專利名稱：高亮度放電燈、高壓汞燈、照明裝置和圖象顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高亮度放電燈和用于一般照明裝置和光學(xué)儀器中的高壓汞燈，還涉及使用高壓汞燈的照明裝置和使用照明裝置的圖象顯示裝置。
一般來說，在用于圖象顯示裝置例如液晶投射器中的照明裝置中，通常光源和凹反射鏡形成為一體。作為光源，已經(jīng)使用近以點光源的有短電弧的高壓汞燈。高壓汞燈具有例如良好的發(fā)光效率、高亮度、在發(fā)射光中紅色、藍色和綠色平衡良好和長壽命的優(yōu)點。
這種高壓汞燈配有在其兩端有密封部分的玻璃管，該玻璃管包括一對電極。在玻璃管的放電空間內(nèi)，在預(yù)定的壓力下封入將用作發(fā)光材料的汞和用于啟動的氬氣。
但是，采用這種普通的高壓汞燈，存在將燈啟動后要經(jīng)過長時間才能達到其穩(wěn)定狀態(tài)90％的光照度(以下稱這段時間為“光產(chǎn)生時間”)的問題。這是因為僅封有汞作為發(fā)光材料的緣故。
這個問題將特別詳細解釋如下。在高壓汞燈中，在燈啟動后，電弧放電中心點的溫度增加到約6000K或更高。在這樣高的溫度下，汞原子被激發(fā)發(fā)光。汞在室溫下為液態(tài)，因此，由于玻璃管內(nèi)壁表面的溫度因放電而升高所導(dǎo)致的汞的汽化需要較長的時間。這不可避免地導(dǎo)致較長的光產(chǎn)生時間。
尤其在玻璃管形狀相對較大的高功率燈的情況下，光產(chǎn)生時間會很長，例如約為5至10分鐘。
盡管普通的高壓汞燈具有高亮度，但它在如上所述的光產(chǎn)生時間方面存在問題。實際上，當(dāng)把高壓汞燈用于圖象顯示裝置時，例如用于液晶投射器時，在圖象顯示之前要等很長的時間。
應(yīng)該指出，通常在使用除汞以外的材料作為發(fā)光材料的高亮度放電燈中也發(fā)生有關(guān)光產(chǎn)生時間的所述問題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供分別具有改善的光形成時間的高亮度放電燈和高壓汞燈。
可以用這樣的高壓汞燈來實現(xiàn)本發(fā)明的目的，該高壓汞燈包括電弧管和在電弧管的放電空間中彼此面對地設(shè)置的一對電極，該電弧管包括放電空間、密封在放電空間中的汞和氙氣。
利用這種結(jié)構(gòu)，在燈啟動后，氙氣立即發(fā)光，從而極大地改善光產(chǎn)生時間。
密封在放電空間中的每單位體積的汞量最好在0.12mg/mm3至0.35mg/mm3范圍內(nèi)。再有，密封在放電空間中的氙氣的壓力最好在2.0×105Pa至2.0×106Pa的范圍內(nèi)。
至少將氯、溴和碘中之一作為鹵素物質(zhì)密封在電弧管的放電空間中。因此，利用鹵素循環(huán)，可以降低在電弧管的內(nèi)壁上出現(xiàn)的黑化，提高燈的壽命。
在放電空間中密封的每單位體積的鹵素物質(zhì)總量最好在1.0×10-7μmol/mm3至1.0×10-2μmol/mm3的范圍內(nèi)。
也可以用這種高亮度放電燈來實現(xiàn)本發(fā)明的目的，該高亮度放電燈包括電弧管和一對電極，該電弧管包括放電空間，至少電弧管的一部分管壁是透明的，密封在放電空間中的在室溫下分別為液態(tài)和氣態(tài)的兩種發(fā)光材料；該對電極的每個電極穿過電弧管的管壁并插入放電空間中。
利用這種結(jié)構(gòu)，首先在燈啟動后，處于氣態(tài)的發(fā)光材料立即發(fā)光，接著，隨著電弧管放電空間溫度的升高處于液態(tài)的發(fā)光材料逐漸被汽化從而發(fā)光。因此，與在電弧管中僅密封處于液態(tài)的發(fā)光材料的情況相比，可以極大地縮短光形成時間。
