专利名称：灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种灯，它包括至少一个其表面上至少部分地设置了干涉滤光片的灯泡，其中至少所述干涉滤光片包括几个层，其中层结构中包括交替的高折射率层和低折射率层，并且其中所述干涉滤光片含有至少一个防护层以降低热应力和/或内应力。
高强度放电(HID)灯和更具体而言极高性能(UHP)灯尤其由于其光学特性，所以对于投影目的来说是优选的。在本发明的意义上，名称UHP灯(Philips)还包括其它厂家的UHP型灯。
在此应用中，需要一个尽可能为点形的光源，以便电极末端之间的灯弧不超过特定长度。此外，还需要具有尽可能最自然的光谱组成的尽可能最高的光强。
光学层例如干涉滤光片在高强度放电灯的灯泡上的整合可以显著简化光学设备的设计。
UHP灯上整合的反射体就是这样一种例子，此UHP灯可被用作数据传送器(data beamer)中的光源。在这里，半个灯泡上装有被设计成干涉滤光片的镜子，从而使光弧发出的光被优先地传送到灯泡的另一半。结果是所发光可以更有效地用于投影系统。
这种干涉滤光片是由几个层有规则地构造成的。在干涉滤光片的多层结构中，高折射率层与低折射率层相互交替。每个层的折射率主要是由所选择的层材料决定的，因此在这点上该层结构中必须使用至少两种不同的介电材料。
滤光片的透射和反射性能是由滤光片的不同层的设计特别是层厚决定的。
一般而言，不同滤光片层的折射率之间差异越大，就越容易实现期望的光谱目标功能。当层材料的折射率值之间相差很大时，交替层的数目以及往往由此干涉滤光片的总厚度通常可以减小。如果灯泡更特别地含有石英或相当材料，则低折射率层的材料常常采用SiO2。高折射率层的材料选择必须考虑UHP灯的正常工作温度范围，其上限在1000℃左右。在这方面，例如氧化锆(ZrO2)表现出足够的耐热性。不过，氧化锆的热膨胀系数比石英高得多。这会导致在HID灯更特别是URP灯的高工作温度下在干涉滤光片的各层之间产生应力，它可能会导致滤光片形成裂纹甚至完全破坏，或者可能会产生不希望的光散射增强。
如果使用HID灯更具体而言UHP灯，则必须同时满足两个重要条件一方面，放电空间内表面上的最高温度不能高到发生灯泡(一般由石英玻璃构成)的脱玻化。这是不利的，因为位于光弧之上的区域特别地被灯的放电空间之内的强对流强烈地加热。
另一方面，放电空间内表面上的最低温度必须仍然保持一定高，使得水银不会在那里沉积，而是整体上保持足够的汽化水平。这对于具有饱和气体填充的灯必须特别考虑。
这些对立的要求意味着最高与最低温度之间的最大可允许差值相对较小。当使这些HID灯中的一种在结构材料的负载极限运行时，温度场的任何变化，例如温度的升高，都可能对性能参数如使用寿命具有负面影响。
此最佳化的系统对于影响或改变放电空间内温度场的措施反应十分灵敏。在外表面上施加反射层就是这样一种措施，由此UHP灯的工作温度与不具有涂层的类似灯相比一般会升高。其中一个原因就是，灯内的多次反射通常会引起增大的再吸收。涂层，例如多层干涉滤光片，通常会导致与未涂覆表面的纯石英表面相比在灯表面的热辐射减少，由此灯的发热较少并因此工作温度随之升高。
当使用多层干涉滤光片时，为把温度场的变化降至最低，干涉滤光片的厚度(包括防护层在内)必须保持尽可能小。
如果例如在投影系统中安装一个UHP灯，则通常多层干涉滤光片的设计必须满足特定要求，在这里，位置不定的防护层的最小可能厚度可能会导致设计方面的新可能性。
卤素灯为了特定应用，更特别地为提高效率，也涂有光学干涉滤光片。在这里，发射光谱中不能以其它方式被用于照明目的的红外部分被反射回炽热的灯丝并被再吸收。此再吸收能力有助于炽热的灯丝的加热，因此可以减少为此所需的电力。在这种情况下高折射率层常常使用选自二氧化钛、氧化钽、氧化铌或它们的混合物的材料。由于这些应用除了红外区的宽反射带之外还要求在可见光谱区的良好透射，因此常常使用具有很大层数和很大总厚度例如超过60层和总厚度超过6μm的复杂滤光片。在卤素灯的常规工作温度下这些材料还接近稳定极限，尽管它们与灯泡材料(基材)的热膨胀系数差小于例如与ZrO2的。这意味着需要有关于具有降应力层的多层干涉滤光片在更厚和更有效的滤光涂层方面的进一步的设计方案。
从US 5,923,471中已知一种用于灯和显示器的各种应用的基本解决方案在实际光学有效的多层干涉滤光片上施加了一个外防护层。该文献尤其建议，为获得要求的结果，在从室温到约1200℃的工作温度范围内防护层的厚度不能降到指定厚度以下。给出了一个防护层的最小厚度值，它不能低于干涉滤光片中所有其它硅酸盐层的厚度值的至少50％。对HID灯特别是UHP灯的各种具体应用来说，例如由于对于工业化大规模生产的高昂制造成本，很难达到这种防护层的必需厚度。此解决方案的另一缺陷同样是干涉滤光片的外层必须永远为防护层，因此干涉滤光片的设计方案必然受到限制。
