CN1086510C - 金属卤化物灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金属卤化物灯，其中填充有Hg、稀有气体和InI与HoI3，InI的填充量介于0.1-1.5mg/cc之间，而HoI3的填充量在这样一个范围内，即由卤化物温度决定的所述卤化物的蒸发量是最小填充量而3.0mg/cc是所述卤化物的最大填充量，从而可以获得发光效率高而发射谱较好地分布于整个可见光范围的灯，由于抑制了弧光管的失透，所以延长了寿命。

Description

金属卤化物灯
本发明涉及用作液晶投影仪等的光源的金属卤化物灯。
最近，液晶投影仪等作为放大和投射字符、图表等图像的装置，已经为人们熟知。由于某些光学输出需要这种图像投影仪，所以发光效率较高的金属卤化物灯被广泛用作图像投影仪的光源。在这种金属卤化物灯中，例如如同日本未审查专利No.3-219546中揭示的那样，通常采用Nd、Dy和Cs的碘化物作为填充弧形灯管的卤化物。
如同日本未审查专利No.3-219546中揭示的那样，填充Nd、Dy和Cs的碘化物的灯(以下称为Dy-Nd-Cs-I系列灯)具有极佳的发光效率，但是它的缺点是在其寿命前期会发生失透现象(devitrification)，特别是由于碘化铌(NdI3)与构成弧形灯管的硅玻璃之间的强烈化学反应。失透现象使得光束的强度降低，减小了发光强度并使光束散射，从而产生不均匀的发光强度并降低了液晶投影仪的屏幕亮度。特别是用作液晶投影仪光源的Dy-Nd-Cs-I灯缩短了阴极投影仪的寿命。
最近，从节约能量的观点出发，需要一种发光效率比Dy-Nd-Cs-I灯更高的光源。在“含有稀土卤化物的金属卤化物灯的发光特性”一文(Journal of LightingSociety，vol.65 No.10，1981，p17)中揭示了可以通过在Tl或In的卤化物中加入稀土卤化物获得发光效率较高的光源。但是这里揭示的光源的相关颜色温度较低，不适于用作液晶投影仪的光源。这里揭示的光源的另一个实例是填充InI和TmI3的金属卤化物灯，从相对谱分布图估计，其相关颜色温度约为4500K。另一方面，诸如液晶投影仪之类的图像投影仪的白色温度基准约为9000K。
本发明的一个目标是提供一种金属卤化物灯来替代已有技术的Dy-Nd-Cs-I系列灯或者In-Tm-I系列灯。该金属卤化物灯的发射谱分布于整个视觉范围，具有较高的发光效率、合适的颜色温度以及较长的寿命。
本发明的金属卤化物灯包含：
光发射容器，其内部除了填充启动稀有气体之外，至少含有In的卤化物和Tb、Dy、Ho、Er、Tm的卤化物或所述Tb、Dy、Ho、Er、Tm的混合物，其中
In的卤化物填充至0.1mg/cc-1.5mg/cc之间，并且在金属卤化物灯中，Tb、Dy、Ho、Er、Tm的卤化物或者所述Tb、Dy、Ho、Er、Tm的混合物的填充使得由所述卤化物温度决定的所述卤化物的蒸发量是最小的填充量而3.0mg/cc是所述卤化物最大的填充量。
在金属卤化物灯中，点亮的是管壁负载介于48W/cm2-62W/cm2之间的灯。
在金属卤化物灯中，光发射容器内的填充材料由外部输送的电磁波激发并开始发射。
在金属卤化物灯中，In卤化物中的卤素是碘或溴。
在金属卤化物灯中，稀土元素卤化物中的卤素是碘或溴。
在金属卤化物灯中，灯在交流下工作。
在金属卤化物灯中，与外部电源电学连接的一对电极放置得使它们之间的间距小于5毫米。
图1为表示本发明实施例1的金属卤化物灯构造的示意图；
图2为表示本发明实施例1的金属卤化物灯的光谱分布示意图；
图3为表示本发明实施例1的灯内碘填充量与相关颜色温度之间关系的示意图；
