用于驱动高压放电灯的方法

专利名称：用于驱动高压放电灯的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动至少两个高压放电灯的方法，借助所述方法使光谱分布均勻化，这例如改进了色彩重现。此外，本发明涉及一种根据所述方法驱动的照明单元，以及涉及以根据所述方法的方式使用高压放电灯。
背景技术：
在高压放电灯中，经由穿过在密封的放电容器中的气体等离子区或者金属蒸汽等离子区的电流通道产生光。在等离子区中存在于基态和激发态下并排设置的离子、电子以及中子，其中，电子在电场中吸收能量，并且通过碰撞传递到放电的原子或分子上。在此，导致激发原子或者分子，并且将在返回到基态时所释放的能量作为用于相关的原子或者分子的特性的辐射发出。所述典型的压力扩大的发射谱线特别是在应用时是不利的，所述发射谱线需要精确的色彩重现或完整的光谱，例如像普朗克辐(Planckscher)射器所示出的。

发明内容
本发明基于的目的是，提出一种驱动多个高压放电灯的方法，所述方法改进了光谱分布。根据本发明，所述目的如下得以实现，通过在相同的时间在不同的热力学状态下驱动至少两个高压放电灯，以至于一个高压放电灯发射在光谱位置上具有发射谱线的光， 并且同时，另一高压放电灯发射在相同的光谱位置上具有吸收谱线的光。在此，高压放电灯设置为或者其发出的光被引导成，使得由每个高压放电灯发射的光的至少一部分在局部区域中汇聚。在这种情况下，光不仅表示电磁波谱的对于人而言可见的范围，而是在物理术语使用的意义上相关于整个电磁波谱，即特别是除了可见的范围还包括UV范围和红外范围。在高压放电灯的光汇聚的局部区域中，获得作为在仅一个高压放电灯工作时存在的值的总和的照射强度；下面，这以(照射强度或者辐射功率的)累计来表示。在此，照射强度描述单位面积入射的辐射功率，即辐射强度，并且在下面使用，只要辐射功率与具体的面积(例如测量传感器的面积)有关。在光谱的可见范围内，照射强度也表示为照明强度。此外，接下来术语高压放电灯缩写为灯(高压放电灯表示在工作时其压力为优选递加地以下述顺序lObar、Mbar和2^ar与优选递加地以下述顺序400bar、350bar和 300bar之间的灯)。在根据本发明的方法中，每个单独的灯的光谱在谱线的光谱位置上具有辐射功率，所述辐射功率相对于光谱连续的部分明显地提高(发射谱线)或者降低(吸收谱线)。 因此，通过累计导致至少部分地补偿辐射功率，以至于在光谱的连续部分的谱线的光谱位置上的偏差更小。这至少适用于谱线周围的光谱范围，不必相关于整个光谱，因为光谱的连续部分也可以示出可变的辐射功率。然而决定性的是，在谱线范围内的辐射功率的单独的波动减小，曲线分布变得更平滑，并且因此改善了光谱的均勻度。在光谱的可见范围内的所述改善的均勻度引起更好的色彩重现，其中，所述色彩重现也能够可选地在红色、黄色、绿色或蓝色的色区内优化。在红色范围内的可选的色彩重现例如通过色彩重现指数R9和R13 说明。在此，在应用所述方法时使用，通过灯的填充物确定谱线的光谱位置，然而显示为吸收谱线或者发射谱线可以通过灯的布置和工作条件而灵活地调节。在此，在灯正常工作时，发射具有发射谱线的光，反之，发射具有吸收谱线的光(谱线逆转)总是在热力学状态下借助相对升高的等离子区温度或者升高的工作压力实现。在此，所述谱线逆转从发射的辐射的共振的再吸收中产生，所述再吸收也表示为具有自吸收特性，并且与几乎连续的光谱重合。发射谱线也能够与几乎连续的光谱重合，但是这不是必需的。根据本发明设有至少两个灯，在相同时间在不同的热力学状态下驱动所述灯。在此，所述热力学状态通常涉及在放电容器中的温度分布、压力分布和密度分布，并且可以通过放电容器的填充物、工作电流、散热条件和泡壳变化或电极变化产生影响。那么，在随时间变化的曲线中，一方面，灯可以在等离子区温度升高或者工作压力升高时持续地工作，以使所述灯可以发射具有吸收谱线的光；具有发射谱线的光由另一灯发射。但是，另一方面也可能的是，灯交替地发射具有发射谱线的光和具有吸收谱线的光，其中，这与另一灯在时间上错开地进行，所述另一灯同样以脉冲的方式工作。