具有介电常数稳定的可调谐频率电介质波导的等离子体灯的制作方法
【专利说明】具有介电常数稳定的可调谐频率电介质波导的等离子体灯
[0001]本申请是于2012年5月18日进入中国国家阶段的申请号为201080052327.3且发明名称为“具有介电常数稳定的可调谐频率电介质波导的等离子体灯”的中国发明专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
本申请主张根据35U.S.C.119(e)的于2009年12月18日提交的序列号为61/288，233的美国临时专利申请和于2010年10月21日提交的序列号为61/405，540的美国临时专利申请的权益，所述申请通过引用结合于此。
技术领域
[0003]本领域涉及用于生成光的系统和方法，并且更具体地涉及无电极等离子体灯。
【背景技术】
[0004]无电极等离子体灯可以用于提供明亮的白色光源。由于不使用电极，它们可以具有比其它灯更长的使用寿命。在许多应用中，期望获得能够具有高的光收集效率的灯。收集效率可以表达为从源可以被收集到给定聚光件(Etendue)中的光与由该源发射的全部光相比的百分比。高收集效率意味着由灯消耗的功率的大部分是朝向光需要被递送到的位置递送所述光。在微波激励无电极等离子体灯中，对高收集效率的需求提高，这是因为通过将DC功率转换到RF功率而引起的损耗。在许多应用中，还期望获得具有高发光效率的灯。发光效率可以表达为每瓦灯输入功率的流明输出。
【发明内容】
[0005]描述示例方法、无电极等离子体灯和系统。在一个示例实施例中，无电极等离子体灯包含:射频(RF)功率源；容纳填充物的灯泡，当RF功率耦合到该填充物时，该填充物形成等离子体；以及紧邻灯泡的偶极天线。偶极天线可包含第一偶极臂以及与第一偶极臂隔开的第二偶极臂。RF功率源可以被配置成将RF功率耦合到偶极天线，使得电场形成于第一偶极臂和第二偶极臂之间。偶极天线可以被配置使得电场的一部分延伸到灯泡中并且RF功率从偶极天线耦合到等离子体。
[0006]在一个示例实施例中，描述生成光的方法。该方法可包含:提供容纳填充物的灯泡，当RF功率耦合到填充物时，该填充物形成等离子体；以及提供紧邻灯泡的偶极天线，该偶极天线包含第一偶极臂以及与第一偶极臂隔开的第二偶极臂。RF功率可以耦合到偶极天线，使得电场形成于第一偶极臂和第二偶极臂之间，并且RF功率从偶极天线耦合到等离子体。
[0007]一些示例实施例提供用于增大从诸如使用固态电介质灯主体的等离子体灯的无电极等离子体灯可收集到给定聚光件中的光的数量的系统和方法。最大(或者基本上最大)电场可以故意地转移离开中心到达用作灯主体的电介质结构的侧边(side)(或者紧邻侧边)。无电极灯的灯泡可以维持在主体的该侧边(或者紧邻该侧边)，从而与偏移的电场最大值一致。在示例实施例中，灯泡的一部分是在主体内部，并且灯泡的其余部分以使得整个(或者基本上整个)等离子体电弧对于外部半空间是可见的这种方式从该侧边凸出。
[0008]在一些示例实施例中，电场基本上平行于灯泡的长度和/或在灯泡中形成的等离子体电弧的长度。在一些示例实施例中，灯泡长度和/或电弧长度的40%至100%(或者其中包含的任何范围)从灯外部是可见的并且在收集光学元件的视线中。在一些示例实施例中，从收集光学元件收集的流明为由灯泡输出的全部流明的20%至50% (或者其中包含的任何范围)或更多。
