CN101057529A - 高压放电灯发光装置 - Google Patents

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CN101057529A CNA2005800386148A CN200580038614A CN101057529A CN 101057529 A CN101057529 A CN 101057529A CN A2005800386148 A CNA2005800386148 A CN A2005800386148A CN 200580038614 A CN200580038614 A CN 200580038614A CN 101057529 A CN101057529 A CN 101057529A
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Abstract

本发明的高压放电灯发光装置包括：发光电路，用于提供交流电流至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并布置有一对电极，并且每个电极在其尖端处具有突起。交流电流的频率独立于操作数据变化，所述操作数据随着高压放电灯所经历的发光时间而变化。

Description

高压放电灯发光装置
技术领域
本发明涉及高压放电灯发光装置、高压放电灯设备、投影仪类型的图像显示装置以及高压放电灯发光方法，具体涉及使得电流流进高压放电灯而导致发光的高压放电灯发光装置。
背景技术
在高压放电灯中，用作诸如液晶投影仪等的投影仪类型图像显示装置中的光源的高压水银灯在最近这些年来已经引起很大关注(参见日本专利申请公开号No.H4-303592)。
通常，高压水银灯具有布置在电弧管(arc tube)内部的一对相对的电极，所述电弧管密封卤素材料、惰性气体以及水银。高压放电灯发光装置将预定的高压脉冲施加到高压放电灯，使得电极之间的电介质击穿，随后导致预定频率的交流电流流动，从而使得电灯发光。
这种高压水银灯的寿命是在2000小时到3000小时的数量级。
过去液晶投影仪主要用在学校教室、会议室等之中，但是最近这些年来已经越来越受到普通家庭的喜爱。
液晶投影仪所使用的光源实质上是点光源，即是在电极之间的短间隙中产生放电来产生光。从而，图像稳定性强烈地受到放电稳定性的影响。出于上述原因，为了保证放电灯中的放电稳定性，诸如下面描述的结构和方法的电灯结构和发光方法已经使用一段时间了。
目前在液晶投影仪中使用的高压水银灯通常除了水银之外还包括作为密封材料之一的卤素材料。这是由于所密封的卤素材料的卤素循环防止了在发光期间由于电极成分钨蒸发导致的电灯变黑情况的出现。在防止电灯变黑方面，该卤素循环操作是非常有效的。然而，随着循环的继续，经由所述循环而传递到电极尖端的钨聚集在其上，形成突起。可以通过改变所提供的交流电流的频率来控制这种突起的生长，在日本专利申请公开号No.2001-312997以及日本专利申请公开号No.2003-338394中公开了这样的方法。使用这样的方法，当电灯被调度时，通过形成适当的突起来缩短电极之间的距离而产生点光源从而实现明度(luminance)的稳定。
另外，在寿命的第一个100到500小时或者附近期间，所述突起的生长可以通过改变所提供的AC电流的频率而得到抑止，这样的方法在日本专利申请公开号No.2003-338394中已经公开。使用这样的方法，可以抑止寿命的第一个100到500小时或者附近中所产生突起的过度生长，实现了强度的稳定。所述方法涉及检测放电电压，使用该电压的变化作为参考，执行反馈控制以恢复所述电极的尖端。
发明内容
然而，在最近这些年，已经出现新的问题，这是由于液晶投影仪显示器的应用范围延伸到包括能够宽屏显示和显示电视画面的家庭影院系统。主要用在学校教室和会议室的投影仪通常显示静止的图像，每天最多使用几个小时。另一方面，用作电视显示器或者家庭影院的投影仪通常显示运动的画面。此外，这样的投影仪是连续的使用。因此，可以假定，使用时间段不可比拟地比前一种技术中的使用时间段更长。此外，对于显示在家庭影院系统上的图像和电视画面来讲，对于亮度(brightness)、彩色再现等的微妙变化的要求比显示在计算机屏幕上的图像的要求要严格一些。因此需要电灯的长期稳定性。从而，主要用在学校教室和会议室中的投影仪的2000到3000小时的寿命是不够的，需要的寿命比前述电灯的寿命长若干倍。另外，对于该较长寿命的持续时间来说，需要彩色再现、亮度等非常稳定。
然而，这种先前可利用的发光方法在诸如能够实现电视屏幕和大屏幕的家庭影院系统的装置中的应用不能获得长寿命(例如6000小时)和稳定的彩色再现以及亮度。对于这些情况原因的分析揭示如下。在电极尖端处的突起生长在发光的初始阶段很明显，但是随后，在发光的2000小时和3000小时之间的阶段该突起并不是进一步的生长而是出现缓慢的尺寸减小，并且所述电极之间的间隙变宽。由于这样的原因，放电区域逐渐扩展并且光学装置的强度降低。在先前电灯的电灯发光方法中，这种情况是通过检测放电电压和改变所提供交流电流的频率来控制的，但是在该过程中放电电压的变化较慢，所以这样的控制方法不是很有效。此外，由于电灯的电特性随着它的驱动时间段的进展变化缓慢，因此用于控制突起生长和缩小的最佳条件是变化的。出于这样的原因，在电灯驱动开始之后的2000和3000小时之间的期间，通过用于保持相同的驱动频率条件控制方法很难完全保持电极的初始形式。
