CN1219751A - 高压放电灯和用其作为光源的照明光学装置及图象显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的高压放电灯包括在内部装配一对电极(4、16),并在内部封入汞、不活泼气体和卤素气体的发光管(1),通过使所述汞的封入量在0.12～0.35mg/mm3的范围内,同时至少从Cl、Br和I中选择的一种作为所述卤素气体的气体在10－7～10－2μmol/mm3的范围内,而且所述电极以钨为主要成分,在所述钨中含有的作为所述电极材料的氧化钾K2O的含量在12ppm以下,可提供能够防止因钨中包含的氧化钾K2O造成的发光管(1)的黑化和照度维持率下降的长寿命高压放电灯、用该高压放电灯作为光源的照明光学装置和使用该照明光学装置的图象显示装置。

Description

高压放电灯和用其作为光源的 照明光学装置及图象显示装置
本发明涉及用于一般照明和光学设备等中的高压放电灯、把高压放电灯与反射镜组合起来的照明光学装置和把照明光学装置与图象形成部分组合起来的图象显示装置。
以往，作为用于液晶投影器等的图象显示装置光源使用的照明光学装置，通常将光源和反射镜一体化地使用，作为光源，使用卤素灯、金属卤化物灯、氙灯、超高压汞灯等。
近年来，作为用于照明光学装置的光源，因高效、高亮度、发射光的红、蓝、绿平衡良好和长寿命等原因，电极间距离较短的近光源的短电弧(short arc)超高压汞灯正成为主流。
作为这种照明光学装置，以往是把图8所示的高压放电灯，例如超高压汞灯17与由抛物面或椭圆面构成反射面的凹面反射镜9(以下，称为反射镜9)组合成一体来使用。
从超高压汞灯17发射的光被反射镜9反射，向前方射出。在把这种照明光学装置与带有聚光透镜或液晶屏等图象形成部分的图象显示装置组合的情况下，向前方射出的光被导入图象显示装置的有一定面积的聚光透镜或液晶屏等图象形成部分。
由反射镜9向前方反射的光如果为平行光线，那么聚光效率高。因此，期望光源为点光源，因而使用可实现点光源的电极间距离短的所谓短电弧的超高压汞灯。
就以往的超高压汞灯的一例进行说明，图8所示的超高压汞灯17由在内部带有一对电极的发光部分17a和与该发光部分17a的两端连接的密封部分17b构成。在密封部分17b中，密封下面说明的导入体。由在电极棒18b的前端部分设有电极线圈18a的电极18，一端部与该电极棒18b的后端部分连接的由钼构成的金属箔5，和一端连接在该金属箔5的另一端部上的外引线6构成导入体。而且，将该导入体密封在密封部分17b中，以使电极18能位于发光部分17a内。
一根外引线(图中未示)与灯头7电连接，另一根外引线6与供电线(图中未示)连接。
在发光部分17a中密封作为发光金属的汞、氩等稀有气体。将超高压汞灯17安装在反射镜9上进行一体化，反射镜9由玻璃、金属或陶瓷构成，在旋转镜面的内表面有由反射特性良好的TiO2-SiO2等的蒸镀膜构成的反射面。以开口直径50～120mm左右形成该反射镜9的前面投射部分即开口部分，在背后部分设有支撑筒部分10。在该支撑筒部分10上用绝缘胶接剂等粘接剂11固定超高压汞灯17的灯头7。由此，把超高压汞灯17固定在反射镜9上，使灯轴与反射镜9的中心大致一致。再有，在反射镜9上形成导入孔(图中未示)，在该导入孔中使所述电源供给线穿过，把该电源供给线导入反射镜9的背面侧。这种以往的超高压汞灯17，在消耗功率为80～150W的情况下，电极间距离变短为1.0～2.0mm，通常用125～400Hz的高频交流电源点燃。
如果用这样的短电弧点燃高亮度的放电灯，那么电极前端温度就变得非常高，使作为电极材料的钨飞散，附着在发光管内壁上。也就是说，在数十小时以内发生发光管的黑化。为了抑制这种发光管的黑化，提出了在发光管内封入卤素气体，利用称为卤素循环的反应来防止发光管黑化的方法(特开平2-148561号公报)。在该公报中提出的超高压汞灯，使汞的封入量大于0.2mg/mm3，在10-6～10-4μmol/mm3的范围内至少封入Cl、Br或I中的其中至少一种。