也可以用這種高亮度放電燈來實現(xiàn)本發(fā)明的目的，該高亮度放電燈包括電弧管和一對電極，該電弧管包括放電空間，至少電弧管的一部分管壁是透明的，密封在放電空間中的第一種發(fā)光材料和其光形成時間比第一種發(fā)光材料短的第二種發(fā)光材料；和該對電極的每個電極穿過電弧管的內(nèi)壁并插入放電空間中。
利用這種結(jié)構(gòu)，在燈啟動后，具有更短光形成時間的第二種發(fā)光材料立即發(fā)光，而第一種發(fā)光材料逐漸發(fā)光。其中，作為第一種發(fā)光材料，最好采用具有良好發(fā)光效率和有助于提高燈壽命的材料。由于除第一種發(fā)光材料外還密封第二種發(fā)光材料，所以與僅使用第一種發(fā)光材料的情況相比，可以降低光形成時間。同時，可以實現(xiàn)具有第一種發(fā)光材料全部優(yōu)點的高品質(zhì)的高亮度放電燈。
根據(jù)下列參照展示本發(fā)明實施例的附圖的描述，本發(fā)明的這些和其它目的、優(yōu)點和特性將變得明顯。
在這些附圖中圖1是本發(fā)明第一實施例的高壓汞燈的正視圖；圖2是采用高壓汞燈的照明裝置的局部剖切透視圖；圖3表示在高壓汞燈點火后立即出現(xiàn)的再點火電壓；圖4是幫助說明采用照明裝置的圖象顯示裝置結(jié)構(gòu)的圖；圖5是用于本發(fā)明第二實施例中的高壓汞燈的正視圖；和圖6是改進的照明裝置反射鏡的局部剖切正視圖。
下面，參照


本發(fā)明的實施例。
第一實施例圖1是本發(fā)明第一實施例的高壓汞燈1的正視圖。如圖所示，高壓汞燈1由具有一對密封部分3的燈管2、一對電極4等構(gòu)成。燈管2由石英玻璃制成，在其沿長度方向的中間部分為球形。燈管2中心部分的最大內(nèi)徑為7.0mm，燈管2的容積為240mm3，而管壁厚度為2.5mm。在燈管2的兩端設(shè)有密封部分3。
在燈管2的放電空間2a中，密封36mg的汞(約0.16mg/mm3)，作為鹵化物的9.0×10-5μmol/mm3的溴(Br)，以及適量的氙氣體(將在后面說明該氣體)。
將一對電極4設(shè)置在燈管2的放電空間2a中。各電極4有電極棒41和設(shè)置在電極棒41端部的電極線圈42，并通過鉬制的金屬箔5與外部引線6連接。電極棒41的直徑為0.4mm，由氧化鉀含量為5ppm或更低的鎢制成。電極線圈42由直徑為0.25mm并且其氧化鉀含量為5ppm或更低的鎢絲制成。這些電極4之間的距離，也就是電弧長度為1.55mm。
圖2是照明裝置30的局部剖切的透視圖，該照明裝置由高壓汞燈1和反射鏡7組成。
如圖2所示，將反射鏡7安裝在高壓汞燈1的一端。更具體地說，將高壓汞燈1設(shè)置在反射鏡7內(nèi)側(cè)，以便高壓汞燈1的電弧軸位于反射鏡7的光軸上。反射鏡7由陶瓷制成并形成漏斗形的形狀。反射鏡7的內(nèi)表面為拋物面，將氧化硅鈦蒸發(fā)在內(nèi)表面上，從而形成反射表面7a。
光投射部分即反射鏡7的開口直徑約為70mm。該反射鏡7有面對開口的支撐管8。將固定在高壓汞燈1的一端的燈頭9插入并通過絕緣陶瓷10固定到支撐管8上。結(jié)果，高壓汞燈1和反射鏡7彼此成為一體。
一條外部引線6(未示出)與燈頭9電連接，而另一外部引線6與電源線11連接。電源線11的一端穿過反射鏡7壁部的孔，并被引向外部。
利用如上述那樣構(gòu)成的照明裝置30，進行以下實驗。在該實驗中，將交流(AC)電源連接在燈頭9和電源線11之間。再有，高壓汞燈1在約75V的燈電壓下被點火，燈電流約為2.3A，而燈功率為175W。