此外，对于诸如彩色再现和显示图像亮度的微妙变化的性质，存在稳定性的问题。如前面指出的，在诸如能够显现电视画面和大屏幕的家庭影院系统的显示器中，需要长期的稳定性。对于该问题的分析表明保持稳定性的关键是保持电极尖端的形状。从光源发射的中心点位于电灯电极间隙中。投影仪的亮度和彩色再现受到发射中心点的尺寸的影响，由于相同点与光学系统的光轴的关系，从而所述相同点的位置是重要的。因而，如果保持了电极的形状，则有可能保持诸如图像彩色再现和亮度中微妙变化的性质的稳定性。
本发明的目标在于提供一种高压放电灯发光装置、高压放电灯设备、投影仪类型的图像显示设备以及高压放电灯发光方法，所有这些都能提高由强度的特定下降之前的时间段所确定的寿命，并能够保持诸如彩色再现、亮度等的微妙变化的相关性质在寿命期间的稳定性。
为了实现这个目标，本发明的高压放电灯发光装置包括：发光电路，用于提供交流电流至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端处的突起；频率控制单元，用于独立于操作数据改变交流电流的频率，所述操作数据随着高压放电灯所经历的发光时间而变化。
此处所述“突起”用来指在高压放电灯制造过程中，特别是在制造过程中的老化过程期间，以及在最终产品的初始发光期间所形成的部分(发光的第一个100小时或者更小)。此外，“随着所经历的发光时间变化的操作数据”用来指随着高压放电灯所经历的发光时间变化的可测量操作数据。这样的数据包括高压放电灯电压值、电流值、光学装置的明度值、电极间隙距离(电弧长度)以及电弧管的温度(特别是作为工作温度的电弧管上部的温度)。
此处，所述频率控制单元可以在预定周期期间以规则或者不规则方式独立于操作数据改变频率，并且可以连续地或者间歇地重复所述预定周期。
此处，所述频率控制单元可以在预定周期期间连续改变频率。
此处，所述频率控制单元可以在预定周期期间在两个或者更多的值之间间歇地切换频率。
此处，所述预定周期可以包括期间频率连续变化的一个或者更多可变周期，以及期间频率固定的一个或者更多固定周期。
此处，所述频率控制单元可以使可变周期和固定周期轮流更替，在可变周期期间独立于操作数据连续改变频率，在固定周期期间固定频率。
此处，所述频率控制单元可以在两个或者更多的不同值之间间歇地切换频率。
此处，所述频率控制单元可以以规则或者不规则的方式独立于操作数据不断地改变频率。
此处，所述频率可以在预定最大频率以及至少为70Hz的预定最小频率之间变化。
本发明还包括高压放电灯设备，包括：具有电弧管的高压放电灯，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；以及高压电灯发光装置。
此外，本发明还包括具有高压放电灯设备的投影仪类型的图像显示设备。
此外，本发明还包括高压放电灯发光装置，包括：发光电路，用于将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；以及频率控制单元，用于在预定周期期间以规则或者不规则的方式改变交流电流的频率，并且连续地或者间歇地重复所述预定周期。
此处，所述频率控制单元可以在预定周期期间连续地改变频率。
此处，所述频率控制单元可以在预定周期期间在两个或者更多的值之间间歇地切换频率。
此处，所述预定周期可以包括期间频率连续改变的一个或者更多可变周期，以及期间频率固定的一个或者更多固定周期。
本发明还包括高压放电灯发光装置，包括：发光电路，用于将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；以及频率控制单元，用于使可变周期和固定周期轮流更替，所述频率控制单元在可变周期内根据预定的规则连续改变交流电流的频率并在固定周期内固定所述频率。
此外，本发明还包括高压放电灯发光装置，包括：发光电路，所述发光电路用于将交流电流提供到高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；以及频率控制单元，用于根据预定的规则不断地改变交流电流的频率。
此外，本发明还包括高压放电灯发光方法，包括：发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；以及频率控制步骤，独立于操作数据改变交流电流的频率，所述操作数据随着高压放电灯所经历的发光时间而改变。
此处，在所述频率控制步骤中，在预定周期期间可以以规则或者不规则方式独立于操作数据改变所述频率，并且可以连续地或者间歇地重复所述预定周期。
此处，在所述频率控制步骤中，可变周期和固定周期可以轮流更替，所述频率在可变周期期间独立于操作数据连续地改变，而在固定周期期间固定。
此处，在所述频率控制步骤中，所述频率可以在两个或者更多的不同值之间间歇地切换。
此处，在频率控制步骤中，所述频率可以以规则或者不规则的方式独立于操作数据改变。
本发明还包括高压放电灯发光方法，包括：发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和频率控制步骤，在预定周期期间以规则或者不规则的方式改变交流电流的频率，并且连续地或者间歇地重复所述预定周期。
另外，本发明还包括高压放电灯发光方法，包括：发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和频率控制步骤，使得在可变周期和固定周期轮流更替，所述频率控制单元在可变周期内根据预定的规则连续改变交流电流的频率并在恒定周期内固定所述频率。
