具有接地耦合元件及改进灯泡组件的无电极灯的制作方法

专利名称：具有接地耦合元件及改进灯泡组件的无电极灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用等离子灯产生光的装置和方法。更具体地，本发明提供了由射频 电源驱动而没有使用灯泡内部电极的等离子灯及相关方法。仅作为示例方式，可以将这种 等离子灯应用于诸如体育场、保全设备、停车场、军事及防御、路灯、大小建筑物、车前照灯、 飞机降落、桥梁、仓库、uv水处理、农业、建筑照明、舞台灯光、医用照明、显微镜、投影仪及显 示器、这些任何组合等的应用场景中。
背景技术：
等离子灯提供了极明亮的宽带光，其用于诸如普通照明、投影系统、以及工业处理 的应用场景中。当今制造的典型等离子灯含有气体与痕量物质(trace substances)的混 合物，使用通过间隔很近的电极的大电流来激发该混合物以形成等离子。然而，该配置受到 在灯泡内的电极劣化的影响，因此，其寿命有限。传统的等离子灯还存在其他制约。综上所述，可见高度期望用于改善等离子灯的技术。

发明内容
根据本发明，提供了涉及用于利用等离子灯来生成光的装置和方法的技术。更具 体地，本发明提供了由射频源驱动而没有使用气体填充容器(灯泡)内部的电极的等离子 灯和相关方法。作为实例，使用紧凑空气共振器/波导将射频源耦合至气体填充容器。在一 个或者多个实施方式中，不使用诸如氧化铝或者石英的电介质材料制作共振器/波导或者 共振器/波导通常不含有诸如氧化铝或者石英的电介质材料。在优选实施方式中，将紧凑 空气共振器布置在相对较小的空间中，并且可以具有基本上小于共振器的谐振频率的1/2 自由空间波长(lambda/2)的尺寸。另外，气体填充容器(灯泡)的电弧基本上未被共振器 /波导的主体围绕，使得允许使用用于设计照明设备的其他光学部件和反射器。即，气体填 充容器实质上包括电弧，该电弧基本上没有被共振器/波导的主体的一部分或者多部分进 行任何机械封闭，使得允许使用这些反射器和其他光学部件。仅作为实例，可以将这种等离 子灯应用于诸如体育场、保全设备、停车场、军事及防御、路灯、大小建筑物、桥梁、仓库、农 业、uv水处理、建筑照明、舞台灯光、医用照明、显微镜、投影仪及显示器、其任何组合等的应 用场景中。当然，可以具有其他改进、修改、以及选择。在具体实施方式
中，本发明提供了一种等离子无电极灯。该灯包括紧密容纳两个 耦合元件、基本上中空(气腔)的导电体。这两个耦合元件包括连接至RF放大器的输出 端的第一耦合元件，以及连接至RF放大器的输入端的第二耦合元件。如本文所使用的，术
5语“第一”和“第二”并不限于顺序，而是应当理解为普通含义。第一耦合元件的另一端电 连接(接地)至导电体的顶部表面处，而第二耦合元件没有接地并且处于不同电势。该灯 进一步包括灯泡耦合元件组件，其在灯体的导电体的底面处接地。电磁能是第一耦合元件 与灯泡耦合元件组件之间、以及灯泡耦合元件组件与第二耦合元件之间的RF耦合。电磁能 电容地、或者电感地、或者电感与电容组合地耦合至灯泡耦合元件组件内部的灯泡。该灯可 以进一步包括反射器，以引导在灯泡耦合元件组件中的灯泡的光输出。可替换地，该灯没有 设计任何反射器等。灯可以进一步包括接地母线，其将灯泡耦合元件组件的顶部电连接或 耦合至导电灯体。可替换地，接地母线可以将灯泡耦合元件组件的顶部电连接或耦合至反 射器，接下来该反射器电连接至灯体。在另一实施方式中，该灯可以包括将第二耦合元件移除，第一耦合元件连接至 RF源的输出，RF源可以进一步包括RF振荡器和放大器。在优选实施方式中，灯仅由第一耦 合元件和灯泡耦合元件组件组成。在又一实施方式中，灯体包括部分填充有电介质插入物的金属导电体。在一个或 多个实施方式中，电介质插入物可以为单一的材料、分层材料、合成材料、或者其他适当的 空间配置和/或材料。在具体实施方式
中，本发明提供了一种可替换的无电极等离子灯。该灯包括通过 内部区域和外部表面区域所配置、具有透明或者半透明体的气体填充容器，该气体填充容 器具有限定在内部区域中的腔。该气体填充容器通常包含诸如氩或者氙(或者惰性气体 组合)的惰性气体，以及诸如汞、三溴化铟、硫、溴化铯、以及其他的一种或者多种发光体。 基本上通过配置在气体填充容器的周围区域内的导电体来环绕空气共振器区域。空气共振 器区域(即，导电体)具有小于空气共振器区域的基波谐振频率的1/2自由空间波长的最 大尺寸。输入耦合元件将RF能量耦合到空气共振器/波导。将输入耦合元件的一端连接 至包括振荡器和放大器的RF源。将输入耦合元件的另一端连接或者耦合至共振器/波导 的导电体。将空气共振器/波导内部的RF能量耦合至输出耦合(灯泡耦合)元件。将输 出耦合元件的一端连接或者耦合至共振器/波导的导电体，将输出耦合元件的另一端连接 至灯泡。可以调节输入耦合元件和输出耦合元件的长度以及其间的距离以优化在RF源与 气体填充容器(灯泡)之间的RF能量传输。RF能量使灯泡内部的气体离子化，并且蒸发发 光体，导致灯泡产生在光谱的可见光和/或紫外线和/或红外线部分的电磁辐射。在一个或者多个实施方式中，紧凑空气共振器/波导的谐振频率取决于其他参数 中的单独一个或者其组合。这些参数可包括输出耦合(灯泡耦合)元件的长度或者输出 耦合元件的电感、输出耦合元件的直径、导致共振器的电容改变的输出耦合元件沿其长度 与共振器/波导的导电体的壁之间的间距，这些参数中的一个或组合，以及其他参数。通过 增大空气共振器/波导的有效电容和电感，可以将共振器的尺寸基本上减小至小于共振器 的基波谐振模式的自由空间的半波长。紧凑空气共振器/波导基本上小于诸如在美国专利 号6，476，557B1中所描述的传统装置中的空气共振器。在具体实施方式
