專利名稱：照明單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一照明單元，它具有一光源，特別是高性能放電(HID)燈或超高性能(UHP)燈形式的光源，以及一主反射器和一后反射器，點(diǎn)光源發(fā)出的光通過該后反射器中的一孔徑被反射到主光源上，該后反射器被放置在該主反射器的對(duì)面。
因?yàn)樗鼈兊墓鈱W(xué)特性，最好使用這種類型的照明單元，尤其是，對(duì)于投影的目的。特別是，為此目的還可使用所謂的短弧HID燈，其電極端點(diǎn)之間具有相當(dāng)小的間隙，因而該實(shí)際的光源(弧)基本上是點(diǎn)狀的。
用于液晶投影裝置的照明單元可從US-PS 5,491,525得知，該照明單元具有一主反射器、一點(diǎn)光源，例如一放電燈、和一后反射器，該后反射器基本上就像半球一樣包圍著該光源并將來自該光源的光反射到該主反射器上。此外，還提供有各種濾波器、二色性反射層、以及透鏡陣列來以某種方式影響該發(fā)射光線的路徑和增加在投影表面上的亮度。
本發(fā)明的目的在于創(chuàng)造一上述類型的照明單元，比較起來，該照明單元具有增加很多的效率(光輸出)，以及改善的光學(xué)特性與工作能力。
本發(fā)明還打算創(chuàng)造進(jìn)一步改善了發(fā)射光聚焦的照明單元。
此外，還打算創(chuàng)造一照明單元，它甚至對(duì)于從平面上看(即朝與光發(fā)射相反的方向看)是非圓形的反射器來說也能提供改善的發(fā)射光聚焦，例如，非圓形的反射器可以是矩形的，也可做成某些其它的形狀。
最后，還打算創(chuàng)造一照明裝置，即使在用作光源的放電燈的玻璃泡具有相當(dāng)厚的壁時(shí)，如對(duì)于高壓短弧燈所必須的那些燈泡，該照明單元的光聚焦也會(huì)得到改善。
在開始段落中所提及類型的照明單元，如果按照權(quán)利要求1所述那樣具有下列特征就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的該光源的中心和該后反射器彼此相對(duì)定位或成形使得包圍在該光源中心和該后反射器孔徑邊緣之間的第一扇形角小于180°。
光源的中心在這里被定義為產(chǎn)生基本部分或最大部分光的那個(gè)區(qū)域。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于完全或至少近似完全地避免了從該后反射器的多重反射(這取決于該光源的大小，還取決于由完全地外接該后反射器孔徑的邊緣所產(chǎn)生的所有扇形角是否都小于180°)，因而光的輸出可被顯著地改善。
所有從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的另一些有利的實(shí)施例。
該光輸出還可用權(quán)利要求2和3所述的實(shí)施例來增加。
權(quán)利要求4所述的實(shí)施例具有能避免光從該照明單元的任何橫向發(fā)射的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求5所述的實(shí)施例對(duì)主反射器具有很小直徑的情形特別有利。
當(dāng)將該照明單元用于投影目的時(shí)就得優(yōu)選使用權(quán)利要求6所述那樣的光源。
當(dāng)該主反射器從平面上看是非圓形的時(shí)，權(quán)利要求7所述的后反射器設(shè)計(jì)是特別有利的。
權(quán)利要求8所述的實(shí)施例具有的優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)對(duì)產(chǎn)生的光線路徑發(fā)生透鏡影響或其它不利的影響，即使圍繞該氣體放電空間的玻璃泡壁部分相當(dāng)厚時(shí)也是這樣。
