CN1255730A - 高亮度放电灯、高压汞灯、照明装置和图象显示装置 - Google Patents

高亮度放电灯、高压汞灯、照明装置和图象显示装置 Download PDF

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Abstract

一种高压汞灯,包括电弧管和设置在电弧管的放电空间中的一对电极。在放电空间中,密封有汞和氙气。密封在放电空间中的每单位体积的汞量在0.12mg/mm3至0.35mg/mm3的范围内。密封在放电空间中的氙气压力在2.0×105Pa至2.0×106Pa的范围内。

Description

高亮度放电灯、高压汞灯、 照明装置和图象显示装置
本发明涉及高亮度放电灯和用于一般照明装置和光学仪器中的高压汞灯，还涉及使用高压汞灯的照明装置和使用照明装置的图象显示装置。
一般来说，在用于图象显示装置例如液晶投射器中的照明装置中，通常光源和凹反射镜形成为一体。作为光源，已经使用近以点光源的有短电弧的高压汞灯。高压汞灯具有例如良好的发光效率、高亮度、在发射光中红色、蓝色和绿色平衡良好和长寿命的优点。
这种高压汞灯配有在其两端有密封部分的玻璃管，该玻璃管包括一对电极。在玻璃管的放电空间内，在预定的压力下封入将用作发光材料的汞和用于启动的氩气。
但是，采用这种普通的高压汞灯，存在将灯启动后要经过长时间才能达到其稳定状态90％的光照度(以下称这段时间为“光产生时间”)的问题。这是因为仅封有汞作为发光材料的缘故。
这个问题将特别详细解释如下。在高压汞灯中，在灯启动后，电弧放电中心点的温度增加到约6000K或更高。在这样高的温度下，汞原子被激发发光。汞在室温下为液态，因此，由于玻璃管内壁表面的温度因放电而升高所导致的汞的汽化需要较长的时间。这不可避免地导致较长的光产生时间。
尤其在玻璃管形状相对较大的高功率灯的情况下，光产生时间会很长，例如约为5至10分钟。
尽管普通的高压汞灯具有高亮度，但它在如上所述的光产生时间方面存在问题。实际上，当把高压汞灯用于图象显示装置时，例如用于液晶投射器时，在图象显示之前要等很长的时间。
应该指出，通常在使用除汞以外的材料作为发光材料的高亮度放电灯中也发生有关光产生时间的所述问题。
因此，本发明的目的在于提供分别具有改善的光形成时间的高亮度放电灯和高压汞灯。
可以用这样的高压汞灯来实现本发明的目的，该高压汞灯包括电弧管和在电弧管的放电空间中彼此面对地设置的一对电极，该电弧管包括放电空间、密封在放电空间中的汞和氙气。
利用这种结构，在灯启动后，氙气立即发光，从而极大地改善光产生时间。
密封在放电空间中的每单位体积的汞量最好在0.12mg/mm3至0.35mg/mm3范围内。再有，密封在放电空间中的氙气的压力最好在2.0×105Pa至2.0×106Pa的范围内。
至少将氯、溴和碘中之一作为卤素物质密封在电弧管的放电空间中。因此，利用卤素循环，可以降低在电弧管的内壁上出现的黑化，提高灯的寿命。
在放电空间中密封的每单位体积的卤素物质总量最好在1.0×10-7μmol/mm3至1.0×10-2μmol/mm3的范围内。
也可以用这种高亮度放电灯来实现本发明的目的，该高亮度放电灯包括电弧管和一对电极，该电弧管包括放电空间，至少电弧管的一部分管壁是透明的，密封在放电空间中的在室温下分别为液态和气态的两种发光材料；该对电极的每个电极穿过电弧管的管壁并插入放电空间中。
利用这种结构，首先在灯启动后，处于气态的发光材料立即发光，接着，随着电弧管放电空间温度的升高处于液态的发光材料逐渐被汽化从而发光。因此，与在电弧管中仅密封处于液态的发光材料的情况相比，可以极大地缩短光形成时间。
也可以用这种高亮度放电灯来实现本发明的目的，该高亮度放电灯包括电弧管和一对电极，该电弧管包括放电空间，至少电弧管的一部分管壁是透明的，密封在放电空间中的第一种发光材料和其光形成时间比第一种发光材料短的第二种发光材料；和该对电极的每个电极穿过电弧管的内壁并插入放电空间中。