此外，本发明包括高压放电灯发光方法，包括：发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和频率控制步骤，根据预定的规则不断地改变交流电流的频率。
根据本发明，有可能提供高压放电灯发光装置、高压电灯装置、投影仪类型的图像显示装置以及高压放电灯发光方法，所有这些都能提高由明度特定程度下降之前的时间段所确定的寿命，并能够保持诸如彩色再现、亮度的微妙变化的性质在寿命期间的稳定性。
另外，抑制了在恒定发光期间因电极尖端突起的形状变化而引起的明度改变，使得可以实现前面无法达到的3000小时或者更长的寿命。因而，寿命受到其它因素的限制，诸如因电灯外壳管的模糊而引起的透明度下降或者因电灯外壳管变型而引起的透明度下降。
附图说明
图1示出了高压水银灯100的总体结构；
图2为具有剖开断面的示意图，示出了其中使用了高压水银灯100的电灯单元200的结构；
图3示出了发光装置300的结构的方框图；
图4A示出了从使用传统方法的发光测试中得到的累积发光时间与明度保持比之间的关系曲线图；图4B示出了从使用传统方法的发光测试中得到的累积发光时间与电灯电压之间的关系曲线图；
图5A-5C示出了采用170Hz固定频率的现有技术电灯中电极突起随时间改变的概括图；图5A示出了发光开始之前的电极突起的形状；图5B示出了寿命初始阶段的电极突起的形状；图5C示出了寿命的中间和后面阶段的电极形状；
图6包括上图和下图；上图示出了方波交流电流的波形的时间改变；下图与上图对应，并示出了方波交流电流的频率的时间改变；
图7A示出了从使用传统方法的发光测试中得到的累积发光时间与明度保持比之间的关系曲线图；图7B示出了从使用传统方法的发光测试中得到的累积发光时间与电灯电压之间的关系曲线图；
图8示出了从发光测试中得到的明度转变结果的表格；
图9示出了从发光测试中得到的电压转变结果的表格；
图10示出了液晶投影仪结构的方框图；
图11示出了变型实例的方波交流电流的波形的时间改变；
图12示出了变型实例的方波交流电流的波形的时间改变；
图13示出了变型实例的方波交流电流的波形的时间改变；
图14示出了变型实例的方波交流电流的波形的时间改变；
图15示出了变型实例的方波交流电流的波形的时间改变；
图16示出了用于变型实例的发光装置301的结构的方框图；
图17示出了变型实例的方波交流电流的频率的时间改变；
图18示出了变型实例的方波交流电流的频率的时间改变；
图19示出了变型实例的方波交流电流的频率的时间改变；和
图20示出了变型实例的方波交流电流的频率的时间改变。
具体实施方式
第一实施例
下面参考附图详细描述了本发明的实施例。
1.高压水银灯的结构
作为高压放电灯的一个实例，下面将描述高压水银灯的结构。
图1示出了具有130W额定功率的高压水银灯100(下文中称作“电灯”)的总体结构。
如图1所示，电弧管101具有由石英玻璃制成的外壳，并包括发光部分101a和提供在发光部分101a端部的密封部分101b和101c。
发光部分101a具有基本球形的形状，并将作为发光材料的水银109、惰性气体(诸如氩(Ar)、氪(kr)、氙(Xe)等)以及用于辅助启动的卤素材料(诸如碘(I)和溴化物(Br)等)密封在内部放电空间108中(光发射空间)。此外，在发光部分101a内部，一对钨(W)电极102和103基本彼此相对布置。
在电弧管101中密封的水银109的量设定在每单位容积150mg/cm3至650mg/cm3且包括150mg/cm3和650mg/cm3的范围内，当电灯冷却时，惰性气体的压力设定在0.01MPa至1MPa且包括0.01MPa和1MPa的范围内。
卤素材料具有返回(return)钨的功能，在公知为卤素循环的过程中将电灯100操作时因高温导致从电极102和103蒸发的钨返回至电极102和103。为了使所述循环有效地发挥作用，期望的是密封的溴化物的量在1*10-10mol/cm3至1*10-4mol/cm3且包括1*10-10mol/cm3和1*10-4mol/cm3的范围内，优选的是，在1*10-9mol/cm3至1*10-5mol/cm3且包括1*10-9mol/cm3和1*10-5mol/cm3的范围内。
电极102和103的尖端之间间隙，即电极间隙距离De，设定在0.5mm至2.0mm且包括0.5mm和2.0mm的范围内。注意，实施例的电极102和103已经具有突起124和134，所述突起在完成制造时已形成一定程度，因此电极间隙距离De是突起124和134的尖端之间的间隙。
电极102和103(102a和103b)经过钼箔片104和105电连接至外部钼引线106和107，外部钼引线106和107分别从每个密封部分101b和101c的端表面延伸至电弧管101的外部。
2.电灯单元的结构
图2为具有剖开断面的透视图，示出了部分电灯单元(高压放电灯设备)200的结构。
电灯单元200包括电灯100和用于导致电灯100发光的高压放电灯发光装置(图2中未示出)，以及作为反射器(反射材料)的凹面镜203，用于反射从电灯100发射的光。
电弧管101的一端(参见图1)具有安装至其上的基座201，电灯100经过衬垫202安装至凹面镜203内。该安装涉及以这样的方式调整部件，即，使得电弧管101长度方向的中心轴与凹面镜203的光轴基本对准，且电灯100的放电弧的位置基本上与凹面镜203的焦点一致。
经过端子204将功率提供至电灯100的基座201侧的引线107(参见图1)。经过引线205将功率提供至另一引线106，所述引线205经过孔206通向外部，所述孔穿过凹面镜203。
3.发光装置的结构