在从属权利要求2和3的说明中获得所述两种方法的详尽说明。与灯以脉冲的或者连续的方式工作无关，在等离子区温度或者工作压力不同时产生在局部区域中汇聚的光。因此，为了补偿密度，具有发射谱线的光和具有吸收谱线的光汇聚。在此，在随时间变化的曲线中辐射功率的补偿特别优选地连续地进行。但是，暂停的时间间隔也是可能的，以至于具有发射谱线的光和具有吸收谱线的光同时提供用于补偿辐射功率，优选递加地以下述顺序工作时长的至少40%、60%、80%、90%和95%。因此，优选在总的随时间变化的曲线中和至少其中一部分中使辐射功率的光谱曲线分布均勻化，这对于在均勻的光谱或者良好的色彩重现或可选的色彩重现方面上具有高要求的多数应用是有利的，从外科手术领域照明和通过投影应用的内视镜应用直至在摄影和摄像时的照明。在后者中，在光谱在时间上不均勻地分布和在快门速度低的情况下可以导致闪变效应，即使图像刷新率明显小于强度波动的频率。在显微镜中的成像方法中，——其中例如借助迅速转动的尼泼科夫圆盘(Nipkowlcheibe)对附加的深度信息进行评估——，也能够通过在随时间变化的曲线中均勻化的光谱避免人为结果。在从属权利要求中给出本发明的优选的扩展方案。下面，在用于驱动多个灯的方法说明与本发明的设备方面之间不再详细区分，所述公开内容理解为暗含两种类别。本发明的一个扩展方案提出，第一个灯仅发射具有在发射时的谱线的光。在此，发射可以连续地或也可以间隔地进行，但是，在随时间变化的曲线中，所述灯的光谱未示出发射谱线到吸收谱线的逆转。然后通过另一灯发射具有在吸收时的谱线的光，其中，这也能够是连续的或间隔的。在此，具有发射谱线或吸收谱线的光发射到什么程度例如可以通过预先规定用于灯的不同的电流值来调节，以至于在电流小的情况下存在具有的发射谱线的光谱，并且在电流大的情况下下存在具有吸收谱线的光谱。然而，也可以通过提高在灯中的压力实现谱线逆转，在从属权利要求5和6中获得相对于不同的工作方式的数值。
在等离子区温度升高或者压力升高时工作的灯可以特别适配于所述工作，即通过例如将电极通过用于在高电流的情况下工作的尺寸确定和材料选择进行优化，并且相应地调节放电容器。在另一实施形式中提出，第一灯交替地发射具有在发射时的谱线的光和具有在吸收时的相同的谱线的光。在此，为第二灯优选地提出，所述第二灯在时间上错开地、特别优选为间歇性反相地、同样相对于第一灯交替地发射具有在发射时和吸收时相同的谱线的光。为了补偿强度，所述灯的光再次汇聚，其中，现在，在随时间变化的曲线中每个单独的灯交替地提供具有发射谱线和吸收谱线的光。在此，转换时间必须大于等离子区的张弛时间， 由此选择为大于一微秒。所述方法的变形方案在使用多个灯时，特别是三个或四个灯时，也是可能的。因此，在平均时间内又能够降低下述部分，在所述部分上在等离子区温度升高或者压力升高时每个单独的灯被驱动。在此，通过在较短的时长内在升高的温度下驱动每个单独的灯的电极，可以减少电极回烧并且因此延长了使用寿命。谱线的动态逆转优选可以通过灯的电流在一个低值和一个高值之间的绝对值的变化而实现。在此，在交流工作时，例如可以预先设定正弦或矩形的曲线分布，其与电流脉冲序列重合，以至于所述绝对值再次在低值和高值之间变化。在此，特别优选的是恒定地选择频率。此外在此，在其他扩展方案中提出，第二灯在平均时间内发射与第一灯相同份额的具有在吸收时的谱线的光。因此，在等离子区温度升高或者工作压力升高时平均地在相同的时长内驱动所述灯。在此，优选通过在低电流值和高电流值之间的变化来触发，其中， 在平均时间内用于第一灯和第二灯的高电流值的部分是相同的。在这种情况下，使用多个灯也是可能的，其中，在平均时间内，对于所有的灯存在相同的高电流值的部分。因此，所述方法的变形方案特别适于驱动相同的灯。在另一实施形式中，第一灯以在0. ΙΑ/mm、优选0. 5A/mm，和2A/mm、优选ΙΑ/mm之间的电流工作，并且在此发射具有发射谱线的光。在这种情况下，电流强度分别相关于电极距
