CN1101753A - 具有红外反射膜和光散射被覆层的灯 - Google Patents

Abstract

一种白炽灯或弧光灯，其封装着灯丝的玻璃或石 英玻璃灯壳的外表面上有多层能反射红外光的光干 涉滤光层，该滤光层上被覆有光散射被覆层，用以散 射灯发射出的光，从而使灯丝形象扩散开。光散射被 覆层由光散射粒料(例如氧化铝)分散在二氧化硅母 体中组成。该被覆层是这样形成的：往滤光层上涂上 里面分散有胶体二氧化硅和光散射粒料的硅酮溶液， 在高温下进行热解，以驱除有机成分并形成二氧化硅 母体。(图1a)

Description

本发明涉及具有红外反射滤光层和光散射被覆层的一种电灯。更具体地说，本发明涉及这样一种灯，该灯有一个透光的外壳将电光源封装起来，外壳上有红外反射滤光层，毗邻滤光层配置有光散射被覆层，其中被覆层含有分散在含二氧化硅的玻璃粘合剂中的光散射粒料。

采用灯丝或电弧作为光源的电灯，其发出的光除非处于发散状态通常是呈光源可看得见的那一种形式。要使光源形象发散开，通常采用的方法有：采用双面凸透镜（带或不带反光面），将灯外壳进行喷砂处理，蚀刻灯外壳或给灯外壳加上被覆层使发出的光散射开，并使电弧或灯丝的光源形象扩散开。酸蚀刻灯外壳或给灯外壳加上被覆层是普通家庭式白炽灯最常用的散光手法，即封装着灯丝的玻璃外壳经过酸蚀（磨砂处理）并/或被覆上光散射粒料。光散射粒料经常采用粘土和二氧化硅或二氧化钛的混合物，因为这种混合物容易搞到，具有光散射性能、化学惰性，且能承受灯工作期间达到的高温。

舞台和摄影室照明用的高亮度白炽灯采用石英玻璃灯丝或电弧室，有时经过喷砂处理使发出的光源形象扩散开，从而使灯发出的光更发散，且使照明对象看不到光源。石英玻璃能承受灯工作期间达到的经常超过900℃的极高温。

最新研制出的高亮度灯，在里面装有光源的玻璃灯壳的外表面设有多层光干涉滤光层。这些滤光层是一些多层薄膜或被覆层，是为让可见光透过但让发射出的红外光反射回灯丝光源而设计的。反射回来的红外光减少了使灯丝维持在规定温度所需要的电能量，因而提高了灯的效能。由于可见光的辐射量不变，但产生这个辐射所需要的电能量减少了，因而灯的效能或单位电能的可见光输出量或每瓦的流明数（LPW）提高了。然而，能反射红外光的多层光干涉滤光层不能敷设到诸如喷砂处理过的光散射表面之类的粗表面，因为粗表面不能将光源发射出的红外光反射回光源。为使这种滤光层发挥作用，光源的光轴必须与表面光滑且与光源同心的灯壳的光轴在一直线上重合，这样滤光层才能将发射出的红外光反射回光源（例如灯丝）。表面一粗糙就会破坏滤光层将发射出的红外光反射回灯丝或电弧的能力，从而使滤光层无用。若灯壳表面的粗糙度相对于红外光波长（即4微米）大，则红外光就以散射的方式相干反射，因而反射不到灯丝。若粗糙度在大约0.4-2微米的数量级，则相干反射遭破坏，而滤光层由于不再是四分之一波的滤光层因而再不能将红外光反射回去。因此需要有一个具有这样一种滤光层的灯，该滤光层能让可见光透过，但对红外光则将其反射回光源，且发出的光经过发散或散射，使光源形象扩散开来，从而看起来不太清楚。