對于該實驗來說，制備具有175W功率的高壓汞燈，改變封入的氙氣體的各壓力。按各不相同的壓力制成五個燈。對于采用被這樣制備的燈的照明裝置，檢查光產(chǎn)生時間、照度和燈管破裂的痕跡。下表1表示評價結(jié)果。
表
在相應(yīng)于表1中所示的列中，○表示所述的所有五個燈，而×表示并非所述的所有五個燈。
由表1可知，通過在燈管中密封氙氣體來縮短光產(chǎn)生時間。為什么通過氙氣體會降低光產(chǎn)生時間的原因解釋如下。
在普通的高壓汞燈中，僅密封汞作為發(fā)光材料。這樣，為了獲得在穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)生的光照度，需要在放電空間中達到預(yù)定的汞蒸汽壓力。但是，幾乎所有被密封的汞在室溫下都處于液態(tài)。因此，在達到預(yù)定的汞蒸汽壓力并因此獲得其穩(wěn)定狀態(tài)90％的光照度之前，一般來說需要約5至10分鐘。
而在本發(fā)明中，除了汞以外，還密封有適量的氙氣體。結(jié)果，密封的氙氣體被激勵，并在達到預(yù)定的汞蒸汽壓力前發(fā)光。由氙氣體發(fā)射的光改善了燈初期照度上的光照度，從而縮短了光產(chǎn)生時間。汞在比氙氣體更低的激勵能量下發(fā)光。因此，由于內(nèi)部溫度上升，所以密封的汞的汽化量增加，主要的發(fā)光材料逐漸從氙氣體變?yōu)楣羝?。然后，由密封的氙氣體產(chǎn)生的光照度逐漸變小。
應(yīng)該指出，由氙氣體發(fā)射的光接近太陽光，也接近汞的發(fā)射光譜。因此，當(dāng)主要發(fā)光材料從氙氣體變?yōu)楣羝麜r，在照明的顏色上沒有視覺差。
一般來說，只要高壓汞燈的光產(chǎn)生時間為120秒或更少，那么在圖象顯示裝置使用高壓汞燈就沒有問題。因此，最好將密封的氙氣體壓力設(shè)定為2.0×105Pa或更高。
同時，從表1所示的比較例3得到的結(jié)果來看，當(dāng)該壓力設(shè)定為3.0×106Pa時，并非所有的高壓汞燈都亮，并可發(fā)現(xiàn)燈管的破裂。由于密封的氙氣體的高壓造成的有損害的點火，所以并非所有的燈都亮。由于燈管不能經(jīng)受住這種高壓，所以出現(xiàn)破裂。因此，期望將壓力設(shè)定為2.0×106Pa或更低。
隨后，制備高壓汞燈，改變各自的再點火電壓。其中，在燈點火后的幾秒至兩分鐘內(nèi)檢測該再點火電壓。從燈點火開始，在經(jīng)過100小時后，檢查采用這樣制備的這些高壓汞燈的各照明裝置的燈管2的內(nèi)壁上出現(xiàn)的黑化等級。
結(jié)果，在其再點火電壓為20V或更低的燈的燈管2上不出現(xiàn)黑化，而在其再點火電壓為25V或更高的燈的燈管2上出現(xiàn)黑化。因此，需要將再點火電壓設(shè)定為20V以下，以防止黑化。
應(yīng)該指出，如圖3所示，再點火電壓指燈點火后(在燈點火后幾秒至兩分鐘內(nèi))立即檢測的電壓峰值。眾所周知，再點火電壓隨著摻雜氣體例如在燈管中包含的水分和氫氣的增加而增加。因此，通過調(diào)整在燈管中包含的摻雜氣體量，可以制造出其再點火電壓為20V或更低的高壓汞燈。
下面，說明使用照明裝置30的圖象顯示裝置100。
圖4是解釋圖象顯示裝置100的結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖所示，圖象顯示裝置100由包括照明裝置30的光源部件12、聚光透鏡13、液晶(LC)板50、LC板驅(qū)動部件51和投射透鏡系統(tǒng)15組成。
