CN102194645A - 对通过向回反射输入到放电灯的电极中的功率的降低 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种照明单元，其带有放电灯(1)和反射器(3)，该照明单元减少通过随后的光学系统(8)向回反射到电极(2；5)中的辐射导致的附加的功率输入。为此，减少从反射器(3)的确定区域(10；11)由电极(2；5)吸收的辐射，其方式是在该区域(10；11)中不存在反射表面和/或从该区域来看减小电极的横截面和/或阻挡从该区域至电极的光传播。

Description

对通过向回反射输入到放电灯的电极中的功率的降低

技术领域

本发明涉及一种照明单元，其具有带有电极的放电灯和反射器，其中照明单元构建为使得将通过向回反射到电极中而输入的功率减小。此外，本发明涉及带有随后的光学系统的这种照明单元的应用。

背景技术

在高压放电灯中，在电流通过气体或者金属蒸气等离子体时而在封闭的放电容器中产生光。为了使得光例如可以用于在投影应用中成像，放电容器设置在反射器中，该反射器将光聚束并且输送给另一光学系统。

在此已知的是，由放电灯发射的辐射的一部分由随后的光学系统向回反射到放电灯。放电灯的电极部分地吸收该被向回反射的辐射，由此除了通过电运行而积聚的功率之外，在电极中还出现附加的功率输入。这会导致电极的强烈发热，并且温度可以高到使得出现电极的变形。由此，影响电极的功能并且由此影响放电灯的功能。最后，会导致整个照明单元的故障。

放电灯通常具有两个彼此对置地设置在反射器的光轴上的电极。尤其是为了保护朝向随后的光学系统的电极免受被向回反射的辐射的影响，随后的光学系统的光轴通常相对于反射器的光轴倾斜10°到30°的角，其中电极设置在反射器的光轴上。然而，由于被向回反射的辐射引起的功率输入始终还可以确定。

发明内容

本发明的任务是，提出一种放电灯和反射器构成的照明单元，借助该照明单元降低了通过向回反射的辐射引起的功率输入。

根据本发明，该任务通过主权利要求的特征来解决，其中该解决方案基于如下认识：由随后的光学系统向回反射的辐射会聚地存在于反射器的小的区域中，即具有提高的照射强度(单位面积的辐射功率)，其中所述光学系统带有相对于反射器的光轴倾斜的光轴。沿着基本上垂直于反射器的光轴的方向，辐射于是从该区域朝向电极偏转并且引起至电极的功率输入。

因此根据本发明，电极和反射器构成的系统设计为使得特别是减少了对通过反射器的该区域向回反射到电极中的辐射的吸收。下文中，反射器的在应用中向回反射的辐射被会聚的区域称为聚束区域，并且基本上垂直于光轴定向的方向称为入射方向，辐射于是沿着该方向朝向电极反射。其在此并不一定与光轴成90°地设置，而是也可以相对于光轴以70°到110°的角度范围，优选以80°到100°的角度范围，特别优选以85°到95°的角度范围来设置。

根据本发明，现在减少通过聚束区域输入到电极中的辐射，其方式是减少电极的吸收横截面，即沿着入射方向向回反射的辐射和在入射方向上看电极的横截面的乘积。为此：

-可以将电极非对称地构建，使得减少与入射方向垂直的平面中的横截面积，使得于是有较少的吸收面可用(权利要求3至5)；和/或

-可以减少从聚束区域沿着入射方向向回反射的辐射，其方式是在聚束区域中没有反射的表面(权利要求6至8)；和/或

-可以减少由反射表面沿着传播方向朝着电极反射的辐射，其方式是在一个区域内中断聚束区域和电极之间的光路(权利要求9)。

借助主权利要求的特征，该方案概括为，在包含光轴的截平面中，考虑通过电极的截面S与投影面P的交迭。投影面P在此是通过截平面分离的反射器的半部的反射表面沿着对于照明单元的光自由的光路至截平面的垂直投影。所述半部在此并不一定是彼此对称的，而是一般而言是两个通过截平面分离的反射器的部分。于是，聚束区域所在的或者应用可以存在于其中的半部沿着入射方向投影至截平面中。于是，典型的是，投影面P和截面S的交迭小于电极在包含电极的垂直于截平面的平面中的面积。

如果在反射器的要进行投影的半部中存在连续的反射表面(或者其中存在被投影到截面S上的区域)并且沿着入射方向的光路未被阻挡，则在截面S的整个区域中存在投影面P，使得两个面的交迭并不小于截面S。于是只有当截面S本身小于电极在垂直于截平面并且包含光轴的平面中的面积时(权利要求3至5)，才可以实现该典型的特征。