利用这种结构，在灯启动后，具有更短光形成时间的第二种发光材料立即发光，而第一种发光材料逐渐发光。其中，作为第一种发光材料，最好采用具有良好发光效率和有助于提高灯寿命的材料。由于除第一种发光材料外还密封第二种发光材料，所以与仅使用第一种发光材料的情况相比，可以降低光形成时间。同时，可以实现具有第一种发光材料全部优点的高品质的高亮度放电灯。
根据下列参照展示本发明实施例的附图的描述，本发明的这些和其它目的、优点和特性将变得明显。
在这些附图中：
图1是本发明第一实施例的高压汞灯的正视图；
图2是采用高压汞灯的照明装置的局部剖切透视图；
图3表示在高压汞灯点火后立即出现的再点火电压；
图4是帮助说明采用照明装置的图象显示装置结构的图；
图5是用于本发明第二实施例中的高压汞灯的正视图；和
图6是改进的照明装置反射镜的局部剖切正视图。
下面，参照附图说明本发明的实施例。
第一实施例
图1是本发明第一实施例的高压汞灯1的正视图。如图所示，高压汞灯1由具有一对密封部分3的灯管2、一对电极4等构成。灯管2由石英玻璃制成，在其沿长度方向的中间部分为球形。灯管2中心部分的最大内径为7.0mm，灯管2的容积为240mm3，而管壁厚度为2.5mm。在灯管2的两端设有密封部分3。
在灯管2的放电空间2a中，密封36mg的汞(约0.16mg/mm3)，作为卤化物的9.0×10-5μmol/mm3的溴(Br)，以及适量的氙气体(将在后面说明该气体)。
将一对电极4设置在灯管2的放电空间2a中。各电极4有电极棒41和设置在电极棒41端部的电极线圈42，并通过钼制的金属箔5与外部引线6连接。电极棒41的直径为0.4mm，由氧化钾含量为5ppm或更低的钨制成。电极线圈42由直径为0.25mm并且其氧化钾含量为5ppm或更低的钨丝制成。这些电极4之间的距离，也就是电弧长度为1.55mm。
图2是照明装置30的局部剖切的透视图，该照明装置由高压汞灯1和反射镜7组成。
如图2所示，将反射镜7安装在高压汞灯1的一端。更具体地说，将高压汞灯1设置在反射镜7内侧，以便高压汞灯1的电弧轴位于反射镜7的光轴上。反射镜7由陶瓷制成并形成漏斗形的形状。反射镜7的内表面为抛物面，将氧化硅钛蒸发在内表面上，从而形成反射表面7a。
光投射部分即反射镜7的开口直径约为70mm。该反射镜7有面对开口的支撑管8。将固定在高压汞灯1的一端的灯头9插入并通过绝缘陶瓷10固定到支撑管8上。结果，高压汞灯1和反射镜7彼此成为一体。
一条外部引线6(未示出)与灯头9电连接，而另一外部引线6与电源线11连接。电源线11的一端穿过反射镜7壁部的孔，并被引向外部。
利用如上述那样构成的照明装置30，进行以下实验。在该实验中，将交流(AC)电源连接在灯头9和电源线11之间。再有，高压汞灯1在约75V的灯电压下被点火，灯电流约为2.3A，而灯功率为175W。
对于该实验来说，制备具有175W功率的高压汞灯，改变封入的氙气体的各压力。按各不相同的压力制成五个灯。对于采用被这样制备的灯的照明装置，检查光产生时间、照度和灯管破裂的痕迹。下表1表示评价结果。
表1
封入的Xe的压力(Pa) 光产生时间(sec)    照度 灯管的破裂     评价
实例1  2.0×105  120  ○ 未发现 ○
实例2  5.0×105  60  ○ 未发现 ○
实例3  7.5×105  35  ○ 未发现 ○
实例4  1.0×106  25  ○ 未发现 ○
实例5  2.0×106  18  ○ 未发现 ○
比较例1  6.0×104  240  ○ 未发现 ×
比较例2  1.0×105  180  ○ 未发现 ×
比较例3  3.0×106  15  × 发现 ×
在相应于表1中所示的列中，○表示所述的所有五个灯，而×表示并非所述的所有五个灯。
由表1可知，通过在灯管中密封氙气体来缩短光产生时间。为什么通过氙气体会降低光产生时间的原因解释如下。