1 O在所述实施形式中，第二放电灯以3A/mm、优选8A/mm，和40A/mm、优选20A/mm之间的电流工作，并且在此发射具有吸收谱线的光。在其他扩展方案中，第一灯在lObar、优选2^ar，和150bar、优选50bar之间的工作压力下功能工作，并且在此发射具有发射谱线的光。在这种情况下，第二灯在17^ar、优选200bar，和400bar、优选300bar之间的工作压力下工作，并且发射具有吸收谱线的光。在此，数值与在灯工作时在放电容器中的压力有关。在另一实施形式中提出，借助光学传感器单元测量灯的光或聚集在局部区域中的光。在此，可以测量光谱的谱段或者检测在确定的波长的情况下的离散值。在此，测量范围或者测量点优选在谱线的光谱位置上或者在其周围选择。那么，在其他扩展方案中提出，将由传感器单元输出的测量值作为输入信号提供给调节电路，所述调节电路触发灯。因此，为了优化光谱的均勻度，例如可以考虑在灯所聚集的局部区域中测定的测量值用于调节。那么与调节参数相关，例如可以调节灯的低电流值与高电流值的比例，以便优化光谱的均勻度。在此，调节不必仅对一个灯实现，而是也可以实施于多个灯。除了通过调节电流强度来调节外，还可能的是，调节灯的散热条件，并且由此调节所述灯的工作压力。另一扩展方案提出，借助光学滤光器改变灯的光或聚集在局部区域中的光。如果灯的光改变，那么在此例如具有这样的谱线的光谱的范围可能减小，所述范围不具有或仅具有小的逆转。因此，调节灯的强度，以便在光汇聚后获得总的光谱的尽可能平滑的曲线分布。在装置类别中，本发明涉及具有灯的照明单元，所述照明单元根据已述方法之一工作。在此，所述灯安装在例如由金属或塑料制成的壳体中，并且设置为，使得发射的光的至少一部分可以借助共同的反射器或者也可以借助每个灯的反射器汇聚。此外，在相同的壳体中可以设有其他光学组件，例如透镜、滤光器、镜子、遮光板和聚光柱，并且此外，用于触发和调节灯的电组件和电子组件的集成也是可能的。在此，在其他扩展方案中提出，照明单元是投影仪的组成部分。投影仪可以设置用于显示胶片和幻灯片以及设置用于连接模拟信号源或数字信号源，如摄影机或计算机，并且设置用于显示计算机页面和演示稿。由于良好的色彩重现，在聚光灯中的照明单元可以用于摄影和摄像时的照明，并且此外适用于使用在外科手术领域的照明范围中，其中，照明单元特别是可以用作内视镜或内窥镜的光源。在此特别有利的是，与数字图像传输相结合， 所述数字图像传输例如可以通过CCD芯片实现，并且表示为视频内视镜。在使用根据本发明的照明单元作为吸收光谱仪的照明单元时，均勻的光谱造成改进的信号噪声比。所述应用示例在可见光谱外也适用。在另一实施形式中，照明单元包括两个相同的灯。因此，所述灯是结构相同的，并且在技术上波动的范围内具有相同压力的情况下具有相同的气体填充物。因此，根据本发明的驱动仅通过灯的触发来实现，其中多个相同的灯也可以集成在照明单元中。所述实施形式特别是简化了照明单元的制造，因为只必须库存少量的构件和不同种类的备件，这简化了物流供应。在其他扩展方案中，灯是水银蒸汽高压放电灯或钠蒸汽高压放电灯。


下面，借助实施例详尽地阐述本发明，其中，以其它组合形式的各个特征也可以是对于本发明重要的，并且隐含地相关于本发明的所有类别。图1图解示出方法的原理；图2图解示出具有两个不同的灯的实施方案；图3图解示出在可变的随时间变化触发的情况下两个相同的灯的组合；图4示出为在图3中示出的结构所测量的光谱；图5图解示出在可变的随时间变化触发的情况下四个相同的灯的组合；图6示出光学传感器在具有两个灯的结构中的集成；图7图解示出光学滤光器在具有两个灯的结构中的集成；图8示出不同应用领域中的照明单元。
具体实施方式