聚光透鏡13對由光源部件12發(fā)射的光聚光。LC板50是用于顯示圖象的透明型板。LC板驅(qū)動部件51按照輸入的圖象信號驅(qū)動LC板50，使LC板50顯示圖象。投射透鏡系統(tǒng)15將光束穿過LC板50投射在屏幕14上。
利用圖象顯示裝置100進行以下實驗。對于該實驗來說，制備電極，改變各電極中氧化鉀的含量。在該實驗中，采用這些電極且其燈功率為175W的各個高壓汞燈被用作圖象顯示裝置100的光源部件12。然后，從光源部件12點火開始，在經(jīng)過100小時后，檢測屏幕14的照度維持系數(shù)(％)。檢測結(jié)果示于下表2中。應(yīng)該指出，為了獲得僅相對于照度的精確數(shù)據(jù)，在本實驗中拆除了LC板50。再有，應(yīng)該指出，在該實驗中使用的各燈管2由其OH基含量為1ppm的石英玻璃制成。
表2<
>由表2可知，隨著在電極中包含的氧化鉀含量的增加，照度維持系數(shù)下降。
由于在燈管2的內(nèi)壁上必然發(fā)生黑化，所以照度維持系數(shù)以這種方式下降。就是說，隨著在電極中包含的氧化鉀含量的增加，黑化程度也增加。黑化的出現(xiàn)可解釋為從包含在電極中的氧化鉀分離出來的鉀比鎢更容易與溴結(jié)合。鉀與溴的這種結(jié)合明顯地影響了眾所周知的鹵素循環(huán)，電極中的鎢揮發(fā)粘接到燈管2的內(nèi)壁上，造成黑化。
一般來說，如果照度維持系數(shù)為90％或更高，那么就沒有實際問題。因此，最好將電極4中氧化鉀的含量規(guī)定為12ppm或更低。實際上，氧化鉀的含量越低越好。因此，最好將其含量設(shè)定為0ppm。
通過重復(fù)鎢提純處理可以降低氧化鉀的含量。再有，按照原子吸收方法，可以容易地測量提純過的鎢中氧化鉀的含量。
接著，制備高壓汞燈，其中作為各高壓汞燈的燈管2的主要成分的石英玻璃中的水分含量改變。利用這些燈，進行以下實驗。各個燈有175W的燈功率，并被用作圖象顯示裝置100的光源部件12。在該實驗中，從光源部件12點火開始，經(jīng)過100小時后，檢測屏幕14的照度維持系數(shù)(％)。檢測結(jié)果示于下表3中。應(yīng)該指出，使用氧化鉀含量為5ppm或更低的鎢作為電極4。
表3
由表3可知，隨著石英玻璃中包含的OH基含量的增加，照度維持系數(shù)下降。
在這種方式中，由于黑化必然出現(xiàn)在燈管2的內(nèi)壁上，所以照度維持系數(shù)下降。就是說，隨著在石英玻璃中包含的OH基含量的增加，黑化程度也增加。黑化的出現(xiàn)被解釋為在燈點火時OH基擴散和進入燈管2的放電空間2a。進入放電空間2a的OH基與溴結(jié)合。這也明顯地影響了眾所周知的鹵素循環(huán)，在電極中包含的鎢揮發(fā)并粘接到燈管2的內(nèi)壁上，造成黑化。
一般來說，如果照度維持系數(shù)為90％或更大，那么就沒有實際問題。因此，最好將石英玻璃中OH基的含量限定為3ppm或更低。實際上，OH基的含量越低越好。因此，最好將其含量設(shè)定為0ppm。
按照真空熔化方法，可以形成OH基含量低的石英玻璃。再有，利用傅立葉變換紅外線分光光度計(FT-IR)，可以容易地測量在石英玻璃中包含的OH基的含量。
在本實施例中，已經(jīng)說明了使用燈功率為175W的高壓汞燈的情況。但是，本發(fā)明的高壓汞燈不限于此。例如，本發(fā)明可以采用燈功率小于175W的高壓汞燈。另一方面，本發(fā)明也可以采用燈功率大于175W例如為200W的高壓汞燈。