如果截面S和电极在垂直于截平面并且包含光轴的平面中的面积大小基本上相同，则当在截面S的区域中不存在投影面P时，投影面P和截面S的交迭可以仍然小于电极在垂直于截平面并且包含光轴的平面中的面积。一方面，这可以通过在反射器的相应区域中不存在要投影的表面(即没有反射表面)来实现(权利要求6至8)。

在截面S的区域中在投影面P中的凹处另一方面也可以通过如下方式实现：对于反射器的相应区域中的反射表面至截平面中的投影，至少部分没有自由的光路(权利要求9和10)。于是，辐射虽然通过聚束区域向回反射，然而在到达电极之前至少部分地被阻挡。

借助两个在最后的段落中提出的变形方案，于是减少了沿着入射方向在电极处入射的辐射，而在倒数第三段中所描述的变形方案中，电极的横截面在入射方向上看被减小。特别地也可能的是，在前面的段落中描述的措施不仅分别单独地使用，而是也可以任意组合地使用。

在此，基于从电极至反射器的典型布置，其中反射器的光轴在中央穿过电极，即例如在旋转对称的电极的情况中与旋转轴线重合。如果反射器和电极设置为使得光轴并不穿过电极或者非中央地穿过电极，则当光轴例如通过电极的对称轴线来替代时，根据本发明同样实现该方案。在电极并不旋转对称的情况下，在此例如将两个平面的交线选择为轴线，其中电极关于所述两个平面而镜面对称。

反射器的反射表面并不一定在从红外经过可见直到紫外的整个频谱范围中都是反射性的，而是尤其是也可以仅仅在部分区域中是反射性的。向回反射的辐射此外可以根据随后的光学系统也具有不同于放电灯所发射的辐射的频谱分布。在本上下文中，将自由的光路视为在优选从红外到紫外、特别优选在近红外和可见范围中的波长范围中的电磁辐射的不受阻碍的传播。与气态介质的相互作用或者与放电容器的等离子体的相互作用在本发明的意义上并不是对光传播的阻碍。

本发明的优选扩展方案在从属权利要求中说明。下文中不再具体地在用于减少功率输入的装置的描述与本发明的应用方面之间进行区分，公开内容应当理解为隐含地针对这两种类型。

在照明单元的第一实施形式中，投影面和截面S的交迭比电极在与截平面垂直的平面中的面积小至少5％，优选至少20％，特别优选至少40％，其中所述平面包含光轴。例如如果在截面S的整个区域中存在投影面P，则由此可以确定在截面S与电极在与截平面垂直的且包含光轴的平面中的面积之间的大小差别。如果另一方面例如截面S和电极在与截平面垂直的且包含光轴的平面中的面积大小相同，则可以根据特定的反射器几何结构例如导出反射表面中的凹处的伸展。

在另一扩展方案中设计了，电极具有非对称形状，使得电极在截平面中的截面S小于电极在与其垂直的平面(该平面包含光轴)中的面积。在此，非对称并不一定表示没有任何对称性的几何结构，而是首先为如下电极：该电极不能通过围绕光轴旋转任意角度而映象为其本身。带有(在光轴的方向上看)例如椭圆形横截面的电极并不具有这种旋转对称性，然而相对于至少两个平面是镜面对称的(必要时也相对于另外的垂直于光轴的平面)。然而，其他电极形状也是可能的，例如具有在光轴的方向上看矩形的并且在此优选非方形的横截面的电极。决定性的是，截面S小于电极在与截平面垂直的且包含光轴的平面中的面积。

在另一扩展方案中，在此设计了，电极在光轴的方向上看具有如下(优选椭圆形的)横截面：该横截面具有优选0.1至0.9、特别优选0.3至0.6的轴长比。截面S在此优选可以是关于光轴镜面对称的，然而并不一定关于垂直于光轴的轴线镜面对称。电极于是例如可以在一侧扁平地构建，即具有基本上垂直于光轴的面，并且此外可以在另一侧朝着光轴变细，即按照锥形的方式走向地构建。轴线在此分别是在最大的横截面伸展的方向上以及与其垂直的方向上最大的伸展。

在另一实施形式中设计了，电极具有垂直于截平面延伸的凹处。该凹处在此优选设计为使得其垂直于截平面连续地延伸，并且在此并不接触光轴。然而如果继续存在根据本发明的截面S和电极在垂直于截平面并且包括光轴的平面中的面积的关系，则也可能的是，凹处通过光轴。

