CN103021796B - 光源 - Google Patents

Abstract

一种灯，包括由发光谐振器（1）、磁控管（2）和短线调谐器（3）形成的光源。反射器（4）布置在光源和短线调谐器的接合处，用于将光引导成基本准直的光束（5）。发光谐振器包括石英的内、外部封套（12、13）形成的封套（11）。存在具有各自端部盘（16、17）的圆柱形管（14、15）。钨丝网（18）分别夹在该管之间和该端部盘之间，网的尺寸适合向谐振器中的微波呈现一个接地面。包括其管和端部盘的每一个封套是密封的。接地线（18’）从网延伸到封套的外部。对于工作微波频率，在夹在端部盘中的金属丝网之间的该封套的轴向长度为λ/2。在封套的一个端部，钼驱动连接19延伸到钨盘（20）。该钨盘横向于封套的轴A布置在距封套的端部处的网的1/16λ处。该封套被填充可激发的等离子体材料，诸如稀土气体中的少量金属卤化物。该圆盘用作天线并且经由匹配电路（3）通过磁控管（2）来驱动。

Description

光源

本申请是发明名称为“微波动力光源”、申请日为2008年11月14日、申请号为200880103079.3的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于微波动力的灯的光源。

背景技术

已经知道在封壳(capsule)内激发放电的目的是为了产生光。典型的例子是钠放电灯和荧光管灯。后者使用汞蒸汽，产生紫外辐射，而这又激发荧光粉产生光。就消耗每瓦特电力所发射的光流明而言，这种灯比钨丝灯更加有效。然而，这样的灯依旧存在封壳内需要电极的缺陷。由于这些电极承载了放电所需的电流，所以它们会退化并最终出现故障。

申请人已经开发出无电极灯泡的灯，如申请人的专利申请中针对灯的PCT/GB2006/002018(申请人的“’2018灯”)、针对灯的灯泡的PCT/GB2005/005080和针对微波动力的灯的匹配电路的PCT/GB2007/001935所示。这些都涉及通过使用微波能量来激发灯泡中的发光等离子体而以无电极方式工作的灯。涉及使用无线电波来将微波能量耦合到灯泡中的早期的方案已经例如由FusionLighting公司在其美国专利5,334,913号中提出。因为波导的物理尺寸是无线微波的波长的分数，所以如果使用无线波导，则该灯是大体积的。这例如对于路灯不是一个问题，但是这类型的光对于许多应用是不适合的。由于这个原因，申请人的’2018灯使用电介质波导，这基本上降低了2.4Ghz的工作频率下的波长。该灯适于用在诸如背投电视的家用电器中。

