CN102224564A - 具有固体介质波导的微波光源 - Google Patents

Abstract

灯(1)包括微波能量的振荡器和放大器源(2)，它们通常工作在2.45或5.8GHz或ISM频带内的其他频率。该源将微波经由匹配电路(3)传送到天线(4)，天线(4)延伸到在透光波导(6)中的凹腔(5)内。透光波导是石英的，并且具有容纳灯泡(8)的中央空腔(7)。灯泡是石英的密封管(9)，并且包含惰性气体和微波可激励材料的填充物，微波可激励材料在被微波激励时辐射可见光。灯泡具有在从中央空腔延伸的在杆状孔(11)中容纳的杆状部(10)。波导是透明的，并且来自灯泡的光可以受任何反射表面的影响而在任何方向离开它。微波不能离开波导，波导在其表面被法拉第笼限制。通常，这包括：在波导的前表面上的ITO涂层(12)；在后表面上的光反射涂层(10)，光反射涂层(10)通常是银的并且具有一氧化硅涂层(13)；以及，金属丝网(14)，它接触ITO和光反射涂层，并且接地，金属丝网围绕在前后表面之间的波导的侧面延伸。光可以通过金属丝网以用于收集和使用。

Description

具有固体介质波导的微波光源

技术领域

本发明涉及一种由微波驱动的灯的光源。

背景技术

在灯泡中激励放电以产生光是已知的。典型的示例是钠放电灯和荧光管灯。后者使用产生紫外线辐射的汞蒸气。继而，这激励荧光粉产生可见光。在消耗每瓦电所发射的光的流明方面，这样的灯比钨丝灯更有效。然而，它们仍然具有在灯内需要有电极的缺点。因为它们承载放电所需要的电流，所以它们变差并且最终失效。

我们已经开发了无电极灯泡灯，如在我们的关于灯的专利申请No.PCT/GB2006/002018(我们的“’2018灯”)、关于灯的灯泡的专利申请PCT/GB2005/005080和关于用于微波驱动的灯的匹配电路的专利申请PCT/GB2007/001935中所示。它们都涉及通过使用微波能量在灯泡中激励发光等离子体的无电极的灯。包括使用空气波来将微波能量耦合到灯泡内的较早建议已经被提出，例如Fusion Lighting Corporation在他们的美国专利No.5,334,913中提出的。如果使用空气波导，则灯体积较大，因为波导的物理尺寸是在空气中的微波的波长的一部分。这对于例如路灯不是问题，但是使得这种类型的灯不适合于许多应用。因为这个原因，所以我们的’2018灯使用介质波导，其相当大地减小了在工作频率2.4GHz的波长。这种灯适合于用在诸如背投电视机的家用电器中。

大约8年前，我们在微波激励光行业中的股东以顾问协议雇用了Luxim Inc(“Luxim”)的创始人。在2000年7月31日，Luxim提交了美国临时专利申请No 60/222,028，其后，经过适当的过程被授予美国专利No 6,737,809(“Luxim专利”)。其摘要如下：

“一种介质波导集成等离子体灯(DWIPL)，具有主体，该主体主要由至少一种介质材料构成，该至少一种介质材料具有大约大于2的介电常数，并且具有当适当频率的微波能量耦合到主体内时使得主体在至少一个谐振模式中谐振的形状和尺寸。位于该主体内的空腔中的灯泡包含填充气体，该填充气体当从谐振的主体接收能量时形成发光等离子体。”

我们相信，这是用于将微波能量耦合到无电极灯泡中的固体介质波导的第一个公开。那时，注意力集中在通过使用固体介质能够实现的在尺寸上的显著减小。我们本身涉及该项目是在陶瓷领域中。所选择的陶瓷是氧化铝。

我们的美国专利No 6,666,739在日期上早于上述的顾问协议。它的摘要如下：

“灯由中空管状主体构成，该中空管状主体具有闭合端和开放端。该主体是烧结的陶瓷材料。在开放端上密封有窗口，该窗口和主体被一层玻璃料结合。该窗口是蓝宝石的。在该主体内密封有惰性气体和可激励材料的微粒装料。在使用中，将灯进行RF电磁辐射，以将灯加热到1000℃，使得它经由蓝宝石发射可见光”。