第二實施例下面說明第二實施例的高壓汞燈60。
圖5是高壓汞燈60的正視圖。高壓汞燈60為直流(DC)型燈。如圖5所示，將陰極18和陽極21設(shè)置在放電空間2a中。陰極18包括電極線圈17和電極棒16，電極線圈17被纏繞在電極棒16的端部，距未覆蓋的電極棒16的端部0.75mm。陽極21包括電極端部20和電極嵌入棒19，電極端部20設(shè)置在電極嵌入棒19的端部上。電極嵌入棒19的外徑為0.4mm。電極端部20由其氧化鉀含量為5ppm或更低的鎢制成，最大外徑為1.8mm，而且尖端直徑為0.7mm。通過在陰極18和陽極21之間施加DC電壓使高壓汞燈60點火。除了上述電極部分外，高壓汞燈60的結(jié)構(gòu)與圖1所示的高壓汞燈1相同。這樣，圖1和圖5中所示的相同序號部分有相同的功能，因此在本實施例中將省略對于這些功能的解釋。
高壓汞燈60可以達到與第一實施例的高壓汞燈1實現(xiàn)的效果相同的效果。再有，使用高壓汞燈60的照明裝置和使用該照明裝置的圖象顯示裝置可以獲得與第一實施例相同的效果。
如圖5所示，陽極21的體積比陰極18的體積大。如果陽極21的體積等于或小于陰極18的體積，那么從陰極18放電的電子就會轟擊陽極21，在燈60點火時，造成陽極21的溫度急劇上升。這是燈所不期望的。但是，在本實施例中，陰極18的體積形成得比陽極21的體積小，以致陰極18的熱容量較小。這避免了陰極18的溫度下降至維持放電的溫度以下。
通過形成其體積大于陰極18的體積的陽極21，在燈60點火期間其溫度幾乎保持相同，從而實現(xiàn)了電極溫度的最佳化。陰極18設(shè)有具備良好耐熱特性的電極線圈17，該線圈進一步改善與陽極21的溫度平衡。
在本實施例中，不必使用嚴(yán)格意義上的DC來點火高壓汞燈60，因此，可以使用整流過的AC等。
在圖2所示的照明裝置30中，有拋物面狀的反射面7a的反射鏡7與高壓汞燈1成為整體。但是，如圖6所示，具有其主軸對應(yīng)于反射鏡71的光軸的橢圓形的彎曲反射面71a的反射鏡71可以與高壓汞燈1成一體，于是形成照明裝置70。按照這種結(jié)構(gòu)，與圖2所示的反射鏡7比較，可以將反射鏡71的開口直徑形成得更小。這可以使包括照明裝置70的圖象顯示裝置等小型化。
在所述的實施例中，僅對高壓汞燈進行了說明。但是，可以對密封了除汞以外的發(fā)光材料的高亮度放電燈進行相同的解釋。更具體地說，在燈管的放電空間中可以密封第一種發(fā)光材料和其光產(chǎn)生時間比第一種發(fā)光材料短的第二種發(fā)光材料。一般來說，第一種發(fā)光材料在室溫下(25℃左右)為液態(tài)，如汞那樣的情況，而第二種材料在室溫下為氣態(tài)，如氙氣體那樣的情況。
在這種高亮度放電燈中，在燈啟動后，第二種發(fā)光材料立即發(fā)光，然后第一種發(fā)光材料逐漸發(fā)光。其中，作為第一種材料，優(yōu)先使用具有良好發(fā)光效率和有助于增加燈的壽命的材料。與僅使用第一種材料的情況相比，借助第二種材料，可以縮短光產(chǎn)生時間。同時，可以實現(xiàn)具有第一種材料全部優(yōu)點的高亮度放電燈。
盡管參照附圖通過實例已經(jīng)全面描述了本發(fā)明，但應(yīng)該指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然可以進行各種改變和改進。
因此，只要這種改變和改進不脫離本發(fā)明的范圍，它們就被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高壓汞燈，包括電弧管，該電弧管包括放電空間、密封在放電空間中的汞和氙氣；和一對電極，該對電極在電弧管的放電空間中彼此面對。