美国专利6,737,809号描述了以微波能量为动力的光源，这种源包括：

·其中具有密封中空的体；

·包围该体的微波封闭的法拉第罩，

·该体和腔体限定了谐振波导；

·在该中空中的可由微波能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体，以及

·布置在该体内的天线，用于将等离子体感应微波能量发射到该填充物，该天线具有：

·延伸到该体的外部的连接，用于耦合到微波能量源。

申请人现在相信可以将灯泡和波导合并在单个部件中。

发明内容

本发明的目的是提供具有这样的合并灯泡和波导的改进的灯。

根据本发明，提供了以微波能量为动力的光源，该源包括：

·其中具有密封的中空的体；

·包围该体的微波封闭的法拉第罩，

·在该法拉第罩中的体是谐振波导，

·在该中空中的可由微波能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体，和

·布置在该体中的天线，用于将等离子体感应微波能量传送到填充物，该天线具有：

·延伸到该体外部的连接，用于耦合到微波能量源；

其中，

·该体是透明材料的固态等离子体坩埚，该透明材料适于光从中离开，以及

·法拉第罩是至少部分透光的，以便光离开该等离子体坩埚，

该布置使得来自该中空中的等离子体的光能够传播通过该等离子体坩埚并且经由该罩从其辐射出去。

在此说明书中所使用的：

“透明”是指该术语描述为透明的材料是透明或者半透明的；

“等离子体坩埚”是指包封等离子体的封闭体，当等离子体的填充物由来自天线的微波能量激发时，该等离子体位于中空中。

通常，坩埚的材料是固态、介电材料。

同时可以设想固态等离子体坩埚可以在其整个体积内具有变化的结构和组成，特别地，在坩埚可以包括密封在一起的多个片时，我们通常期望在其整个体积内坩埚是基本同质的。

在以下描述的第二实施例中，等离子体坩埚具有圆形横截面并且尺寸被定制成以半波在其中沿径向延伸。

通常，通过将光源的光以特定方向反射来使用该光源。可以提供外部反射器或者如第二实施例中，等离子体坩埚的轮廓可以被设计成以特定方向反射光。该设计出的轮廓表面可以被抛光并且依赖于全内反射。替代地，该轮廓表面可以被金属化来提高反射。在此情况中，该金属化可以形成部分法拉第罩。在另一个替代中，等离子体坩埚可以配有补充反射器，其被定位来使光反射回来穿过该等离子体坩埚。

可以构想等离子体坩埚是石英的或者是烧结的、透明陶瓷材料，当然其他材料也是适合的。特别地，陶瓷材料可以是透明的或者半透明的。合适的半透明陶瓷的例子是多晶氧化铝并且透明陶瓷的例子是多晶钇铝石榴石-YAG。其他可能的材料是氮化铝和单晶蓝宝石。

可通过使用诸如氧化铟锡的导电、透明材料的薄层涂覆等离子体坩埚来提供法拉第罩。替代地，等离子体坩埚可以被包裹在导电金属线网之中。而且，该导电网可以被熔合到等离子体坩埚的材料中，使得等离子体坩埚材料延伸到该网外部。

天线可以延伸到等离子体中空的内部，此时其具有合适的材料以抵抗填充物的侵蚀，其中与等离子体坩埚内从一侧或端处的法拉第罩到另一侧或端处的法拉第罩的距离相比该等离子体坩埚的壁厚度较小。在此情况中，可以主要在中空中建立起谐振。这样的天线可以是延伸到中空中的杆，但优选是盘，典型地是圆盘，其横向于等离子体坩埚的长度方向布置。天线的连接可以在天线的平面中或者靠近天线的平面处从旁侧延伸到等离子体坩埚的外部；或者，优选地，其可以沿轴向延伸到等离子体坩埚的外部，即，沿着横切于天线的平面的方向。

可替代地，天线可以是延伸到等离子体坩埚内的凹入型件中的导电金属的杆。这样的凹入型件可以是伸到中空内的薄壁突出件，杆状天线的作用类似刚才提及的盘状天线。凹入型件可以平行于中空的长度方向或者与该长度方向横切。作为替代，在与等离子体坩埚内部从一侧或端处的法拉第罩到另一侧的法拉第罩的距离相比该中空较小的情况下，凹入型件可以在中空的旁边，横跨等离子体坩埚建立谐振，且该谐振主要位于等离子体坩埚内部。在此情况中，等离子体坩埚的介电常数可以大于环境空气的介电常数并且谐振的波长将小于其自由空间波长。

同时等离子体坩埚可以是等离子体坩埚内谐振微波的一个波长的一倍或者整数倍，优选是该波长的二分之一。

填充材料可以是公知的用于从等离子体发光的多个部件中的任意一个，单独使用或者组合起来使用。

优选地，法拉第罩包括用于局部增加从其穿过的光透射的至少一个孔。通常，该孔不大于坩埚内微波的自由空间波长的十分之一。典型地，对于2.45GHz的操作，该孔不大于1/10×12.24cm，即12.24mm，并且对于5.8GHz不大于6.12mm。

可以提供多于一个的孔。例如，在从坩埚轴向和径向获得光的地方，可以提供对应定位的孔。

提供有孔的区域使得与不提供这种区域的情况相比可允许更多的光从光源辐射出去。

优选地，透明等离子体坩埚具有：

·具有台阶的钻孔和从坩埚的中空到坩埚表面延伸的反向钻孔，和

·反向钻孔中透明材料的插塞，该插塞密封到坩埚上。

台阶和中空可以通过对坩埚材料进行机械钻孔而形成，或者通过诸如铸造的其它形成方法来形成。

同时可以预见，在具有如在用于插塞的人工蓝宝石和用于坩埚的透明氧化铝之间的兼容的热膨胀系数的情况下，插塞和坩埚可以是不同的材料，但通常它们是相同的材料，典型地是石英。