图3示出了使得电灯100发光的发光装置300的结构的方框图。
如图3所示，发光装置300(高压放电灯发光装置)包括DC电源302、DC/DC转换器304、DC/AC逆变器306、高电压发生器308、控制单元310、电流检测器312、电压检测器314和可编程振荡器316。
DC电源320包括例如整流电路，并根据家庭使用的100V AC产生直流电流。
DC/DC转换器304提供预定幅度的直流电流至DC/AC逆变器306。
DC/AC逆变器306基于从控制单元310传输的控制信号产生预定频率的方波交流电流，并将产生的方波交流电流传输至高电压发生装置308。
高电压发生器308包括例如变压器，产生高电压并将所产生的高电压施加至电灯100。
控制单元310集体控制诸如DC/DC转换器304、DC/AC逆变器306的元件。
电流检测器312检测电灯100中的电流，电压检测器314检测电灯100中的电压。
可编程振荡器316基于预定的程序产生预定频率的方波交流电流。参考该波形，控制单元310将控制信号传输给DC/AC逆变器306。
通过改变程序中的设定值可以以期望方式改变方波交流电流的频率。
当电灯100的发光开关(图3中未示出)接通时，发光装置300将高电压脉冲施加至电灯100。随后，当电灯100的电极之间发生电介质击穿并且电弧放电电流开始在其间流动时，电流检测器312将检测信号传输至控制单元310，控制单元310中的发光鉴别电路判断已经开始发光。
在判断已经开始发光之后，控制单元310执行电流控制，使电流保持在预定水平直到电压升高且电灯100达到其额定功率。然后，当电压已经达到预定值时，控制单元310切换至额定功率控制。即，控制单元310将电流检测器312检测的电流值和电压检测单元314检测的电压值的乘积与控制单元310的存储器中存储的功率标准值进行比较，并控制来自DC/DC转换器304的输出电流，从而给出预定功率。
注意，控制单元310连接至开关，用于与在外部提供至发光装置300的控制单元402(参见图10)进行通信。
4.导致本申请发明的事件序列
通过检查从使用传统技术(所述传统技术固定发光期间流动的方波交流电流的频率)的发光测试中得到的结果和通过检查用于控制电极尖端突起的传统技术得出了本申请的发明，下面将按照叙述顺序对这些进行说明。
(1)当频率固定时发光测试结果的检查
发明人对于若干灯100中在发光期间流动的方波交流电流的固定频率设定了不同的值，并执行了发光测试以调查每个电灯100的明度维持比和电灯电压的时间改变。
使用配备有130W额定功率的电灯100的电灯单元200来执行这些测试，稳定状态发光期间电灯中流动的方波电流的固定频率值分别设定为85Hz、170Hz、340Hz和510Hz。
图4A和4B示出了这些测试结果的曲线图。在测试中，在每个频率处使用了5个电灯，将每组5个电灯的结果平均值绘制在曲线图中。
在图4A的曲线图中，明度维持比表示为初始发光时期明度的百分数，在初始发光时期期间明度维持比据称为100％。明度的测量是基于ANSI 1m测量(ANSI流明测量：在9个预定点处测量由光学系统投影至屏幕上的光的强度，通过根据平均强度计算光通量来评定ANSI流明值)。另外图4中的曲线图为半对数曲线图，水平轴的总发光时间用对数表示。这样做使得可以更加容易看到发光初始阶段期间的动态改变。
如图4的曲线图中所示，尽管固定频率设定为85Hz的电灯的明度在开始发光之后基本上立刻增加，但是它在发光大概20小时之后到达峰值，此后急剧下降。该明度的下降是因电极突起的过分生长和电弧管101内壁在短时间内变黑而导致的。注意，在由于变黑而造成的恶化变得显著之后，对于固定频率为85Hz的电灯的发光测试是不连续的。
固定频率设定为340Hz和510Hz的电灯的明度值在开始发光之后立刻下降，并且在100小时之后和1000小时之前已经分别降至50％的明度维持比，即寿命的标准值。
恒定频率设定为170Hz的电灯的明度在发光开始之后立刻逐渐增加，但是在发光大约20小时达到峰值之后渐渐降低，提供了大约3000小时的寿命。
在发光测试中，对固定频率为170Hz具有最长寿命的电灯的电极102和103尖端的观察揭示了电极102和103的突起124和134的尺寸改变。
图5A-5C示出了采用170Hz的传统固定频率的电灯100中电极102和103的突起124和134的时间改变的概括图。
电极102和103可以通过以下步骤得到：(i)将钨线圈123和133安装在电极轴121和131的尖端；(ii)在首先熔化和处理部分线圈以形成半球形电极尖端122和132之后，将电极轴121的尖端和121以及线圈123和133结合入电灯100之中；(iii)通过使预定频率的交流电流流动一预定时间段来操作电灯100而在电极尖端122和132上形成突起124和134(详情参见日本公开专利申请号No.2001-312997)。注意“基本球形”的部分可以用来指电极尖端。
如图5A所示，在开始发光测试之前，电极102和103的突起124和134具有适当的长度。然而，如图5B所示，在开始发光之后的第一个几十小时，即寿命的初始阶段，电极102和103的突起124和134过分生长。接着如图5C所示，在寿命的中间和后面阶段(2000至3000小时之间)，发现电极102和103的突起124和134几乎消失了。注意，图5C示出了其中突起已经完全消失的通常情况。
