CN1184432C - 用于紫外线灯系统的反射器 - Google Patents

Abstract

一种用于具有等离子灯泡的紫外线或其它类型的灯系统中的反射器。该反射器包括一或多个纵向延伸的反射器板，反射器板具有有利地反射从所述灯泡发出的紫外线而在基板的较大表面积上形成均匀光照的特征形状。每一反射器板的基本部分具有通过公式(x/a)⁽²⁺ⁿ⁾+(y/b)^(2+m)＝1来表示的特征形状，其中a和b是常数，n和m是在0和2之间的指数。

Description

用于紫外线灯系统的反射器

技术领域

本发明涉及紫外线灯系统，尤其涉及一种用在这样的灯系统中反射安装在该系统内的等离子灯泡所产生的紫外线的反射器。

背景技术

紫外线灯系统用于将微波能耦合到安装在该灯系统的微波腔或微波室内的无电极灯，比如紫外线等离子灯泡。在紫外线灯加热或固化应用中，在该灯系统中通常设有一或多个磁控管，以便将微波辐射耦合到微波室内的等离子灯泡。磁控管通过波导连接于微波室，波导包括连接于微波室上端的出口。当等离子灯泡被微波能充分激发时，它将发射具有很强的紫外和红外成分的、穿过微波室的底端朝向待照射基板的辐射光谱。通常，该紫外线灯系统还包括安装在该微波室底端的金属筛网，该筛网对于紫外线来说是能透射的，但对于磁控管产生的微波来说是不传导的。应当理解的是，在此所用的术语“上端”和“底端”是用于结合附图中所示的微波室的方位简单地描述微波室的。当然，微波室的方位可以根据具体的紫外线灯加热或固化应用进行改变，而不以任何方式改变微波室的结构和功能。

等离子灯泡作为沿其长度同位地向外发射光线的近似线性的特征光谱源。发出光线的一部分没有反射地直接从等离子灯泡射向基板。然而，发出光线的大部分仅通过一次或多次反射而到达基板。在固化或加热粘合剂、密封剂、墨水或涂层时所用的紫外线灯系统例如包括安装在微波室内或成为微波室的一部分的反射器，其中等离子灯泡位于微波室内。该反射器是一种可将反射的光线以预定的模式导向基板的光学元件。

在大多数紫外线灯系统中，希望对基板进行冷光照明，其中等离子灯泡发出的光线中的红外成分已经通过该系统内的吸收或反射过滤器去除了。红外线与基板作用而加热所照射的表面。因此，在这样的系统中优选的反射器有选择地反射和透射作为波长的函数的光线。尤其是，该反射器可以是一种具有波长选择涂层的涂敷的光学元件，该涂层优先地将紫外线导向基板。波长选择涂层通常是通过本领域技术人员所熟悉的真空沉积技术比如物理汽相沉积或化学汽相沉积涂敷的多层绝缘材料薄膜。具有红外范围内的波长的光线透过反射器且被周围的构件吸收而热消耗。因此，无关的红外线基本上不被反射器反射，且不照射基板。

反射器的几何形状决定照射基板的光线模式。反射器通常为部分圆锥截面的形状，比如当实心锥体被平面横切时形成的抛物线、椭圆、双曲线或圆截面。椭圆形反射器通常用于将聚焦的紫外线光束投射到基板上，该基板位于反射器的焦平面处或附近。椭圆形反射器的特征是从位于一个焦点处的光源发出的一束光线将在一次反射之后通过另一个焦点。因此，具有沿一个焦点轴向定位的等离子灯泡的椭圆形反射器将会把相对聚焦的光线投射到位于第二焦点处或附近的基板上。

另一方面，紫外线灯系统的某些应用需要在基板的相对较大的表面积上有均匀的光照或辐射通量密度。对于这样的应用来说，具有位于抛物线的焦点处的辐射源的抛物线形反射器是理想的。从这样的抛物线形反射器的线光源发射的间接辐射将反射为朝向无限远处的焦平面的同心平行光线束。然而，由于抛物线形表面的数学表达式而造成抛物线形发射器较宽，且在多数情况下，抛物线形反射器将不会物理地装在大多数微波室的可用空间内。