中，本发明提供了等离子灯装置。该装置包括气体填充容器，该气 体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者半透明体，限定在内部区 域中的腔。该装置还具有配置在气体填充容器的周围区域内的空气共振器区域。在具体实 施方式中，空气共振器区域具有小于空气共振器区域的基波谐振频率的1/2自由空间波长的最大尺寸。该装置具有rf源，配置为生成小于或等于2. 5GHz并耦合至空气共振器区域 的谐振频率。在可替换的具体实施方式
中，本发明提供了可替换的等离子灯装置。该装置具有 波导体，该波导体具有小于谐振频率的1/2自由空间波长的最大尺寸。从三坐标系统的任 一维中选择该最大尺寸。在又一可替换的实施方式中，本发明提供了又一可替换的等离子灯装置。该装置 具有气体填充容器，该气体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者 半透明体，限定在内部区域中的腔。在具体实施方式
中，气体填充容器具有第一端部和第二 端部。该装置具有空间上位于气体填充容器的中央区域内的最大温度分布。在具体实施方 式中，该中央区域在第一端部和第二端部之间。在优选实施方式中，最大温度分布在外部表 面区域的周围区域内，基本上不受固体共振器主体区域的干扰。仍进一步地，本发明提供了等离子灯装置。该装置包括气体填充容器，该气体填 充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者半透明体，限定在内部区域中 的腔；以及rf源，耦合至气体填充容器以使电磁辐射至少穿过50%的外部表面区域而没有 反射回气体填充容器的内部区域。此外，本发明提供了用于放射来自等离子灯装置的电磁辐射的方法。该方法包括 使用被配置为向气体填充容器提供rf能量的至少一个或者多个rf源从气体填充容器的内 部区域中生成电磁辐射，以及将来自气体填充容器的内部区域的一部分电磁辐射通过气体 填充容器的至少50%的外部表面区域传输而基本上没有反射回气体填充容器的内部区域。仍进一步地，在又一个可替换实施方式中本发明提供了无电极等离子灯装置。该 装置具有气体填充容器，该气体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透 明或者半透明体，限定在没有一个或者多个电极结构的内部区域中的腔。该装置具有被配 置为与气体填充容器配合的支撑体，由电磁辐射引起电弧零件，并且该装置具有在内部区 域中空间上设置的第一端和第二端。在优选实施方式中，当从与电弧零件的第一端和第二 端之间的中央部正交的假想线的外沿360度内的任何空间位置观看时，至少50%的电弧零 件露出。在一个或者多个实施方式中，将电弧零件设置在内部区域的第一端和第二端之间 的空间区域内。在又一个实施方式中，本发明提供了无电极等离子灯装置。该装置具有气体填充 容器，该气体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者半透明体，限 定在没有一个或者多个电极结构的内部区域中的腔。该装置还具有配置在气体填充容器的 一部分内部区域内的最大电场区域。在具体实施方式
中，当从与气体填充容器的中央部正 交的假想线的外沿360度内的任何空间位置观看时，从气体填充容器的外部区域露出最大 电场区域。在一个或者多个实施方式中，优选地，本发明提供了单个源等离子灯装置。该装置 具有被配置为无电极的、并且具有小于等于3厘米的最大尺寸的单点源，以及从单点源所 发射的电磁辐射的放射至少具有20000流明。在优选实施方式中，等离子灯装置包括布置在rf耦合元件与输出耦合元件(其耦 合至气体填充容器)之间的空间间隙。在一个或者多个实施方式中也提供了一种设备。该设备包括rf源；电磁共振器结构，耦合至被配置为将rf能量引入电磁共振器结构的至少一个rf耦合元件；以及包括填 充材料的灯泡。该灯泡耦合至电磁共振器结构以从至少紫外线、可见光、或者红外线的光谱 放射电磁能；该灯泡的露出部分向电磁共振器结构的外部突出以导致从灯泡的外表面放射 大部分电磁辐射而没有从电磁共振器结构反射。在一个或者多个实施方式中，光谱可以包 括以上区域的组合以及其他区域。当然，可以具有多种组合、选择、以及改变。使用本发明的灯和相关方法可以实现一个或者多个优势。作为实例，该灯为紧凑 型的，并且该灯可以被配置为在传统的照明设备(诸如用于路灯和停车场灯以及其他应用 场景的照明设备)内部。此外，可以将该灯配置为具有露出的电弧以允许单独使用或者结 合使用诸如铝反射器、散射器、以及其他部件的传统光学部件。在一个或者多个实施方式 中，还可以比诸如在美国专利号6，737, 809B2中所述的传统的电介质共振器更有效地、并 且以更低的成本制造该灯。即，由于紧凑空气共振器/波导不需要电介质材料(氧化铝) 或者其他材料，所以明显降低了成本并且制作更简单。此外，通过消除与电介质材料相关的 RF损耗，灯的性能得到改善。此外，可以将灯配置为具有露出的电弧以允许使用传统的光学 部件。可以在一个或者多个实施方式中实现这些和其他益处。此外，在本说明书中可以发 现本发明的细节，并且下文更具体。本发明在已知的工艺技术的背景下实现这些和其他益处。然而，可以通过参照附 图来实现对于本发明的本质和优点的进一步理解。


结合在本文中提供的附图，从优选实施方式的以下描述中将获得对本发明和其优 点的更完整的理解。在附图和描述中，标记示出本发明的多个特征，在整个附图和描述中， 相同的标记指的是相同的特征。附图中图1示出了将RF能量耦合至气体填充容器(灯泡)的传统空气共振器/波导的 实施例；图2示出了将RF能量耦合至气体填充容器(灯泡)的传统电介质共振器/波导 的实施例；图3为本发明的紧凑空气共振器/波导的实施方式的简化图，该紧凑空气共振器/ 波导包括了内部具有空气的导电灯体、输入耦合元件、集成的灯泡/输出耦合元件、以及反 馈耦合元件；图4示出了图3中的灯的简化图，根据本发明的实施方式，用于对反馈回路中振荡 频率进行选择而设置的放大器连接在反馈耦合元件和输入耦合元件之间；图5A示出了没有反馈耦合元件的图3中灯的简化示图，根据本发明的实施方式， RF源可以包括振荡器和连接至输入耦合元件的放大器；图5B示出了根据本发明的实施方式的图5A中灯的简化透视图，示出了输入耦合 元件、由输出耦合元件和气体填充容器(灯泡)组成的集成灯泡/输出耦合元件组件、以及 反射器；图6A为根据本发明的实施方式，没有RF源和反射器的图5B中灯的简化截面透视 图；图6B示出了根据本发明的实施方式，图6A中的截面透视图的简化示图，其中，集