突起124和134过分生长以及消失的原因可以推断如下。如上所述，为实现卤素循环，在电灯100的电弧管101内部包含有卤素材料。在发光期间，当构成电极102和103的钨蒸发时，它与卤素化学结合，并利用电弧管101内部的对流将其返回成电弧等离子体，此处钨与卤素分离变为等离子体离子。已经变成等离子体离子之后，钨被吸引至以电弧斑点为中心的区域，所述电弧斑点是电场浓度最高的点并位于电极102和103的阴极相位侧电极尖端，在此处钨聚集。然后，当阴极相位侧电极已经反转为其阳极相位时，电极尖端的温度因碰撞电子而增加，因而一旦再次蒸发，钨就在阴极相位期间聚集在此处。
如果维持了聚集和蒸发之间的平衡，那么电极102和103的尖端处的突起124和134就既不会生成也不会消失，它们可以保持在适当的尺寸。由此可见，如果无法维持平衡，那么电极102和103尖端处的突起124和134的尺寸将会改变。
考虑到的是，突起124和134在寿命的初始阶段过分生长，这是由于大量的钨聚集在形成电弧起始点的突起124和134的部分处。
由于突起124和134过分生长导致电极间隙距离De的缩短，电灯100朝着成为点光源的方向相应移动，与凹面镜203结合，电灯100的聚光效率提高，因此明度增加。
在使用170Hz固定频率的电灯的发光测试(参见图4A)中，由于电极间隙距离缩短，因而明度一直提高直到在开始发光之后将近20小时。
注意，由于电灯执行维持额定功率的功率控制，因此当电极间隙距离缩短时，电流值增加而电压值下降。因此，在发光测试中，由于电极间隙距离在开始发光之后大约20小时电极间隙距离变短，因此在该时间段内电压值特别低。
随后，在寿命的中间和后面阶段，开始电极102和103的再结晶，并且由于电极102和103的成分发生改变，因此蒸发的钨返回电极102和103的尖端变得更加困难。因此，突起124和134缩短并且最终消失。此外，由于在突起124和134已经消失后钨继续从电极尖端122和132蒸发，因此电极尖端122和132逐渐被侵蚀。
由于突起124和134的消失导致了电极间隙距离De的变长(电弧长度增加)，电灯100逐渐移动远离理想的点光源，与反射镜203结合，电灯100的聚光效率下降，因而明度下降。
在固定频率为170Hz的电灯的发光测试(参见图4A)中，在寿命的中间和后面阶段中明度的单调下降是由电极102和103的尖端侵蚀以及电极间隙距离变长导致的。
(2)控制电极尖端突起的检查方法
用于控制电极尖端突起的现有技术方法具有如下问题。
首先，在日本公开专利申请号No.2001-312997中公开了一种通过选择将被提供的交流电流的固定频率有意在制造阶段促进突起生长的方法。在该方法中，经过形成适当的突起来缩短电极间隙距离从而形成点光源来实现发光期间的稳定明度。为了提供更高的电灯明度，目前使用的高压水银灯被设计成通过卤素循环以及通过形成这些突起来积极支持电极突起的生长，从而使电弧放电集中。
此外，在日本公开专利申请号No.2003-338394中公开了这样一种方法，所述方法通过改变所提供的交流电流的固定频率使得突起的生长在寿命的初始阶段得到抑制，所述寿命的初始阶段在大约100至500小时。根据该方法，就可能抑制寿命初始阶段突起的过分产生，使得可以实现稳定的明度，所述寿命的初始阶段在大约100至500小时，因此该方法已经用来解决这类问题。
由于这个在寿命期间的突起控制的方法涉及检测电灯正常驱动期间的放电电压，因此，在放电电压没有波动的情况下，不开始频率改变。因此，使用这种方法，仅仅在电灯的电极尖端的状态已经从初始使用状态改变时才开始频率改变控制。
换言之，这是一种依赖于突起的形状已经改变之后的恢复控制的方法，通过所述方法可以在突起已经过分生长之后以这样一种方式实施频率改变控制，即，使得已经生长的突起蒸发，使电极恢复至其原始状态。
该方法存在的问题之一在于，很难有效控制电极突起的尺寸随驱动时间缓慢减小的过程。在现有技术的方法中，该过程的控制基于随时间改变的电灯操作数据值来执行，诸如电灯电压。然而，如果检测到的操作数据慢慢改变，那么就很难有效地控制该过程。另外，由于电灯的电学性质随着经历的驱动时间而渐渐发生改变，因此控制突起的生长和减小的最优条件也发生改变。因此，为了控制目的在初始阶段已经设置的驱动频率、控制周期以及其它控制条件有时偏离了最优条件。因而，就产生了问题，即利用所述突起控制的方法不能在寿命期间有效地控制突起。
在本发明中，为了处理这个问题，不断地改变提供至电灯的交流电流的频率，而无需参考随经历的电灯发光时间而改变的电灯操作数据值，因此电极突起的形状稳定在它们的制造形状，使得寿命被延长。
根据实验清楚的是，有利于电极尖端突起的生长和消失的最优条件根据诸如电灯设计条件以及累积发光时间(当发生稳定状态发光时)的因素而发生改变。鉴于此，尝试了其中不断地改变可操作频率的实验，结果发现以这种方式改变频率具有维持电极初始形状的效果。
5.实施例的照明方法
图6示出了实施例的电灯发光装置所产生的方波交流电流。上图示出了方波交流电流随时间的改变；下图与上图对应且示出了方波交流电流的频率随时间的改变。
在实施例中，在稳定状态发光期间，方波交流电流频率分别逐步切换至每个340Hz、255Hz、170Hz、128Hz和85Hz，所述切换在每个方波循环后进行。
当频率逐步从最大频率340Hz减小至最小频率85Hz时，它再次逐步增加至340Hz，并重复该频率切换。
如图6所示，重复的频率切换循环称作可变循环。在发光期间，周期性地重复可变循环中的频率切换。注意，该可变循环具有大约50.0ms的周期。
执行与上述的类似但是利用了本发明的电灯发光方法的明度测试。
图7A和7B示出了这些测试结果的曲线图。在同一图形中示出了现有技术的170Hz固定频率方法的曲线，以方便比较。