在照明单元的另一实施形式中，反射器的在投影到截平面中的半部中，在一个区域中由此并不存在反射表面，使得投影面P在截面S的区域中具有凹处。通过在与聚束区域交迭的该区域中至少部分地不设置朝着电极的反射表面，可以减少通过反射器的该区域朝着电极向回反射的辐射。

在另外的扩展方案中，在反射器的该区域中没有反射表面，因为设计有吸收性的或者散射性的元件。这种元件在此例如可以安装到反射表面上，或者也可以设置在反射器上的反射表面的凹处中；并且此外也可以在反射表面的凹处中通过反射器本身来形成。吸收性的元件以及散射性的元件在此仍然可以将辐射的一部分朝向电极反射，然而该反射相对于反射表面以该顺序递增地优选减少至少20％、50％和90％。散射或者吸收在此不必一定在向回反射的辐射的整个频谱范围上进行，而是也可能在频谱的一部分中进行。

在另一实施形式中，在反射器的该区域中通过将孔设置在反射器中而不存在反射表面。在这种情况下，于是反射表面具有凹处，并且同样反射器具有凹处，该凹处的伸展优选基本上对应于反射表面的伸展。反射表面于是优选达到反射器中的孔的边缘。根据该孔的大小，向回反射的辐射可以从反射器出射，由此例如也可以减少(非反射性的)壁材料的发热。此外，在反射器中的这种孔例如可以圆形、椭圆形或者多边形地构建，其中圆形的孔可以通过钻孔来引入。孔必要时也可以被进一步地利用，其方式是例如通过该孔引导放电灯的供电装置。由于在该区域中聚集的辐射功率，在此必要时需要特别耐热的布线。

在其他扩展方案中，从反射表面沿着投影方向至电极的光路至少部分地中断。于是，在电极和反射器的反射表面之间例如可以设置散射性的或者吸收性的元件，该元件罩状地使通过反射表面向回反射的辐射至少部分地不靠近电极，使得至电极的光路部分地中断。中断的元件在此例如可以设置在放电灯的放电容器和反射器之间，或者也安置在放电容器上，例如安置在放电容器外侧。

在另一优选的扩展方案中(该扩展方案此外也与权利要求1的特征无关地视为本发明，并且应当以该形式公开)，电极具有锥形的尖端，其高度与半径的比优选为1至5，特别优选为2至4。电极于是优选实施为具有扁平的锥形尖端，该锥形尖端的外壳面具有相对于光轴超过45°、特别优选超过60°的角度。为了减小锥形尖端上的电场，在此可以设计球形的上端部分。借助这种扁平地实施的电极，可以将整个电极本体(必要时包括连接到锥体上的完整圆柱体)在沿着光轴的方向上缩短地实施。由此，可以进一步减小向回反射的辐射的输入，其中这样缩短地实施的电极也可以与所有上述措施组合。

本发明还涉及根据本发明的带有光学单元的照明单元的应用，其中光学单元的朝向反射器的光轴与反射器的光轴展开一平面，该平面垂直于截平面并且包含光轴。照明单元为此例如可以设置有截平面如何定向或者沿着哪个方向进行垂直投影的标记。此外，例如在反射器中的凹处没有标识也可以看到的情况中，也可以标识反射器中的聚束区域或者其位置。如果于是相对于反射器的光轴倾斜的光学单元的面法线以根据本发明的方式对准，则向回反射的辐射会聚到聚束区域上并且减少至电极的功率输入。

在该应用的另一扩展方案中，光学单元是滤光器。借助这种滤光器，可以将放电灯发射的辐射为了另外的应用而在频谱分布方面进行修改，例如用于在电影拍摄或者照片拍摄的情况中的照明以及在工作场地范围中的照明，以及作为内窥镜、检孔镜(Boroskop)或者吸收光谱仪的光源。为此，例如强度在紫外或者近红外中减弱或者完全被阻挡。

在另一扩展方案中，应用涉及的是，光学单元是投影设备的组成部分。光学单元、例如滤光器或者色轮于是修改放电灯所发射的光用于投影应用，借助该投影应用例如可以使图像内容和文本内容可视化。

本发明也涉及将带有电极的放电灯用于根据本发明的照明单元的应用。于是，不必一定存在放电灯和反射器构成的系统，而是放电灯本身也可以设计用于根据本发明的应用。为此，例如电极能够以上述方式非对称地构建，或者放电容器设置有屏蔽的元件。于是，灯的销售例如借助对入射方向的定向的指示来进行。这种指示在此不必明确地进行，而是也可以例如通过关于灯座至反射器或者至随后的光学系统的定向的说明来给出。