8成灯泡/输出耦合元件拧进导电灯体的底部；图7A、图7B、图7C、以及图7D示出了根据本发明的实施方式，为了达到相同的谐振 频率在紧凑空气共振器/波导的设计中的某些可替换的改变的简化示图；图8示出了本发明的另一实施方式的简化示图，在该实施方式中在输出耦合元件 的周围插入电介质套；图9示出了本发明的实施方式的另一简化示图，在该实施方式中经由配线或者母 线将气体填充容器(灯泡)的顶部电连接至灯体；图10与图5B类似，示出了没有反射器和RF源的紧凑空气共振器/波导的实施方 式，紧凑空气共振器/波导的最大尺寸小于空气共振器/波导的基波模式的谐振频率的1/2 自由空间波长；图11示出了作为输出耦合元件之上的距离的函数的、气体填充容器(在这种情况 下，为石英灯泡)的表面的温度分布的简化示图，在这种情况下，灯泡在垂直方向上工作；图12A示出了传统电介质共振器中的气体填充容器的简化截面图，示出了来自电 弧的大部分光在最终离开灯泡的顶部表面之前被反射回灯泡；图12B示出了在本发明的一个实施方式中的气体填充容器的简化截面图，示出了 在这种情况下来自电弧的大部分光在离开灯泡的表面之前未被反射回灯泡；图13A示出了传统电介质共振器的透视图的简化示图，证明了从观看者的角度仅 电弧的顶部可见，不透明的电介质共振器阻挡了对于大部分电弧的视线；图13B示出了本发明的一个实施方式的透视图的简化示图，证明了从观看者的角 度(包括当观看者在空气共振器/波导的周围移动360度时)，电弧的大部分是可见的；图14A示出了使用在灯泡内部具有电极的传统金属卤化物灯的照明设备的简化 示图；图14B示出了使用本发明的一个实施方式、使用作为点光源的非常紧凑的气体填 充容器的照明设备的简化示图；以及图15示出了从本发明的一个实施方式所发射的光谱的实例的简化示图，该光谱 具有在光谱的可见光、紫外光和红外区的发射。
具体实施例方式根据本发明，提供了涉及利用等离子灯生成光的装置和方法的技术。更具体地，本 发明提供了由射频源所驱动而未使用气体填充容器(灯泡)内部电极的等离子灯及相关方 法。仅作为实例，可以将这种等离子灯应用于诸如体育场、保卫部门、停车场、军事及防御、 路灯、大小建筑物、桥梁、仓库、农业、uv水处理、建筑照明、舞台灯光、医用照明、显微镜、投 影仪及显示器、其任何组合等的应用场合。提供以下描述以使本领域的普通技术人员能够实现和使用本发明，并且将本发明 结合到具体应用中。对于本领域的技术人员，不同应用的多种修改和多种使用将是显而易 见的，并且可以将本文中所定义的一般原理应用于广泛的实施方式。因此，本发明并不局限 于所提供的实施方式，而是根据与本文所公开的原理和新特征一致的最宽泛的范围。在以下详细描述中，阐述了大量的具体细节以提供对本发明的更全面理解。然而， 本领域的技术人员应该理解，可以实践本发明而没有必要受限于这些具体细节。在其他情况下，为了避免使本发明模糊不清，以框图形式示出而非详细描述已知的结构和设备。将读者的注意力引向与本说明书同时提交的、并且与本说明书一起公开供公众审 查的文件和文档，并且将所有的这些文件和文档的内容通过引用结合于此以作参考。除非 另有明确说明，否则可以由用于相同的、等效的、或者类似的目的的可替换特征来替换在本 说明书(包括所附权利要求、摘要、以及附图的任何一个)中所公开的所有特征。因此，除非 另有明确说明，否则所公开的每个特征仅为通用的一系列等效或者类似特征的一个实例。此外，权利要求中没有明确说明用于执行指定功能的“装置”，或者用于执行具体 功能的“步骤”的任何成分不能理解为在美国法典第35章第112条第6段所规定的“装置” 或者“步骤”条款。特别地，在本文权利要求中的“步骤”或者“动作”的使用并不旨在援弓I 美国法典第35章第112条第6段的条款。请注意，如果使用，则仅为了方便而使用标号左、右、前、后、顶部、底部、向前、反 向、顺时针以及逆时针，而并不旨在指示任何具体的固定方向。相反，将其用于反映物体的 多部分之间的相对位置和/或方向。另外，术语“第一”和“第二”或其他类似描述符未必 表示顺序，而是应当使用通常的含义进行理解。为了便于读者理解，作为背景技术，我们将描述传统的灯及其我们所发现的限制。 已经提出了由微波源驱动的无电极等离子灯。传统的配置包括含有氙和诸如硫或者溴化 铯的发光体的气体填充容器(灯泡)(例如，参见美国专利号6，476，557B1和本文中的图 1)。灯泡位于空气共振器/波导内部，其利用由诸如磁电管的源提供并且被引入共振器/波 导的微波能，以加热及使氩气离子化并且蒸发硫以发光。为了使用高效及低成本的RF源， 期望将共振器/波导设计为以低于约2. 5GHz并且优选地低于IGHz的频率工作。以IGHz 在共振器的基波谐振模式中工作的传统空气共振器/波导至少具有约为15cm长的一个尺 寸，原因在于该长度约为共振器的谐振频率的自由空间波长的一半(λ /2)。这导致所发现的限制。这些限制包括共振器/波导尺寸对于大多数商业照明应用 来说其尺寸过于庞大，原因在于共振器/波导将安装不进去典型的照明器具(照明设备) 内。另外，由于灯泡置于空气/共振器腔内，因此在用于商业和工业照明应用中的多种类型 的照明设备的反射器的设计中，无法利用灯泡的电弧。