在普通的高压汞灯中，仅密封汞作为发光材料。这样，为了获得在稳定状态下产生的光照度，需要在放电空间中达到预定的汞蒸汽压力。但是，几乎所有被密封的汞在室温下都处于液态。因此，在达到预定的汞蒸汽压力并因此获得其稳定状态90％的光照度之前，一般来说需要约5至10分钟。
而在本发明中，除了汞以外，还密封有适量的氙气体。结果，密封的氙气体被激励，并在达到预定的汞蒸汽压力前发光。由氙气体发射的光改善了灯初期照度上的光照度，从而缩短了光产生时间。汞在比氙气体更低的激励能量下发光。因此，由于内部温度上升，所以密封的汞的汽化量增加，主要的发光材料逐渐从氙气体变为汞蒸汽。然后，由密封的氙气体产生的光照度逐渐变小。
应该指出，由氙气体发射的光接近太阳光，也接近汞的发射光谱。因此，当主要发光材料从氙气体变为汞蒸汽时，在照明的颜色上没有视觉差。
一般来说，只要高压汞灯的光产生时间为120秒或更少，那么在图象显示装置使用高压汞灯就没有问题。因此，最好将密封的氙气体压力设定为2.0×105Pa或更高。
同时，从表1所示的比较例3得到的结果来看，当该压力设定为3.0×106Pa时，并非所有的高压汞灯都亮，并可发现灯管的破裂。由于密封的氙气体的高压造成的有损害的点火，所以并非所有的灯都亮。由于灯管不能经受住这种高压，所以出现破裂。因此，期望将压力设定为2.0×106Pa或更低。
随后，制备高压汞灯，改变各自的再点火电压。其中，在灯点火后的几秒至两分钟内检测该再点火电压。从灯点火开始，在经过100小时后，检查采用这样制备的这些高压汞灯的各照明装置的灯管2的内壁上出现的黑化等级。
结果，在其再点火电压为20V或更低的灯的灯管2上不出现黑化，而在其再点火电压为25V或更高的灯的灯管2上出现黑化。因此，需要将再点火电压设定为20V以下，以防止黑化。
应该指出，如图3所示，再点火电压指灯点火后(在灯点火后几秒至两分钟内)立即检测的电压峰值。众所周知，再点火电压随着掺杂气体例如在灯管中包含的水分和氢气的增加而增加。因此，通过调整在灯管中包含的掺杂气体量，可以制造出其再点火电压为20V或更低的高压汞灯。
下面，说明使用照明装置30的图象显示装置100。
图4是解释图象显示装置100的结构的示意图。如图所示，图象显示装置100由包括照明装置30的光源部件12、聚光透镜13、液晶(LC)板50、LC板驱动部件51和投射透镜系统15组成。
聚光透镜13对由光源部件12发射的光聚光。LC板50是用于显示图象的透明型板。LC板驱动部件51按照输入的图象信号驱动LC板50，使LC板50显示图象。投射透镜系统15将光束穿过LC板50投射在屏幕14上。
利用图象显示装置100进行以下实验。对于该实验来说，制备电极，改变各电极中氧化钾的含量。在该实验中，采用这些电极且其灯功率为175W的各个高压汞灯被用作图象显示装置100的光源部件12。然后，从光源部件12点火开始，在经过100小时后，检测屏幕14的照度维持系数(％)。检测结果示于下表2中。应该指出，为了获得仅相对于照度的精确数据，在本实验中拆除了LC板50。再有，应该指出，在该实验中使用的各灯管2由其OH基含量为1ppm的石英玻璃制成。
表2
 K2O含量(ppm) 照度维持系数(％)     评价
    实例6     5     96     ○
    实例7     8     92     ○
    实例8     12     90     ○
  比较例4     15     84     ×
  比较例5     75     74     ×
由表2可知，随着在电极中包含的氧化钾含量的增加，照度维持系数下降。
由于在灯管2的内壁上必然发生黑化，所以照度维持系数以这种方式下降。就是说，随着在电极中包含的氧化钾含量的增加，黑化程度也增加。黑化的出现可解释为从包含在电极中的氧化钾分离出来的钾比钨更容易与溴结合。钾与溴的这种结合明显地影响了众所周知的卤素循环，电极中的钨挥发粘接到灯管2的内壁上，造成黑化。
一般来说，如果照度维持系数为90％或更高，那么就没有实际问题。因此，最好将电极4中氧化钾的含量规定为12ppm或更低。实际上，氧化钾的含量越低越好。因此，最好将其含量设定为0ppm。