但是，在这种灯中，由于工作时的发光管内部的压力超过2×107帕斯卡(200巴)，所以存在发光管仍有些黑化，产生发光管的变形，结果引起发光管破裂的问题。此外，由于发光管内部残留的不纯气体和从电极和作为发光管材料的石英玻璃中放出的不纯气体阻碍了卤素循环，结果存在导致灯短寿命的问题。
这样，在以往的用短电弧的高亮度高压放电灯中，初期特性虽然优良，但在灯寿命方面存在问题。
本发明的目的在于通过实现发光管内的汞封入量和卤素气体浓度的最佳化，并抑制发光管内部的残留气体和点燃中产生的不需要的气体的发生，获得长寿命的高压放电灯、用该高压放电灯作为光源的照明光学装置和使用该照明光学装置的图象显示装置。
为了实现上述目的，本发明的高压放电灯配有在内部装配一对电极，并在内部封入汞、不活泼气体和卤素气体的发光管，其特征在于，所述汞的封入量在0.12～0.35mg/mm3的范围内，同时作为所述卤素气体使至少从Cl、Br和I中选择的至少一种气体在10-7～10-2μmol/mm3的范围内，而且所述电极以钨为主要成分，在作为所述电极材料的所述钨中含有的氧化钾K2O的含量在12ppm以下。由此，能够防止因在钨中含有的氧化钾K2O造成的发光管的黑化和照度维持率的下降，能够获得长寿命的高压放电灯。再有，只要在所述钨中含有的氧化钾K2O的含量在12ppm以下，那么为任何含量都可以，但在0ppm以上至8ppm以下的范围较好，在0ppm以上至5ppm以下的范围最好。
在所述本发明的高压放电灯中，所述发光管由石英玻璃构成，所述石英玻璃中的氢氧基(OH基)含量最好在3ppm以下。由此，能够获得可防止发光管的黑化的长寿命的高压放电灯。再有，所述氢氧基(OH基)含量在0～3ppm的范围较好，但在0～1ppm的范围最好。
此外，在所述本发明的高压放电灯中，从启动后数秒至两分钟内可见的再起弧电压在20(V)以下较好。由此，能够获得长寿命的高压放电灯。再有，所述再起弧电压在0～15V的范围较好，在0～10V的范围最好。
此外，在所述本发明的高压放电灯中，在直流点燃的情况下，在点燃中，按大于作为阴极的电极的体积形成作为阳极的电极的体积较好。由此，可实现进一步的长寿命化。
此外，在所述本发明的高压放电灯中，在2000小时点燃时屏照度维持率为85％以上较好，而且在2000小时点燃时在87％以上更好，在2000小时点燃时在90％以上最好。
其次，本发明的照明光学装置在结构上具有由抛物面或椭球面构成反射面的反射镜和所述本发明的高压放电灯，而且所述高压放电灯的弧光轴处于所述反射镜的光轴上并被一体化。由此，能够获得长寿命的照明光学装置。
其次，本发明的图象显示装置包括由光源和聚光部分构成的光源部分，和图象形成部分，在所述光源部分具有采用所述本发明的照明光学装置的结构。由此，能够获得长寿命的图象显示装置。
图1是表示本发明第一实施例的由高压放电灯和反射镜构成的照明光学装置的部分剖切透视图。
图2是表示用于评价该灯的光学系统的图。
图3是表示在本发明第一实施例的图象显示装置中点燃时间与屏照度维持率关系的图。
图4是表示在本发明第二实施例的图象显示装置中点燃时间与屏照度维持率关系的图。
图5是表示本发明第三实施例的由高压放电灯和反射镜构成的照明光学装置的部分剖切透视图。
图6是表示在本发明第三实施例的图象显示装置中点燃时间与屏照度维持率关系的图。
图7是说明该装置的再起弧电压的图。
图8表示以往例的由高压放电灯和反射镜构成的照明光学装置的部分剖切正面图。
下面，更具体地说明本发明。
(第一实施例)
以下，说明本发明第一实施例的高压放电灯和将该高压放电灯作为光源的照明光学装置。
图1所示的高压放电灯有包括发光部分2和密封部分3的由石英玻璃制成的发光管1，发光部分2呈大致旋转椭圆体形状其中央部分的最大内径为6.5mm、内部容积为180mm3、壁厚为2.5mm，密封部分3连接在该发光部分2的两端。在密封部分3中，密封下述的导入体。
由电极4、金属箔5和外引线6构成导入体，电极4在直径为0.4mm、氧化钾K2O含量为4.0ppm的钨构成的电极棒4b的前端部分设有由直径为0.2mm、氧化钾K2O含量为4.0ppm的钨构成的电极线圈4a，金属箔5由钼构成且其一端部连接该电极棒4b的后端部分，外引线6的一端部连接在该金属箔5的另一端部。而且，将该导入体密封在密封部分3中，以使电极4处于发光部分2内。