采用權(quán)利要求9所述的實(shí)施例時(shí)，就可避免由后反射器所引起的玻璃泡溫度的增加。
采用權(quán)利要求10所述的實(shí)施例時(shí)，就可擇優(yōu)地發(fā)射某些光譜范圍的光。按照權(quán)利要求11-13所述的實(shí)施例描述了一些材料，在考慮到適合的膨脹系數(shù)后這些材料可更好地使用來產(chǎn)生二色性反射。
本發(fā)明的另一些特點(diǎn)，特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)由于隨后參考下述附圖給出的優(yōu)選實(shí)施例的描述變得很清楚

圖1是第一實(shí)施例的概略的側(cè)視剖面圖，圖2是第二實(shí)施例的概略的側(cè)視剖面圖，圖3是第三實(shí)施例的概略的側(cè)視剖面圖，及圖4是第四實(shí)施例的概略的側(cè)視剖面圖。
下述實(shí)施例特別適于用在投影系統(tǒng)上。
在圖1中可看見，按照本發(fā)明所述的照明單元的第一實(shí)施例包括一主反射器，該主反射器基本上具有一拋物面反射器形狀或橢球面的形狀，該主反射器還可具有某些其它的縱截面形狀，這是按照具體應(yīng)用所要求的聚焦來選擇的。
此外，圖1畫出了作為氣體放電燈的一基本部分的玻璃泡，它具有包含放電氣體和電極裝置的放電空間21。該電極裝置包含第一電極22和第二電極23，第一電極對(duì)著該主反射器安置。在這些電極的端點(diǎn)之間以通常的方法激發(fā)氣體放電24。該玻璃泡2和主反射器1彼此這樣相對(duì)安排，使得代表實(shí)際光源的氣體放電24基本上與該主反射器的焦點(diǎn)重合。
后反射器3以反射層的形式處于該玻璃泡2的上面，該反射層被淀積在圍繞該放電空間的玻璃泡的部分表面上。這部分表面被這樣成形，使得從氣體放電向該后反射器3發(fā)射的光通過后反射器孔徑反射到該主反射器1上。該表面一般來說是球形的。
為了說明主反射器1和后反射器3的參數(shù)尺度(dimensioning)，在圖1中包含了各個(gè)參數(shù)尺度線(dimension line)。用L1和L1’表示的第一參數(shù)尺度線從該光源(氣體放電)的中心2 4垂直于該燈的縱向(即發(fā)射方向)延伸，代表一基準(zhǔn)線。第二參數(shù)尺度線，L2，L2’延伸于該氣體放電24的中心和該后反射器3的孔徑邊緣之間。第三參數(shù)尺度線，L3，L3’延伸于該氣體放電24的中心和該主反射器1的孔徑邊緣之間。最后，第四參數(shù)尺度線L4，L4’是在該氣體放電24的中心和該后反射器3的背離主反射器的那端之間畫出的。
因此，第一角a1(和相應(yīng)的a1’)被包含在該第一參數(shù)尺度線L1(和相應(yīng)的L1’)和第二參數(shù)尺度線L2(和相應(yīng)的L2’)之間，第二角b1(和相應(yīng)的b1’)被包含在該第一參數(shù)尺度線L1(和相應(yīng)的L1’)和第三參數(shù)尺度線L3(和相應(yīng)的L3’)之間，以及第三角a2(和相應(yīng)的a2’)被包含在該第一參數(shù)尺度線L1(和相應(yīng)的L1’)和第四參數(shù)尺度線L4(和相應(yīng)的L4’)之間。
通過使用一個(gè)/或幾個(gè)下述參數(shù)尺度準(zhǔn)則就可實(shí)現(xiàn)發(fā)射光的最佳聚焦為了避免由于氣體放電(弧)的有限范圍所引起的橫向發(fā)射產(chǎn)生的光損失，該第一角a1，a1’總應(yīng)小于第二角b1，b1’。
還發(fā)現(xiàn)，如果第一角a1，a1’大于0則該光輸出就特別好。按照上述定義，這就意味著該后反射器3朝主反射器方向的延伸完全不會(huì)超過圍繞該放電空間的玻璃泡的一半。特別是這避免了任何由光源發(fā)射的成分在該后反射器3孔徑的邊緣區(qū)域被多次反射而不能到達(dá)該主反射器1的現(xiàn)象。
