DE4327534A1 - Metallhalogenidentladungslampe für fotooptische Zwecke - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenident­ ladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Lampen lassen sich beispielsweise für die Videoprojektion, Endoskopie oder auch für die Medizintechnik (Operationssaal-Leuchten) einsetzen. Besonders geeignet sind sie für die Videoprojek­ tion in Flüssigkristalltechnik (LCD), insbesondere auch für Großbildfernsehschirme mit einem Seitenver­ hältnis von 16 : 9. Typische Leistungsstufen sind 100 bis 500 W.

Die Verwendung von Aluminium im Entladungsgefäß von Lampen ist schon seit längerem bekannt. Sie ist jedoch problematisch im Hinblick auf das hygrosko­ pische Verhalten der Aluminiumverbindung beim Füllvorgang und dem starken Angriff auf die Elek­ troden während der Lebensdauer, so daß diese stark eingeschränkt ist. Dementsprechend ist die Anwen­ dung aluminiumhaltiger Füllungen bisher beschränkt auf entweder elektrodenlose Lampen (z. B. US-PS 4 672 267 oder 4 591 759) oder Lampen, bei denen die Elektroden speziell beschichtet sind, um eine geeignete chemische Umsetzung des Aluminiums zu erreichen, z. B. DE-OS 24 22 576.

Schließlich ist aus der DE-PS 15 39 516 eine Me­ tallhalogenidlampe mit einer Wandbelastung von mehr als 40 W/cm² bekannt, bei der in einem Entladungs­ gefäß mit aktivierten Elektroden eine Füllung eingebracht ist, die entweder Aluminiumchlorid oder -bromid enthält. Derartige Füllungen tendieren jedoch zu sehr kurzen Lebensdauern in der Größen­ ordnung von 100 Std. Sie sollen ein tageslichtähn­ liches Spektrum erzeugen, wobei eine hohe Belastung in Kauf genommen wird.

Weiterhin ist aus der EP-A 459 786 eine Lampe für fotooptische Zwecke und langer Lebensdauer bekannt, insbesondere für Videoprojektion, die neben Queck­ silber und Argon als Füllungsbestandteile Jodide der Seltenen Erden Dysprosium und Neodym sowie des Cäsium enthält. Seltenerdfüllungen waren bisher für derartige Lampen ausschließlich üblich, da sie eine gute Farbwiedergabe bei hoher Lichtausbeute si­ cherstellten. Auf den Inhalt dieser Schrift wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.

Obwohl sich Seltenerd-Füllungen für die Zwecke der Allgemeinbeleuchtung sehr gut eignen, genügen sie den hohen Anforderungen für fotooptische Zwecke nur bedingt. Die Ursache ist, daß große Mengen an Seltenerdmetallen das Entladungsgefäß, das übli­ cherweise aus Quarzglas besteht, angreifen, was bei den hohen Betriebstemperaturen langsam zur Entgla­ sung führt und letztlich auch das Berstrisiko erhöht. Die Entglasung verschlechtert die opti­ schen Merkmale solcher Lampen so erheblich (diffu­ se Abbildung des Bogens), daß die Lampen für foto­ optische Zwecke, bei denen es auf eine exakte Abbildung des Bogens durch das optische System ankommt, nicht mehr zu gebrauchen sind. Schließlich ist auch die Maintenance dieser Lampen unbefriedi­ gend. Weiterhin resultiert die Lichtbildung bei Seltenerdmetallen hauptsächlich aus molekularen Elektronenübergängen, die also am Bogenrand auftre­ ten, so daß z. B. bei der Anwendung für Projektions­ zwecke Farbsäume auf dem Projektionsschirm auftre­ ten können (schlechte Farbgleichmäßigkeit).

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lampe für fotooptische Zwecke zu schaffen, die sich insbesondere durch lange Lebensdauer, gute Maintenance und homogene Farbverteilung auszeich­ net, sowie eine gute Farbwiedergabe zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen finden sich in den Unteransprüchen.