密封部分3的另一侧设有灯头7，该灯头7与从安装该灯头7侧的密封部分3导出的图中未示的外引线电连接。
另一方的外引线6连接电源供给线8的一端，电源供给线8的另一端穿过下述的反射镜9，向反射面背面侧的外部导出。
发光部分2内的电极间距离即电弧长度为1.5mm。在发光部分2内封入28.5mg(约0.16mg/mm3)的汞、1.0×10-4μmol/mm3的卤素气体Br和250毫巴的启动用稀有气体Ar。因此，组合这样的发光管1与反射镜9，形成照明光学装置12。
漏斗形状的陶瓷制成的反射镜9在旋转曲面的内面有由TiO2-SiO2的真空镀膜构成的反射面。按65mm左右的直径形成该反射镜9的前面投射部分即开口部分，在其背面部分的顶部有支撑筒部分10。在支撑筒部分10中，用绝缘粘接剂固定灯头7，使发光管1(穿过一对电极)的中心轴和反射镜9的中心轴大致一致。
在本实施例的高压放电灯和用该高压放电灯作为光源的照明光学装置12中，灯头7和电源供给线8连接交流电源，在灯电压约60V、灯电流约2.5A、灯功率150W下点燃。该灯的再起弧电压(峰值)约10V。
在把本实施例的照明光学装置12装入图2所示的光学系统构成图象显示装置，用额定功率驱动时，灯效率为60lm/W，从发光管1发射的由反射镜9反射的光的色温约为6800K。接着，用额定功率驱动本实施例的照明光学装置12，进行寿命试验。再有，12表示本实施例的照明光学装置，13表示聚光透镜，14表示投射透镜系统，15表示受光面(屏)。
寿命试验的结果是，即使点燃2500小时，完全未造成发光管1的白浊、黑化，此外，由图3可知，可获得能够使屏照度维持率维持约90％的良好结果。
(第二实施例)
下面，仍使用图1说明本发明第二实施例的高压放电灯和用该高压放电灯作为光源的照明光学装置。
在本实施例中，发光部分2的中央部分最大内径为5.0mm，内部容积为80mm3，壁厚为2.5mm，电极4由电极棒4b和电极线圈4a构成，由直径0.35mm氧化钾K2O含量为4.2ppm的钨构成电极棒4b，由在该电极棒4b的前端部分设置的直径为0.2mm、氧化钾K2O为4.2ppm的钨构成电极线圈4a。此外，在发光部分2内的电极间距离即电弧长度为1.0mm，在发光部分2内封入16.5mg(约0.205mg/mm3)的汞、1.5×10-4μmol/mm3的卤素气体Br和250毫巴的启动用稀有气体Ar。此外，形成反射镜9，使其前面投射部分即开口部分的直径为60mm左右。其它结构与上述实施例1相同。
在把本实施例的短电弧的高压放电灯和反射镜一体化的照明光学装置12中，灯头7和电源供给线8连接交流电源，在灯电压约60V、灯电流约2.1A、灯功率为125W下点燃。该灯的再起弧电压(峰值)约10V。
在把这样构成的照明光学装置装入图2所示的光学系统中构成图象显示装置，并用额定功率驱动时，灯效率为55lm/W，从发光管1发射的由反射镜9反射的光的色温约为6500K。而且，用额定功率驱动本实施例的照明光学装置，进行寿命试验。
寿命试验的结果是，即使点燃2500小时，完全未造成发光管1的白浊、黑化，此外，由图4可知，可获得能够使屏照度维持率维持约87％的良好结果。
(第三实施例)
下面，说明本发明第三实施例的高压放电灯和用该高压放电灯作为光源的照明光学装置。
本实施例的高压放电灯，如图5所示，发光部分2的中央部分最大内径为7.0mm，内部容积为230mm3，壁厚为2.5mm，一个电极4由电极棒4b和电极线圈4a构成，而电极棒4b由直径0.45mm氧化钾K2O含量为4.8ppm的钨构成，电极线圈4a设置在该电极棒4b前端部分且由直径0.2mm、氧化钾K2O含量为4.8ppm的钨构成，把电极线圈4a安装在距电极棒4b前端0.75mm处。此外，另一电极16由氧化钾K2O含量为4.3ppm的钨构成，其结构是，电极前端部分16a的最大直径为1.7mm，前端直径为0.6mm，电极埋没部分16b的直径为0.45mm。此外，发光部分2内的电极间距离即电弧长度为1.5mm。在发光部分2内封入37.0mg(约0.16mg/mm3)的汞、7.5×10-5μmol/mm3的卤素气体Br和250毫巴的启动用稀有气体Ar。此外，形成反射镜9，使其前面投射部分即开口部分的直径为70mm左右。其它结构与上述实施例1相同。