另外，插塞可以在该插塞和坩埚之间使用可熔材料密封，诸如熔接材料，但在优选实施例中插塞和坩埚可以通过将他们自身材料熔融来密封。对于熔融，坩埚可以被整体加热。然而优选的是限制到熔融区域的局部加热。典型地这可以使用激光来实现。

插塞可以具有和台阶相同的深度，在该情况中，插塞和坩埚表面平齐。然而，插塞可以高出该表面。这两个替代实施例适合用在中空接近坩埚表面的地方。在第三替代实施例中，中空位于坩埚中更深处，该插塞凹进去。在后一种实施例中，反向钻孔到表面的长度可以使用同样材料的另一个插塞来填充，该另一个插塞被固定但不必密封在反向钻孔中，该另一个插塞和该坩埚表面平齐。该布置允许中空位于坩埚中心，并且该坩埚在其介电材料方面表现为单个固态体(与中央中空一起)。

优选地，光源组合到具有作为单个集成结构的微波源和匹配电路的灯中。

同时，微波源可以是固态振荡器和放大器，在优选实施例中，考虑到输出，该源是磁控管。典型地，该磁控管的功率是1kW。

在优选实施例中，匹配电路是短线调谐器，通常为三短线调谐器。

应该注意到，虽然通常本发明的光源预期用于产生可见光，但是它们也适于用于产生不可见光，特别是紫外光。

附图说明

为了有助于理解本发明，现在通过示例并且参考附图来描述其中的多个特定实施例，其中：

图1是根据本发明的结合为具有微波驱动电路的灯的光源的侧视图；

图2是以较大比例示出的图1的灯中的光源；

图3是图1的微波驱动电路的短线调谐器的类似视图；

图4是光源和短线调谐器之间的接合处的局部横截面视图；

图5是替代光源的类似于图2的视图；

图6是本发明的另一个光源的等离子体坩埚的透视图；

图7是用于本发明的另一个光源的透明等离子体坩埚的透视图；

图8是包括部分用于等离子体坩埚的匹配电路和适配器的另一个光源的侧横截面视图；

图9是用于本发明的另一个光源的透明等离子体坩埚的透视图；

图10是包括图9的透明等离子体坩埚的微波动力的灯的示意图；

图11是根据本发明的用于微波动力的灯的另一个透明等离子体坩埚的透视图；

图12是包括图11的透明等离子体坩埚的微波动力的灯的示意图；

图13是根据本发明的另一个透明等离子体坩埚的类似于图11的视图；和

图14仅是图13的坩埚的类似于图12的视图。

具体实施方式

参考附图中的图1到图5，本发明的灯包括发光谐振器1、磁控管2和短线调谐器3构成的光源。反射器4布置在光源和短线调谐器的接合处，用于将光引导成基本上准直的光束5。

发光谐振器包括由石英的内、外封套12、13形成的坩埚11。存在具有各自端部盘16、17的圆柱形管14、15。钨丝网18构成的法拉第罩分别夹在管之间和端部盘之间，该钨丝网具有一定的网尺寸以向谐振器中的微波呈现出一个接地面。包括其管和端部盘的每一个封套是密封的。接地线18’从网中延伸到封套的外部。

对于工作微波频率，夹在端部盘中的金属线网之间的坩埚的轴向长度为λ/2。在坩埚的一个端部，钼驱动连接19延伸到钨圆盘20。该钨圆盘横向于该坩埚的轴A布置在距位于坩埚的端部处的网1/16λ处。坩埚被填充可激发的等离子体材料，诸如稀土气体(rareearthgas)中的少量金属卤化物。

该圆盘用作天线并且经由匹配电路3由磁控管2来驱动。匹配电路是铝的无线波导32，磁控管的输出天线22作为该波导的输入。匹配电路的输出天线33是诸如谐振天线圆盘的圆盘并且连接到穿出匹配电路的且通过绝缘衬套35与该匹配电路隔绝的连接件34。匹配电路具有三个调谐短线36、37、38。这些布置为λ/4，用于将匹配电路配置为短线调谐器。