此外，本发明也涉及将带有反射表面的反射器用于根据本发明的照明单元的应用。反射器例如可以设置有孔(或者以前面所描述的方法来修改)，并且例如灯座的位置于是将电极相对于反射器的位置固定，使得满足根据本发明的特征。

附图说明

下面借助实施例进一步阐述了本发明，其中各特征也可以以其他组合而反映本发明的实质，并且隐含地涉及本发明的所有类型。

图1示出了电极、反射器和随后的光学系统的布置。

图2示出了与孔半径相关的功率输入的减少。

图3示出了与孔半径相关的所发射的光通量。

图4示出了电极的不同横截面形状。

图5示出了针对不同的横截面形状的相对于放电灯的总辐射功率的功率输入。

图6示出了电极中的不同凹处。

图7示出了对向回反射的辐射的屏蔽。

图8示出了带有扁平地实施的锥体的电极。

具体实施方式

图1示出了带有放电灯1的照明单元，该放电灯1具有电极2和反射器3。放电灯1例如可以是高压放电灯，譬如汞蒸气高压放电灯或者钠蒸气高压放电灯。电极2在此设置在反射器3的光轴4中，其中在放电灯1中，第二电极5与第一电极对置地同样设置在反射器3的光轴4上。反射器3设置有反射表面6，该反射表面将放电灯1发射的辐射聚焦到焦点7上。反射器4例如可以是被涂覆的塑料材料，或者也可以是由(必要时与表面性质相关的)反射性材料、例如金属材料制成。在反射器3的焦距内设置有随后的光学系统8，其光轴9相对于反射器3的光轴4倾斜。如果随后的光学系统8是带有朝向反射器3的平面的滤光器，则滤光器的光轴9对应于该平面的法线。

图1中的二维视图可以从三维布置中得到，其方式是观察通过两个光轴4和9形成的平面的截面。

在这种布置中，特别是通过反射表面6的区域10将随后的光学系统8向回反射的辐射输入到电极2中。根据本发明的一个扩展方案，减小了该辐射输入，其方式是在区域10中至少部分地并不设置反射表面6或者在反射表面6和反射器3中设置有孔。在此，也可以针对第二电极5以根据本发明的方式在相应的位置11处设置孔，或者也可以将单个的孔设计为使得其伸入到区域10和11中，并且此外通过在其间的区域而延伸。

图2作为仿真的结果示出了与反射器3中的孔的半径相关的、以瓦特为单位的至电极2中的功率输入。当孔以根据本发明的方式设置在反射器的使被向回反射的辐射聚束的区域中时，得到所示的功率输入的减少。

图3示出了与反射器3中的孔的半径相关的、以流明为单位的经由反射器3由放电灯发射的光通量。该图表明，光通量并且由此反射器3的光产出对于小的孔半径仅仅略微降低，然而随着增大的孔半径以所示的方式下降。例如如果在聚束区域中以根据本发明的方式设置例如具有小于1毫米的半径的孔，则至电极中的功率输入可以被明显减少(比照图2中的指数下降)，其中由放电灯通过反射器发射的光通量几乎保持不变。在孔半径为1毫米的情况下，功率输入例如减少6％，而所发射的光通量仅仅减少1％。

图4示出了沿着光轴4来看不同形状的电极2、一个圆形的和两个椭圆形的横截面。截平面15以及垂直于截平面15的并且包含光轴4的平面16垂直于图平面。在下文中，简言之基于的是，电极2通过将横截面在垂直于图平面的方向上挤出来形成，使得在左边的电极2的情况下在截平面15中以及垂直于该截平面的平面16中的面积大小相同。而中间的以及右边的电极2以根据本发明的方式修改为使得由于椭圆形的横截面，在截平面15中的截面积S小于电极2在与截平面垂直的平面16中的面积。截面积在中间的电极2情况下在此比电极2的与此垂直的平面16中的的面积小大约67％，并且在右边的电极2的情况下小大约92％。现在通过根据本发明将这种电极2对准为使得长轴指着入射方向17，可以减少通过反射器3的聚束区域向回反射并且输入电极中的辐射。

图5针对图4中所示的横截面轮廓以及对于具有其他轴长比的其他横截面轮廓示出了至电极中的仿真功率输入。随后的光学系统8的光轴9在此相对于反射器3的光轴4倾斜20％并且以根据本发明的方式在垂直于截平面15的平面16中延伸。电极的长轴于是朝着聚束区域沿着传播方向17定向。该图表明，借助为三分之一的短轴与长轴的比(比照图4中的中间电极)，已经可以将至电极中的功率输入大致减半。