本发明涉及这样一种灯，该灯有一个透光外壳封装着红外和可见光源，毗邻所述外壳设有多层光干涉滤光层，所述外壳让可见光透过但将红外光反射回所述光源，毗邻滤光层配置有光散射被覆层，该被覆层由包含在玻璃二氧化硅粘合剂中的光散射粒料组成。这里可见光是指辐射范围极广在380至770纳米且最好在400至750纳米之间的光。被覆层将光源发射出的可见光散射开，从而将灯发出的光中的光源形象扩散开。光源可以是弧光放电，也可以是灯丝，而在一个实施例中，本发明的灯有一个透光的玻璃外壳封装着光源，外壳的表面上设有多层光干涉滤光层，毗邻滤光层设有光散射被覆层。被覆层是这样形成的：将胶体二氧化硅分散在硅酮中制成粘合液，再将合适的光散射粒料分散在该粘合液中制成被覆层料，然后将该液体分散体喷涂或浸敷到滤光层上，干燥并加热到很高的温度以驱出其中的有机材料，于是形成由包含在含二氧化硅琉态或玻璃状粘合剂中的光散射粒料组成的被覆层。

按照本发明，已制造出高亮度的舞台的摄影室白炽灯，该白炽灯有一个玻璃状的透光石英玻璃外壳，经过气密密封，封装着装在外壳中的钨丝灯丝和卤素，外壳表面上设有能反射红外光和让可见光透过的多层光干涉滤光层，滤光层上设有光散射被覆层。在另一个实施例中，多层光干涉滤光层可用来调节灯光的颜色，具体作法是有选择地只让可见光光谱的某些部分透过。在该实施例中，专业人员可自行决定要不要让滤光层也将红外光反射回光源。在另一些实施例中，在反射表面上或透镜上可将光干涉滤光层和光散射被覆层结合起来使用。因此，从广义上讲，本发明涉及这样一种透光体，该透光体的至少一个表面的至少一部分敷有多层光干涉滤光层，该光干涉滤光层上按本发明设有光散射被覆层。

图1（a）和（b）分别示意示出了灯外壳外表面上有光干涉滤光层和光散射被覆层的白炽灯，和灯表面上被覆层和滤光层的细节。

图2是灯的透射百分比作为设在光干涉滤光层上的光散射被覆层量的函数的关系曲线。

参看图1（a），可以看到长条形白炽灯10有一个可见光可透过的石英玻璃灯壳12，灯壳中气密密封有灯丝14，用五个灯丝支座15支撑在灯壳中。灯的两端用套在钼密封箔18的常用夹封件16气密密封起来，引入线20通过夹封部分延伸出来，穿过钼箔密封件18供电给灯丝14。外壳表面22被覆有多层的光干涉滤光层24，该滤光层由多层高低折射率交替的折射层组成，折射层上按本发明敷设有光散射被覆层26。被覆层26由含光散射粒料30的玻璃状二氧化硅粘合材料32组成。图1（b）中示出了在28处石英玻璃衬底12被覆有多层光干涉滤光层24的部分的细节，本发明的光散射被覆层26即配置在滤光层24上。图1（b）中示出的细节仅仅是为了举例说明而已，并不是任何个别滤光层上覆盖层的细节。H和L分别表示高低折射率交替的折射材料层。图1（b）中的细节并不按比例画出的。本发明并不局限于本特殊实施例的那种灯，即有一个石英玻璃外壳的那种灯，外壳中气密密封有作为光源的灯丝，灯壳外表面上设有多层光干涉滤光层，滤光层上按本发明设有光散射被覆层。按照本发明，也可以采用其它灯、灯型和灯结构，例如灯壳由高温玻璃或石英玻璃制成的双端石英灯，其中灯丝或电弧室为了更有效地将光源发出的红外光反射回光源取椭圆的形状，例如，美国专利5，019，743中所公开的那一种。此外，如上面谈过的那样，多层光干涉滤光层和光散射被覆层结合起来可应用在一个或多个透光反射器的表面上，例如用在美国专利5，143，445所公开的被覆有光干涉薄膜的全玻璃反射器的表面上。在另一个实施例中，灯可以套上一个透光护罩（例如玻璃或石英玻璃护罩）将灯包围起来，且与灯间隔一段距离，灯与护罩之间用设在护罩表面的滤光层和光散射被覆层间隔起来。