不仅氧化铝在使用形式上是不透明的，而且波导也被镀银以为波导内的谐振电场提供边界条件。在Luxim专利中，提出了应当经由蓝宝石窗口来发射光。

自上述合作以来，我们未了解到任何建议来这样使用固体介质波导，即该固体介质波导不使用独立的灯泡(该灯泡通常是石英的)以将微波可激励材料封闭在不透明波导(该波导通常是氧化铝的)的凹陷中，或封闭在靠近不透明波导的凹陷并且封闭微波可激励材料的透明窗口的集成装置中，。

为了追求我们的微波激励光技术上的改进，Andrew Neate发明了以另一种方式将灯泡和波导合并到单个部件内。

因此，我们在2007年11月16日提交了我们的专利申请No 0722548.5，其在此被称为我们的第一LER(发光谐振器)专利申请。它描述了由微波源驱动的灯的可见光源，该微波源具有：

●外壳，其对于可见光是透明的，并且对于微波是不透明的，并且在微波激励时谐振，

●填充材料，其能够被微波能量激励以形成发射可见光的等离子体，以及

●在外壳内的天线，其被定位以用于在外壳内形成微波谐振的等离子体诱导激励，该天线具有延伸到外壳之外的连接器，用于耦接到微波源。

我们的第一LER首先被设想为具有较大的外壳，该外壳具有较薄的壁和在包含填充物的封闭空间中的天线，在我们的第一LER的开发中，开发了我们的第二LER，其中，封闭的空间较小，并且天线位于外壳的材料内。

因此，我们在2008年5月23日提交了我们的专利申请No 0809471.6，其在此被称为我们的第二LER(发光谐振器)专利申请。它描述了要被微波能量驱动的可见光源，该光源具有：

●固体等离子体容器，其材料是透明或不透明的，以便光从其透出，等离子体容器在其中具有密封的空间，

●围绕等离子体容器的法拉第笼，该笼子至少部分地透光，以便光从等离子体容器透出，同时对于微波是封闭的，

●在能够被微波能量激励的材料的空间中的填充物，以在其中形成发光等离子体，以及

●天线，其被布置在该等离子体容器内，用于向填充物发射诱发等离子体的微波能量，该天线具有：

●连接器，其延伸到等离子体容器之外，以耦接到微波能量源；该布置使得来自在空间中的等离子体的光可以通过等离子体容器，并且经由所述笼从等离子体容器辐射出去。

我们现在进一步改进了LER和相关的技术，并且，Andrew Neate和Barrie Preston联合地建立了本发明，本发明使用我们的’2018灯泡提供了LER在灯中的优点。

发明内容

根据本发明，提供了一种光源，包括：

●固体介质材料的透光波导，其具有

●至少部分地透光的法拉第笼，其围绕该波导，

●在波导和法拉第笼内的灯泡空腔，以及

●在波导和法拉第笼内的天线凹腔，以及

●灯泡，其具有微波可激励的填充物，该灯泡被容纳在灯泡空腔中。

在本说明书中使用的：

“透光”表示材料是透明或半透明的，被描述为透光的部件由该材料形成。

使用这种光源的灯相对于专利’809的灯具有优点在于：可以收集和利用从灯泡横向地辐射的光以及轴向光。在’809专利中，仅可利用来自灯泡一端的轴向光。

通常，确定波导的尺寸以使得为了填充物的最佳激励在最大场处利用空腔发生微波谐振。在优选实施例中，波导具有圆形截面，并且其尺寸可使得半波在其中以直径方向延伸。

优选的是，灯泡的包层和透光的波导的材料相同。

象在’809专利中那样，取决于波导的表面，灯泡空腔可以是敞开的。然而，我们推荐将灯泡置于波导更深处。这两方面可通过下述方式来实现：

1.向波导内设置孔超过其深度一半，将灯泡插入孔内，并且使用插塞来封闭孔，插塞的材料与波导相同。虽然不是必须的，但是有可能的，将插塞封闭到波导，优选的是，通过局部融合点来方便地将插塞固定到波导；

2.将波导提供为两半，该两半当闭合在一起时提供灯泡空腔。两个半部分既不必是相等的也不必是对称的同样的，两个半部分可点融合在一起。

在坩埚(crucible)和插塞是玻璃材料时，根据情况，可以将插塞和坩埚或后者的两半通过在梯阶和/或埋头孔(counter-bore)处的插塞材料的局部融合而固定或密封在一起。当它们是陶瓷材料时，它们通过玻璃粉的局部融合而固定或密封在一起。可以通过激光来进行局部融合。