在把本实施例的短电弧的高压放电灯和反射镜一体化的照明光学装置中，将灯头7和电源供给线8连接直流电源，在灯电压约65V、灯电流约2.4A、灯功率160W下点燃。
把本实施例的照明光学装置12装入图2所示的光学系统构成图象显示装置，用额定功率驱动时，灯效率为62lm/W，从发光管1发射的由反射镜9反射的光的色温约为6500K。而且，用额定功率驱动本实施例的照明光学装置，进行寿命试验。
寿命试验的结果是，即使点燃3000小时，仍完全未造成发光管1的白浊、黑化，此外，由图6可知，可获得能够使屏照度维持率维持约85％的良好结果。
下面，说明电极主要由钨构成，钨电极中的氧化钾K2O含量在12ppm以下的理由。
使用电极中氧化钾K2O含量为5ppm以下、8ppm、12ppm、15ppm、30ppm、75ppm、100ppm的七种电极，进行灯的试验。灯的试验是将灯点燃100小时。其照度维持率的结果示于表1。用100小时进行灯的点燃试验，在100小时以后没有很大的降低，用100小时的试验能进行2000～3000小时的照度维持率的预测。
【表1】
K2O含量(ppm) 5 8 12 15 30 75 100
照度维持率(％) 97 94 90 82 79 76 72
黑化的发生 无 无 无 有 有 有 有
综合评价 良好 良好 良好 不良 不良 不良 不良
由表1可知以下结果，在使用含有15ppm以上的氧化钾K2O电极的灯中，在点燃初期在发光管中发生黑化，照度维持率下降。电极中含有的氧化钾K2O含量越高，发光管的黑化程度就越激烈。由于分析的结果判明了钨电极中包含的氧化钾K2O的存在明显阻碍了卤素循环，所以规定了如上所述的电极中的氧化钾K2O浓度。而且，在钨电极中含有的氧化钾K2O含量越少越好。再有，为了能够获得94％的100小时后的照度维持率，把其含量规定在8ppm以下最好。还有，为了能够获得97％的100小时后的照度维持率，把其含量规定在5ppm以下最好。
此外，下面说明使石英玻璃中的水分(OH基)含量在3ppm以下的理由。
使用OH基浓度为1ppm、3ppm、6ppm、10ppm、1 5ppm、20ppm的六种石英玻璃，制作灯并进行寿命试验。表2表示灯点燃100小时下的照度维持率的结果。
【表2】
OH含量(ppm) 1 3 6 10 15 20
照度维持率(％) 96 95 88 84 81 80
黑化的发生 无 无 有 有 有 有
综合评价 良好 良好 不良 不良 不良 不良
由表2可知，在使用含有6ppm以上的OH基的石英玻璃的灯中，在点燃100小时内发生灯的黑化，随着OH基浓度变大，发光管的黑化发生程度也变大。
如果使灯点燃，那么发光管内表面附近的石英玻璃中的水分因扩散浸入发光管内。已判明如果这种浸入的水分多，那么会阻碍卤素循环，促进灯的黑化。因此，如上述那样规定了石英玻璃中的水分(OH基)含量。而且，石英玻璃中的水分(OH基)的含量越少越好，为了能够维持96％的100小时后的照度维持率，将其含量规定在1ppm以下最好。
下面，说明从启动后数秒至两分钟内可见的再起弧电压(峰值)在20(V)以下的理由。
这里所说的再起弧电压(峰值)是指在灯点燃后(10秒后至2分钟以内)如图7所示的电压值的峰值。已知发光管内的不纯气体(H2O、H2等)越多，那么该再起弧电压就越高。
制作再起弧电压为10V以下、15V、20V、25V、30V、40V、60V的灯，进行灯的寿命试验。在试验结果中，再起弧电压为20V以下的灯中，基本上未发生灯的黑化，但在再起弧电压为25V以上的灯中，发生了发光管的黑化。因此，设立了上述规定。而且，通过使再起弧电压在15V以下，能够更有效地防止灯黑化的发生。此外，通过使再起弧电压在10V以下，能够进一步地有效防止灯黑化的发生。
此外，在直流点燃的情况下，在点燃中使作为阳极的电极体积等于或小于作为阴极的电极体积的情况下，由于作为阳极电极的温度会过度地上升，或使阴极的温度变为维持放电的温度以下，所以灯的情况不好。通过在点燃中以大于作为阴极电极的体积形成作为阳极电极的体积，使电极的阳极和阴极的温度变为大致相等的温度，能够实现电极温度的最佳化。因此，设立了上述规定。
上述说明中，本发明中的直流点燃并不是严格意义上的直流，把交流进行整流也可以。