在过去，紫外线灯系统的设计已经通过调节反射器—等离子灯泡—基板结构的光学器件而试图投射均匀的光照。所提出的一种提供更紧凑的反射器方案是重新布置等离子灯泡，使其远离椭圆形反射器的焦点。虽然由这种结构反射的紫外线至少部分散焦，但光照不能在横跨基板的整个表面积上令人满意地均匀。而且，入射的微波能和等离子灯泡内的气体之间的耦合改变，使灯泡沿其长度发出的光线不均匀。提出的另一种方案是重新定位该椭圆形反射器，使基板不再在焦平面处或附近。然而，重新定位反射器减弱了等离子灯泡的有效冷却，且随之减小了灯泡的使用寿命。

因此，需要一种用于在大面积上有效地提供均匀的紫外线光照的反射器，该反射器不会影响微波室的最佳尺寸或不利地影响等离子灯泡的运行特性。

发明内容

本发明克服了在微波激发的紫外线灯系统中迄今已知的前述和其它的缺点、缺陷。虽然本发明将结合特定的实施例进行描述，但应当理解本发明不限于这些实施例。相反，本发明包括全部可以包括在本发明的主旨和范围内的替代物、改型和等效物。

根据本发明，该反射器包括一或多个纵向延伸的反射器板，反射器板适于与紫外线灯系统的等离子灯泡间隔开地安装。反射器能反射由灯泡产生的电磁辐射，尤其是紫外线，以便在相邻基板的表面上形成几乎均匀的光照。每一反射器板的有效部分的曲率以笛卡尔坐标表示为公式(x/a)⁽²⁺ⁿ⁾+(y/b)^(2+m)＝1来描述，其中a和b是常数，n和m是小于2且大于或等于0的指数，且至少n或m之一大于0；所述反射器包括纵向延伸的反射器板，反射器板具有相应的内凹面；其中，a是曲线的长半轴，b是曲线的短半轴。

反射器的曲率有效地在大面积上提供基本均匀的紫外线光照。而且，反射器可这样做而不影响微波室的最佳尺寸，且不会不利地影响等离子灯泡的运行特性。而且，反射器有利地装配在微波室内的可用空间内。

从附图以及其描述中，本发明的上述和其它目的和优点将更加明显。

附图说明

包括在本说明书内且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且与上面给出的发明概述和下面给出的对实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理。

图1是根据本发明原理的紫外线灯系统的透视图；

图2是沿图1的线2-2截取的图1的紫外线灯系统的剖视图，示出了用于图1的灯系统中的双板反射器的一个实施例；

图3是根据本发明用于图1的灯系统中的双板反射器的另一实施例。

具体实施方式

参照附图，示出了根据本发明原理的微波激发的紫外线(“UV”)灯系统10。灯系统10包括一对微波发生器，示为一对磁控管12，它们通过相应的波导16连接于纵向延伸的微波室14。每一波导16具有连接于微波室14上端的出口18。由该对微波发生器12产生的微波能在室14的相对上端附近以纵向隔开的关系耦合于微波室14。密封的、纵向延伸的管子形式的无电极等离子灯泡20安装在微波室14内，且支撑在室14的上端附近，这在本领域是公知的。虽然没有示出，但应当理解的是灯系统10安装在对本领域的普通技术人员来说众所周知的机壳内，且包括加压空气源，该加压空气源可以将空气导入微波室14内而冷却灯泡20。

灯系统10用于在来自该对磁控管12的耦合于微波室14的微波能对等离子灯泡20内的气体充分激发时，从微波室14的底端发射紫外线，这在图2中由箭头24示意性地示出。虽然在此示出并描述了一对磁控管12，但应当理解该灯系统10可以仅包括一个磁控管12激发等离子灯泡20内的气体混合物，而没有脱离本发明的思想和范围。等离子灯泡20内的气体混合物基本上适于产生发射光线中的预定波长分布。对于这些应用，一种有利的气体混合物是汞蒸汽和氩气，带有微量元素比如铁。由灯泡20内被激发的气体混合物产生的电磁辐射输出包括强烈的紫外和红外光谱成分。如在此所用的，电磁辐射(在下文中为辐射)定义为波长在约200nm至约1000nm之间的辐射，紫外线定义为波长在约200nm至400nm之间的辐射，而红外线定义为波长在约750nm至1000nm之间的辐射。