在任何一种情况下，灯泡可以在空腔中不受约束。然而，优选的是，它可相对于空腔而固定。通过将灯泡杆状部点融合在从空腔延伸的对应大小的孔中，可以适当地实现这一点。

可以使用法拉第笼将灯泡保持在其空腔中。

在一个特定实施例中：

●通过介质材料管来将该灯泡保持在空腔中；

●空腔敞开的表面是透光波导的背表面，并且该管被法拉第笼的一部分保持；

●灯泡具有位于管的内端的延伸部分；

●管提供天线凹腔；

●法拉第笼包括：固体部分，其跨越透光波导的背部延伸直到透光波导的横断范围；以及，夹具，其将该固体部分和波导夹在一起，并且将固体部分连接到法拉第笼的透光的前部；

●透光波导和波导的固体部分在形状上互补，以用于发射的光聚焦；并且

●法拉第笼的透光前部包括网状的金属元件或透光的导电涂层。

可以单独地或一起地利用这些特征。

法拉第笼可以包括至少一个孔，用于局部增加通过其的光透射。优选的是，该孔不比在坩埚中的微波的自由空间波长的1/10大。通常，对于在2.45GHz的操作，该孔不大于1/10x12.24cm，即12.24mm，并且对于5.8GHz而言不大于6.12mm。

可以设想，等离子体坩埚为石英或烧结的透明陶瓷材料，虽然其他材料也合适。具体地说，该陶瓷材料可以是透明的或半透明的。

适当的半透明陶瓷的示例是多晶氧化铝，并且透明陶瓷的示例是多晶钇铝石榴石——YAG。其他的可能材料是氮化铝和单晶蓝宝石。

优选的是，灯泡的材料和波导的材料具有相同的热膨胀系数，这可以通过方便地使它们具有相同的材料来实现。尽管如此，灯泡可能比空腔运行得更热，特别是当它具有较低的导热率时，并且，优选的是，提供空隙以用于灯泡的膨胀。相比与氧化铝，铌、石英具有低的导热率。

虽然天线通常被置于天线凹腔中并且被光源中的其他机械约束物固定在那里，但是可以设想，可以例如通过下述方式来将天线固定在波导中：熔化天线周围的波导材料，封闭凹腔。

优选的是，灯也包括作为单个集成结构的微波源和匹配电路。

附图说明

为了帮助理解本发明，现在参考附图来描述本发明的各个具体实施例，在附图中：

图1是根据本发明的、具有光源的灯的灯泡、透光波导和微波源的概略透视图；

图2是图1的灯泡和透光波导的截面侧视图；

图3是透光波导的端视图；

图4是另一种透光波导的分解视图；以及

图5是另一种波导的端视图。

具体实施方式

参见附图，图1示出灯1的概括表示，灯1包括微波能量的振荡器和放大器源2，它们通常工作在2.45或5.8GHz或ISM频带内的其他频率。该源将微波经由匹配电路3传送到天线4，天线4延伸到在透光波导6中的凹腔5内。透光波导是石英的，并且具有容纳灯泡8的中央空腔7。灯泡是密封的石英管9，并且填充有惰性气体和微波可激励材料，微波可激励材料在被微波激励时可辐射可见光。灯泡具有杆状部10，杆状部10容纳在从中央空腔延伸出来的杆状孔11中。波导是透明的，并且来自灯泡的光可以受任何反射表面的影响而以任何方向离开波导。微波不能离开波导，波导在其表面被法拉第笼限制。通常，法拉第笼包括：波导前表面上的ITO涂层12；在波导后表面上的光反射涂层10，光反射涂层10一般是银的并且具有一氧化硅涂层13；以及，金属丝网14，它接触ITO和光反射涂层，并且接地，金属丝网围绕在前后表面之间的波导的侧面延伸。光可以通过金属丝网以供收集和使用。

波导的形状和尺寸使得在被选定的微波频率被驱动时在灯泡处建立最大的电场。考虑到波导的石英的介电常数，相信该尺寸在本领域内的技术人员的能力范围内。

在图2和图3中示出包括灯泡和波导的光源的一种物理结构。石英波导21是一个整体，其具有起始于一个表面23孔22。该孔以最大直径24延伸到波导厚度的大约60％，用于容纳灯泡主体25，然后该孔以隙径26继续延伸，用于容纳灯泡的杆状部27。插塞28在灯泡顶部之上填充钻孔，并且通过波导和插塞材料在孔的孔口30处的融合29(例如通过激光密封)被固定。对于这一点，激光聚焦在插塞和波导之间的、孔口处的接合线31上，并围绕接合线往返移动，以局部熔化石英，该石英会迅速重新凝结以将插塞固定在波导内。如果融合在插塞周围是连续的，则形成密封。在相对的表面32上，当杆状部从杆状孔突出时，执行类似的激光操作。如果需要，则表面23、33随后被抛光，以去除任何喷溅痕迹。因此，波导与灯泡形成为一体。