图4为表示用于估计本发明金属卤化物灯寿命的光学系统的示意图；
图5为表示本发明的实施例1的金属卤化物灯点亮时间与亮度维持因子之间的关系的示意图；
图6为表示本发明实施例2的金属卤化物灯发射谱的示意图；
图7为表示本发明的实施例2的金属卤化物灯点亮时间与亮度维持因子之间的关系的示意图；
图8为表示本发明实施例2的灯内碘填充量与相关颜色温度之间关系的示意图；
图9为表示本发明实施例3的金属卤化物灯发射谱的示意图；
图10为表示本发明实施例4的金属卤化物灯发射谱的示意图；
图11为表示本发明实施例5的金属卤化物灯发射谱的示意图；
图12为表示本发明实施例6的金属卤化物灯发射谱的示意图；
图13为表示本发明实施例7的金属卤化物灯发射谱的示意图；
图14为表示本发明实施例1的管壁负载与相关颜色温度之间关系的示意图。
1   弧形灯管
2a  电极
2b  电极
10  光源
11  光束聚焦镜
12  投射透镜系统
13  屏幕
以下借助附图详细描述本发明。
已有技术的Dy-Nd-Cs-I系列灯的第一个问题是，由于NdI3与弧形灯管的硅玻璃的强烈化学反应，所以在其寿命的前期弧形灯管就会发生失透现象。如果采用失透水平较NdI3低(与硅玻璃的相互作用小)的材料作灯的填充料，则可以克服这个问题。
由此观点出发，首先通过以下的失透评价测试评估各种金属卤化物的失透水平。在失透测试中，将容积为5cc并填充10毫克金属卤化物的硅玻璃灯管在1100℃下加热100小时，随后测量其总的透射率以评估金属卤化物的失透特性。玻璃管加热后的总透射率与加热前的总透射率之比(％)示于表1中。百分比越大意味着失透程度越低。表中的空格表示未进行评估。
                     表1
    材料 总透射率(％)     材料   总透射率(％)
    NdI3     94.6     NdBr3     97.0
    TbI3     98.0     TbBr3
    DyI3     94.8     DyBr3     99.0
    HoI3     98.1     HoBr3
    ErI3     98.6     ErBr3
    TmI3     98.7     TmBr3     99.0
    InI     99.0     InBr
    SnI3     99.0     SnBr3     99.0
如表1所示，填充有TbI3、DyI3、HoI3、ErI3、TmI3、InI、SnI3、DyBr3、TmBr3、InBr和SnBr3的总透射率分别大于填充有NdI3的总透射率并表现出较低失透程度的特性。
由此对这些低失透特性的材料的组合的各种性质进行了研究。因此，如下所述，通过向In的卤化物加入Tb、Dy、Ho、Er或Tm或它们的混合物获得了极佳的寿命和发光效率特性。
(实施例1)
图1为表示本发明第一实施例的金属卤化物灯的曲线图。在图1中，标号1表示作为石英弧光管的透光容器，其两端形成有密封部分6a和6b。由钼构成的金属箔片导体3a和3b分别紧密地附着在密封部分6a、6b上。由钼构成的电极2a、2b和引线4a、4b分别与这些金属箔片导体3a和3b电连接。
电极2a、2b由钨棒7a、7b和钨线圈8a、8b分别构成。线圈8a、8b通过焊接在电气上固定于钨棒7a、7b的顶端，并作为电极2a、2b的辐射器。电极2a、2b排列在弧光管1中从而互相面对并且间距保持在3.5±0.5mm之内。