通过重复钨提纯处理可以降低氧化钾的含量。再有，按照原子吸收方法，可以容易地测量提纯过的钨中氧化钾的含量。
接着，制备高压汞灯，其中作为各高压汞灯的灯管2的主要成分的石英玻璃中的水分含量改变。利用这些灯，进行以下实验。各个灯有175W的灯功率，并被用作图象显示装置100的光源部件12。在该实验中，从光源部件12点火开始，经过100小时后，检测屏幕14的照度维持系数(％)。检测结果示于下表3中。应该指出，使用氧化钾含量为5ppm或更低的钨作为电极4。
表3
 OH基含量(ppm) 照度维持系数(％)     评价
    实例9     1     98     ○
  实例10     3     90     ○
  比较例6     6     88     ×
  比较例7     15     79     ×
由表3可知，随着石英玻璃中包含的OH基含量的增加，照度维持系数下降。
在这种方式中，由于黑化必然出现在灯管2的内壁上，所以照度维持系数下降。就是说，随着在石英玻璃中包含的OH基含量的增加，黑化程度也增加。黑化的出现被解释为在灯点火时OH基扩散和进入灯管2的放电空间2a。进入放电空间2a的OH基与溴结合。这也明显地影响了众所周知的卤素循环，在电极中包含的钨挥发并粘接到灯管2的内壁上，造成黑化。
一般来说，如果照度维持系数为90％或更大，那么就没有实际问题。因此，最好将石英玻璃中OH基的含量限定为3ppm或更低。实际上，OH基的含量越低越好。因此，最好将其含量设定为0ppm。
按照真空熔化方法，可以形成OH基含量低的石英玻璃。再有，利用傅立叶变换红外线分光光度计(FT-IR)，可以容易地测量在石英玻璃中包含的OH基的含量。
在本实施例中，已经说明了使用灯功率为175W的高压汞灯的情况。但是，本发明的高压汞灯不限于此。例如，本发明可以采用灯功率小于175W的高压汞灯。另一方面，本发明也可以采用灯功率大于175W例如为200W的高压汞灯。
第二实施例
下面说明第二实施例的高压汞灯60。
图5是高压汞灯60的正视图。高压汞灯60为直流(DC)型灯。如图5所示，将阴极18和阳极21设置在放电空间2a中。阴极18包括电极线圈17和电极棒16，电极线圈17被缠绕在电极棒16的端部，距未覆盖的电极棒16的端部0.75mm。阳极21包括电极端部20和电极嵌入棒19，电极端部20设置在电极嵌入棒19的端部上。电极嵌入棒19的外径为0.4mm。电极端部20由其氧化钾含量为5ppm或更低的钨制成，最大外径为1.8mm，而且尖端直径为0.7mm。通过在阴极18和阳极21之间施加DC电压使高压汞灯60点火。除了上述电极部分外，高压汞灯60的结构与图1所示的高压汞灯1相同。这样，图1和图5中所示的相同序号部分有相同的功能，因此在本实施例中将省略对于这些功能的解释。
高压汞灯60可以达到与第一实施例的高压汞灯1实现的效果相同的效果。再有，使用高压汞灯60的照明装置和使用该照明装置的图象显示装置可以获得与第一实施例相同的效果。
如图5所示，阳极21的体积比阴极18的体积大。如果阳极21的体积等于或小于阴极18的体积，那么从阴极18放电的电子就会轰击阳极21，在灯60点火时，造成阳极21的温度急剧上升。这是灯所不期望的。但是，在本实施例中，阴极18的体积形成得比阳极21的体积小，以致阴极18的热容量较小。这避免了阴极18的温度下降至维持放电的温度以下。
通过形成其体积大于阴极18的体积的阳极21，在灯60点火期间其温度几乎保持相同，从而实现了电极温度的最佳化。阴极18设有具备良好耐热特性的电极线圈17，该线圈进一步改善与阳极21的温度平衡。
在本实施例中，不必使用严格意义上的DC来点火高压汞灯60，因此，可以使用整流过的AC等。
在图2所示的照明装置30中，有抛物面状的反射面7a的反射镜7与高压汞灯1成为整体。但是，如图6所示，具有其主轴对应于反射镜71的光轴的椭圆形的弯曲反射面71a的反射镜71可以与高压汞灯1成一体，于是形成照明装置70。按照这种结构，与图2所示的反射镜7比较，可以将反射镜71的开口直径形成得更小。这可以使包括照明装置70的图象显示装置等小型化。