[0009]在一些示例中，灯泡的定向允许使用更厚的灯泡壁，同时允许光高效地传输离开灯泡。在一个示例中，灯的侧壁的厚度是在大约2mm至1mm的范围或其中包含的任何范围。在一些示例中，更厚的壁允许使用更高的功率而不损坏灯泡壁。在一个示例中，大于150瓦的功率可以用于驱动灯主体。在一个示例中，对于大约3mm至5mm的灯泡壁厚度，在150瓦或更大的功率使用惰性气体、金属卤化物和汞的填充物。
[0010]在一些示例中，反射器或反射表面被提供在细长灯泡的一个侧边上。在一些示例中，反射器可以是镜面反射器。在一些实施例中，反射器可以由薄膜多层电介质涂层提供。在一些示例中，灯泡的另一侧边暴露到灯的外部。在一些实施例中，大量的光传输通过露出的侧边而没有内反射，并且大量的光从另一侧边反射并且仅仅一次内反射地而反射离开露出的侧边。在示例实施例中，具有最小数目(例如一次内反射或无内反射)的光包含大部分的来自灯泡的光输出。在一些实施例中，来自灯泡的总光输出是在大约5000至20000流明的范围或其中包含的任何范围内。
[0011 ] 在一些示例中，在灯的谐振频率或者在该谐振频率附近，将功率提供给灯。在一些示例中，谐振频率主要由灯主体中的导电表面形成的谐振结构确定，而不是主要由电介质灯主体的形状、尺度和相对介电常数确定。在一些示例中，谐振频率主要由灯主体中的导电场集中和成形元件形成的结构确定。在一些示例中，场集中和成形元件显著地改变灯主体中的谐振波形偏离不存在场集中和成形元件时将在主体中谐振的波形。在一些实施例中，在不存在导电元件时，电场最大值将沿着灯主体的中心轴定位。在一些示例中，导电元件将电场最大值从灯主体的中心区域移动到毗邻灯主体的表面(例如，前或上表面)的位置。在一些示例中，电场最大值的位置被移动了灯主体的直径或宽度的20%至50%或其中包含的任何范围。在一些示例中，相对于不存在导电元件时的电场最大值的位置，电场最大值的位置被移动了 3_至50_(或者其中包含的任何范围)或更大。在一些示例中，主电场在灯泡的定向显著不同于不存在导电元件时的定向。在一个示例中，在没有导电元件的电介质主体中的基本谐振频率将基本上垂直灯泡的长度而定向。在此处描述的示例实施例中，由灯主体中的导电元件形成的谐振结构的基本谐振频率导致基本上平行于灯泡的长度的在灯泡的电场。
[0012]在一些示例中，灯泡的长度基本上平行于灯主体的前表面。在一些实施例中，灯泡可以定位于在灯主体中形成的腔体中或者可以凸出到灯主体外部。在一些示例中，灯泡定位于在灯主体的前表面中形成的凹部中。在一些示例中，灯泡的一部分低于由灯主体的前表面定义的平面并且一部分凸出到灯主体外部。在一些示例中，前表面之下的部分为沿着灯泡的长度的截面。在一些示例中，紙邻灯泡的前表面的部分定义沿着灯泡的长度通过灯泡的截面。在一些示例中，截面基本上沿着灯泡的长度将灯泡平分。在其它示例中，灯泡的内部的30%至70%(或者其中包含的任何范围)可以低于此截面并且灯泡的内部的30%至70%(或者其中包含的任何范围)可以高于此截面。
[0013]在示例实施例中，灯主体的体积可以小于在灯主体中没有导电元件时由相同电介质灯主体获得的体积，其中谐振频率主要由电介质主体的形状、尺度和相对介电常数确定。在一些示例中，具有根据示例实施例的导电谐振结构的灯的谐振频率低于相同形状、尺度和相对介电常数的电介质灯主体的基本谐振频率。在示例实施例中，据认为:具有相对介电常数为10或更小的电介质材料的使用根据示例实施例的导电元件的灯主体可具有这样的体积:对于小于约2.3GHz的操作频率，小于约3cm3;对于小于约2GHz的操作频率，小于约4cm3;对于小于约1.5GHz的操作频率，小于约8cm3;对于小于约IGHz的操作频率，小于约Ilcm3;对于小于约900MHz的操作频率，小于约20cm3;对于小于约750MHz的操作频率，小于约30cm3;对于小于约650MHz的操作频率，小于约50cm 3;以及对于小于约650MHz的操作频率，小于约100cm3。在一个示例实施例中，在大约880MHz的操作频率，使用大约13.824cm3的体积。据认为即使在低于500MHz的频率，可以使用类似的尺寸。