Espiau等人在美国专利号6，737，809Β2中所提出的配置中，以氧化铝来替换共振 器内部的空气，使得由于自由空间波长(该共振器/波导的基波模式导波长)减小了约共 振器主体的有效介电常数的平方根，因此导致共振器/波导的尺寸减小。此外，参见图2。 这种方法通过减小共振器的尺寸具有优于在美国专利号6，476，557Β1中的空气共振器的 某些优势，但是该方法具有其缺陷。这种缺陷可能包括更高的制造成本、与电介质材料相关 的损耗、以及来自灯泡的光被电介质材料阻挡。在该方法中，不能使用灯泡的电弧，这限制 了其在用于商业和工业照明应用中的多种类型的照明设备中的使用。图1示出了将RF能量耦合到气体填充容器(灯泡)的传统空气共振器/波导的 实施例。空气共振器400围绕附至杆420的气体填充容器410。在图1的底部示出了共振 器的截面。图中所示的尺寸A对应于以900MHz的基波谐振模式工作的空气共振器的直径， 尺寸A约为16. 5cm，其约为900MHz的自由空间波长的一半(通常是作为波导内部的有效波 长的自由空间导波长的一半)。该共振器的尺寸对于大多数照明设备过于庞大。此外，灯泡 的电弧完全被共振器的壁包围，这使得在设计照明装置时难以使用传统的反射器和光学器件。图2示出了将RF能量耦合到气体填充容器(灯泡)的传统电介质共振器/波导 的实施例。使用输入探针540将RF能量耦合到电介质共振器500中。共振器将RF能量耦 合到位于电介质共振器内部的气体填充容器510，电弧515的大部分被电介质共振器围绕。 可以将反馈探针550用于将少量RF能量耦合到共振器以外，并且连同放大器和输入探针一 起形成反馈回路以使灯泡上电。在图2的底部示出了该共振器的截面，尺寸B对应于该共 振器的直径。与图1中所示的空气共振器相比，该方法的一个优势在于共振器的尺寸(为 运行的基波模式所设计)被减小了约电介质材料的有效介电常数的平方根。因此，例如，在 共振器以介电常数为9. 4的氧化铝制成的情况下，比图1中所示的900MHz的空气共振器的 直径减小为约1/3，约为5. 3cm(尺寸B)。该方法的缺陷为该共振器必须由低RF损耗的电 介质材料制成，使得该共振器更昂贵且更难于制造。此外，灯泡的大部分电弧515在电介质 材料内部，因此，不能灵活设计用于照明设备中的光学部件。通过下文更详细地描述本发明 的一个或者多个实施方式，其已经克服了这些和其他限制。图3为本发明的紧凑空气共振器/波导的实施方式的简化图。该示图仅为实例，其 不应不适当地限制本文权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变化、选择、 以及修改。灯壳600由导电材料制成。可以通过涂覆导电覆盖层、或者通过选择导电材料 来获得导电性。导电覆盖层的实例为银粉漆或者可替换地，灯体可以由诸如铝的导电材料 薄板制成。在该实施方式中，灯体由较宽直径的底部625和较窄直径的顶部650组成。图 示的是圆柱形灯体，但是也可以使用矩形或者其他形状。输入耦合元件630在顶部表面631 处连接至灯体，其另一端连接至穿过灯体中的开口 610的RF连接器611。输入耦合元件630 可以由实心或者空心的导体制成或者可替换地由具有导电涂层的电介质材料制成。输出耦 合元件120在底部605处连接至灯体，其另一端连接至气体填充容器(灯泡)130。输出耦 合元件可以由实心或者空心的导电材料制成或者可替换地，可以由具有导电涂层的电介质 材料制成。输出耦合元件的顶端被成形为紧密容纳气体填充容器。在输出耦合元件由实心 导体制成的情况下，将电介质材料或者难熔金属的薄层用作在灯泡与输出耦合元件之间的 界面势垒。在具体实施方式
中，气体填充容器由诸如石英或者半透明的氧化铝或者其他透 明或者半透明材料的适合材料制成。气体填充容器填充有诸如氩或者氙的惰性气体和诸如 汞、钠、镝、硫、或者诸如三溴化铟、溴化钪、碘化铊、溴化钬、碘化铯、或者其他类似材料的金 属卤化物盐的发光体(或者其可以同时含有多种发光体)。总体上，通过输出耦合元件120 将RF能量电容地、电感地、或者电感及电容组合地耦合至灯泡130，电离惰性气体并且蒸发 发光体导致从灯发出强光。在该实施方式中，灯泡的电弧115没有被共振器/波导的壁围 绕。反馈耦合元件635连接至穿过灯体中的开口 620的RF连接器621。反馈耦合元件的另 一端未连接至灯体。紧凑空气共振器/波导的谐振频率取决于多个参数，这些参数包括顶部(650)和 底部(62 的直径和长度、输出耦合元件(120)的长度和直径、以及输出耦合元件与灯体的 壁之间的间隙140。通过调节这些参数和紧凑空气共振器/波导的其他参数，可以将共振器 设计为以不同的谐振频率工作。通过调节输入耦合元件(630)与输出耦合元件(120)之间 的间隙以及长度，可以优化RF源与灯泡之间的RF功率耦合。在一个示例性实施方式中，灯体600的底部625可以由直径为5cm及高度为3. 8cm的中空铝圆柱组成，顶部650具有直径为1. 6cm及高度为1. 4cm0输入耦合元件630的直径 约为0. 13cm，输出耦合元件120的直径约为0. 92cm。这种空气共振器/波导的基波谐振频 率约为900MHz。通过调节各种设计参数(灯体的尺寸、输出耦合元件的长度和直径、输出耦 合元件与灯体的壁之间的间隙)以及其他参数，可以获得不同的谐振频率。此外，可以通过 调节各种设计参数使得对于900MHz共振器具有许多其他的设计可能性。基于以上示例性 设计，可以看出该空气共振器/波导的直径C(5cm)明显小于图1中所示的现有技术中的空 气共振器的直径A (16. 5cm)。所公开的紧凑空气共振器/波导具有比传统的大型空气共振 器和电介质共振器的显著优势。更小的共振器尺寸和露出的电弧允许容易地将其集成在现 有的照明设备中。不需要使用将导致RF损耗和难以制造的昂贵的电介质材料。