应当注意，当灯泡包层和波导都是石英时，只进行这样的材料密封是可能的。当它们是透光多晶氧化铝时，在密封处引入玻璃粉，并且该玻璃粉熔化、固定并密封部件。

随后可放置法拉第笼。虽然在图1中将天线及其凹腔示出为同轴，但是图2中，本实施例的凹腔33被离心地布置。

在图4和5中示出另一种物理结构。波导41具有两个互补部分42、33。它们具有匹配的表面44、45，其中，设置了与孔22和杆状部延伸部分26等效的凹陷46、47。灯泡48被置于一个部分中的凹陷中，并且杆状部49在其远端处被激光固定50到凹陷处，其中，期望所使用的热应力最小。增加另一个部分，围绕两个部分的接合表面的外围，使这两个部分被激光密封51在一起。它们将被抛光得很平坦，因此一旦它们被合并在一起，则波导由两个部分构成不会影响其作为微波谐振波导的作用。因此，波导再一次与灯泡成为一体。

虽然已经将上述实施例描述为是石英的，即，灯泡和波导都是石英的，但是它们可以是其他材料的。尤其是以下所述的适合作为透明或至少半透明的材料，或者适合被制成为透明或至少半透明的材料：熔融二氧化硅、蓝宝石、多晶氧化铝(PCA)、钇铝石榴石(YAG)和氮化铝。

本发明不意于限于上述实施例的细节。例如，虽然附图示出了在形状上为圆柱形并且长度与直径相等的波导和通常在波导的中轴上的天线凹腔，但是可以改变长度与直径比以使得它们短且粗或长且细。同样地，可以如图2中所示，将天线布置得离心。天线可以被密封，即，在天线就位的情况下将凹腔密封，或可以将凹腔敞开，将天线插入。

波导也可以具有其他不同的几何形状，诸如立方形的，并且再一次选择尺寸来适合于谐振。事实上，不必谐振地驱动波导。

参见图5和6，其中示出的光源具有直径为50.8mm、高度为35mm的短粗的圆形石英波导101。直径为5mm孔103从后表面102开始，在中心向向波导内延伸，探入到波导的前表面104的5mm内。它具有延伸15mm的6mm的埋头孔(counter bore)105。在孔103中定位了5mm直径的石英无电极灯泡106，即’2018灯泡，该灯泡具有15mm的主体107和长5mm、直径为2mm的杆状部108。15mm长的石英管109被容纳在埋头孔中，并且在其孔110中容纳杆状部。在该管与波导的后表面102齐平的情况下，固定了灯泡。

铝接地层112与后表面接触，以固定管109并且因此固定灯泡。天线113在中心延伸并且与其绝缘，天线113突入孔110，以从未示出的驱动电路供应微波，从而在波导和在灯泡中的发光等离子体中形成谐振。

在波导的圆周114周围并且从波导上延伸的网状金属箔115与地平面一起形成法拉第笼116。在箔中的孔117在中心与灯泡的端部成一线，以允许从灯泡畅通无阻地发射轴向光。大部分辐射光在圆周114处通过网状箔。夹具118将背面接地层112和波导紧固在一起，同时将背面接地层连接到网状箔。在圆周上的箔卷曲119到在前表面上的箔。

该光源被安装到在图7中部分地示出的反射器120的焦点处。

转向图8，示出一种变化形式，其中，波导211具有抛物面形状，并且具有附加的背面接地层212。这将灯泡发射的光导向波导。背面接地层在其前边缘214处具有夹具213，夹具213将波导夹在背面接地层内，并夹持越过波导前面的金属丝网215，使其经过边缘216而被夹在背面接地层与波导之间，。金属丝网完成了该光源的法拉第笼。它具有经由其灯泡的管的类似位置。

在一种未示出的替代方式中，灯泡被容纳在波导中的开放空腔中，并且被金属丝网保持在那里。

Claims (32)