图1示意地示出第一灯的具有发射谱线1的光谱，所述第一灯在第一工作状态下以工作压力P1和电流I1工作；以及第二灯的具有吸收谱线2的光谱，所述第二灯在第二工作状态下1以工作压力P2 > P1或者电流I2 > I1工作。在此，发射谱线1和吸收谱线2位于相同的光谱位置上，即在相同的波长值上。可以看到的是，在每个单独的光谱中谱线的存在导致辐射功率的强烈波动。现在，如果两个灯的光聚集在一个局部区域中，那么由于辐射功率的累计导致在谱线范围中的补偿，光谱的曲线分布变得平滑。在图2中示意地示出，所述方案如何能够借助两个水银高压放电灯3、4实现，所述水银高压放电灯在结构类型和工作方式上不同，以至于第一灯3发射具有发射谱线1的光， 并且第二灯4发射具有吸收谱线的光，其中，两个灯以恒定的功率工作。因为除压力外，存在相同的填充物，谱线位于相同的光谱位置上，以至于辐射功率的累计又导致相对于每个单独的光谱变平滑的曲线分布。图3示意地示出，在具有两个相同的水银高压放电灯5的照明单元中如何以矩形脉冲触发每个单独的灯，其中，灯的电流在ΙΑ/mm和14A/mm之间变化。在此，所述脉冲在时间上错开，以至于一个灯发射具有发射谱线1的光，而另一个灯发射具有吸收谱线2的光， 并且反之亦然。通过将光汇聚，辐射功率再次累计，使得所获得的光谱的曲线分布变得平滑。图4示出两个水银高压放电灯5的为根据图3的结构所测量的光谱。以低电流工作的灯发射具有发射谱线1的光，反之，以高电流工作的灯同时发射具有吸收谱线2的光。 在此，已测量的辐射功率与传感器的面积有关，以至于辐射强度被绘制在光谱中。现在，如果在局部区域中测量光谱，在所述局部区域中两个灯的光在此相等地汇聚，那么获得通过在谱线范围中的补偿变得平滑的曲线分布(所示出的不是绝对的辐射强度，而是标准的辐射强度)。图5示出照明单元，其在设计方案上相应于在图3中示出的照明单元，但是扩展了两个附加的灯5。在此，各个灯又以脉冲的功率触发，其中脉冲在时间上彼此错开。具有高电流值的工作状态，在所述状态下以逆转的形式发射具有谱线的光，由此实现了从灯到灯的顺序改变。但是，连续地提供具有吸收谱线2的光，以至于实现发射谱线1的补偿。图6示出具有第一灯3和第二灯4的结构，其中，灯的光借助反射器6和光学系统 7引向聚光柱8。在这种情况下，聚光柱是例如由玻璃或石英制成的柱，在所述聚光柱的壁上形成全反射，以至于射入所述柱中的光束根据入射位置和角度或多或少地被频繁反射。 这一方面导致光在出射面上的均勻分布，并且另一方面实现了由每个单独的灯发射的光的混合ο在此，在图6A中示出一种实施形式，其中，在放电灯3、4的两个反射器6中分别设有光学传感器9，因此借助独自的传感器检测每个单独的灯的光。然后，将两个测量值传送给用于信号处理的单元10，其中，实现了测量值的比较，并且根据该比较调节两个放电灯的电子镇流器11，以至于例如在灯的辐射功率中的波动通过相应的调节另一个灯来补偿。在图6B中的结构相应于图6A中的结构，然而在所述情况下，在两个反射器6中两个传感器的位置上仅设有一个传感器9，所述传感器设置在聚光柱8中，因此，在汇聚后检测所述光。因此，在补偿辐射功率后进行测量，以至于在所述情况下所获得的光谱的均勻度是用于信号处理的标准值，并且根据该均勻度调节电子镇流器。图7示出具有第一灯3和第二灯4的结构，所述结构的光又借助两个反射器6和光学系统7会聚在聚光柱8中。在此，在图7A中示出的示例中，在汇聚前，借助滤光器12改变每个单独的灯的光， 使得例如光谱的范围减小，在所述范围中仅观察到少量的谱线逆转。在所述光谱范围内不通过辐射功率的累计实现光谱的均勻化，因为仅存在或至少主要存在具有在发射时的谱线的光。然而，借助滤波器通常也可以适配光谱的所有范围，否则在所述范围中会出现辐射功率的欠补偿或过补偿，以至于一方面获得光谱的足够的均勻度，并且另一方面获得与相关的应用相匹配的辐射功率。在图7B中示出一个结构，其相应于图7A中的结构，然而，代替在光汇聚前设有两个滤光器，在光汇聚后仅设有一个滤光器。在此，设置在聚光柱8的出口处的滤光器11又减小了光谱的这样的范围，所述范围甚至在光汇聚和辐射功率累计后与完全不同于光谱的连续部分。在图8A中示出内视镜或内窥镜的照明单元，其中，第一灯3和第二灯4的光在汇聚后借助反射器6和光学系统7引向另一光学系统13，并且借助所述光学系统13耦合输入到光导体14中。然后，具有均勻化的光谱曲线分布的光通过光导体导入到试验室或检查室中。图8B示出投影仪的照明单元，其中，第一灯3和第二灯4的光借助反射器6和光学系统7在聚光柱8中汇聚，以至于为在投影平面15上的投影提供具有均勻化的光谱曲线分布的光。