多层光干涉滤光层也叫做薄膜光干涉滤光层，这种滤光层由两种或多种折射率不同材料交替形成的滤光层组成，而它们与灯、反射器和透镜的配合使用都是本技术领域的行家们所熟知的。使用这些滤光层是用来有选择地反射并/或传送来自电磁波谱各不同部分的光，例如紫外光、可见光和红外光。这些滤光层在灯制造业中如报导的那样是用在反射器、透镜和灯壳上的。大家知道，这些滤光层将灯丝（或电弧）发射出红外光反射回灯丝（或电弧），同时将光源发射出的电磁波谱的可见光部分透射出来，因而减少了应加到灯丝上以维持灯丝工作温度所需要的电能量，从而对提高主要是白炽灯的照明效率特别有用。在上述公开的实施例中，灯被制造得使多层光干涉滤光层将灯丝发射出的红外光反射回灯丝，同时透射电磁波谱的所有可见光部分（即400-750纳米）。制灯工业中暴露在超过500℃左右高温的滤光层是由折射率高低交替的耐火金属氧化物层制成的，例如五氧化钽、二氧化钛、五氧化铌和二氧化硅，其中二氧化硅是低折射率材料，五氧化钽、二氧化钛或五氧化铌是高折射率材料。例如，美国专利5，143，445、5，138，219、4，588，923和4，663，557中就公开了这类滤光层和使用这类滤光层的灯和反射器，但并不局限于这些实例。这些多层滤光层敷设的方法是采用蒸发或溅射法，浸渍被覆层有机产物母体，还可采用化学汽相淀积法（CVD）和低压化学汽相淀积法（LPCVD）。在按本发明制造的图1中所公开的那种实际灯中，将灯丝发射出的红外光反射回灯丝同时将可见光透射过去的多层光干涉滤光层，是由如美国专利4，949，005公开的LPCVD（该公开内容这里也包括进来以供参考）交替淀积到石英玻璃灯壳外表面上的五氧化钽和二氧化硅层制成的，其总层数为26-30层，其中有一些如例如美国专利5，143，445和5，138，219中所公开的那样超过40层。但不言而喻，本发明并不局限于这种只透射可见光且反射红外光的滤光层。这类滤光层还可以为改变灯光颜色而设计。在滤光层用来将红外光反射回灯丝的实施例中，滤光层必须配置在灯丝周围，其结构应确保能有效地作为红外光的反射层。这就是说，敷上滤光层的衬底，必须光滑到可以使用的程度，且应敷设成在几何结构上确保红外发射源处在滤光层结构的光学中心。在图1所示的实施例中，滤光层是敷设在里面装有灯丝14的灯壳12的外表面22上，其中灯壳12呈空心圆柱体的形式。就是说，灯10是管形的长条灯。此外，灯丝14必须尽可能在径向上精确对中，使灯丝的纵轴线与灯10内部灯丝腔或室的光学中心纵轴线吻合。灯丝的对中可以采用适当的灯丝支架15达到，灯丝支架15可以取钨丝线圈或其它耐火金属丝线圈的形式。其它被覆有历来采用的用以确保发射出的红外光反射回光源的红外反射滤光层的灯丝或电弧室，其形状包括球形和椭圆形。

上面谈过，本发明实践中采用的光散射被覆层由含有光散射粒料的琉态或玻璃状的二氧化硅粘合剂组成。可用在本发明的被覆层中的光散射粒料包括任何能透射可见光、折射率与二氧化硅粘合剂不同、不导电、对滤光层和粘合材料有化学惰性、且不受灯工作温度、灯发射出的辐射或灯工作环境的坏影响的材料。举例说，可用作本发明的被覆层且能满足这些要求的光散射粒料包括Al₂O₃、BN、Y₂O₃、ZrO₂、SiC、Ta₂O₅、TiO₂、Si₃N₄和Nb₂O₅，但并不局限于这些例子。为有效散射整个可见光谱的光，光散射粒料的有效或烧结后的实际截面（有效直径）至少应为红光波长的四分之一（即180纳米）。某些小于此值的粒料可以纳入这个分布范围，但它们作为光散射剂的作用极小。因此最佳粒度的下限是按个别粒料有效散射的能力确定的（大约0.2微米）。上限在0.5-3微米之间，且受粒度过大的粒料量及其有效直径的影响，这下面即将说明，粒度主要在0.2至0.4微米范围内的氧化铝粒料在本发明的实施中，其作用令人满意。