灯系统10包括启动灯泡26，和一对分别电连接到相应磁控管12而给磁控管12的丝极供电的变压器28，这对于本领域的技术人员来说是理解的。磁控管12安装到波导16的入口30上，使磁控管12产生的微波通过波导16的纵向隔开的出口18而到达室14内。优选的是，两磁控管12的频率有少量分离或偏移，以防止在灯系统10的运行过程中在它们之间产生耦合。通过具体的但非限制性的示例，该两磁控管12可以在约2470MHZ和约2445MHZ的相应频率下工作。

参照图1和2可以更好地理解，微波室14包括通常水平的顶壁32、一对通常垂直的相对端壁34、和一对通常垂直的相对侧壁36，该对侧壁在端壁34之间且在等离子灯泡20的相对两侧纵向延伸。微波室14还包括从侧壁36朝顶壁32向上和向内延伸的倾斜壁38。在微波室14的上端处设有一对开口40，它们与波导16的出口18对齐并连接。这样，由所述一对磁控管12产生的微波能与微波室14耦合而以足够的能量激发灯泡20内的气体混合物，促使气体原子发射出具有显著的紫外和红外成分的辐射光谱。当然，在没有脱离本发明的思想和范围的情况下，其它构造的微波室14也是可能的。例如，灯泡20的相对端可以包括公知的可连接于电源的电极，以便通过放电激发气体混合物。

根据本发明的原理，纵向延伸的反射器42安装在微波室14内，用于优先地反射来自发射的辐射光谱中的紫外线24，该辐射光谱在图2中由箭头21示意性地示出，且从等离子灯泡20朝位于微波室14底端之下的基板(未示出)发射。筛网44安装在微波室14的底端，该筛网对于紫外线24来说是可透过的，但限制由该对磁控管12产生的微波。筛网44由具有高导电性的金属制成，优选的是钨，且对于入射的紫外线24来说具有较大的透射效率，优选的是大于90％。

如图1和2所示，反射器42包括一对纵向延伸的反射器板46，它们安装在微波室14内。反射器板具有相应的内凹面43，它们以相反且面对的方位和相对于等离子灯泡20间隔开的关系定位。很明显，在没有脱离本发明的思想和范围的情况下，反射器42可包括一块单片式板46或多于两块板46，它们在微波室14内与灯泡20间隔开而纵向延伸。

每一内表面43最好具有光学精度的光洁度，且每一反射器板46最好由一层能透射辐射的材料，比如PYREX构成。其它具有适当的反射和热特性的材料比如金属也可使用，根据特定的应用，当用于形成微波室14的局部时它们不需要是能透射辐射的。

为用于紫外线灯系统10中，反射器42至少部分地透射、反射或吸收等离子灯泡20发射的光线21中的特定波长。尤其是，发射器42最好透射红外辐射，在图2中由箭头22示意性示出，且将发射的光线21中入射的紫外线24反射。正如本领域所公知，获得这种结果的一种常见的方法是在每一反射器板46的内表面43上涂敷二色性涂层(未示出)。反射器42上的二色性涂层通常构成周期性的多层薄膜，该薄膜由具有交替的高、低折射率的不同绝缘材料组成。因为该涂层是非金属的，所以来自该对磁控管12的、向下入射到反射器42背部的微波辐射将不会与调制层显著地相互作用或不会被该调制层所吸收，且将易于被透射，以便使灯泡20内的气体混合物电离。一种示例涂层是Balzers#UNS200-S多层涂层，该涂层对于波长在220nm和440nm之间的入射光线是高反射性的。

如图2所示，红外线22被透射通过反射器42，且直到微波室14的外围。室壁32、34、36、38吸收并热消耗红外线22。结果，基板(未示出)没有被从反射器42反射的不需要的间接红外线22照射。或者是，反射器42可以吸收红外线22。相反，紫外线24将被反射器42高度反射，导向基板(未示出)，该基板定位在超出微波室14底部之下的筛网44预定距离处。

该对反射器板46通过一对纵向隔开的保持件48安装在微波室14内，图中仅示出了其中的一个保持件(图2)。每一反射器板46的最低端53支撑在通常水平的、向内的凸缘50上，该凸缘从每一室侧壁36向内延伸。纵向延伸的中间部件52通过一对在保持件48上形成的槽54(图2)安装在微波室14内。该中间部件52以与反射器板46的相应顶点56间隔开的关系定位，且以与等离子灯泡20间隔开的关系定位，以便实现足够的空气循环而充分地冷却灯泡20。该中间部件52可以由玻璃制成，比如PYREX，且可不涂敷而不反射灯泡20发出的紫外线24。