[0014]在一些示例中，灯泡的体积可以小于灯主体的体积。在一些示例中，灯主体的体积可以为灯泡的体积的3至100倍(或者其中包含的任何范围)。
[0015]在示例实施例中，场集中和成形元件与(一个或多个)RF馈送器分隔开，所述RF馈送器提供RF功率到灯主体。在示例实施例中，RF馈送器为线性驱动探针并且基本上平行于在灯泡的电场的方向。在一些示例中，从RF馈送器的端部到灯泡的端部的最短距离横过为场集中和成形元件的一部分的主体中的至少一个金属表面。在一些示例中，第二 RF馈送器被用于获得来自灯主体的反馈。在一些示例中，从驱动探针的端部到反馈探针的端部的最短距离不横贯灯主体中的导电材料。在一些示例中，从反馈探针的端部到灯泡的端部的最短距离横贯为场集中和成形元件的一部分的主体中的至少一个金属表面。在一些示例中，用于提供功率到灯主体的RF馈送器通过第一侧表面耦合到灯主体，并且用于获得来自灯主体的反馈的RF馈送器通过相对的(opposing)侧表面親合到灯主体。在示例实施例中，灯泡定位为毗邻灯主体的与驱动探针和反馈探针不同的表面。
[0016]在一些示例实施例中，场集中和成形元件由灯主体中彼此隔开的至少两个导电内表面形成。在一些不例中，这些导电表面形成偶极。在不例实施例中，第一内表面和第二内表面之间的最近距离是在大约Imm至15mm的范围或其中包含的任何范围中。在一个示例中，这些内表面的部分分隔开大约3mm。在一个示例中，内表面与灯主体的外部前表面分隔开。灯主体的前表面可以用导电材料涂覆。在一些示例实施例中，内表面与外部前表面分隔开小于约Imm至1mm或其中包含的任何范围的距离。在一个示例中，内表面与外部前表面分隔小于灯泡的外部直径或宽度的距离。在一些示例中，此距离小于2mm至5mm或其中包含的任何范围。
[0017]在一些示例中，灯泡定位为毗邻灯主体的未被涂敷的表面(例如，没有导电涂层的部分)O在示例实施例中，功率通过毗邻灯泡的未被涂敷的电介质表面而从灯主体耦合到灯泡。在示例实施例中，功率通过其被耦合到灯泡的表面区域是比较小的。在一些实施例中，该表面区域是在灯泡的外表面区域的大约5%至100%的范围或其中包含的任何范围中。在一些不例中，表面区域小于灯泡的外表面区域的60%。在一些不例实施例中，表面区域小于200mm2。在其它不例中，表面区域小于100mm2，75mm2，50mm2或35mm 2。在一些实施例中，表面区域非对称地布置为毗邻灯泡的一个侧边。在一些实施例中，功率被集中在灯泡的中部，并且小的等离子体电弧长度形成，所述小的等离子体电弧长度不冲击在灯泡的各端部上。在一些示例中，等离子体电弧长度小于灯泡的内部长度的约20%至95%或其中包含的任何范围。在一些示例中，等离子体电弧长度是在2mm至5mm的范围或其中包含的任何范围中。
[0018]将理解，示例实施例的每个上述方面可以单独地使用，或者与在上文描述的或者在下文详细描述中的其它方面组合地使用。通过对结合此处提供的附图来阅读的下述描述的考虑，将会获得对示例实施例和其它方面以及其优点的更全面理解。在图和说明书中，数字指示示例实施例的各种特征，在附图和说明书二者通篇中相似数字指代相似特征。