如图7A的曲线图所示，在寿命的初始阶段使用实施例的可变方法，没有出现使用固定频率方法可以看到的那种明度增加，并且从发光开始直到100小时标记，明度基本保持恒定。在电灯中，在寿命期间通常需要恒定的明度，使用可变方法就可能实现比现有技术大得多的寿命期间明度的稳定性。
另外，可以看出，使用可变方法，在寿命的中间和后面阶段明度降低比现有技术更加缓和，并且可以实现大于6000小时的延长寿命。
可以想到的是，以这种方式使用本发明的发光方法可以延长寿命，这是因为通过保持上述聚集和蒸发之间的平衡，与现有技术相比就可能将电极102和103尖端处的突起124和134的形状维持在首次使用的初始状态更长一段时间。
图8和图9分别示出了从上述发光测试得到的明度转变和电压转变的表格；
频率切换
(1)在该实施例中，频率没有直接在340Hz和85Hz之间改变。在340Hz和85Hz之间有255Hz、170Hz和128Hz三个频率，所述频率逐步改变，分别取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz和85Hz。使用这种方法是因为如果频率突然改变，则方波有时会因发光电路的性质而失真。通过以这样的方式逐步改变频率，就可能抑制方波的失真。
(2)在该实施例中，频率在340Hz和85H之间改变，横跨了在固定频率中提供了最长寿命的170Hz频率。可以想到，在横跨170Hz(寿命方面的最优值)值之间改变频率使得能够比现有技术更好的维持聚集和蒸发之间的平衡，从而使得电灯的寿命被可靠地延长。此处“寿命方面的最优值”是指，在寿命的第一部分可以得到毫无使用问题的光通量，并且此外对于延长的时间段，光通量维持因子并未下降。
在稳定状态电灯发光期间应当选择哪种模式来改变方波交流电流的频率将根据电灯的组成而改变(电弧管的容积，管内包含的材料成分，电极间隙距离等)，并且可以通过实验来确定适合的模式。
(3)频率改变的下限
当电灯100正被驱动进行稳定状态发光时，能够使用几Hz的最小频率。然而，如果发光装置和投影仪显示屏幕闪烁的最小频率为50Hz或者60Hz，即商业上提供的交流电流的频率，则显示屏幕将看起来是闪烁的。为了避免这种不期望的状态，必须避开商业频率，要这样做就需要60Hz或者更高的最小频率。实验表明，当频率设定为商业频率之上10Hz时，这种闪烁减小到不再容易看见的程度。因此，当必须考虑相对于当前最大商业使用频率的余量时，可以选择70Hz或者更高的频率作为安全频率。注意已经证实的是，在这些频率处电极尖端的突起将会生长。
(4)频率改变的上限
已经证实的是，当在130W驱动130W的电灯100时，在300Hz、400Hz、500Hz和550Hz中每个固定频率处，稳定状态驱动均是可能的。对于其它电学条件也进行了实验，结果发现300Hz至500Hz之间且包括300Hz和500Hz的任何频率均可用作最大固定频率。此外，当将个别电灯中的改变考虑在内时，稳定状态驱动的最大频率可能也落在300Hz至500Hz且包括300Hz和500Hz的范围。此时，同样对电灯的电极突起进行评估。使用该固定频率的范围，电灯的电极突起不是生长，而是相反看起来尺寸趋向于减小。这一点通过电灯放电电压数据得到证实。换言之，在这些频率处，电极尖端处所产生的突起的生长最小，或者电极间隙距离增加。
(5)期望的是，将被改变的频率的最大频率是最小频率的至少3倍。这是因为，认为如果在最大和最小频率之间建立了接近于该幅度的差值，那么就很容易适当地维持电极间隙距离。
(6)在实施例中，频率在340Hz、170Hz和85Hz的三个频率中切换，但是它可以改为仅仅在两个频率之间切换。当这种情况时，为了超过现有技术延长适当地维持电极间隙距离的时间段，期望的是将两个频率中的较高者设置为在寿命的初始阶段电极尖端生长的频率，而将两个频率中的较低者设置为在寿命的初始阶段电极尖端尺寸减小的频率。
6.图像显示装置
属于本发明且包括电灯发光装置300的电灯单元200可以应用在投影仪类型的图像显示装置中。
图10示出了使用上述电灯单元200的液晶投影仪400的结构示意图，所述液晶投影仪是这种投影仪类型的图像显示装置的一个实例。
如图10所示，透射型液晶投影仪400包括电源单元401、控制单元402、聚光器透镜403、透射型彩色液晶显示面板404、包含有驱动马达的透镜单元405以及用于冷却目的的风扇装置406。
电源单元401将商业使用的AC输入(100V)变换成预定的DC电压，并将所述DC电压提供至控制单元402。
控制单元402驱动彩色液晶显示面板404，使其基于从外部输入的图像信号显示彩色图像。另外，控制单元402控制透镜单元405内部的驱动马达，使得透镜单元405执行聚焦操作和变焦操作。
从电灯单元200辐射的光通过聚光器透镜403会聚，并经过放置在光路中的彩色液晶显示面板404传输，因此形成在液晶显示面板上的图像经过透镜单元405并投射到屏幕(图10中未示出)上。
使用比现有技术寿命更长且包括本发明的高压水银灯和发光装置的电灯单元使得可以提供具有极大经济价值的液晶投影仪。
注意包括本发明的电灯发光装置300的电灯单元200可以应用在其它投影仪类型的图像显示装置中，诸如使用DMP(数字微镜装置)的DLP(已注册商标)型投影仪、使用其它反射类型的液晶部件的液晶投影仪等。
7.变型
尽管在上面已经对实施例进行了描述，但是本发明并不受到上述实施例的限制，只要不背离本发明的范围就可能提供适当的变型。
(1)可以想到用于切换方波交流电流频率的模式的各种变型。图11至图15示出了这些变型的实例。这些图均采用与图6的上图相同的方式示出所述模式。