因此本发明的目的就是开发一种在开头段中所述类型的灯或带有所述灯的照明装置，其灯泡具有带防护层的干涉滤光片，所述防护层可以以工业化大规模生产有效地制造且其厚度可以调整到适合于所要求的工作温度。
本发明的目的是通过权利要求1的特征来实现的。
本发明的灯包括在其表面上至少部分设置了干涉滤光片的灯泡，其中至少所述干涉滤光片包含几个层，其中层结构中包括交替的高折射率层与低折射率层，其中干涉滤光片的至少外层和/或至少一个内层包括防护层以降低热应力和/或内应力，且其中防护层的厚度值低于所有其它低折射率层的厚度值的40％。
本发明的技术方案基于从UHP灯的众多测试(即有关干涉滤光片的各种设计的测试)中所获得的经验。这些结果更特别地包括在HID灯中下列方面对实现所要求的光谱目标功能非常重要的认识涂层材料的选择、单个层的设计以及它们在层结构中的排列。在具有较大层厚即厚度超过大约3μm的多层干涉滤光片中，层结构内设置例如至少一个防护层是必要的。
对于防护层的最小厚度以前有效的规则(例如在US5,923,471中的)可能会令人吃惊地明显不能达到目标。这意味着这种多层干涉滤光片首次可以有效地工业化大规模生产。防护层厚度的减小更特别地能导致涂层材料的节约和在干涉滤光片制造过程中周期时间更短。此外，这开辟了具有这种干涉滤光片的HID灯的新设计的可能性和应用领域。
干涉滤光片材料的预选和施加相应滤光片材料的方法都采用常规的方式且特别是基于相应的应用。所选择的材料应当例如能产生尽可能最低的吸收。此外，这些材料必须具有足够的耐温性，即必须特别适于灯的相应最高工作温度。
从属权利要求涉及本发明的其它有利实施方案。
优选地，防护层、低折射率层以及灯泡的材料基本上类似。
所述材料更特别地包括SiO2。
根据权利要求3的优选实施方案要求低折射率的干涉滤光片层优选地包含SiO2，且干涉滤光片的第二层包含折射率比SiO2高的材料，优选地主要为氧化锆(ZrO2)。
权利要求4的优选实施方案要求第二层包含选自二氧化钛、氧化钽、氧化铌、二氧化铪、氮化硅、特别优选氧化锆ZrO2或它们的混合物的材料。特别优选ZrO2是因为它比大多数其它材料吸收更少且更耐热。
除了上面提到的材料以及它们的混合物之外，在本发明的范围内还可以使用其它材料，它们可以是例如通过适合的测试验证了适用性的材料。
优选的制造干涉滤光片的方法就是已知的标准薄膜技术方法，特别是利用蒸镀、溅射、化学气相沉积或浸涂。
优选的灯是高强度放电灯或卤素灯。
还优选防护层或所有防护层位于干涉滤光片之内。在这种情况下，在这里不存在外防护层。
作为对要求的光谱目标功能设计的进一步优化，优选几个防护层位于干涉滤光片之内。
本发明的目的还通过具有至少一个根据权利要求1-6中任何一项的灯的照明单元来实现。
这种具有至少一个HID灯的照明单元可以更特别地用于投影目的。
现在，参照下面记述的实施方案对本发明的这些和其它方面进行说明，并使其显而易见。
图1示出了高强度放电灯(UHP灯)中带33层干涉滤光片的灯泡的横截面示意图，图2示出了不带防护滤光片的48层干涉滤光片的层结构(现有技术)，图3示出了带防护滤光片的49层干涉滤光片的层结构(现有技术)，图4是带内防护层的48层干涉滤光片的层结构。
图1以横截面图(图1.1)示意性显示了根据本发明的高强度放电灯(UHP灯)的带放电空间21的灯泡1。灯泡1包括两个相对的圆柱形区域61、62，在它们之间是一个直径为约8mm到14mm的大致呈球形的区域63，该灯泡1由一整片构成，它气密地封闭了充满常用于此目的的气体的放电空间21，且其材料通常包括硬质玻璃或石英玻璃。所形成的椭圆形带电极排列2的放电空间21位于区域63的中心。电极排列2通常包括第一电极22和第二电极23，在它们相对的末端之间在放电空间21内激发发光弧放电，此发光弧充当高强度放电灯的光源。电极22、23的末端连接在灯的电接头71、72上，操作灯所需的电源电压通过它们由一个图1.1未示出的建立总线电压的电源单元输入进来。
在区域63的外表面上有干涉滤光片3和发光孔5。干涉滤光片3总计约3μm厚并包括几个层，起所谓的冷光反射体的作用。干涉滤光片3的外层是用来降低热应力和内应力的防护层4，该外层特别包含SiO2。包括防护层4在内的干涉滤光片3的设计及其结构如图1.2所示。干涉滤光片3具有33层结构，其中多个SiO2层的总层厚为1993.3nm，且多个ZrO2层的总层厚为1092.3nm。构成干涉滤光片3暴露于空气的外层的防护层4的厚度为513.5nm。