根据本发明的一方面，每一反射器板46的内表面43代表具有由非二次数学关系式确定的曲率的非球面镜的一部分。为参照起见，在图2中可以定义矩形的二维笛卡尔坐标系，其中选定原点58，在垂直于内表面43的平面上的每一点由相对于原点58的两坐标(X，Y)表示。每一板46在其各自顶点56处截去，在由y＝0所确定的表面上方其最低端53处提升预定的距离59。在该笛卡尔坐标系中，每一反射器板46的内表面43的曲率由数学关系式(x/a)⁽²⁺ⁿ⁾+(y/b)^(2+m)＝1来描述，其中b是该曲线的短半轴，a是该曲线的长半轴。

为了产生由反射器42所表示的回转曲面，指数n和m分别选为0.8和0.8。然而，指数n和m不限于此，可以具有约小于2的值和大于或等于0的值，其中至少n和m之一大于0。优选的是，指数n和m约在0.7至0.8的范围内。如果n＝0和m＝0，那么数学关系式简化到普通的椭圆关系式，而每一板46表示椭圆柱面的一部分。应当理解的是，在没有脱离本发明的思想和范围的情况下，每一板46可以沿X方向或Y方向在微波室14的边界内移动，使相应内表面43不再绕等离子灯泡20对称地定位。

由上述公式确定的曲面纵向延伸而形成反射器42。等离子灯泡20在反射器42的焦点60处或附近轴向定位，使从等离子灯泡20发出的紫外线24被反射器42向下反射，形成穿过筛网44朝向基板(未示出)的大致同心平行的射线。由于内表面43的数学上规定的曲率，紫外线24相对均匀的光照或辐射通量密度将投射在基板的较大表面积上。此外，实现了均匀光照且没有干涉微波室14的最佳尺寸。

通过非限制性的示例，反射器42的示例性优选实施例到被截过的顶点56的Y向尺寸为2.964英寸，而到最低端53的X向尺寸为1.574英寸，其中每一测量值都是从原点58到每一板46的内凹面43测得的。此外，反射器42的示例性优选实施例平行于灯轴线的纵向尺寸为9.882英寸，标称厚度为0.125英寸。此外，示例性优选实施例的每一板46提升0.246英寸的预定距离59，且板46的顶点56由0.708英寸的横向间隙隔开。

使用参照图1和2描述的相同元件的相同标号，根据本发明原理的反射器62的另一实施例在图3中示出。反射器62包括一对纵向延伸的反射器板64，反射器板安装在微波室14内，相应内凹面66相反且相互面对，并且相对于等离子灯泡20间隔开。每一反射器板64最好具有由相对于反射器板46给出和描述的数学关系式所描述的弯曲内表面66。为形成反射器62，指数n和m分别选为0.7和0.7。该对反射器板64通过保持件68安装在微波室14内，且每一反射器板64具有支撑在通常水平的、向内的凸缘50上的最低端，该凸缘从每一室侧壁36向内延伸。每一板64在其相应顶点72处被截短，且最低端70在由y＝0确定的平面之上提升预定距离74。

反射器62以上面对于反射器42(图1和2)的描述同样的方式工作，以便将紫外线24(图2)相对均匀的光照投射在基板的较大表面积上，且不影响微波室14的最佳尺寸。

通过非限制性的示例，反射器62的示例性优选实施例到截短的顶点72的Y向尺寸为2.976英寸，而到最低端70的X向尺寸为1.969英寸，其中每一测量值都是从原点58到每一板64的内凹面66测得的。此外，反射器62的示例性优选实施例平行于灯轴线的纵向尺寸为5.787英寸，标称厚度为0.125英寸。此外，示例性优选实施例的每一板64提升0.250英寸的预定距离74，且板64的顶点72由0.472英寸的横向间隙隔开。