【附图说明】
[0019]图1示出根据示例实施例的等离子体灯的截面示意图，其中灯的灯泡被定向为提高可收集的光的数量；
图1B示出用于将功率耦合到灯泡的第一示例天线配置；
图1C示出用于将功率耦合到灯泡的第二示例天线配置；
图1D示出根据示例实施例，使用图1C天线配置的灯主体的天线电极和接地外部涂层之间的间隔；
图1E为示出使用图1C天线配置的两个样本灯的单位为流明每瓦(LPW)的发光效率的曲线图；
图1F为示出使用图1C天线配置的两个样本灯的总流明输出的曲线图；
图1G示出示例实施例，其中氧化铝粉末装填在灯泡周围以及灯泡顶部的一部分上方； 图1H示出示例实施例，其中具有孔径的板被置于灯泡上方；
图1I和IJ示出在灯泡上具有反射涂层的示例实施例；
图1K示出具有尾部的示例灯泡；
图2为根据示例实施例的灯主体以及相对于灯主体的外部上表面水平地定位的灯泡的透视分解图；
图3示出图2的灯主体的另一透视分解图；
图4示出图2的灯主体的导电和不导电部分；
图5示出在示例实施例中功率转移到灯泡的三维电磁模拟；
图6示出灯的示例实施例的模拟操作，其示出磁场集中在中心柱周围；
图7示出灯的示例实施例的模拟操作，其示出电场集中在偶极臂周围；
图8为图7所示的示例电场的线图改写(adaptat1n)；
图9为耦合到图1所示灯的示例灯驱动电路的示意图；
图10A、10B、11A、11B、11C和IlD示出设计成在150MHz操作的灯的示例实施例；
图12为根据不例实施例的不例灯和灯驱动电路的不意图；
图13A、13B、13C和13D示出设计成在450MHz操作的灯的示例实施例；
图14为根据不例实施例的不例灯驱动电路的不意图；
图15示出根据示例实施例的具有遮罩的用于街道或区域照明的包含灯的灯具；
图16A示出根据另一示例实施例的灯主体以及相对于灯主体的外部竖直前表面竖直地定位的灯泡的透视分解图和两个正视图；
图16AA示出从图16A的透视分解图中位置“A”观看的灯主体的前竖直(或者上)表面；
图16B示出图16A的灯主体的透视组装图；
图16C示出在截面A-A取得的图16B的组装的灯主体的截面图；
图17A示出安装在具有可选调谐机构的热沉中的图16B的组装的灯主体的截面图；
图17B为表示作为调谐机构的位置的函数的图17B的示例灯主体的回波损耗和谐振频率的曲线图；
图18A为灯主体的前方正视图，其示出示例偶极金属图案；
图18AA为偶极金属图案的一部分的前方正视图；
图18B为置为紧邻图18A的偶极金属图案的等离子体灯的灯泡中的等离子体电弧分布的图不;
图19A为灯主体的前方正视图，其示出示例开槽设计偶极金属图案；
图19B为置为紧邻图19A的开槽设计偶极金属图案的等离子体灯的灯泡中的等离子体电弧分布的图示；
图19C为图19A的开槽设计偶极金属图案的尺度的特定示例实施例；
图19CC为灯泡的竖直向上定向中的单个和双等离子体电弧分布的图示；
图20A为灯主体的前方正视图，其示出示例双间隙偶极金属图案；
图20B为置为紧邻图20A的双间隙偶极金属图案的等离子体灯的灯泡中的等离子体电弧分布的图示；
图21A为灯主体的前方正视图，其示出另一双间隙偶极金属图案的示例；以及图2IB为置为紧邻图2IA的双间隙偶极金属图案的等离子体灯的灯泡中的双等离子体电弧分布的图示。
【具体实施方式】