弧光管1接近球形，其内径约为10.8mm，内部容积为0.7cc，而内表面面积为3.6cm2，其中填充0.4mg(0.57mg/cc)的InI作为填充材料，1mg(1.43mg/cc)的HoI3作为稀土碘化物，35mg的汞(Hg)作为缓冲气体，而200mbar的氩(Ar)作为启动稀有气体。
具有上述构造的金属卤化物灯通过外部引线4a、4b供给电力，额定灯功率为200W(管壁负载为55W/cm2)并对发射特性进行了评估。
图2为本实施例的金属卤化物灯的谱分布曲线图。这种情况下的相关色温度和发光效率分别为5500K和87lm/W左右。在整个可见范围内都观察到了强发射。红光范围的发射尤为强烈。
为比较起见，对一种用1mg的DyI3、(mg的)NdI3和1mg的CsI代替InI和HoI3填充而其他结构与图1实施例的金属卤化物灯(以下称为Dy-Nd-Cs-I灯)相似的灯进行了评估。比较用的金属卤化物灯在额定功率下点然时，其发光效率为77lm/W。这些结果表明本实施例的金属卤化物灯具有较高的发光效率。
接着，制造各种不同的灯，其中InI和HoI3的填充量不同而其他方面与图1实施例的金属卤化物灯相同。在额定功率下对这些灯的发光效率进行了测试，并进一步对填充有InI和HoI3的金属卤化物灯的基本特性进行了研究。借助附图3、4和5描述了测试结果。
图3为表示单位体积内InI的填充量(mg)(横轴)与相关色温度(K)(纵轴)之间关系的曲线图，其中HoI3的填充量被取作参数。图中●、○、□三种符号分别表示HoI3的填充量为0.57、1.43和2.86mg/cc。
由图3可见，相关色温度对InI填充量的依赖性较强，如图中曲线3A所示。但是HoI3的填充量对相关色温度的影响较小。这是因为InI一般施行不饱和作用而HoI3施行处于饱和作用。
所需的相关色温度取决于用途。当用于液晶投影仪等装置时，比较好的相关色温度为4500K或更高。当温度小于4500K时，屏幕上的白色颜色温会稍稍变出黄色色温。在许多液晶投影仪中，比较好的是采用相关色温度为9000K的光源作为白色基准。图3所提供的结果表示与各种较高的相关色温要求对应的比较好的InI填充量在实施例的金属卤化物灯中为0.1mg/cc-1.5mg/cc。
此外，由以下的说明显而易见的是，对应各种较高相关色温度要求的InI填充量的比较好的范围可以应用于其他管壁负载与本实施例的灯不同的灯上。
InI数量不同但其他构造调节与图1实施例的金属卤化物灯相似的灯在各种功率下工作并检测了其相关色温度。结果示于图14。在图14中，曲线14A、14B和14C分别表示相关色温度与InI填充量在175W(管壁负载：约为48W/cm2)、200W(管壁负载：约为55W/cm2)和225 W(管壁负载：约为62W/cm2)下的关系。结果显然可见即使对于不同的管壁负载，在0.1mg/cc-1.5mg/cc的InI填充量下也可以获得4500-9000K之间的较好的相关色温度。但是管壁负载越高，相关色温度则越低。当InI的填充量为0.57mg/cc时，55W/cm2的管壁负载下的相关色温度约为6800K，62W/cm2的管壁负载下的相关色温度约为5800K。但是InI填充的越多，颜色温度的降低越少。当InI的填充量为1.5mg/cc左右时，相关色温度在管壁负载从55W/cm2到62W/cm2之间的变化率小于5％而可以忽略不计。该结果表明通过使InI的填充量小于1.5mg/cc，可以使相关色温度达到4500K以上而与管壁负载无关。