1.一种光源，包括：

●固体介质材料的透光波导，其具有

●至少部分地透光的法拉第笼，其围绕所述波导，

●在所述波导和所述法拉第笼内的灯泡空腔，以及

●在所述波导和所述法拉第笼内的天线凹腔，以及

●灯泡，其具有微波可激励的填充物，所述灯泡被容纳在所述灯泡空腔中。

2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述波导的尺寸能够使得在场强最大的位置处利用空腔发生微波谐振。

3.根据权利要求2所述的光源，其中，所述波导具有圆形截面，并且其尺寸可使得半波在其中以直径方向延伸。

4.根据任何一项在前的权利要求的光源，其中，所述灯泡的包层和所述透光的波导的材料相同。

5.根据任何一项在前的权利要求的光源，其中，所述灯泡空腔在所述透光波导的表面处开放。

6.根据权利要求1至4的任何一项所述的光源，其中，所述灯泡空腔是闭合的。

7.根据权利要求6所述的光源，其中，通过固体介质材料的插塞来封闭所述灯泡空腔。

8.根据权利要求7所述的光源，其中，所述插塞被固定到所述透光波导。

9.根据权利要求8所述的光源，其中，所述插塞被密封到所述透光波导。

10.根据权利要求6所述的光源，其中，所述透光波导具有两个部分，一个或两个部分具有在所述两个部分的共同接合表面处形成的空腔。

11.根据权利要求10所述的光源，其中，所述两个部分被固定在一起。

12.根据权利要求11所述的光源，其中，所述两个部分被密封在一起。

13.根据任何一项在前的权利要求的光源，其中，所述灯泡在所述空腔内不受约束。

14.根据权利要求1至12的任何一项所述的光源，其中，所述灯泡被固定到所述空腔中。

15.根据权利要求14所述的光源，其中，通过将所述灯泡的杆状部融合到所述波导来密封所述灯泡。

16.根据任何一项在前的权利要求所述的光源，其中，所述灯泡的所述包层、插塞(在被提供的情况下)和波导是玻璃材料的，并且通过所述材料的局部融合被固定或密封在一起。

17.根据权利要求1至14的任何一项所述的光源，其中，所述灯泡的所述包层、插塞(在被提供的情况下)和波导是玻璃材料的，并且通过玻璃原料材料的局部融合被固定或密封在一起。

18.根据权利要求5所述的光源，其中，通过所述法拉第笼将所述灯泡保持在所述空腔中。

19.根据权利要求5所述的光源，其中，通过介质材料管来将所述灯泡保持在所述空腔中。

20.根据权利要求19所述的光源，其中，所述空腔打开的表面是所述透光波导的后表面，并且所述管被所述法拉第笼的一部分保持。

21.根据权利要求18或权利要求19所述的光源，其中，所述灯泡具有位于所述管的内端延伸部分。

22.根据权利要求19或权利要求20或权利要求21所述的光源，其中，所述管提供天线凹腔。

23.根据任何一项在前的权利要求所述的光源，其中，所述法拉第笼包括：固体部分，其跨越透光波导的背部延伸直到透光波导的横断范围；以及，夹具，其将所述固体部分和所述波导夹在一起，并且将所述固体部分连接到所述法拉第笼的透光的前部。

24.根据权利要求23所述的光源，其中，在所述固体部分中是反射的，用于将光向前引导。

25.根据权利要求24所述的光源，其中，所述透光波导和所述波导的所述固体部分在形状上互补，以用于发射的光聚焦。

26.根据权利要求23、权利要求24或权利要求25所述的光源，其中，所述法拉第笼的透光前部包括网状的金属元件。

27.根据权利要求23、权利要求24或权利要求25所述的光源，其中，所述法拉第笼的透光前部包括透光的导电涂层。

28.根据任何一项在前的权利要求所述的光源，其中，所述法拉第笼包括至少一个孔，用于局部增加通过其的光透射。

29.根据权利要求28所述的光源，其中，所述孔不大于在所述坩埚中的所述微波的自由空间波长的1/10。

30.根据任何一项在前的权利要求所述的光源，其中，所述透光波导是石英的或多晶氧化铝的或多晶钇铝石榴石的或氮化铝的或单晶蓝宝石的。

31.根据任何一项在前的权利要求所述的光源，其与独立的反射器组合，以在特定方向上反射从所述透光坩埚发射的光。

32.根据任何一项在前的权利要求所述的光源，其作为灯与微波驱动电路组合，所述微波驱动电路包括：

●微波源；以及

●匹配电路。

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