本发明的 另一显著优势在于输入耦合元件630和输出耦合元件120分别在与灯体600的外表面一致 的平面631和605处接地。这消除了需要微调它们插入灯体的深度(以及到该深度的它们 之间的RF耦合的任何灵敏度)，简化了灯的制作，还改善了灯输出的亮度的稳定性。该例证 仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识 到其他变化、修改、以及选择。图4示出了具有连接在反馈耦合元件635与输入耦合元件630之间的RF放大器 210的图3中所示的灯。该图仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本 领域的普通技术人员将认识到各种变化、选择、以及修改。较短的反馈耦合元件635耦合来 自共振器的少量RF能量，进而通过RF连接器621将反馈提供至RF放大器输入端212。反 馈耦合元件635通过开口 620被灯体600紧密容纳，并且不与灯体的导电表面直接DC电接 触。输入耦合元件630通过RF连接器611与RF放大器输出端211电连接。输入耦合元件 630通过开口 610被灯体600紧密容纳，并且没有在底部表面处与灯体600直接电连接。然 而，输入耦合元件的另一端在631处连接至灯体600。只要放大器在共振器的谐振频率处具 有大于反馈回路损耗的增益，并且反馈回路的相位满足稳态振荡条件，则在反馈耦合元件、 RF放大器、输入耦合元件、以及空气共振器/波导之间的反馈回路就导致振荡。通过输入耦 合元件将来自放大器的RF功率耦合至输出耦合元件120。输出耦合元件将RF能量耦合至 灯泡，导致惰性气体的电离，随后蒸发发光体，然后导致灯泡发光。当然，可以有其他变化、 修改、以及选择。图5A示出了除了去除反馈耦合元件之外，与图4类似的灯。该图仅为实例，其不 应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变化、选 择、以及修改。作为替代，通过振荡器205和RF放大器210提供RF源，振荡器的输出端连 接至RF放大器210的输入端212，放大器的输出端211通过RF连接器611与输入耦合元 件630电连接。输入耦合元件将RF功率输送至输出耦合元件120，然后该输出耦合元件将 其耦合至气体填充容器130。该例证仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范 围。本领域的普通技术人员将认识到其他变化、修改、以及选择。图5B为增加有反射器670的、图5A中所示的灯的透视图。通过外部反射器670 来收集并引导来自灯泡130的光输出，该外部反射器导电或者如果该外部反射器由电介质 材料制成则其具有导电垫片，并且将该反射器附至灯体600并与其电接触。反射器670被 图示为抛物线形状，灯泡130置于其焦点附近。本领域的普通技术人员将认识到可以设计 各种可能的反射器形状来满足光束方向和分布的要求。在具体实施方式
中，该形状可以为圆锥形、凸形、凹形、梯形、金字塔形、或者这些形状的任何组合等。该例证仅为实例，其不应 不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变化、修改、 以及选择。图6A为没有RF源和反射器的图5B中的灯的截面透视图。将输入耦合元件630 示为连接至紧凑空气共振器/波导的导电灯体600的顶部表面631。在该实施方式中，示出 了集成的灯泡/输出耦合元件组件120(未组装)具有可以拧到导电灯体的底部605的内 螺纹螺杆底部。在这种情况下，输出耦合元件由实心导体制成，但是可以由具有导电层的电 介质材料制成。由于在电介质材料的内部不存在电场，因此所使用的电介质支撑结构的RF 损耗不重要。诸如使用固定螺丝钉的其他附接方法可以用于将输出耦合元件连接至灯体。 该例证仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员 将认识到其他变化、修改、以及选择。图6B与图6A类似，但在该情况中，将输出耦合元件120拧到导电灯体的底部605。 该图仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将 认识到其他变化、选择、以及修改。在确定空气共振器/波导的谐振频率时，在输出耦合元 件120与灯体650之间的间隙140及输出耦合元件120的长度和直径很重要。图7A、图7B、图7C、以及图7D示出了在紧凑空气共振器/波导的设计中为达到相 同的谐振频率的某些可能变化。许多其他变化可以为设计者提供设计紧凑空气共振器/波 导的灵活性。通过调节输出耦合元件120的长度，如图7B所示，调节灯体的顶部650的长 度与底部625的尺寸，可以获得与图7A中所示的空气共振器/波导相同的谐振频率。如图 7C所示，另一种可能为除了使用更短的顶部650以外，还改变顶部650与输出耦合元件120 之间的空气间隙140以达到相同的谐振频率。在图7D中，空气共振器的部分顶部650为锥 形以允许从底部625至顶部650更平缓地过渡。多种其他变化可能包括改变输出耦合元件 120的直径或者改变底部625的尺寸以改变空气共振器/波导的谐振频率。这些例证仅为 实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其 他变化、修改、以及选择。图8示出了本发明的另一实施方式，其中，在输出耦合元件120周围插入电介质套 管150。该图仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术 人员应该认识到其他变化、选择、以及修改。电介质套管增加了输出耦合元件120与灯体顶 部650之间的间隙140中的电容，导致共振器/波导的谐振频率降低。电介质套管可以由 诸如石英的材料制成，也可以使用其他材料。本领域的普通技术人员应该认识到其他变化、 修改、以及选择。