如上面的述的那样，可用以实施本发明的光散射被覆层的粘合剂是玻璃状的二氧化硅，这是由胶体二氧化硅分散在硅酮中组成的液体分散系构成被覆层的母体制取的。硅酮一词在这里是作为通用术语使用的。被覆层是这样形成的，其中的硅酮是R（SI（OH）₃）部分缩合物的水醇溶液，其中R为烷烃，例如甲基三甲氧基硅烷（methyltrimethoxy silane）。美国专利3，986，997、4，275，118、4，500，669和4，571，365，举例说，就公开了这类适用的硅酮，包括一些据公开含有胶体二氧化硅的硅酮，这里也把这些专利包括进来以供参考。由这些材料制成的被覆层在其母体因其中的有机物质烧光而转变成玻璃状的含硅材料之后能耐受高亮度灯丝或电弧放电灯灯壳表面达到的往往超过900℃的高温。本发明的液体被覆层母体是由光散射粒料分散在里面分散有胶体二氧化硅的硅酮溶液中制取的，液体被覆层母体敷设到灯壳的整个干涉滤光层，并在低温下干燥，以便将溶剂蒸发掉之后，将被覆上该母体的灯在空气中渐渐加热，使其温度上升，从而使有机构质热解，形成本发明由分散在二氧化硅母体或粘合剂中的光散射粒料组成的玻璃状被覆层。我们发现，350℃的温度就足以将有机物质从被覆层中热解出来形成玻璃状二氧化硅粘合剂。为使如此形成的二氧化硅变得密实并将其烧结，将灯通电。石英玻璃灯壳的温度达到900℃，因而在灯运行的头一个小时内，被覆层就完全密实了。这里二氧化硅是指通用术语的二氧化硅，也可以采用某些硅酸盐。例如，本发明的光散射被覆层由含有照明散射粒料的玻璃状二氧化硅粘合剂组成。下面参照以下的一些实例，以便进一步理解本发明的内容。

本发明的长条白炽灯按图1所示制造，该灯的管状石英外壳直径10毫米，长105毫米，灯的工作电压120伏，功率650瓦。这些灯都被覆有多层光干涉滤光层，供反射红外光并透射可见光之用，滤光层有的设计成美国专利5，143，445公开的那一种（五氧化钽/二氧化硅），计有24层，有的设计成美国专利5，138，219公开的那一种，计有46层，采用该两专利公开的LPCVD法进行被覆。这些灯按本发明被覆的母体被覆层，含有溶解在15份以重量计的热固性硅树脂溶液中经Degussa  C熏过的2份以重量计的氧化铝粉。硅树脂溶液是这样制备的：往购自美国加利福尼亚州加登格罗夫市SDC涂料有限公司的60毫升Silvue313耐磨涂料中加入70毫升丁醇和70毫升异丙醇。Silvue313是胶体二氧化硅在R（Si（OH）₃）部分缩合物溶液中分散形成的分散体，其中R是甲基基团。该分散体含5%乙酸、13%正丁醇、30%异丙醇、1%甲醇（全都以重量%计）和水。Silvue313中胶体二氧化硅和甲基三甲氧基硅烷组成的总固体含量在20-25重量%的范围。在超声波槽中将Degussa C氧化铝在硅酮溶液中搅拌，再加入含氧化铝的溶液。Degussa C的主要粒度为10毫米，有效粒度或烧结粒度的有效直径约在200-500毫米或0.2-0.5微米之间的范围。灯都浸渍在该母体涂料混合料中，然后在空气中干燥至少5分钟。接着将干燥并被覆过的灯放入实验室350℃的烘炉中历时30分钟，以便驱除有机物质或使有机物质热解，并使二氧化硅开始密实化。经过如此处理之后，无需对被覆层进行暗化或黑化处理，就可以将灯通电或在总额定电压下点亮。由于灯壳能达超过900℃的温度，因而在使用的头一个小时期间，被覆层继续密实化。本发明的被覆层是含光散射粒料（在此情况下为氧化铝）的玻璃状二氧化硅粘合剂，它是经过350℃热处理之后制成的，二氧化硅粘合剂则在更高的温度继续密实化到二氧化硅的理论极限值。