[0020]尽管本发明对于各种调整和可替换构造是开放的，但各图所示的示例实施例将在此处予以详细描述。然而将理解，不打算将本发明限制于所公开的具体示例形式。相反，本发明打算涵盖落在如所附权利要求中表述的本发明的精神和范围内的所有调整、等同方案和可替换构造。
[0021]图1为根据示例实施例的等离子体灯100的截面示意图。等离子体灯100可具有由一种或多种固态电介质材料形成的灯主体102以及置为毗邻灯主体102的灯泡104。灯泡104容纳填充物，该填充物能够形成发光等离子体。灯驱动电路(例如，通过示例方式在图9中示出的灯驱动电路106)将RF功率耦合到灯主体102中，该RF功率进而耦合到灯泡104中的填充物中以形成发光等离子体。在示例实施例中，灯主体102形成容纳并且引导RF功率的结构。
[0022]灯泡104在等离子体灯100中被定位或定向，使得等离子体电弧108的长度通常面向灯开口 110 (与面向侧壁112相对)，从而增加从给定聚光件中的等离子体电弧108发射的可收集光的数量。由于等离子体电弧108的长度定向在所施加电场的方向上，灯主体102和耦合的RF功率被配置成提供电场114，该电场对准或基本上平行于灯泡104的长度以及灯主体102的前或上表面116。因而，在示例实施例中，等离子体电弧108的长度从灯主体102外部可以是基本上(如果不是完全地)可见的。在示例实施例中，收集光学元件118可以在灯泡104和等离子体电弧108的完整长度的视线中。在其它示例中，等离子体电弧108大约40%至100%(或者其中包含的任何范围)对于灯100前方的收集光学元件118可以是可见的。相应地，从灯泡104发射并且被收集光学元件118接收的光的数量可以提高。在示例实施例中，庞大数量的光可以通过灯100的前侧壁从等离子体电弧108发射离开灯100而没有任何内部反射。
[0023]如此处描述，灯主体102被配置成实现所需的谐振器结构，以使得能够实现同时满足麦克斯韦方程的灯100的光发射。
[0024]在图1中，灯100示为包含灯主体102和导电涂层120，该灯主体包含固态电介质主体，并且该导电涂层延伸到前或上表面116。灯100还示为包含偶极臂122和导电元件124、126(例如，在灯主体102中钻孔形成的金属化柱状孔洞)从而集中在灯主体102中存在的电场。偶极臂122因而可以定义内部偶极。在示例实施例中，应用到没有偶极臂122和导电元件124、126的灯主体102的谐振频率将导致在固态电介质灯主体102中心的高电场。这是基于由于灯主体的形状、尺度和相对介电常数引起的灯主体的本征谐振频率响应。然而，在图1的示例实施例中，由于偶极臂122和导电元件124、126的存在，灯主体102内部的驻波形的形状被显著地改正，并且电场最大值被带出到使用内部偶极结构的灯泡104的端部部分128、130。这导致基本上平行于灯泡104长度的灯100上表面116附近的电场114。在一些示例实施例中，此电场也基本上平行于驱动探针170和反馈探针172(见下面的图9)。
[0025]灯100中的等离子体电弧108定向为使得它向灯出口孔径或开口 110呈现长侧边的事实可提供若干优点。相对于等离子体电弧108的“面向端部”定向的基本物理差异在于，许多的光可以离开灯100而不遭受在灯主体102中的多次反射。因此，与在具有面向端部定向的灯中可以使用的漫反射器相比，镜面反射器可以表现出在光收集性能方面的显著提升。可以在一些实施例中使用的镜面反射器几何结构的示例实施例为抛物线反射器，该抛物线反射器定位为使得等离子体电弧位于反射器的焦线。
[0026]另一优点可以在于:灯泡104