Metallhalogenidlampen für fotooptische Zwecke weisen im allgemeinen einen Elektrodenabstand von höchstens 15 mm auf. Um eine möglichst punktförmige Lichtquelle zu schaffen, liegen bevorzugte Werte zwischen 2 und 8 mm. Die Farbtemperatur liegt höher als 5000 K, insbesondere 6000-10 000 K.

Die erfindungsgemäße Lampe zeichnet sich durch eine Füllung aus, die als wesentliche oder einzige Metallhalogenid-Komponente 0,1 bis 4,5 mg/cm³ AlJ₃ enthält. Die Zugabe des Aluminiums in dieser Form hat zweierlei Vorteile. Zum einen ist eine genaue Dosierung auch kleiner Al-Mengen möglich, da das Atomgewicht des Bindungspartners Jod sehr hoch ist. Zum anderen ist gerade Jod für den Halogenkreis­ lauf in dem hier vorliegenden Fall besonders gut geeignet und greift die Elektroden weniger stark an als Chlor oder Brom. Ein weiterer Vorteil ist, daß dieses Füllungssystem so unempfindlich ist, daß dieselbe Füllung für verschiedene Wattstufen ver­ wendet werden kann, ohne daß sich die Farbtempera­ tur ändert. Schließlich ist auch der Einfluß des Jods auf das Lampenspektrum (Absorption im Blauen) gewünscht.

Weiterhin kann es je nach Elektrodenkonfiguration auch vorteilhaft sein, bis zu 2,0 mg/cm³ AlBr₃ hinzuzugeben.

AlJ₃ wurde bisher als wenig geeignet angesehen, weil die damit erzielbare Lichtausbeute relativ gering ist (ca. 70 lm/W), verglichen mit konventio­ nellen Seltenerd-Füllungen (ca. 100 lm/W). Dabei wurde jedoch zum einen nicht berücksichtigt, daß die Lichtausbeute, bezogen auf den gesamten opti­ schen Aufbau, d. h. gemessen im dazugehörigen Re­ flektor und bei möglichst großer Parallelität des Lichtstrahls (Divergenzwinkel (<50), wesentlich besser wird, verglichen mit konventionellen Syste­ men, so daß die Systemausbeute insgesamt vergleich­ bar wird. Dies liegt daran, daß die Lichtbildung mittels atomarer Übergänge erfolgt, die überwiegend im Bogenkern stattfinden, so daß die Farbseparation erheblich eingeschränkt ist.

Ein besonders gewichtiger Vorteil ist schließlich, daß die mit AlJ₃ erzielbare Farbwiedergabe mit dem Anforderungsprofil besonders gut übereinstimmt. Wesentlicher Parameter zur Bestimmung der Farbwie­ dergabe ist insbesondere für die Videoprojektion die sog. R/G/B-Verteilung. Darunter wird die rela­ tive Intensitätsverteilung in drei ausgewählten Wellenlängenbereichen, nämlich rot (R), grün (G) und blau (B), verstanden. Im folgenden sind diese Bereiche so definiert:
R = 600 nm bis 650 nm
G = 500 nm bis 540 nm
B = 400 nm bis 500 nm.

Konventionelle Füllungen weisen eine Überhöhung des Grünbereichs (und weniger ausgeprägt des Blaube­ reichs) auf Kosten des Rotanteils auf, z. B. R/G/B = 18 : 67 : 15.

Mit Aluminiumjodid als Grundkomponente lassen sich aufgrund der Gleichmäßigkeit des Spektrums R/G/B- Werte erzielen, die einen deutlich höheren Rotan­ teil zeigen:
R = 25% bis 35%
G = 50% bis 65%
B = 8% bis 18%.