图11的切换模式与第一实施例的切换模式类似之处在于，当频率已经逐步从最大频率降低至最小频率时，它再次逐步增加至最大频率，但不同之处在于，频率每方波半周期切换一次。例如，在一个可变循环中，频率将每方波半周期切换一次，依次取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz、85Hz、128Hz、170Hz和255Hz。
在图12的切换模式中，一个可变循环是频率逐步从最大值频率切换至最小值频率的周期，每整个方波周期进行一次切换步骤。例如在一个可变循环中，频率将每个整方波周期切换一次，依次取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz和85Hz。
在图13的切换模式中，频率从最大值频率切换至最小值频率，每方波半周期进行一次切换步骤。例如在一个可变循环中，频率将每方波半周期切换一次，依次取值340Hz、255Hz、170Hz、128Hz、85Hz、128Hz、170Hz和255Hz。
在图14的切换模式中，一个可变循环是频率以规则间隔进行切换并依次切换至频率固定周期a、b和c的三个频率的周期。例如固定周期a的固定频率可以是340Hz，固定周期b的固定频率可以是170Hz，固定周期c的固定频率可以是85Hz。
在图15的切换模式中，一个可变循环是频率固定的固定周期和频率改变的可变周期轮流更替的周期。例如一个可变循环可以由两个周期构成，第一个为固定频率为340Hz的固定周期，第二个为期间执行类似于图12所示可变周期的频率切换的可变周期。
(2)在实施例中，频率间歇地改变，但是连续改变频率也是可以接受的。
下面描述实现频率连续改变的发光装置。图16示出了变型实例的发光装置301的结构方框图。由于图16所示的发光装置301具有与实施例(图3)的发光装置300基本相同的结构，因此下面的描述集中在那些不相同的方面。
振荡器318产生调制信号，振荡器320产生正在调制的信号。
频率确定电路316使用正在调制信号对调制信号进行调制，并产生已调制方波。
控制单元310参考方波并将预定控制信号传输至DC/AC逆变器306。
采用这种发光装置301，使用简单电路结构可以不断地改变供给电灯的方波交流电流的频率，并且可能精确控制该频率改变。
注意，可以使用公知的频率调制电路之一来代替频率确定电路316以及振荡器318和320。
(3)对于频率改变可以想出各种其他变型实例。在图17至图20中示出了这些变型实例。图17至图20的曲线图将时间(t)绘制在水平轴上，将频率(f)绘制在竖直轴上，指示时间随频率的改变。
(A)规则改变和不规则改变
可以规则地改变频率，即根据某一预定的规则改变，或者不规则地改变。图17的曲线图以概念的方式示出了规则改变和不规则改变。如图17所示，周期A1内的频率改变是规则的，而周期A2内的频率改变是不规则的。注意虽然周期A2内的频率改变是不规则的，但限定了最大值频率(fmax)和最小值频率(fmin)，频率在两者之间改变。
(B)间歇改变和连续改变
可以间歇地改变频率，或者连续改变频率，即不断地改变。图18A和18B的曲线图以概念的方式示出了间歇改变和连续改变。
在图18A的曲线图中，频率改变的预定周期之后是固定频率的周期，随后接着是其间散置有另一些固定频率周期的另一些频率改变的预定周期。
另一方面，在图18B的曲线图中，频率连续改变。
(C)间歇和连续改变的结合
上面(B)中描述的间歇改变和连续改变的周期可以结合。例如如图19所示，间歇改变的周期和连续改变的周期可以轮流更替。
(D)固定频率周期和改变频率周期的组合
尽管在图中没有特别示出，但是包括一个或多个连续频率改变周期和一个或多个固定频率周期的周期可以形成一个循环，并且该循环可以重复。例如，连续改变的周期和随后固定频率的周期可以组合并看作单个循环，并且该循环可以重复。
(E)不规则重复
如图20所示，可以建立连续改变的周期和固定频率的周期，并且可以不规则地重复这两个周期。也就是说，两个周期中的哪个周期将跟随给定周期不是按照预定的顺序，而是可以不进行规定。
(F)与依赖于操作数据(诸如放电电压数据)的频率改变的结合
在上面(A)至(E)的描述中，已经描述了不依赖于操作数据的频率改变周期和固定频率周期的结合。然而，还可以接受的是，使用期间频率根据操作数据而改变的周期来代替固定频率的周期。
(4)通过应用本发明的发光方法和在稳定状态发光期间改变发光功率的发光方法的结合，就可能进一步抑制由于模糊、变形等造成的电灯电弧管透明度降低，使得可以实现更长的寿命。
这是因为，通过切换至低功率(例如，在额定功率的60％至95％的范围内)，可以降低发光期间电弧产生的热，并可以抑制电弧管中的模糊、变形等。
8.附加信息
尽管在实施例中，描述了包含水银作为发光材料的高压水银灯的实例，但是本发明还可以应用在其他高压放电灯中，诸如金属卤化物灯等。
工业应用
本发明的高压放电灯发光装置提供了比现有技术更长的寿命，因而可以在液晶显示装置等中应用。

Claims (25)

1.一种高压放电灯发光装置，包括：
发光电路，用于将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并布置有一对电极，并且每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制单元，用于独立于操作数据改变交流电流的频率，所述操作数据随着高压放电灯所经历的发光时间而改变。
