4435445号、第4508054号、第4565747号以及第4775203号全都给出了用于沉积银、硅氧化物以及其它保护层材料的效果不错的沉积工艺，上述这些专利作为参考在此引入。
根据需要，本发明的灯在沉积了保护镀层之后，还要经过退火处理，以助其形成没有空穴的匀质层。对保护层进行退火可通过这样的方法进行使用例如火焰对经过镀覆的灯罩进行加热，以不发生龟裂地缓慢升高灯罩的温度，直至达到一个适当的温度，例如600-1000℃左右。来自火焰的氧和来自周围空气中的氧扩散到缺氧的保护层中，填充了保护层中的空穴并增大了保护层的密度，从而增大了灯的反射率。
通过选取处于波峰之一的范围内的保护镀层厚度，并且通过低压CVD或PECVD镀覆机来镀覆镀层，可以简便地回避这一退火步骤。
一旦形成了镀层，就可以将灯丝管焊到灯口金属箍上并且将透镜装到灯罩上了。这可以通过粘接和/或加热或者其它适当的安装技术来完成。
沉积膜的厚度可以通过椭圆光度法测得。
虽然是具体参照白炽灯和卤素钨灯对本发明的灯进行的介绍，但是应当意识到，本发明也可以采用其它的光源，包括陶瓷金属卤化物灯。
此外，也可以使用其它的反射镀层来取代银，包括银合金和其它金属。
虽然是结合本发明的具体实施例对本发明进行介绍的，但是显然，根据前述的说明，对本领域的技术人员而言，很多可选方案、修改方案和变化方案都是显而易见的。因此，我们期望本发明包含所有这些落在所附的权利要求书的思想和广义范围内的可选方案、修改方案和变化方案。
权利要求
1.一种形成灯(10)的方法，包括设置反光内表面(14)，包括设置反光材料层(16)，和设置保护层(18)，该保护层防止反光材料层形成氧化物和硫化物；和由所述内表面和光源(20)形成所述灯，选取所述保护层的厚度，以满足下述至少一个条件(a)所述灯的色彩校正温度不小于所述光源的色彩校正温度减去40K，(b)在400-800nm的可见光谱范围内，所述反光内表面的％反射率不小于没有所述保护层的同等反光内表面的％反射率减去大约3％。
2.按照权利要求1所述的方法，其中满足下述至少一个条件(a)和(b)全都满足；所述色彩校正温度不小于所述光源的色彩校正温度减去大约20K；和所述灯的色彩校正温度大于所述光源的色彩校正温度。
3.按照权利要求3所述的方法，其中满足下述至少一个条件在400-800nm的可见光谱范围内，所述反光内表面的％反射率为至少所述反光材料层的94.5％；和在400-800nm的可见光谱范围内，所述反光内表面的％反射率不小于所述反光材料层的％反射率减去大约2.5％。
4.按照权利要求1所述的方法，其中所述反光材料层包含银，并且所述保护层包含至少一种下述物质硅、钛、钽、锆、铪、铌、铝、钪、锑、铟和钇中的一个或多个的氧化物、低价氧化物、碳化合物和氢化合物；镁、钠、铝、钇、钙、铪、镧、镱和钕中的一个或多个的氟化物；硅、铝、铬和钛中的一个或多个的氮化物；和硫化锌。
5.按照权利要求4所述的方法，其中所述保护层包含硅氧化物并且具有处于下述范围之一中的厚度50-200；850-1400；和2600-3250。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述保护层具有满足下述关系的光学厚度tOPT1.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n)其中n是从0到10的整数。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括一个焊管脚步骤，所述设置反光层的步骤包括在所述焊管脚步骤之后形成所述反光层。
8.按照权利要求1所述的方法，还包括在所述设置反光层的步骤之前针对用于形成所述保护层的选定保护材料，确定作为光学厚度的函数的色彩校正温度和反射率中的至少一个的关系式；利用所述关系式，确定至少满足下述关系之一的光学厚度所述灯的色彩校正温度不小于与保护层光学厚度为零相应的色彩校正温度减去40K；在光谱的可见光范围内，所述反射率不小于与保护层光学厚度为零相应的反射率减去3％。
9.一种灯(10)，包括罩(12)；光源(20)，该光源安装在所述罩中；反光镀层(14)，该反光镀层位于所述罩的内表面上，所述反光内表面包括反光材料层(16)，和保护层(18)，该保护层设置在所述反光材料层之上，对所述保护层的厚度进行选择，以满足下述至少一个条件(a)所述灯的色彩校正温度不小于所述光源的色彩校正温度减去40K，(b)在400-800nm的可见光谱范围内，所述反光内表面的％反射率不小于没有所述保护层的同等反光内表面的％反射率减去大约3％。
10.按照权利要求9所述的灯，其中所述保护层具有满足下述关系的光学厚度tOPT1.1(1+0.9n)≤tOPT≤1.4(1+0.9n)其中n是从0到10的整数。
全文摘要
一种反光灯具有一个总体上为抛物面形的罩(12)，该罩具有一个内表面，在该内表面上镀覆有一个银层(16)，该银层具有一个由诸如硅氧化物之类的稳定保护材料形成的保护层(18)，该保护层设置在所述银层之上。对所述保护层的厚度进行选择，以至少满足下述关系之一所述灯的色彩校正温度不小于光源的色彩校正温度减去大约40K，和所述反光内表面的％反射率不小于没有保护层的同等反光内表面的％反射率减去大约3％。
文档编号F21V7/22GK1581422SQ200410055659
公开日2005年2月16日 申请日期2004年8月2日 优先权日2003年8月1日
发明者雷贾辛·伊斯雷尔, 阿什法奎尔·I·乔杜里, 赵天吉 申请人:通用电气公司