经如此处理的灯通电点亮2000小时以上后，被覆层没有显著的变质现象或者灯的散射光发射性能有任何衰退的迹象。光散射被覆层粘合到具交替的五氧化钽和二氧化硅组成的滤光层的粘合力通常优异。但光散射被覆层的粘合力会随滤光层的表面情况（即滤光层表面的断裂和粗糙程度）而变化。因此，能使光散射被覆层充分粘附到滤光层而不致对光学性能有不利影响的预敷层或底层涂料，是由Alon  C氧化铝粉与硼酸以约3∶1重量比组成的混合料再加甲醇和乙酸溶纤剂制成的。预敷层也是浸渍敷上的。预敷层或底层涂料不到30分钟就能干。然后将灯被覆以本发明的光散射被覆层，即硅酮溶液与上述Degussa  C的混合物。这些灯的光学性能优异，即灯发射出的光是散射的，且被覆层的粘附情况优异。所有用含Degussa  C氧化铝的光散射被覆层制成的灯，其镜面透射比小于15%，总透射比（镜面加散射光）大于50%。

肉眼观察和实验测定证明，散射被覆层的镜面透射比小于15%时，可以仿造出喷砂石英的外表和光学性能。我们不希望可见光散射反射回灯中，因为这些光有些因在灯管内引线或灯丝上被吸收而消失。这就是说，总透射比（镜面加向前散射光）应尽可能高，至少50%。图2示出了本发明被覆层的被覆厚度对两种不同粒度分布的透射系数据的影响。在这些实例中，被覆层成品中的粒料重量密度保持不变。Degussa氧化铝粉由有效粒度或直径主要范围在0.2至0.4微米的粒料组成。在一系列被覆层厚度下，不难达到低于15%的镜面透射比，同时保持高于50%的高总透射比。被覆层的厚度在4与10微米之间时，被覆层的性能和外观都是可以接受的。Baikowski  CR30氧化铝粉由粒度比Degussa大的粒料组成。大约35%的粒料小于1微米，80%的粒料小于3微米，20%的粒料在3与8微米之间。粒料粒度较大会使散射过头。要达到镜面透射比小于15%、总透射比大于50%的理想性能，只能在被覆层厚度小于4微米时。在这个薄膜厚度下，CR30被覆层的粒料在滤光层表面的分布范围不全面。虽然在范围不大的薄膜厚度下可以达到透射比所要求的目标，但得出的被覆层斑点或颗粒相当多，以致外观不美到不能容许的程度。

不言而喻，在不脱离本发明的范围和精神实质的前提下，本技术领域的行家们显然是不难提出本发明的各种其它实施例和修改方案的。因此，本发明书所附权利要求书的范围并不局限于上述说明书内容，而应视为包括所有寓于本发明内可申请专利的新颖性的各种特点，包括所有本发明技术领域的行家们视为等效方案的特点在内。

Claims (10)

1、一种透光体，其特征在于，其至少一个表面的至少一部分有多层光干涉滤光层，毗邻该滤光层配置有光散射被覆层，该被覆层由包含在琉态二氧化硅粘合剂中的光散射粒料组成。

2、如权利要求1所述的透光体，其特征在于，所述光散射粒料的折射率不同于或大于所述粘合剂的折射率。

3、如权利要求2所述的透光体，其特征在于，所述光散射粒料能让可见光辐射透过。

4、如权利要求3所述的透光体，其特征在于，所述光散射粒料的粒度不超过3微米。

5、如权利要求3或4所述的透光体，其特征在于，所述滤光层反射红外光，透射可见光。

6、如权利要求5所述的透光体，其特征在于，所述滤光层由不同的耐火金属氧化物交替配置制成。

7、如权利要求6所述的透光体，其特征在于，所述光散射粒料包括氧化铝。

8、一种包括根据1至7任一权利要求所述的透光体的灯，取外壳封装着红外和可见光源的形式，多层光干涉滤光层毗邻所述透射可见光的灯壳配置。

9、根据权利要求8所述的灯，其特征在于，所述光源是个灯丝或电弧放电。

10、根据权利要求8或9所述的灯，其特征在于，所述被覆层是这样制取的：将光散射物质粒料分散在胶体二氧化硅在液体硅酮溶液中的分散体中，毗邻所述滤光层配置，然后加热，使其温度升高，以驱出所述硅酮的有机成分，并将所述硅酮和所述胶体二氧化硅转换成琉态二氧化硅粘合剂。

Images