2.根据权利要求1所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元在预定周期期间以规则或者不规则方式独立于操作数据改变频率，并且连续地或者间歇地重复所述预定周期。
3.根据权利要求2所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元在预定周期期间连续改变频率。
4.根据权利要求2所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元在预定周期期间在两个或者更多的值之间间歇地切换频率。
5.根据权利要求2所述的高压放电灯发光装置，其中
所述预定周期包括期间频率连续改变的一个或者更多可变周期以及期间频率固定的一个或者更多固定周期。
6.根据权利要求1所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元使可变周期和固定周期轮流更替，在可变周期期间独立于操作数据连续改变频率，在固定周期期间固定频率。
7.根据权利要求1所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元在两个或者更多不同的值之间间歇地切换频率。
8.根据权利要求1所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元以规则或者不规则的方式独立于操作数据不断地改变频率。
9.根据权利要求1所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率在预定最大频率以及至少为70Hz的预定最小频率之间变化。
10.一种高压放电灯设备，包括：
具有电弧管的高压放电灯，在所述电弧管中密封有卤素材料并布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
根据权利要求1所述的高压灯发光装置。
11.一种投影仪类型的图像显示设备，包括：
根据权利要求10所述的高压放电灯设备。
12.一种高压放电灯发光装置，包括：
发光电路，用于将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制单元，用于在预定周期期间以规则或者不规则的方式改变交流电流的频率，并且连续地或者间歇地重复所述预定周期。
13.根据权利要求12所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元在预定周期期间连续地改变频率。
14.根据权利要求12所述的高压放电灯发光装置，其中
所述频率控制单元在预定周期期间在两个或者更多的值之间间歇地切换频率。
15.根据权利要求12所述的高压放电灯发光装置，其中
预定周期可以包括期间频率连续改变的一个或者更多可变周期，以及期间频率固定的一个或者更多固定周期。
16.一种高压放电灯发光装置，包括：
发光电路，用于将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制单元，用于使可变周期和固定周期轮流更替，所述频率控制单元在可变周期内根据预定的规则连续改变交流电流的频率并在恒定周期内固定所述频率。
17.一种高压放电灯发光装置，包括：
发光电路，所述发光电路用于将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制单元，用于根据预定的规则不断地改变交流电流的频率
18.一种高压放电灯发光方法，包括：
发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制步骤，独立于操作数据改变交流电流的频率，所述操作数据随着高压放电灯所经历的发光时间而改变。
19.根据权利要求18所述的高压放电灯发光方法，其中
在所述频率控制步骤中，在预定周期期间以规则或者不规则方式独立于操作数据改变所述频率，并且连续地或者间歇地重复所述预定周期。
20.根据权利要求18所述的高压放电灯发光方法，其中
在所述频率控制步骤中，可变周期和固定周期轮流更替，所述频率在可变周期期间独立于操作数据连续改变，而在固定周期期间固定。
21.根据权利要求18所述的高压放电灯发光方法，其中
在所述频率控制步骤中，所述频率在两个或者更多不同值之间间歇地切换。
22.根据权利要求18所述的高压放电灯发光方法，其中
在所述频率控制步骤中，所述频率以规则或者不规则的方式独立于操作数据改变。
23.一种高压放电灯发光方法，包括：
发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制步骤，在预定周期期间以规则或者不规则的方式改变交流电流的频率，并且连续地或者间歇地重复所述预定周期。
24.一种高压放电灯发光方法，包括：
发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制步骤，使得可变周期和固定周期轮流交替，所述频率控制单元在可变周期内根据预定的规则连续改变交流电流的频率并在固定周期内固定所述频率。
25.一种高压放电灯发光方法，包括：
发光步骤，将交流电流提供至高压放电灯从而导致发光，所述高压放电灯具有电弧管，在所述电弧管中密封有卤素材料并且布置有一对电极，每个电极具有位于其尖端的突起；和
频率控制步骤，根据预定的规则不断地改变交流电流的频率。
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