权利要求
1.用于驱动高压放电灯的方法，所述方法在相同的时间在不同的热力学状态下驱动多个高压放电灯，以至于一个高压放电灯发射在光谱位置上具有发射谱线(1)的光，并且同时，另一高压放电灯发射在相同的光谱位置上具有吸收谱线O)的光，其中，由每个高压放电灯发射的光的至少一部分在局部区域中汇聚。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一高压放电灯仅发射具有在发射时的谱线(1)的光。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一高压放电灯交替地发射具有在发射时的谱线(1)的光和具有在吸收时的相同的谱线O)的光。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，第二高压放电灯在平均时间上发射与所述第一高压放电灯相同份额的具有在吸收时的所述谱线O)的光。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述第一高压放电灯在0.ΙΑ/mm和2A/mm 之间，优选在0. 5A/mm和ΙΑ/mm之间的工作电流的情况下发射具有所述发射谱线(1)的光，并且所述第二放电灯在3A/mm和40A/mm之间，优选在8A/mm和20A/mm之间的工作电流情况下发射具有所述吸收谱线(1)的光。
6.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，所述第一高压放电灯在IObar和150bar 之间，优选在25bar和50bar之间的工作压力情况下发射具有所述发射谱线(1)的光，并且，所述第二放电灯在17^ar和400bar之间，优选在200bar和300bar之间的工作压力情况下发射具有所述吸收谱线(1)的光。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，借助光学传感器单元检测至少一个高压放电灯的光。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将由所述传感器单元输出的测量值作为输入信号提供给调节电路，所述调节电路触发高压放电灯。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，借助光学滤光器改变至少一个高压放电灯的光。
10.具有多个高压放电灯的照明单元，所述多个高压放电灯在相同的时间不同的热力学状态下，以至于一个高压放电灯发射在光谱位置上具有发射谱线(1)的光，并且，同时另一高压放电灯发射在相同的光谱位置上具有吸收谱线O)的光，其中，所述装置设计用于，将由所述高压放电灯发射的光的至少一部分在局部区域中汇聚。
11.根据权利要求10所述的照明单元，用于使用在投影仪、摄像或摄影用聚光灯、外科手术领域的照明、内视镜、内窥镜或吸收光谱仪上。
12.根据权利要求10或11所述的照明单元，其具有相同的高压放电灯。
13.根据权利要求10至12之一所述的照明单元，其具有水银蒸汽高压放电灯或钠蒸汽高压放电灯。
14.高压放电灯的使用，所述高压放电灯根据权利要求1至9之一所述的方法驱动。
全文摘要
图1示出根据本发明的方法的原理，其中，在光谱位置上具有发射谱线的光和在相同的光谱位置上具有吸收谱线的光(具有自吸收特性)汇聚成，使得实现辐射功率在光谱位置的范围中的补偿。在此，通过在相同时间在不同的热力学状态下驱动两个放电灯，产生具有发射谱线或者吸收谱线的光。
文档编号H05B41/392GK102577628SQ201080045514
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月25日 优先权日2009年10月9日
发明者乌尔里希·哈特维希 申请人:欧司朗股份有限公司