接着，采用本实施例的金属卤化物灯作为图4所示的光学系统的光源以评价屏幕13照度对点燃时间的维持因子。在图4中，标号10表示光源，标号11表示并对光源10发射的光线进行反射和聚光的聚光镜，以及标号12表示将聚光镜聚光的光线投射到屏幕13上的投射透镜系统。图5示出了评价结果(曲线5A)。在图5中，横坐标表示点燃时间而纵坐标表示屏幕上13个点的平均照度的维持因子。为比较起见，也标出了Dy-Nd-Cs-I灯的结果(曲线5B)。新近由这些结果指出，包含InI和HoI3的金属卤化物灯与填充NdI3的已有技术相比，寿命更长。这些结果示于表1，它们证实了失透评估测试的结果。
(实施例2)
接着，描述填充1mg(1.43mg/cc)的TmI3代替HoI3而其他构造与图1实施例的金属卤化物灯相似的灯。
图6为表示本实施例的金属卤化物灯的谱分布的曲线图。这种情况下的相关包温度和发光效率分别为6400K和94lm/W左右。
用TmI3代替HoI3的灯具有较高的发光效率。另一方面红光区域的发射不大令人满意。
就相关色温度而言，该灯与填充HoI3的等同。图3中画出的本实施例灯的相关色温度与InI填充量对相关色温度的的曲线3A相合。因此，对于本实施例(其中达到相对较高的相关色温度，而在已有技术的In-Tm-I系列灯中是达不到的)中用TmI3代替HoI3的灯来说，InI比较好的填充量为0.1-1.5mg/cc，与实施例1的相同，
本实施例的灯的特征还在于寿命较长。与图5一样，图7为表示当本实施例的灯用于图4所示光学系统的光源时屏幕上13个点的平均照度对于点然时间的维持因子的曲线图(曲线7A)。此外，也示出了本实施例的灯(填充了2mg的TmI3)和已有技术的灯(Dy-Nd-Cs-I灯)的结果(分别为曲线7B和7C)。已有技术的Dy-Nd-Cs-I灯在点燃1400小时后屏幕的平均照度下降至初期使用时的50％，而本实施例的灯的平均照度即使在点燃2000小时后仍维持在使用初期的60％。但是，如图7B所示，新近发现随着TmI3填充量的增加，寿命将会缩短。在实施例1描述的填充HoI3的灯中也观察到了这种趋势。因此，对寿命来说TmI3的填充量越小越好。TmI3的最小的填充量是能够蒸发的量(由于TmI3和HoI3的蒸汽压都很低，所以填充的总量不会蒸发)。与此同时所述卤化物的可蒸发量由所述卤化物的温度决定。本实施例的灯的最低温度与其他普通金属卤化物灯一样，为1000K，在该温度下的TmI3饱和蒸汽压为4×10-5atm，因此根据气体状态方程，在0.7cc的灯内TmI3的蒸发量约为0.0001mg。但是，由于这样的超微量无法称量，所以0.01mg的量为实际值。从图7可见最多不能超过2mg(＝约3mg/cc)。基于同一原因，TmI3的较佳填充量范围也能应用于前面实施例1中描述的填充HoI3的灯。
此外，即使填充了不同数量的TmI3或HoI3，TmI3和HoI3都施行饱和作用，从而不会对发光效率产生不利影响。图8为表示HoI3填充量与灯的发光效率之间关系的曲线图，其中HoI3代替了本实施例中的YmI3。
(实施例3)
接着，描述填充1mg(1.43mg/cc)的TbI3代替HoI3而其他构造与图1实施例的金属卤化物灯相似的灯。
图9为表示本实施例的金属卤化物灯的谱分布的曲线图。这种情况下的相关色温度和发光效率分别为7000K和82lm/W左右。
用TbI3代替HoI3的灯具有较高的相关色温度。500nm波长左右的发射(比红色范围更强)对较高的相关色温度起着较大的作用。
此外，本实施例的另一种灯(其中填充0.6mg(0.86mg/cc)的InI和2mg(2.86mg/cc)的TbI3)的相关色温度和发光效率约为6300K和80lm/W。
在本实施例的灯中，InI的填充量比较好的是在0.1-1.5mg/cc之间，与实施例1一样。
由表1所示的失透测试结果和实施例1、2的结果可以看到，填充TbI3的本实施例的灯也具有较长的寿命。
(实施例4)