图6示出了带有不同地实施的凹处18的电极2。图平面在此是截平面15，与其垂直并且包含光轴的平面16在视图中与光轴4重合。电极的凹处18在此设置为使得截面S分别小于电极在与该平面15垂直的平面16中的面积。通过根据本发明的电极2的定向，于是又可以将通过聚束区域10向回反射并且输入到电极2中的辐射减少。

图7示出了由随后的光学系统8通过反射器3的区域10或者11朝着电极2或者5的方向向回反射的辐射如何借助散射性的或者吸收性的元件19来阻挡。在该图中，这种元件设置在放电灯1和反射表面6之间，并且借助保持装置固定在反射器上(19a)，使得阻挡从区域10至电极2的光产出。同样地，从区域11至电极5的光传播被阻挡，其方式是散射性的元件19b设置在灯1的放电容器的外侧上。

图8示出了带有不同地构建的锥形尖端20的两个电极2，其中上部电极具有高度与半径的比为4的扁平锥形尖端20a，而下部电极具有高度与半径的比为0.5的、尖锐地构建的锥形尖端20b。扁平的锥形形状20a具有在电极本体21a的主体(Hauptmasse)上更好的热连接，使得在尖端上的电功率输入对应于具有尖锐的锥形形状20b的电极2b的电功率输入。由于扁平的锥形形状20a，电极2a总体上可以紧凑地实施，使得在截平面中的截面S也小于带有尖锐的锥体20b的电极2b的截面S。于是，功率输入也仅仅通过扁平的锥体20a来减少，然而这也可以与本发明的其他特征组合。

Claims (15)

1.一种照明单元，具有：带有电极(2)的放电灯(1)，以及带有反射表面(6)和光轴(4)的反射器(3)，

其中电极(2)在包含光轴(4)的截平面(15)中具有截面S，以及

其中反射器(3)的通过切割分离的半部之一的反射表面(6)沿着对于照明单元的光自由的光路至截平面(15)的垂直投影得到投影面P，

其特征在于，

投影面P和截面S的交迭小于电极(2)在垂直于截平面(15)的平面(16)中的面积，其中所述平面(16)包含光轴(4)。

2.根据权利要求1所述的照明单元，其中投影面P和截面S的交迭比电极(2)在与截平面(15)垂直的平面(16)中的面积小至少5％，优选至少20％，特别优选至少40％，其中所述平面包含光轴(4)。

3.根据权利要求1或2所述的照明单元，其中电极(2)具有非对称形状，使得电极(2)在截平面(15)中的截面S小于电极(2)在与截平面(15)垂直的平面(16)中的面积，其中所述平面(16)包含光轴(4)。

4.根据权利要求3所述的照明单元，其中电极(2)在光轴(4)的方向上看具有优选椭圆形的横截面，该横截面具有优选0.1至0.9、特别优选0.3至0.6的轴长比。

5.根据权利要求3或4所述的照明单元，其中电极(2)具有垂直于截平面(15)延伸的凹处(18)。

6.根据上述权利要求之一所述的照明单元，其中反射器(3)的在投影到截平面(15)中的半部中，在一个区域中由此并不存在反射表面(6)，使得投影面P在截面S的区域中具有凹处。

7.根据权利要求6所述的照明单元，其中在反射器(3)的所述区域中没有反射表面(6)，因为设计有吸收性的或者散射性的元件。

8.根据权利要求6所述的照明单元，其中在反射器(3)的所述区域中没有反射表面(6)，因为在反射器(3)中设置有孔。

9.根据上述权利要求之一所述的照明单元，其中从反射表面(3)沿着投影方向至电极(2)的光路至少部分地中断。

10.根据上述权利要求之一所述的照明单元，其中电极(2)具有锥形的尖端(20)，其高度与半径的比优选为1至5，特别优选为2至4。

11.一种根据上述权利要求之一所述的照明单元的应用，该照明单元具有光学单元(8)，其中光学单元(8)的朝向反射器(3)的光轴(9)与光轴(4)展开一平面，该平面垂直于截平面(15)并且包含光轴(4)。

12.根据权利要求11所述的应用，其中光学单元(8)是滤光器。

13.根据权利要求11或12所述的应用，其中光学单元(8)是投影设备的组成部分。

14.一种将带有电极(2)的放电灯用于根据权利要求1至10之一所述的照明单元的应用。

15.一种将带有反射表面(6)的反射器(3)用于根据权利要求1至10之一所述的照明单元的应用。

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