虽然本发明已经通过不同实施例的描述进行了说明，且这些实施例已经相当详细地进行描述，但申请人的意图不是限制或以任何方式限制所附权利要求的范围到如此详细的程度。对于本领域的技术人员来说，其它的优点和改进是显而易见的。例如本发明可用于任何具有位于反射器的焦点处或附近的辐射源的光反射系统中，反射器用于将相对均匀的光线照射在基板或其它目标的相对较大的表面积上。因此从本发明的更宽的方面来说，本发明不限于具体的描述、代表性的装置和方法、以及示出和描述的示例。因而，在没有脱离申请人总发明构思的主旨和范围的情况下，从这些细节中可以对本发明作出改进。

Claims (16)

1.一种用于具有纵向延伸的灯泡的灯系统中的反射器，所述反射器适于与纵向延伸的灯泡间隔开地安装，所述反射器的有效部分的曲率以笛卡尔坐标表示为公式(x/a))⁽²⁺ⁿ⁾+(y/b)^(2+m)＝1，其中a和b是常数，n和m是小于2且大于或等于0的指数，且至少n或m之一大于0；所述反射器包括纵向延伸的反射器板，反射器板具有相应的内凹面；其中，a是曲线的长半轴，b是曲线的短半轴。

2.如权利要求1所述的反射器，其特征在于所述反射器包括至少两个纵向延伸的反射器板。

3.如权利要求1所述的反射器，其特征在于，所述反射器还包括：

适于与所述灯泡间隔开地安装的纵向延伸的第一反射器板；以及

适于与所述第一反射器板相对且与所述灯泡间隔开地安装的纵向延伸的第二反射器板。

4.如权利要求1所述的反射器，其特征在于，指数n和m相等。

5.如权利要求1所述的反射器，其特征在于，所述反射器能反射具有在约200nm和约400nm之间范围内的紫外波长的电磁辐射。

6.如权利要求5所述的反射器，其特征在于，所述反射器能至少部分地透射或吸收具有大于约750nm的红外波长的电磁辐射。

7.如权利要求1所述的反射器，其特征在于，所述反射器的表面涂敷有二色性涂层，该涂层能反射具有紫外波长的电磁辐射，且能至少部分地透射或吸收具有红外波长的电磁辐射。

8.一种用于产生紫外线的装置，包括：

纵向延伸的微波室；

安装在所述微波室内的纵向延伸的灯泡；

至少一个微波发生器，该发生器连接于所述微波室，且能在所述微波室内产生微波能场，以便给所述灯泡供能而发射电磁辐射；以及

适于与所述纵向延伸的灯泡间隔开地安装的反射器，所述反射器的有效部分的曲率以笛卡尔坐标表示为公式(x/a)⁽²⁺ⁿ⁾+(y/b)^(2+m)＝1，其中a和b是常数，n和m是小于2且大于或等于0的指数，且至少n或m之一大于0；所述反射器包括纵向延伸的反射器板，反射器板具有相应的内凹面；其中，a是曲线的长半轴，b是曲线的短半轴。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述反射器包括至少两个纵向延伸的反射器板。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述反射器还包括：

适于与所述灯泡间隔开地安装的纵向延伸的第一反射器板；以及

适于与所述第一反射器板相对且与所述灯泡间隔开地安装的纵向延伸的第二反射器板。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，指数n和m相等。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述反射器能反射具有在约200nm和约400nm之间范围内的紫外波长的电磁辐射。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述反射器能至少部分地透射或吸收具有大于约750nm的红外波长的电磁辐射。

14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述反射器的表面涂敷有二色性涂层，该涂层能反射具有紫外波长的电磁辐射，且能至少部分地透射或吸收具有红外波长的电磁辐射。

15.一种用于在目标的相对较大的表面积上产生基本均匀的光照的装置，包括：

具有纵向轴线的灯泡；

可连接于所述灯泡的电源，用于给所述灯泡供能而发射电磁辐射；

与所述纵向延伸的灯泡间隔开地安装的反射器，所述反射器的有效部分的曲率以笛卡尔坐标表示为公式(x/a)⁽²⁺ⁿ⁾+(y/b)^(2+m)＝1，其中a和b是常数，n和m是小于2且大于或等于0的指数，且至少n或m之一大于0；所述反射器包括纵向延伸的反射器板，反射器板具有相应的内凹面；其中，a是曲线的长半轴，b是曲线的短半轴。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，指数n和m相等。

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