接着，描述填充0.6mg(0.86mg/cc)的InI和2mg(2.86mg/cc)的ErI3代替HoI3而其他构造与图1实施例的金属卤化物灯相似的灯。
图10为表示本实施例的金属卤化物灯的谱分布的曲线图。这种情况下的相关色温度和发光效率分别为5000K和86lm/W左右。
填充了ErI3的本实施例的灯具有与HoI3相似的发射谱。由于有此特征，ErI3完全可以替代HoI3。
在本实施例的灯中，InI的填充量比较好的是在0.1-1.5mg/cc之间，与实施例1一样。
用DyI3代替ErI3可以获得相似的发射特性。但是从失透测试结果的表1可见，失透性质较强，从而使得用DyI3替代会略微降低其不同凡响的寿命。
(实施例5)
接着，描述填充0.6mg(0.86mg/cc)的InI和1mg(1.43mg/cc)的HoI3并加入1mg(1.43mg/cc)的TbI3而其他构造与图1实施例的金属卤化物灯相似的灯。
图11为表示本实施例的金属卤化物灯的谱分布的曲线图。这种情况下的相关色温度和发光效率分别为6100K和83lm/W左右。
将TbI3加入HoI3的灯的特征是发射分布是TbI3和HoI3两者特性的叠加。500nm波长左右的发射强于只填充TbI3的灯，是由TbI3产生的效果，而红光范围的发射强于只填充TbI3的灯，是由HoI3产生的效果。
除了TbI3和HoI3的组合以外，其他的组合也可以达到这样的效果。通过适当地组合TbI3、DyI3、HoI3、ErI3和TmI3，可以获得具有独特性质的灯。例如，对于HoI3和TmI3的组合，在红光范围TmI3的发射不太令人满意，因此通过HoI3进行改善，而通过TmI3可以提高只填充HoI3的灯的发光效率。
(实施例6)
接着，描述填充0.4mg(0.57mg/cc)的InBr代替InI而其他构造与图1实施例的金属卤化物灯相似的灯。
图12为表示本实施例的金属卤化物灯的谱分布的曲线图。这种情况下的相关色温度和发光效率分别为5300K和80lm/W左右。
如本实施例所示，没有观察到因用InBr替代而引起的发射分布的变化。就这点而言，用InBr代替InI是可行的。此外由表1失透测试结果可见，对寿命并无不利的影响。但是发光效率略微降低。
用InBr替代InI并不局限于如本实施例所示的与HoI3的组合。在与TbI3、DyI3、ErI3和TmI3以及这些碘化物的混合物的组合中也是可行的。此外，可以用溴化物代替碘化物，并且碘化物可以与溴化物组合起来。
(实施例7)
接着，描述填充1mg(1.43mg/cc)的HoBr3代替HoI3而其他构造与图1实施例的金属卤化物灯相似的灯。
图13为表示本实施例的金属卤化物灯的谱分布的曲线图。这种情况下的相关色温度和发光效率分别为7200K和74lm/W左右。
用HoBr3代替HoI3的灯具有较高的相关色温度。440nm波长左右的发射增强较多。发光效率下降了10％，与普通的Dy-Nd-Cs-I灯的值持平。
相对于实施例2中填充TmI3的灯而言，另一种灯填充1mg(1.43mg/cc)的TmBr3代替TmI3，它的相关色温度约为8600K而发光效率为81lm/W。灯的发射谱如图14所示。
如上所述，采用Ho和Tm的溴化物代替碘化物的结果是提高了相关色温度但发光效率降低约10％。尽管发光效率有所降低，但是与碘化物相比寿命有了增加。表1的失透评价测试结果表明，Tm溴化物的失透性质较其碘化物的失透性质为低。
此外，显而易见的是，与TmBr3相比，即使对于Dy和Nd，但其碘化物具有较高的失透特性，但溴化物的失透特性较小，并且Ho、Tb和Er的溴化物具有相对较长的寿命。