匹配电路在其端部具有凸缘(flange)39、40，经由该凸缘其连接到磁控管和光源。后者的端部粘结(cement)41到陶瓷材料的支持件42中。该支持件在和匹配电路的凸缘40中的钻孔44相同的PCD处具有钻孔43并且通过螺杆45与其紧固。垫片环46将匹配电路和支持件分隔开，允许短线调谐器和光源连接件34、19共轴并且通过夹子47彼此连接。反射器4也安装在支持件42和垫片46之间的螺杆上。接地线18’也连接到螺杆45。

图5示出替代的发光谐振器，其同样具有石英的内、外封套以及它们之间的接地平面网。取代圆盘天线20，类杆状天线120延伸到在封套的中心轴上的石英的凹入型套(re-entrantsleeve)121中。该布置将天线完全与坩埚的填充物隔离开，在填充物具有特定侵蚀性时这是有益的。

在操作中，典型额定在1到5kW的磁控管将谐振微波辐射经由短线调谐器和天线20或者120插入到坩埚中。这形成混合的介电谐振腔。该谐振建立腔中电场的强度，使得填充物形成辐射光的等离子体。谐振的模式典型地是TE101。也可以是谐振的其他模式。

典型地在5.8GHz处，允许1.5mm的单个封套壁厚的、对端处的网之间的坩埚轴长是72mm并且直径是31mm。可以预见这样的尺寸，其对于大部分家用来说过大，但完全适用于照明较大的环境。

短线调谐器可以具有114×40×20mm的内部尺寸。短线的中间平面设置为1/16λ。这已经发现是有优势的。

可以使用透明陶瓷替代等离子体坩埚的石英材料，在该情况中，接触陶瓷的连接件可以是铌。进一步取代坩埚壁内部的网，坩埚可以涂覆有氧化铟锡-ITO-导电涂层。

如图6所示，光源可以构造有钼端帽51的子组件，其中钼杆52铜焊53到该钼端帽中并且载有钨天线54。帽的边缘55进入坩埚的石英端部盖57的颈部56中。该子组件在密封60中被密封在圆柱体58上且和坩埚的端部59相对。盖57具有电荷管61，通过该电荷管，可激发材料的装料和惰性气体填充物可以被导入。该管被封闭。以ITO涂层的形式提供法拉第罩62。

现在参考图7和图8，描述本发明的另一种灯。其具有抛光石英的固态等离子体坩埚101，具有平坦的前表面102和抛物线型后表面103。前表面涂覆有氧化铟锡104，以将其呈现为电传导的，但仍然是透明的。抛物线型后表面上的铂层105和ITO层电接触。这两层一起构成围绕石英等离子体坩埚的法拉第罩。

在抛物线的焦点并且对准其中心轴的位置处是中空106，填充以微波可激发材料107，典型地是氙中的卤化铟。中空是石英中的钻孔，通过插塞108密封，该插塞已经熔合在此，而不需要通过激光密封的其他材料。

在中空一旁是用于金属杆天线110的石英中的插座109。天线110直接连接到诸如电路3的匹配电路的输出111。该电路的适配器盘112具有与石英等离子体坩埚的后表面的轮廓互补的轮廓113。紧固环114牵引石英使之与端部盘接触，用于将法拉第罩接地。

在从匹配电路传播微波时，在石英等离子体坩埚中建立谐振并且在中空中建立等离子体。从中空中的卤化物发射光。光或者直接穿过前表面102离开等离子体坩埚，或者在抛物线型后表面103处由铂层105向前反射后离开前表面。

典型地，对于2.4GHz微波，石英等离子体坩埚的直径是49mm并且对于5.8GHz时是31.5mm。在每一种情况中，中空的直径是5mm并且插塞的长度8mm，使得中空的长度是10mm。天线插座109的直径是2mm，距位于等离子体坩埚的中心轴上的中空偏心5mm。