如果第一角a1，a1′被選擇為大于0而小于大約20°時(shí)則該燈就會(huì)獲得特別有利的特性。
這就意味著第一扇形角L2-L2’應(yīng)小于180°而最好大于140°，該第一扇形角包圍在一方面的光源24和另一方面的后反射器3的孔徑邊緣之間，因而就是兩參數(shù)尺度線L2，L2’之間的夾角，如圖1所示。這條件最好應(yīng)被通過外接該孔徑邊緣所獲得的所有扇形角所滿足。
特別當(dāng)電極端點(diǎn)22，23之間的距離相當(dāng)小，例如就像在短弧燈中一樣時(shí)，上述參數(shù)尺度準(zhǔn)則就會(huì)成立。但是如果這個(gè)距離比較大，因而不再有電弧時(shí)，則最好用不同的方法來調(diào)整所述反射器的參數(shù)尺度。
圖2中的參數(shù)尺度線將被用于這個(gè)目的。這里第一，第三和第四參數(shù)尺度線L1，L3，L4都是與圖1中的同名線相同。但是，在這里該第二參數(shù)尺度線卻被第二電極23的端點(diǎn)和后反射器3的孔徑邊緣所確定。
在這情形中，如果該后反射器3朝主反射器的方向延伸到第二電極23的端點(diǎn)，則就可獲得發(fā)射光的最佳聚焦。因而，在這情形該第二參數(shù)尺度線L2就基本上與該第一參數(shù)尺度線L1平行。此外，該第二扇形角b1還應(yīng)足夠地大，以便可避免任何橫向的光發(fā)射。
對(duì)于在光聚焦方面有特別要求的某些應(yīng)用來說，如象應(yīng)用在很小的顯示器中，就必須考慮構(gòu)成光源的整個(gè)系統(tǒng)、后反射器和主反射器，以便使光發(fā)射的效率最佳。通常使主反射器的直徑保持為一最小值，因而角b1并不比0°大很多。在這情形中和對(duì)于這種特別應(yīng)用來說，如果該后反射器3的孔徑的邊緣延伸到下述長度的一半點(diǎn)附近，它就可能是有利的，所述長度就是第二電極23的端點(diǎn)和兩電極端點(diǎn)22，23中點(diǎn)之間的距離。
因而所有實(shí)施例的一共同優(yōu)選特點(diǎn)就在于形成該后反射器的玻璃泡涂層延伸到不到圍繞氣體放電空間的玻璃泡區(qū)域長度的一半的點(diǎn)上。
特別是連同作為主反射器1的拋物面反射器一起，假使直徑d和焦距f之間的比率滿足條件d＞4f，就可實(shí)現(xiàn)高效率的光聚焦，即使主反射器具有很小的直徑也是如此。例如，如果該拋物面反射器具有大約30mm的直徑和大約6mm的焦距，則使用如上所述那樣在投影系統(tǒng)的玻璃泡上尺度參數(shù)的后反射器3，與沒有后反射器的系統(tǒng)比較起來，在效率上將實(shí)現(xiàn)30-40％的增加。
對(duì)于這效率的持久增加，因而對(duì)于該照明單元的使用期的延長來說，重要的是防止該放電空間內(nèi)壁的任何變黑。這種變黑不僅會(huì)減小后反射器的反射能力而且還會(huì)由于光發(fā)射的部分吸收而導(dǎo)致該玻璃泡上熱負(fù)荷的增加。通過一種眾所周知的再生化學(xué)循環(huán)可最好地防止變黑；優(yōu)選的光源因而是一種高強(qiáng)度放電燈或一種超高性能燈。這種具有后反射器的燈可使用超過一千小時(shí)而電極或玻璃泡不會(huì)出現(xiàn)任何問題，或相反，對(duì)于已知的沒有后反射器的燈，必須對(duì)這些部分作些改變。
在照明單元的優(yōu)選實(shí)施例中選擇一短弧燈，其弧長小于2mm，壁負(fù)荷大于1W/mm2，而且該燈的總額定功率為50-1200W。放電氣體包括稀有氣體如氬氣、高壓下的水銀(例如其密度近似大于0.15mg/mm3)、和溴其密度在近似0.001和近似10μmole/cm3之間，以及氧，因而可發(fā)生鎢的遷移循環(huán)。