Als weitere Füllungszusätze für die Feinabstimmung eignen sich insbesondere InJ (oder ein anderes Halogenid des Indium) und evtl. ein Halogenid des Quecksilbers (z. B. HgJ₂, HgBr₂) in einer Gesamtmen­ ge bis zu 2,0 mg/cm³, bevorzugt bis 1,0 mg/cm³. Damit läßt sich z. B. der Blauanteil (mittels In-Hal.) exakt einstellen. Als weitere Füllungszu­ sätze (bis zu 1,0 m/cm³) eignen sich die Halogenide des Thallium und/oder des Cäsium für die exakte Einstellung des Grünanteils bzw. für die Bogensta­ bilisierung. Schließlich ist ein geringfügiger Zusatz an Seltenerdmetallen, bevorzugt in metalli­ scher Form, zur Auffüllung des Spektrums möglich, nämlich bis zu 0,5 mg/cm³. Diese Menge ist so gering, daß die resultierende Entglasung vernach­ lässigt werden kann.

Als Halogenide werden im allgemeinen Jod und/oder Brom bevorzugt, wobei eine je nach Geometrie und Volumen angepaßte Mischung den Elektrodenabbrand hemmt.

Ein besonderer Vorteil ist, daß die Elektroden bei der vorliegenden Füllung in keiner Weise speziell behandelt werden müssen, d. h. es ist z. B. keine Beschichtung (z. B. mit Scandium- oder Thoriumoxid, wie vorbekannt) notwendig. Besonders geeignet sind Elektroden, bei denen auf einen Schaft eine Wendel aufgeschoben ist, wobei das Schaftmaterial aus Wolfram besteht, das mit einem Material niedriger Elektronenaustrittsarbeit (z. B. ThO₂) dotiert ist, während die Wendel vorteilhaft aus undotiertem Wolfram besteht.

Als Kolben eignet sich Quarzglas, insbesondere ein zweiseitig gequetschter Kolben, der z. B. an einem oder beiden Enden mit einer Wärmeschicht (z. B. ZrO₂) bedeckt ist. Unter Umständen kann die Homoge­ nität der Licht- und Farbverteilung, wie an sich bekannt, durch eine Mattierung verbessert werden.

Prinzipiell eignet sich auch ein Kolben aus kerami­ schem Material (Al₂O₃), wie bereits für andere Lampentypen bekannt. Vorteilhaft wird die Lampe mit einem Reflektor zu einer Baueinheit zusammengefügt, wie in EP-A 459 786 beschrieben. Dabei ist die Lampe näherungsweise axial im Reflektor montiert. Der Reflektor ist z. B. dichroitisch beschichtet.

Besonders geeignet ist die Lampe für die Projek­ tionstechnologie auf der Basis von Flüssigkristal­ len, die sich auch als Grundlage für hochauflösen­ des Fernsehen (HDTV) eignet. Diese Technologie erfordert als Beleuchtungsmedium eine Entladungs­ lampe mit speziellen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der optimalen Balance der R/G/B-Antei­ le, des nutzbaren Schirmlichtstroms und der Leucht­ dichte. Weitere Merkmale sind Lebensdauern von mehr als 2000 Std., eine hohe Maintenance (möglichst über 50%) bezüglich Farbort und Intensität sowie möglichst paralleler Lichtaustritt. Eine hohe Leuchtdichte und Maintenance des Farborts und der Intensität ist notwendig, weil der optische Systemwirkungsgrad letztlich nur bei 1 bis 2% liegt. Da die Winkelakzeptanz von Flüssigkristallen (LCD) nur bei maximal 50 liegt, ist extrem paralle­ les Licht notwendig, was gleichbedeutend mit der Forderung nach einer möglichst guten Punktlicht­ quelle ist. Im allgemeinen wird dadurch jedoch die Lampenlebensdauer beeinträchtigt. Weitere wesentli­ che Anforderungen sind Homogenität der Farbtempera­ tur und der Beleuchtungsstärkeverteilung auf dem Projektionsschirm.