图9示出了本发明的另一实施方式。该图仅为实例，其不应不适当地限制本发明 的权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该认识到其他变化、选择、以及修改。除了通 过柱180和配线或者母线170将气体填充容器的顶部连接至共振器主体600以外，该共振 器与图5A中所示的共振器类似。柱180可以由实心导体制成或者可以由具有导电涂层的 电介质材料制成。在由实心导体制成的情况下，可以将电介质材料或者难熔材料的薄层用 作柱与灯泡之间的势垒。图10与图5B类似，示出了没有反射器和RF源的紧凑空气共振器/波导的实施方 式。该图仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变化、选择、以及修改。紧凑空气共振器/波导在三坐标系统(XYZ)中的任 一维的最大尺寸(在图中，尺寸C、D、以及E)小于空气共振器/波导的基波模式的谐振频 率的1/2自由空间波长。如在具体实施方式
中所示的，本发明提供了等离子灯装置。该装 置包括气体填充容器，该气体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或 者半透明体，限定在内部区域中的腔。该装置还具有配置在气体填充容器的周围区域内的 空气共振器区域。在具体实施方式
中，空气共振器区域具有小于空气共振器区域的基波谐 振频率的1/2自由空间波长的最大尺寸。该装置具有被配置为生成小于等于2. 5GHz的谐 振频率并且耦合至空气共振器区域的rf源。当然，可以具有其他变化、修改、以及选择。在所示的可替换的具体实施方式
中，本发明提供了可替换的等离子灯装置。该装 置具有波导体，该波导体具有小于谐振频率的1/2自由空间波长的最大尺寸。从三坐标系 统的任一维中选择最大尺寸。当然，可以具有其他变化、修改、以及选择。图11示出了作为输出耦合元件之上的距离的函数的气体填充容器(在这种情况 下，为石英灯泡)的表面的温度分布。在图11的右侧示出了图3的灯泡以及共振器/波导 的顶部的一部分。该图仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域 的普通技术人员将认识到其他变化、选择、以及修改。在这种情况下，该灯泡在垂直方向上 工作。在输出耦合元件的端部之上的灯泡的近2/3长度处出现约852°C的最高温度。在输 出耦合元件的端部稍微以上出现约783°C的最低温度，在这种情况下其还非常近似于灯泡 内部的最大电场区域。取决于灯泡的定向及灯泡的形状和尺寸、共振器的设计(包括输出 耦合元件的尺寸和用于制作该输出耦合元件的材料)以及其他参数，可以改变灯泡表面的 温度分布。当然，可以具有其他变化、修改、以及选择。仍在所示的可替换实施方式中，本发明还提供了可替换的等离子灯装置。该装置 具有气体填充容器，该气体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者 半透明体和限定在内部区域中的腔。在具体实施方式
中，气体填充容器具有第一端部和第 二端部。尽管在某些情况下，最大温度分布可能有微小偏差，但是在优选实施方式中，该装 置具有在空间上位于气体填充容器的中央区域内的最大温度分布。在具体实施方式
中，中 央区域在第一端部与第二端部之间。在优选实施方式中，最大温度分布在外部表面区域附 近，基本上不受实心共振器主体区域的干扰。当然，可以具有其他变化、修改、以及选择。图12A示出了在传统电介质共振器500中的气体填充容器130的简化截面图，图 12B示出了在本发明的实施方式600中的气体填充容器130的简化截面图。该图仅为实例， 其不应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变 化、选择、以及修改。由图12A可知，在传统电介质共振器中，由于灯泡的大部分在电介质共 振器内部，所以来自灯泡的电弧的大多数光(13 首先到达电介质共振器的不透明壁，进 而光被反射回灯泡。电弧吸收该反射光的一部分，然后再次发射。光继续被反复反射直到 从灯泡顶部发射光(145)。通常，将反射涂层或材料用于围绕灯泡(除顶部表面以外)以降 低反射损耗，但是在该过程中仍然损失了某些反射光。在图12B所示的紧凑空气共振器/ 波导600的情况中，来自灯泡的电弧的大多数发射光135穿过透明或者半透明的气体填充 容器的壁而没有反射回灯泡。从灯泡的表面所发出的光145从灯泡的大部分表面发出而没 有经历多次反射。当然，可以具有其他变化、修改、以及选择。如上所述，根据一个或者多个实施方式，本发明提供了等离子灯装置。该装置包括气体填充容器，具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者半透明体，被限定 在内部区域中的腔；以及rf源，其耦合至气体填充容器以使电磁辐射至少穿过50%的外部 表面区域而未被反射回气体填充容器的内部区域。再者，本发明提供了用于发射来自等离 子灯装置的电磁辐射放射的方法。该方法包括使用被配置为向气体填充容器提供rf能量 的至少一个或者多个rf源而生成来自气体填充容器的内部区域的电磁辐射，并且将来自 气体填充容器的内部区域的部分电磁辐射传输通过气体填充容器的至少50%的外部表面 区域，而基本没有反射回气体填充容器的内部区域。当然，可以具有其他变化、修改、以及选 择。图13A示出了传统电介质共振器500的透视图，图13B示出了根据本发明的实施 方式的装置600的实例的透视图。从图13A中的观察者900的角度观看灯泡的电弧115，仅 电弧的顶部可见(视线的顶部虚线915)。对于电弧中部和底部的其他两条视线(通过X标 记的两条虚线920)被不透明的电介质共振器阻挡。