由于一些實(shí)際的原因，某些投影系統(tǒng)使用了其反射器從平面上看是正方形的照明單元。圖3a以頂視圖的方式畫出了這種照明單元，而圖3 b則是以側(cè)視圖的方式畫出的，這里只示意地畫出了反射器1和該玻璃泡2的輪廓。對(duì)于這種類型的主反射器來說，與圖1和圖2不同的后反射器3的形狀提供了發(fā)射光的特別有效的聚焦。這被圖示于圖3c中。圖3c是具有第一和第二電極22，23(氣體放電就是在這些電極間激發(fā)的)和后反射器3的玻璃泡2的示意側(cè)視圖。在圖3c中位于主反射器(未畫出)對(duì)面的后反射器的孔徑邊緣最好由下述結(jié)構(gòu)決定首先，在第二電極23的端點(diǎn)和主反射器孔徑即光學(xué)作用區(qū)的邊緣之間畫一直線。然后將這直線沿該邊緣繞該玻璃泡的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱軸移動(dòng)360°。由該線和玻璃泡這樣產(chǎn)生的相交曲線就描畫出了該后反射器孔徑的邊緣，這就可獲得最佳效率的優(yōu)選形狀。但不同的是，這邊緣是通過該主反射器邊緣沿開始于第二電極的端點(diǎn)的漏斗狀的表面投影的方法產(chǎn)生在該玻璃泡上的。
應(yīng)該指出，打算用作反射器的涂層的最佳邊緣的形狀是從電極的位置和主反射器的位置而不是從玻璃泡的位置獲得的。對(duì)于某些應(yīng)用，如上述例子所提及的應(yīng)用來說，通過從兩電極22，23之間連線上的一點(diǎn)，而不是從電極23的端點(diǎn)畫出該線的方法來決定該后反射器的所述邊緣可能是有利的。但是，在任何情形中這點(diǎn)都將更為靠近第二(前面的)電極23而不是第一電極22。圖3c示出了該后反射器，特別是確定其孔徑范圍的邊緣，該孔徑是在對(duì)于圖3所示的主反射器完成上述指示后獲得的，從平面上看該主反射器具有基本上是正方的形狀。
鑒于光學(xué)工作能力的增加，應(yīng)指出的另一點(diǎn)是該玻璃泡，特別是圍繞氣體放電空間的區(qū)域的幾何參數(shù)尺度選擇。這對(duì)于所謂的短弧燈是特別有關(guān)系的。它們的高氣壓需要相當(dāng)厚的壁，這厚壁可充當(dāng)透鏡并可能擾亂被向后反射到主反射器上的弧的圖像。
圖4以側(cè)視圖的方式示意地畫出了該玻璃泡的中央?yún)^(qū)域，包括包含電極裝置22，23的氣體放電空間21的簡(jiǎn)化圖示。該氣體放電空間的縱截面基本上是橢圓形；它在縱向上可用壁截面210、211，和212、213以及兩端壁214、215來近似。發(fā)現(xiàn)，如果將壁的截面的傾斜角s設(shè)定為0.3和0.8之間的值s將是特別有利的，其中傾斜角s近似等于該氣體放電空間的最大內(nèi)直徑(di)和最小直徑(dbo)之差除以其長度(li)。
圍繞該氣體放電空間21的玻璃泡的外形應(yīng)基本上一球形或橢球形。在球形的情形，該電弧應(yīng)位于該球的中心。在橢球形的情形，該焦距應(yīng)不超過兩電極端點(diǎn)22，23之間的距離，而且該焦點(diǎn)應(yīng)位于該電弧之內(nèi)。
還發(fā)現(xiàn)，該玻璃泡具有反射涂層達(dá)到的溫度比不具有這種涂層更高。溫度的增高不僅需要增加反射層的壽命和穩(wěn)定性，而且還會(huì)在該玻璃泡內(nèi)，更確切地說，是在制作玻璃泡的石英材料內(nèi)引起加速的有害變化。一方面這些變化包括氣體放電空間的內(nèi)壁的再結(jié)晶，而另一方面甚至?xí)捎谠谶@空間中的高氣壓導(dǎo)致該泡的變形。
令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些問題可通過稍稍增加該氣體放電空間區(qū)域內(nèi)玻璃泡的外徑(ds)基本解決。例如，如果與具有同樣功率而沒有涂層的放電燈的玻璃泡相比，具有反射涂層的玻璃泡的外徑增加大約10％，則兩種燈將基本具有相同的溫度和相同長度的使用壽命。如果該外徑增加大約5-15％則將獲得同樣的結(jié)果。