应该注意通过和使用不透明波导的小灯泡的现有无电极灯相比，其中在该现有灯中光的离开受限于灯泡的直径，光不仅可以从波导的整个前表面离开，该前表面的直径显著大于等离子体中空106的直径，而且在侧面和后向传播的光也可以被向前反射到达灯外。

参考图9和图10，灯201包括一起形成微波能量源的振荡器202和放大器203，典型地其工作在2.45或者5.8GHz或者ISM频带中的其他频率。该源将微波经由匹配电路204传递到延伸到透明等离子体坩埚207中的凹入型件206中的天线205。透明等离子体坩埚是石英的并且具有包含惰性气体和微波可激发材料的填充物的中空208，该微波可激发材料在由微波激发时辐射光。石英是透明的，光可以以任一方向离开，但受到下面描述的法拉第罩的限制。

坩埚是正圆柱体，长63mm并且直径43mm。在坩埚的中央，具有10mm长并且直径3mm的中空。凹入型件和中空共轴，直径为2mm并且长度为10mm。

法拉第罩209包围坩埚并且包括：

·光反射涂层210，典型的是具有一氧化硅的银，横跨具有天线凹入型件的端部表面211，

·端部表面214上的氧化铟锡(ITO)沉积层212和

·圆柱表面216上的导电的、化学气相沉积网215，该网具有延伸到端部上的指状件217，用于元件210、212和215的电互连。网上的线是0.5mm宽并且间距6.0mm。

法拉第罩通过被容纳在外罩219中的凹槽218中而接地。

ITO沉积层具有位于端部表面214中心的非电镀的12mm的孔220，由此来自中空中的等离子体放电222的端部的光221可以直接传播出透明等离子体坩埚，而不会被法拉第罩衰减。尽管衰减到一定程度，但是大量的光也经由法拉第罩传播出去。

应该注意到法拉第罩可以整体形成围绕坩埚形成的金属线网，孔和中空成一直线。

参考图11和图12，灯301包括微波能量的振荡器和放大器源302，典型地工作在2.45或者5.8GHz或者ISM频带中的其他频率。该源将微波经由匹配电路303传递到延伸到透明等离子体坩埚306中的凹入型件305中的天线304。该透明等离子体坩埚306是石英的并且具有包含惰性气体和微波可激发材料的填充物的中空307，该微波可激发材料在由微波激发时辐射光。该石英是透明的，光可以以任一方向离开，但受到下面描述的法拉第罩的限制。

坩埚是正圆柱体，长63mm并且直径43mm。在坩埚的中央，在其中央纵向轴A上，具有10mm长并且直径3mm的中空。凹入型件和中空共轴，直径为2mm并且长度为10mm。

法拉第罩308围绕坩埚并且包括：

·光反射涂层310，典型的是具有一氧化硅的银309，其横跨具有天线凹入型件的端部表面310，这种电镀层是反射的用于将来自中空中的等离子体的光反射到坩埚之外，

·坩埚的端部表面312上的氧化铟锡(ITO)沉积层311，ITO涂层传递来自等离子体的光，和

·圆柱表面315上的导电的、化学气相沉积网314，该网具有延伸到端部上的指状件316，用于元件309、311和314的电互连。来自等离子体的光可以从网线之间离开坩埚。

法拉第罩通过被部分地容纳在铝外罩318中的凹槽317中而接地。

端部表面312具有用于容纳插塞322的钻孔321，插塞和坩埚材料相同，即石英。钻孔形成台阶324，在台阶上插塞被定位为其外表面325和表面312平齐并且中央中空延伸到该台阶。插塞通过在钻孔321和台阶324之间的角落处进行激光密封而密封到该位置。

现在参考图13和14，其中所示光源大部分类似于图11和图12的光源，但没有示出其任何驱动天线、法拉第罩，也没有示出微波源和匹配电路。坩埚406具有中央中空407，其无论是纵向还是径向都真正位于坩埚的中央，而中空307是仅径向位于中央的。钻孔421更深入延伸到坩埚中，插塞422具有同样厚度并且位于钻孔和中空的接合处的台阶424上。插塞422以和插塞322相同的方式被激光密封。