Besonders geeignet ist ein Füllungssystem mit bis zu 4,5 mg/cm³ AlJ₃ und bis zu 2,0 mg/cm³ InJ. Beide Komponenten erzeugen Licht durch atomare Übergänge, so daß auch hier Farbsäume vermieden werden. Ein allgemeiner Vorteil der Füllung ist, daß die Farbanteile und deren Verhältnisse nur wenig über die Lebensdauer variieren.

Die Lampe besteht in einer besonders bevorzugten Ausführung aus einem zweiseitig gequetschten Entla­ dungsgefäß aus Quarzglas mit axial angeordneten Wolframelektroden. Dieses ist in einem Paraboloid- Reflektor mit dichroitischer Beschichtung einge­ baut, wobei der Durchmesser des Reflektors der Diagonalen des Flüssigkristallarrays (LCD) angepaßt ist. Die Beschichtung des Reflektors entspricht einem optischen Bandpaß, der das sichtbare Spek­ trum reflektiert und IR- und UV-Komponenten trans­ mittiert. Eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Farb- und Intensitätsverteilung in der LCD-Ebene kann durch eine geeignete Mattierung des Entladungsgefä­ ßes erreicht werden. Häufig ist ein Wärmestaubelag an einem oder beiden die Elektroden umgebenden Gefäßende(n) angebracht. Die Lampe wird mit einem an sich bekannten elektronischen Vorschaltgerät be­ trieben, das auch die Heißwiederzündung sicher­ stellt.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Lampe mit Reflektor

Fig. 2 das Spektrum einer Lampe

Fig. 3-7 Meßergebnisse hinsichtlich des Licht­ stroms, der Farbtemperatur sowie des Farb­ orts für verschiedene Füllungen

Fig. 1 zeigt eine Metallhalogenidlampe 1 mit einer Leistung von 170 W und einem Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das zweiseitig gequetscht 3 ist. Das Entladungsvolumen beträgt 0,7 cm³. Die axial einan­ der gegenüberstehenden Elektroden 4 haben einen Abstand von 5 mm. Sie bestehen aus einem Elektro­ denschaft 5 aus thoriertem Wolfram, auf den eine Wendel 6 aus Wolfram aufgeschoben ist. Der Schaft 5 ist im Bereich der Quetschung 3 über eine Folie 7 mit einer äußeren Stromzuführung 8 verbunden.

Die Lampe 1 ist näherungsweise axial in einem parabolischen Reflektor 9 angeordnet, wobei der Bogen, der sich zwischen den beiden Elektroden 4 im Betrieb ausbildet, im Fokus des Paraboloids sitzt. Ein Teil der ersten Quetschung 3a sitzt direkt in einer zentralen Bohrung des Reflektors und ist dort mittels Kitt in einem Sockel 10 gehaltert, wobei die erste Stromzuführung 8a mit einem Schraubsoc­ kelkontakt 10a verbunden ist.

Die zweite Quetschung 3b ist der Reflektoröffnung 11 zugewandt. Die zweite Stromzuführung 8b ist im Bereich der Öffnung 11 mit einem Kabel 12 verbun­ den, das isoliert durch die Wandung des Reflektors zu einem separaten Kontakt 10b zurückgeführt ist. Die Außenoberflächen der Enden 13 des Entladungsge­ fäßes sind mit ZrO₂ zu Wärmestauzwecken beschich­ tet. Der zentrale Teil 14 des Entladungsgefäßes ist mattiert, um die Gleichmäßigkeit zu verbessern.

Die Füllung des Entladungsvolumens enthält neben 200 mbar Argon und Quecksilber in einem ersten Ausführungsbeispiel:
1,15 mg AlJ₃
0,1 mg InJ
0,36 mg HgBr₂.