再有，在本发明中，作为电极材料的钨含有例如下表3所示的杂质也可以。但是，这些杂质越少，灯特性就变得越好。
【表3】
杂质种类 Al Si K Ca Cr Fe Ni Mo Ba
含量 2.9 3.3 7.0 1.0 2.9 10 0.9 5.9 1.2
(备注)测定装置：无框架原子吸光装置
如上所述的本发明通过实现发光管内的汞封入量和卤素气体浓度的最佳化，以及抑制发光管内部的残留气体和点燃时产生的不需要气体，能够获得长寿命的高压放电灯。
此外，利用本发明的高压放电灯作为光源，能够获得长期不损失聚光性的长寿命照明光学装置。
而且，通过使用以本发明高压放电灯作为光源的照明光学装置，能够获得长寿命并且能够维持长期良好聚光性的图象显示装置。

Claims (14)

1．一种高压放电灯，配有在内部装配一对电极，并在内部封入汞、不活泼气体和卤素气体的发光管，其特征在于，所述汞的封入量在0.12～0.35mg/mm3的范围内，同时从Cl、Br和I中至少选择的一种作为所述卤素气体的气体在10-7～10-2μmol/mm3的范围内，而且所述电极以钨为主要成分，所述钨中含有的氧化钾K2O的含量在12ppm以下。
2．如权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，在钨中包含的氧化钾K2O的含量在0～8ppm的范围。
3．如权利要求2所述的高压放电灯，其特征在于，在钨中包含的氧化钾K2O的含量在0～5ppm的范围。
4．如权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，所述发光管由石英玻璃构成，所述石英玻璃中的OH基含量在0～3ppm的范围。
5．如权利要求4所述的高压放电灯，其特征在于，所述石英玻璃中的OH基含量在0～1ppm的范围。
6．如权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，从启动后数秒至两分钟内可见的再起弧电压在20(V)以下。
7．如权利要求6所述的高压放电灯，其特征在于，从启动后数秒至两分钟内可见的再起弧电压在0～15(V)的范围。
8．如权利要求7所述的高压放电灯，其特征在于，从启动后数秒至两分钟内可见的再起弧电压在0～10(V)的范围。
9．如权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，在直流点燃的情况下，在点燃中以大于作为阴极电极的体积形成作为阳极电极的体积。
10．如权利要求1所述的高压放电灯，其特征在于，屏照度维持率在2000小时点燃下为85％以上。
11．如权利要求10所述的高压放电灯，其特征在于，屏照度维持率在2000小时点燃下为87％以上。
12．如权利要求11所述的高压放电灯，其特征在于，屏照度维持率在2000小时点燃下为90％以上．
13．一种照明光学装置，包括高压放电灯和反射镜，高压放电灯包括在内部装配一对电极，并在内部封入汞、不活泼气体和卤素气体的发光管，其特征在于，所述汞的封入量在0.12～0.35mg/mm3的范围内，同时μ至少从Cl、Br和I中选择的一种作为所述卤素气体的气体在10-7～10-2μmol/mm3的范围内，而且所述电极以钨为主要成分，在所述钨中含有的氧化钾K2O的含量在12ppm以下，反射镜的反射面由抛物面或椭圆面构成，所述高压放电灯的电弧轴置于所述反射镜的光轴上并被一体化。
14．一种图象显示装置，包括由光源和聚光部分构成的光源部分和图象形成部分，在所述光源部分，包括高压放电灯和反射镜，该高压放电灯包括在内部装配一对电极，并且在内部封入汞、不活泼气体和卤素气体的发光管，所述汞的封入量在0.12～0.35mg/mm3的范围内，同时至少从Cl、Br和I中选择的一种作为所述卤素气体的气体在10-7～10-2μmol/mm3的范围内，而且所述电极以钨为主要成分，在所述钨中含有的氧化钾K2O的含量在12ppm以下，反射镜的反射面由抛物面或椭圆面构成，所述高压放电灯的电弧轴设置于所述反射镜的光轴上并被一体化。
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