如果观察者沿着围绕电介质共振器的 圆(圆形虚线950)在360度内移动，则仍然仅仅是电弧的顶部对于观察者可见。在图1 中所示的紧凑空气共振器/波导600的情况下，观察者900具有对于灯泡的电弧115的底 部、中部、以及顶部的清晰视线(三条虚线925)。另外，如果观察者沿着围绕紧凑空气共振 器的圆(圆形虚线950)在360度内移动，则观察者将具有对于灯泡电弧的清晰视野。当然， 可以具有其他变化、修改、以及选择。在所示的又一可替换实施方式中，本发明提供了无电极等离子灯装置。该装置具 有气体填充容器，该气体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者 半透明体，限定在内部区域中的腔，该气体填充容器没有一个或者多个电极结构。该装置具 有支撑体，被配置为与气体填充容器配合；以及电弧零件，由电磁辐射引起并且具有空间 设置在内部区域中的第一端和第二端。在优选实施方式中，当从与电弧零件的第一端和第 二端之间的中央部正交的假想线的外沿在360度内的任何空间位置观看时，电弧零件的至 少50%露出。在一个或者多个实施方式中，将电弧零件设置在内部区域的第一端与第二端 之间的空间区域内。当然，可以具有其他变化、修改、以及选择。在又一个实施方式中，本发明提供了无电极等离子灯装置。该装置具有气体填充 容器，该气体填充容器具有通过内部区域和外部表面区域所配置的透明或者半透明体，限 定在内部区域中的腔，该气体填充容器没有一个或者多个电极结构。该装置还具有配置在 气体填充容器的部分内部区域中的最大电场区域。在具体实施方式
中，当从与气体填充容 器的中央部正交的假想线的外沿在360度内的任何空间位置观看时，从气体填充容器的外 部区域露出最大电场区域。图14A示出了使用在灯泡731内具有电极的金属卤化物灯730的照明设备。二次 玻璃/石英外壳735包围气体填充容器731。镇流器750用于对灯进行操作。在这种情况 下，由于灯泡的电弧大，所以难以设计可以有效收集灯泡生成的所有光的紧凑型低成本反 射器700。在使用本发明的实施方式之一所设计的照明设备的情况下，在图14B中，气体填 充容器(灯泡)130是紧凑的，因此在设计反射器时可以将其当作点光源。由于是紧凑的， 因此可以设计有效的反射器725以收集灯泡生成的所有光。在这种情况下，将RF驱动器/ 镇流器770用于对灯进行操作。在一个或者多个实施方式中，优选地，本发明提供单光源等 离子灯装置。该装置具有被配置为无电极并且具有小于等于3cm的最大尺寸的单点光源，并且从单点光源所发出的电磁辐射发射至少具有20000流明。如上所述，本装置消除了灯 阵列的使用和其他复杂笨重的设计。该图仅为实例，其不应不适当地限制本发明的权利要 求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变化、选择、以及修改。图15示出了从本发明的实施方式之一所发射的光谱的实例。该图仅为实例，其不 应不适当地限制本发明的权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到其他变化、选 择、以及修改。该光谱具有在光谱的可见光、紫外线、以及红外线区的发射。通过改变在气 体填充容器内部的发光体，可以改变发射光的光谱特性。在一个或多个实施方式中也提供 了该设备。该设备包括rf源；电磁共振器结构，耦合到至少一个rf耦合元件，其中，rf耦 合元件被配置为将rf能量引入电磁共振器结构；包括填充材料的灯泡。将灯泡耦合至电磁 共振器结构以放射来自至少紫外线、可见光、或者红外线光谱的电磁能量；以及，灯泡的露 出区域突出在电磁共振器结构的外部，以导致从灯泡的外部表面放射大部分电磁辐射，而 没有从电磁共振器结构反射。在一个或者多个实施方式中，光谱可以包括以上区域以及其 他区域的组合。当然，可以具有多种结合、选择、以及变化。虽然上文为具体实施方式
的完整描述，但是可以使用多种修改、选择结构、以及等 同物。因此，以上描述和示例不应被看作对通过所附权利要求限定的本发明的范围的限制。
权利要求
1.一种等离子灯装置，包括气体填充容器，具有由内部区域和外部表面区域构成的透明或者半透明体，在所述内 部区域内限定有腔；空气共振器区域，被配置在所述气体填充容器附近，所述空气共振器区域具有小于所 述空气共振器区域的基波谐振频率的1/2自由空间波长的最大尺寸；以及rf源，被配置为生成2. 5GHz以下的谐振频率，并且所述rf源耦合至所述空气共振器区域。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述1/2波长为自由空间波长，所述空气共振器 区域为腔空气共振器。
3.一种等离子灯装置，包括谐振波长部，至少沿着空气共振器区域的第一方向和第二方向进行空间配置。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述波长部为波导体的1/2波长。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述空气共振器区域包括空气和实心电介质材料。
6.根据权利要5所述的装置，其中，以1 10至约10 1的空间体积比(空气实心 电介质材料)来设置所述空气和所述实心电介质材料。
7.一种等离子灯装置，包括波导体，具有小于谐振频率的1/2自由空间波长的最大尺寸，从三坐标系统的任一维 中选择所述最大尺寸。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述波导体实质上为非实心材料。
9.一种等离子灯装置，包括气体填充容器，具有由内部区域和外部表面区域构成的透明或者半透明体，在所述内 部区域内限定有腔，所述气体填充容器具有第一端部和第二端部；以及最大温度分布，空间上置于所述气体填充容器的中央区域，所述中央区域在所述第一 端部与所述第二端部之间；因此，所述最大温度分布在所述外部表面区域的附近内，基本上不受固体共振器主体 区域的干扰。