至于后反射器的類型，已證明使用二色性反射涂層是有利的，該涂層可以，例如，通過使用濺射工藝的方法淀積在該玻璃泡上。
如果該后反射器是用干涉濾波器實(shí)現(xiàn)的，則至少需要分別具有高和低折射率的兩種材料。為了獲得好的濾波效果兩種材料的折射率的絕對(duì)差應(yīng)盡可能大。
選擇該材料的另一重要參數(shù)是熱膨脹系數(shù)。為了防止高機(jī)械應(yīng)力，這膨脹系數(shù)應(yīng)與一般是制作玻璃泡的材料的基底材料的膨脹系數(shù)很好匹配。此外，這些材料還應(yīng)具有足夠的溫度穩(wěn)定性，特別是如果它們是被淀積在UHP燈上(900-1000℃)更是如此。
具有低折射率的優(yōu)選材料是二氧化硅(SiO2)，它也是用來制作玻璃泡的材料。具有高折射率的材料可從下述的和其它的材料TiO2，ZrO2，Ta2O5中挑選。
TiO2是很好的具有很高折射率但也具有很高熱膨脹系數(shù)的光學(xué)材料。對(duì)于通常的淀積工藝，使用銳鈦礦形式的TiO2，這種形式是它的一種晶體學(xué)變形。在650℃以上的溫度上，TiO2轉(zhuǎn)變成具有較大密度的金紅石變形。這在層中可能引起額外的應(yīng)力，因而TiO2的使用通常限于顯著低于UHP燈的工作溫度的溫度上。但是，一可行的解決辦法是直接以金紅石的形式淀積TiO2來作為第一步。例如，Leybold公司的TwinMag工藝可用于這目的。第二步可進(jìn)行該濾波器的穩(wěn)定化，這將在下面參考ZrO2來進(jìn)行描述。
ZrO2是一種具有適中折射率的光學(xué)材料，它在高溫下的光學(xué)特性是很穩(wěn)定的。但是它也具有很高的熱膨脹系數(shù)。因?yàn)榛撞牧弦话憔哂泻艿偷臒崤蛎浵禂?shù)，所以該濾波器的疊層就可能出現(xiàn)裂隙。但是通過在濾波器疊層上施加二氧化硅涂層(參看WO 98/23897)就可大大地避免這些裂隙，因而應(yīng)力至少被部分地抵償。在上述施加TiO2的情形中這種方法也是可行的。
最后，具有高折射率和適中的熱膨脹系數(shù)的Ta2O5也是一種良好的光學(xué)材料。熱膨脹系數(shù)的失配程度是很輕微的，因而甚至在用于UHP燈時(shí)濾波器疊層也是穩(wěn)定的。在長周期工作之后(例如，幾百小時(shí)，但是燈的壽命結(jié)束之前)，所述層呈現(xiàn)發(fā)白的現(xiàn)象，使得光學(xué)特性可能由于漫射而變壞。這可通過這樣改善該燈的結(jié)構(gòu)來加以克服，使得各層的溫度下降到在燈的整個(gè)壽命中都可保持它們的光學(xué)特性的水平上。
此外，還可能通過混合兩種或多種已知的涂層材料的方法創(chuàng)造出具有最佳光學(xué)特性的材料。用于濾波器的這樣的材料和浸涂方法可分別從US-PS 4,940,636和Kstlin等人的下述文章中得知“Optricalfilters on linear halogen-lamps prepared by dip-coating”inthe Journal of Non-Crystalline Solids 218，1997，pp.347-353，它們已被當(dāng)作參考包含在本公開中。特別是TiO2和Ta2O5的混合物直到大約1000℃都具有良好的熱穩(wěn)定性，這個(gè)溫度一般對(duì)于UHP燈來說已是足夠的了。但是，因?yàn)樵谙喈?dāng)小的橢球形UHP燈的情形中浸涂可引起一些問題，所以濺射通常就成為優(yōu)選的涂層方法。
除了上述的材料和材料的混合物以外，還存在大量的可使用的和可由實(shí)驗(yàn)確定的別的材料和這些材料的混合物。
按照本發(fā)明所述的照明單元特別適合用于投影系統(tǒng)，例如顯示器。
權(quán)利要求
1.一種照明單元，具有一光源，一主反射器和一在主反射器對(duì)面的具有一孔徑的后反射器，通過這孔徑將光源來的光反射到該主反射器上，其特征在于該光源(24)的中心和該后反射器(3)被彼此相對(duì)定位或成形，使得包含在該光源中心和該后反射器(3)的孔徑邊緣之間的第一扇形角(L2-L2’)小于180°。