在钻孔421中插塞422的外部是从插塞422延伸到坩埚的表面412的另一个插塞431。因此为了微波谐振，坩埚是具有石英的介电常数的连续片的材料。

本发明并不意于限制为上述实施例的细节。例如两个插塞422和431可以作为单个整体提供。

Claims (19)

1.以微波能量为动力的光源，所述光源包括：

·其中具有密封中空的体；

·包围所述体的微波封闭的法拉第罩(18)，

·法拉第罩中的所述体是谐振波导，

·在所述中空中的可由微波能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体，和

·布置在所述体中的天线(20)，用于将等离子体感应微波能量传输到填充物，所述天线具有：

·延伸到所述体外部的连接(19)，用于耦合到微波能量的源(2)；

其中，

·所述体是透明材料的固态等离子体坩埚(11)，所述透明材料适于光从中离开，

·法拉第罩是至少部分透光的，以便光离开所述等离子体坩埚，以及

·所述中空为具有圆形横截面的细长圆柱形，

所述布置使得来自所述中空中的等离子体的光能够传播通过所述等离子体坩埚并且经由所述法拉第罩从所述等离子体坩埚出去。

2.根据权利要求1所述的光源，其中所述等离子体坩埚为正圆柱体，且所述中空被布置在所述等离子体坩埚的中心轴上并与所述中心轴对齐。

3.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述等离子体坩埚是密封在一起的多个片。

4.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述等离子体坩埚是同质的。

5.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述等离子体坩埚具有圆形横截面并且尺寸被定制成以半波在其中沿径向延伸。

6.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述等离子体坩埚的轮廓被设计成在特定方向上反射光。

7.根据权利要求6所述的光源，其中，所述等离子体坩埚的轮廓表面被金属化来提高反射，所述金属化形成部分法拉第罩。

8.根据权利要求6所述的光源，包括补充反射器，其被定位成使光反射回来穿过所述等离子体坩埚。

9.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述等离子体坩埚是石英的或者多晶氧化铝或者多晶钇铝石榴石YAG或者氮化铝或者单晶蓝宝石。

10.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述法拉第罩是或者包括导电、透明材料的薄层和/或导电金属线网和/或者网状金属片，所述导电金属线网或者网状金属片被熔入等离子体坩埚的材料中。

11.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述法拉第罩包括用于局部增加从其穿过的光透射的至少一个孔，所述孔不大于所述坩埚内微波的自由空间波长的十分之一。

12.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述天线延伸进入所述中空，并具有抵抗填充物侵蚀的材料。

13.根据权利要求1或者2所述的光源，其中所述天线是延伸进入等离子体坩埚内的凹入型件中的导电金属的杆或者线，并且所述连接是所述天线杆或者线的整体延伸，与所述等离子体坩埚内部从一侧或端处的法拉第罩到相对侧或端处的法拉第罩的距离相比，所述中空较小，并且所述凹入型件在所述中空的侧边或者与所述中空成一条直线。

14.根据权利要求1或者2所述的光源，其中，所述等离子体坩埚具有：

·具有台阶的钻孔和从所述等离子体坩埚的中空延伸到所述等离子体坩埚的表面的反向钻孔，和

·反向钻孔中透明材料的插塞，所述插塞密封到所述等离子体坩埚。

15.根据权利要求14所述的光源，其中，所述等离子体坩埚和插塞是玻璃质的材料，并且通过局部熔化在台阶和/或反向钻孔处的插塞材料而使所述插塞和所述等离子体坩埚密封。

16.根据权利要求14所述的光源，其中，所述等离子体坩埚和插塞是陶瓷材料，并且通过局部溶化在台阶和/或反向钻孔处的熔接材料而使所述插塞和所述等离子体坩埚密封。

17.根据权利要求14所述的光源，其中，所述插塞和所述等离子体坩埚在外表面平齐。

18.根据权利要求14所述的光源，其中，所述密封插塞凹进去，并且在所述反向钻孔中提供第二插塞，所述第二插塞与所述等离子体坩埚在外表面平齐。

19.根据权利要求1或者2所述的光源，组合为具有微波驱动电路的灯，包括：

微波源，和

匹配电路。