干涉滤光片3内的两个不同层3.1和3.2的特征特别在于折射率的差异，即低折射率层与高折射率层相互交替。SiO2充当层3.2的低折射率材料，ZrO2充当层3.1的高折射率材料。防护层4的厚度值相当于其它SiO2层即3.2层在内的层的总厚度值的大约35％。
干涉滤光片3和防护层4的分层施加是在基于已知溅射方法的制造工艺中实施的。
当具有所述灯泡1的UHP灯在120W的额定功率下工作时，甚至在临界/高负荷范围内工作数千个小时之后，仍然未发现超过对比灯的正常老化的明显影响。
本发明的一个特别有利的实施方案涉及一种高强度放电灯，它被设计为短弧灯用于投影目的。
图2的实施方案以表格形式显示了一个不带防护层的48层干涉滤光片的层结构。如果要求下列光谱目标功能，即400-780nm的反射率超过95％而825-2000nm的反射率低于20％，则通常会选择干涉滤光片的这种设计。这种干涉滤光片具有48层结构，其中多个SiO2层的总层厚为2327nm，多个ZrO2层的总层厚为1353nm。因此滤光片的总厚为3680nm。但是，这种干涉滤光片并不具有所要求的在从室温到约1000℃的工作温度范围内的耐温性。
图3的实施方案以表格形式显示了一种根据US 5,923,471所述的带外防护层的49层干涉滤光片的层结构。这种干涉滤光片具有49层，其中多个SiO2层的总层厚是3382nm，此值包括1163nm的外防护层厚度。多个ZrO2层的总层厚为1382nm。考虑到防护层的厚度，滤光片的总厚为4764nm。因此防护层的厚度值是所有其它SiO2层的总厚度值的约52％。
图4的实施方案以表格形式显示了一种根据本发明的具有两个内防护层(层19和层37)的48层干涉滤光片3的层结构。这种干涉滤光片3具有48层结构，其中多个SiO2层的总层厚为3230nm，多个ZrO2层的总层厚为1496nm。因此干涉滤光片的总厚为4726nm。两个层(层19和层37)的总厚度为965nm，它们的厚度分别为572nm(层19)和393nm(层37)。在层19和层37中整合了含有SiO2的防护层4。假定，当抛弃防护层4时，如图2和图4所示的干涉滤先片在相对应层，更特别地是第19层和第37层的厚度方面彼此相当，由此可以得到能由电脑确定的两个防护层4的厚度值。因此两个防护层4为大约775nm厚。由此两个整合的防护层4的厚度值是所有其它SiO2层的总厚度值的约32％。
权利要求
1.一种灯，它包括在其表面上至少部分设置了至少一个干涉滤光片(3)的灯泡(1)，其中至少该干涉滤光片(3)包括几个层，其中所述层结构包括交替的高折射率层(3.1)与低折射率层(3.2)，其中至少干涉滤光片的外层(3)和/或至少一个内层包括防护层(4)以降低热应力和/或内应力，且其中一个防护层(4)或多个防护层(4)的厚度值低于所有其它低折射率层的厚度值的40％。
2.权利要求1的灯，特征在于防护层(4)、层(3.2)和灯泡(1)中所用的材料基本相似。
3.权利要求1的灯，特征在于干涉滤光片(3)中的低折射率层(3.2)优选地主要包含SiO2，且干涉滤光片(3)的第二层(3.1)包含折射率比SiO2高的材料，优选地主要包含氧化锆(ZrO2)。
4.权利要求3的灯，特征在于第二层(3.1)包含选自二氧化钛、氧化钽、氧化铌、氧化铪、氮化硅、以及特别优选氧化锆ZrO2或它们的混合物的材料。
5.权利要求1的灯，特征在于优选的灯是高强度放电灯或卤素灯。
6.权利要求1的灯，特征在于一个保护层(4)或所有保护层(4)位于干涉滤光片(3)之内。
7.具有至少一个如前面任何一项权利要求所述的灯的照明单元。
全文摘要
本发明涉及一种灯，它包括其表面上至少部分设置了干涉滤光片(3)的灯泡(1)，其中至少此干涉滤光片(3)包含几个层，其中层结构包括交替的高折射率层(3.1)与低折射率层(3.2)，其中至少干涉滤光片(3)的外层和/或至少一个内层包括防护层(4)以降低热应力和/或内应力，且其中该防护层(4)或多个防护层(4)的厚度值低于所有其它低折射率层的总厚度值的40％。
文档编号H01K1/32GK1764852SQ200480007877
公开日2006年4月26日 申请日期2004年3月19日 优先权日2003年3月24日
发明者A·里茨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司