10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括至少25瓦的电源，所述电源配置有rf源。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述等离子灯装置的特征在于，至少每瓦60流 明的效能。
12.—种等离子灯装置，包括气体填充容器，具有由内部区域和外部表面区域构成的透明或者半透明体，在所述内 部区域内限定有腔；以及rf源，耦合至所述气体填充容器，以使电磁辐射穿过至少50%的所述外部表面区域而 没有反射回所述气体填充容器的所述内部区域。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电磁辐射为可见光。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述电磁辐射包括UV、可见光、或顶。
15.一种用于发射来自等离子灯装置的电磁辐射的方法，所述方法包括使用被配置为向气体填充容器提供rf能量的至少一个或多个rf源从所述气体填充容 器的内部区域中生成电磁辐射；以及将来自所述气体填充容器的所述内部区域的部分所述电磁辐射传输通过所述气体填 充容器的至少50%外部表面区域，而基本上没有反射回所述气体填充容器的所述内部区 域。
16.一种无电极等离子灯装置，包括气体填充容器，具有由内部区域和外部表面区域构成的透明或者半透明体，在所述内 部区域内限定有腔，所述内部区域没有一个或者多个电极结构；支撑体，被配置为与所述气体填充容器匹配；电弧部，由电磁辐射产生，并且所述电弧部具有空间上设置在所述内部区域中的第一 端和第二端；以及当从与所述电弧部的所述第一端与所述第二端之间的中央部正交的假想线的外沿在 360度内的任何空间位置观看时，至少50%的所述电弧部露出。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，将所述电弧部设置在所述内部区域的第一端 与第二端之间的空间区域内。
18.—种无电极等离子灯装置，包括气体填充容器，具有由内部区域和外部表面区域构成的透明或者半透明体，在所述内 部区域内限定有腔，所述内部区域没有一个或者多个电极结构；以及最大电场区域，被配置在所述气体填充容器的部分所述内部区域中，当从与所述气体 填充容器的中央部正交的假想线的外沿在360度内的任何空间位置观看时，所述最大电场 区域从所述气体填充容器的外部区域露出。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述最大电场区域源于耦合至所述气体填充 容器的一个或者多个rf源。
20.根据权利要求18所述的装置，进一步包括波导体，所述波导体耦合至所述气体 填充容器，因此所述气体填充容器中的所述最大电场区域在空间上设置在所述波导体的外 部。
21.根据权利要求18所述的装置，其中，所述最大电场区域基本上来自不透明材料的 附近。
22.根据权利要求18所述的装置，其中，所述最大电场区域的特征在于电磁场峰值，所 述电磁场峰值为多个峰值之一。
23.根据权利要求18所述的装置，其中，所述最大电场区域为多个最大电场区域之一。
24.一种等离子灯装置，包括单点光源，被配置为无电极，并且所述单点光源具有小于3厘米的最大尺寸；以及从所述单点光源发射电磁辐射，所述电磁辐射具有至少20000流明。
25.一种等离子灯装置，包括空间间隙，置于rf耦合元件和输出耦合元件之间，所述输出耦合元件耦合至气体填充 容器。
26.根据权利要求25所述的装置，进一步包括外壳，被配置为包括所述空间间隙、所述 rf耦合元件、以及所述输出耦合元件。
27.根据权利要求25所述的装置，其中，所述空间间隙包括空气或者无反应性气体的 混合物。
28.根据权利要求25所述的装置，其中，所述空间间隙为5cm以下。
29.根据权利要求25所述的装置，其中，所述空间间隙为3cm以下。
30.根据权利要求25所述的装置，其中，所述空间间隙为2cm以下。
31.根据权利要求25所述的装置，其中，所述空间间隙为Icm以下。
32.根据权利要求25所述的装置，其中，所述rf耦合元件在第一部分处接地，并且所述 rf耦合元件在第二部分处耦合至rf源。
33.根据权利要求25所述的装置，其中，所述输出耦合元件在第一部分处接地，并且所 述输出耦合元件在第二部分处耦合至所述气体填充容器。
34.根据权利要求25所述的装置，其中，所述rf耦合元件电感地及电容地耦合至所述 气体填充容器。
35.一种设备，包括rf源；电磁共振器结构，耦合到至少一个rf耦合元件，所述rf耦 合元件被配置为将rf能量引入所述电磁共振器结构；灯泡，包括填充材料，所述灯泡耦合 至所述电磁共振器结构以发射至少来自紫外线、可见光、或者红外线光谱的电磁能量；以及 所述灯泡的露出区域突出在所述电磁共振器结构的外部以使大部分所述电磁辐射从所述 灯泡的外部表面放射，而没有从所述电磁共振器结构反射。
全文摘要
本发明提供了一种具有接地耦合元件及改进灯泡组件的无电极灯。一种无电极等离子灯，通常包括灯泡，该灯泡含有使用射频(RF)能量激发产生光的填充气体和发光体。该灯包括紧凑空气共振器/波导，使用具有集成灯泡组件的接地耦合元件以减小共振器的尺寸并且改善灯的性能，也降低了成本并且简化了制造流程。
文档编号H01J61/02GK102122602SQ20101058610
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年1月11日
发明者弗雷德里克·M·埃斯皮奥, 蒂莫西·J·布洛克特, 迈赫兰·马特路比安, 道格拉斯·A·道蒂 申请人:托潘加科技有限公司