在所述的实施例中，仅对高压汞灯进行了说明。但是，可以对密封了除汞以外的发光材料的高亮度放电灯进行相同的解释。更具体地说，在灯管的放电空间中可以密封第一种发光材料和其光产生时间比第一种发光材料短的第二种发光材料。一般来说，第一种发光材料在室温下(25℃左右)为液态，如汞那样的情况，而第二种材料在室温下为气态，如氙气体那样的情况。
在这种高亮度放电灯中，在灯启动后，第二种发光材料立即发光，然后第一种发光材料逐渐发光。其中，作为第一种材料，优先使用具有良好发光效率和有助于增加灯的寿命的材料。与仅使用第一种材料的情况相比，借助第二种材料，可以缩短光产生时间。同时，可以实现具有第一种材料全部优点的高亮度放电灯。
尽管参照附图通过实例已经全面描述了本发明，但应该指出，对于本领域的技术人员来说，显然可以进行各种改变和改进。
因此，只要这种改变和改进不脱离本发明的范围，它们就被包括在本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种高压汞灯，包括：
电弧管，该电弧管包括放电空间、密封在放电空间中的汞和氙气；和一对电极，该对电极在电弧管的放电空间中彼此面对。
2.如权利要求1的高压汞灯，其特征在于，
密封在放电空间中的每单位体积的汞量在0.12mg/mm3至0.35mg/mm3的范围内。
3.如权利要求1的高压汞灯，其特征在于，
密封在放电空间中的氙气压力在2.0×105Pa至2.0×106Pa的范围内。
4.如权利要求1的高压汞灯，其特征在于，
至少将氯、溴和碘中之一作为卤素物质密封在电弧管的放电空间中。
5.如权利要求4的高压汞灯，其特征在于，
密封在放电空间中的每单位体积的卤素物质量在1.0×10-7μmol/mm3至1.0×10-2μmol/mm3的范围内。
6.如权利要求1的高压汞灯，其特征在于，
用于制造每对电极的材料的主要成分为钨，其氧化钾含量为12ppm或更少。
7.如权利要求1的高压汞灯，其特征在于，电弧管由石英玻璃构成，其水分(OH基)的含量为3ppm或更少。
8.如权利要求1的高压汞灯，其特征在于，成对电极的其中一个为阳极，而成对电极的另一个为阴极，阳极的体积大于阴极的体积。
9.一种照明装置，该照明装置由高压汞灯和反射镜组成，
其特征在于，高压汞灯包括：
电弧管，该管包括放电空间、密封在放电空间中的汞和氙气；和
一对电极，该对电极在电弧管的放电空间中彼此面对地设置，
反射镜包括在光发射方向上直径逐渐展宽的旋转表面，并且安装在高压汞灯的一个端部上，反射镜的光轴处于高压汞灯的电弧轴上。
10.如权利要求9的照明装置，其特征在于，旋转表面为抛物面。
11.如权利要求9的照明装置，其特征在于，旋转表面在其主轴与光轴重合的情况下是椭圆的。
12.一种图象显示装置，利用从照明装置发射的光将在图象显示单元上显示的图象投射在显示面上，
其特征在于，照明装置包括高压汞灯和反射镜，
高压汞灯包括：电弧管，该管包括放电空间、密封在放电空间中的汞和氙气；和一对电极，该对电极在电弧管的放电空间中彼此面对地设置，和
反射镜包括在光发射方向上直径逐渐展宽的旋转表面，并且安装在高压汞灯的一个端部上，反射镜的光轴处于高压汞灯的电弧轴上。
13.一种高亮度放电灯，包括：
电弧管，该电弧管包括放电空间，至少电弧管的壁部的一部分是透明的，封在放电空间中的在室温下分别为液态和气态的两种发光材料密；和
一对电极，每个电极穿过电弧管的壁部并插入放电空间中。
14.一种高亮度放电灯，包括：
电弧管，该电弧管包括放电空间，至少电弧管的壁部的一部分是透明的，密封在放电空间中的第一种发光材料和其光形成时间比第一种发光材料短的第二种发光材料；和
一对电极，每个电极穿过电弧管的壁部并插入放电空间中。
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