对于这些溴化物的情形，用InBr代替InI并不会引起不良的效果。
如上所述，通过将0.1-1.5mg/cc的In的卤化物与稀土Tb、Dy、Ho、Er、Tm或者从这些稀士元素中选出的元素的混合物相组合，可以实现适合较高相关色温度要求的高效金属卤化物灯。此外，当所述稀土卤化物的填充量在这样的范围内，即依赖于所述卤化物温度的所述卤化物蒸发量为最小填充量而3.0mg/cc为最大填充量时，可以进一步延长金属卤化物灯的寿命。
在实施例中，弧长为3.5±0.5毫米，但是当弧长为5mm或小于5mm时，可以获得同样的好处。当弧长超过5mm时，效率有所提高但相关色温度将会降低。
在用镓(Ga)(它也属于3B)代替In的情况下，发光效率小于70lm/W。在失透较低(失透测试结果中表明)的锡(Sn)卤化物与In的碘化物组合时，可以获得70lm/W以上的发光效率，但是由于照度较低，它不适合于作为液晶投影仪的光源。
虽然在上述实施例中，描述了具有电极的金属卤化物灯的实例，但是对于没有提供电极并且弧光管内部的填充物受激发并发射光线的所谓“无电极”金属卤化物灯也能得到同样的效果。
虽然在上面对较佳实施例作了描述，但是本发明并不局限于上述描述，应该理解，对于本领域内的技术人员可以在不偏离本发明的精神的前提下对本发明作出各种修改。即使功率和尺寸不同的灯也能获得类似的效果，并且在为了稳定电弧而加入含钠(Na)、Cs等材料时也能达到同样的效果。
在实施例的基础上，按照本发明可以得到发光效率高和覆盖可见范围的发射谱的经济光源，从而满足了需要各种较高相关色温度的要求。除了加入启动气体以外，通过将In的碘化物与包含Tb、Dy、Ho、Er和Tm稀土元素的卤化物或从这些元素中选出的元素的卤化物的混合物相组合可以做到这一点。
此外，由于减缓了透明容器材料与加入的金属的相互作用，所以抑制了失透，从而可以使光源具有较长的寿命，适合于用作液晶投影仪的光源。
同时，施加在上述实施例的灯的电流为270Hz的矩形波形。在本发明中比较好的是采用交流作为施加到灯上的电流。

Claims (8)

1.一种金属卤化物灯，包含：光发射容器，其内部除了启动稀有气体之外，至少填充有In的卤化物和Tb、Dy、Ho、Er、Tm的卤化物或所述Tb、Dy、Ho、Er、Tm卤化物的混合物，其中In的卤化物填充至0.1mg/cc-1.5mg/cc之间，其特征在于Tb、Dy、Ho、Er、Tm的卤化物或者所述Tb、Dy、Ho、Er、Tm卤化物的混合物的填充使得由所述卤化物温度决定的所述卤化物的蒸发量是最小的填充量而3.0mg/cc是所述卤化物最大的填充量。
2.如权利要求1所述的金属卤化物灯，点亮是在管壁负载介于48W/cm2-62W/cm2之间的灯功率下进行。
3.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于光发射容器内的填充材料由外部输送的电磁波激发并开始发射。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的金属卤化物灯，其特征在于In的卤化物中的卤素是碘或溴。
5.如权利要求1-3中任意一项所述的金属卤化物灯，其特征在于稀土元素卤化物中的卤素是碘或溴。
6.如权利要求4所述的金属卤化物灯，其特征在于稀土元素卤化物中的卤素是碘或溴。
7.如权利要求2所述的金属卤化物灯，其特征在于灯在交流下工作。
8.如权利要求1或2中任意一项所述的金属卤化物灯，其特征在于与外部电源电学连接的一对电极放置得使它们之间的间距小于5毫米。
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