2.如權(quán)利要求1的高壓汞燈，其特征在于，密封在放電空間中的每單位體積的汞量在0.12mg/mm3至0.35mg/mm3的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1的高壓汞燈，其特征在于，密封在放電空間中的氙氣壓力在2.0×105Pa至2.0×106Pa的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1的高壓汞燈，其特征在于，至少將氯、溴和碘中之一作為鹵素物質(zhì)密封在電弧管的放電空間中。
5.如權(quán)利要求4的高壓汞燈，其特征在于，密封在放電空間中的每單位體積的鹵素物質(zhì)量在1.0×10-7μmol/mm3至1.0×10-2μmol/mm3的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1的高壓汞燈，其特征在于，用于制造每對電極的材料的主要成分為鎢，其氧化鉀含量為12ppm或更少。
7.如權(quán)利要求1的高壓汞燈，其特征在于，電弧管由石英玻璃構(gòu)成，其水分(OH基)的含量為3ppm或更少。
8.如權(quán)利要求1的高壓汞燈，其特征在于，成對電極的其中一個為陽極，而成對電極的另一個為陰極，陽極的體積大于陰極的體積。
9.一種照明裝置，該照明裝置由高壓汞燈和反射鏡組成，其特征在于，高壓汞燈包括電弧管，該管包括放電空間、密封在放電空間中的汞和氙氣；和一對電極，該對電極在電弧管的放電空間中彼此面對地設(shè)置，反射鏡包括在光發(fā)射方向上直徑逐漸展寬的旋轉(zhuǎn)表面，并且安裝在高壓汞燈的一個端部上，反射鏡的光軸處于高壓汞燈的電弧軸上。
10.如權(quán)利要求9的照明裝置，其特征在于，旋轉(zhuǎn)表面為拋物面。
11.如權(quán)利要求9的照明裝置，其特征在于，旋轉(zhuǎn)表面在其主軸與光軸重合的情況下是橢圓的。
12.一種圖象顯示裝置，利用從照明裝置發(fā)射的光將在圖象顯示單元上顯示的圖象投射在顯示面上，其特征在于，照明裝置包括高壓汞燈和反射鏡，高壓汞燈包括電弧管，該管包括放電空間、密封在放電空間中的汞和氙氣；和一對電極，該對電極在電弧管的放電空間中彼此面對地設(shè)置，和反射鏡包括在光發(fā)射方向上直徑逐漸展寬的旋轉(zhuǎn)表面，并且安裝在高壓汞燈的一個端部上，反射鏡的光軸處于高壓汞燈的電弧軸上。
13.一種高亮度放電燈，包括電弧管，該電弧管包括放電空間，至少電弧管的壁部的一部分是透明的，封在放電空間中的在室溫下分別為液態(tài)和氣態(tài)的兩種發(fā)光材料密；和一對電極，每個電極穿過電弧管的壁部并插入放電空間中。
14.一種高亮度放電燈，包括電弧管，該電弧管包括放電空間，至少電弧管的壁部的一部分是透明的，密封在放電空間中的第一種發(fā)光材料和其光形成時間比第一種發(fā)光材料短的第二種發(fā)光材料；和一對電極，每個電極穿過電弧管的壁部并插入放電空間中。
全文摘要
一種高壓汞燈,包括電弧管和設(shè)置在電弧管的放電空間中的一對電極。在放電空間中,密封有汞和氙氣。密封在放電空間中的每單位體積的汞量在0.12mg/mm
文檔編號G03B21/14GK1255730SQ9912514
公開日2000年6月7日 申請日期1999年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月13日
發(fā)明者竹內(nèi)延吉 申請人:松下電子工業(yè)株式會社