2.按照權(quán)利要求1所述的照明單元，其特征在于該光源(24)和該后反射器(3)被彼此這樣相對(duì)定位或成形，使得該光源位于由該后反射器(3)孔徑邊緣所限定的平面之外。
3.按照權(quán)利要求1所述的照明單元，其特征在于該后反射器(3)是淀積在一球形表面上，而且該第一扇形角具有的值至少近似為140°。
4.按照權(quán)利要求1所述的照明單元，其特征在于包含在光源(24)和該主反射器(1)孔徑邊緣之間的第二扇形角(L3-L3’)具有的值大于或等于360°和該后反射器(3)的第一扇形角的值之差。
5.按照權(quán)利要求1所述的照明單元，其特征在于該主反射器(1)的直徑d和焦距f之間的比率滿足條件d＞4f。
6.按照權(quán)利要求1所述的照明單元，其特征在于光源包含一弧長近似小于2mm的高壓氣體放電燈，其放電氣體包括稀有氣體如氬、高壓下的水銀、其密度大約0.001和大約10μmole/cm3之間的溴、以及氧，同時(shí)該后反射器(3)包含一淀積在該氣體放電燈的玻璃泡(2)上的反射涂層。
7.按照權(quán)利要求6所述的照明單元，其特征在于該后反射器(3)孔徑邊緣的形狀就是該主反射器(1)的邊緣在光源(24)方向到該氣體放電燈的玻璃泡(2)上的投影。
8.按照權(quán)利要求6所述的照明單元，其特征在于該氣體放電空間(21)基本上具有一橢球形，其壁的截面(210，211，212，213)的傾斜角具有的值在大約0.3和大約0.8之間。
9.按照權(quán)利要求6所述的照明單元，其特征在于在圍繞氣體放電空間的區(qū)域內(nèi)的玻璃泡(2)具有的外徑比沒有后反射器的玻璃泡的外徑近似地大5-15％，以便防止特別由后反射器(3)所引起的該玻璃泡(2)溫度的增高。
10.按照權(quán)利要求6所述的照明單元，其特征在于構(gòu)成該后反射器(3)的涂層是二色性反射。
11.按照權(quán)利要求10所述的照明單元，其特征在于該涂層是由一干涉濾波器形成的，它包括具有低折射率的第一材料和具有高折射率的第二材料。
12.按照權(quán)利要求11所述的照明單元，其特征在于該第一材料是SiO2。
13.按照權(quán)利要求11所述的照明單元，其特征在于該第二材料是TiO2和/或ZrO2和/或Ta2O5。
14.一種投影系統(tǒng)，具有按照前述任一權(quán)利要求所述的，至少一個(gè)照明單元。
全文摘要
本發(fā)明描述了一照明單元，它具有一光源(24)，特別是一高強(qiáng)度放電燈或超高性能燈、一主反射器(1)和一在主反射器對(duì)面具有一孔徑的后反射器(3)，來自光源的光通過這孔徑被反射到該主反射器上。該照明單元的特征特別在于該光源(24)的中心和后反射器(3)彼此相對(duì)定位或成形，使得包含在該光源中心和該后反射器(3)的孔徑邊緣之間的第一扇形角(L2，L2’)小于180°。憑此，光發(fā)射的效率可有顯著地增加。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例與后反射器(3)和氣體放電空間的內(nèi)壁的各種形狀，以及圍繞氣體放電空間的玻璃泡部分的形狀有關(guān)，在這里這些中間的每個(gè)都可使光輸出進(jìn)一步增大。
文檔編號(hào)G03B21/14GK1571902SQ02820543
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2002年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月17日
發(fā)明者H·莫恩希, A·里茨 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司