Das Spektrum dieser Lampe ist in Fig. 2 gezeigt. Damit wird ein R/G/B-Verhältnis von 26 : 58 : 16 er­ zielt. Die Wandbelastung beträgt ca. 35 W/cm². Beim Füllen des AlJ₃ ist auf möglichst gute Reinheit zu achten, insbesondere auf Abwesenheit von Sauer­ stoff.

In einem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel wird verwendet:
1,15 mg AlJ₃ bzw. 1,15 mg AlJ₃ und 0,05 mg Tm. Das R/G/B-Verhältnis beträgt dabei 29 : 55 : 16 bzw. 28 : 57,5 : 14,5.

In einem vierten Ausführungsbeispiel wird dem ersten Ausführungsbeispiel 0,05 mg Tm hinzugefügt. Damit wird ein R/G/B-Verhältnis von 26,5 : 57,5 : 16 erreicht.

Mit diesen Füllungen wird eine gute Farbgleichmä­ ßigkeit in der Projektion erreicht sowie eine ausgezeichnete Konstanz der Farbtemperatur Tn über eine Lebensdauer von 2000 Std.; die Maintenance beträgt 70%. Der Farbort ist x = 0,295 und y = 0,317.

Die Farbtemperatur Tn läßt sich durch Variation der AlJ₃-Menge einstellen, mit Anfangswerten von Tn zwischen 6000 und 10 000 K.

Besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf Lebens­ dauern und Maintenance lassen sich mit folgenden Füllungen erzielen:
0,45-3,3 mg/cm³ AlJ₃
0-0,3 mg/cm³ In-Halogenid, insbes. InJ
0-0,7 mg/cm³ Hg-Halogenid, insbes. HgBr₂
0-0,7 mg/cm³ Halogenide des Cs u/o Tl

In Fig. 3 und 4 ist die Maintenance des Lichtstroms innerhalb eines Winkels von 5° (sog. "panel-lumen") in relativen Einheiten bzw. der Gang der Farbtem­ peratur jeweils über eine Brenndauer von mehr als 2000 Std. für verschiedene Füllungen bei einer 170 W-Lampe (Volumen 0,7 cm³) angegeben. Das Entla­ dungsgefäß war dabei mit ZrO₂ beschichtet, jedoch ohne Mattierung. Die einzelnen Füllungen sind

• A) 2,3 mg AlJ₃, 0,1 mg InJ, 0,36 mg HgBr₂
• B) 1,15 mg AlJ₃, 0,1 mg InJ, 0,36 mg HgBr₂
• C) 0,6 mg AlJ₃, 0,1 mg InJ, 0,36 mg HgBr₂
• D) 0,3 mg AlJ₃, 0,1 mg InJ, 0,36 mg HgBr₂

Es zeigt sich gemäß Fig. 3, daß die Maintenance nach 2000 Std. in der Größenordnung von 60-75% liegt. Nach 3000 Std. beträgt sie immer noch 50-65% und erfüllt damit immer noch die Mindestan­ forderungen. Der Absolutwert des Lichtstroms ist am höchsten bei geringer Al-Dosierung D) und verrin­ gert sich bei steigender Al-Dosierung. Der Abfall im Laufe der Brenndauer ist in etwa unabhängig von der Aluminium-Menge.

Gemäß Fig. 4 ist die Farbtemperatur Tn umgekehrt proportional der Al-Dosierung. Sie ist extrem konstant über die Brenndauer. Im allgemeinen werden Farbtemperaturen um 8000 K für Videoprojektion bevorzugt, entsprechend einer Dosierung von 0,6 bis 1,15 mg, entsprechend einer volumenunabhängigen Dosierung von 0,85-1,65 mg/cm³.

Die Zusammenschau beider Figuren zeigt überdies einen großen Vorteil dieser Füllungen, nämlich daß verschiedene Anforderungen, z. B. hinsichtlich der Farbtemperatur, ohne große Änderungen in der Fül­ lung, abgesehen von der AlJ₃-Menge und sonstigen technischen Eigenschaften der Lampe vorgenommen werden können.

Fig. 5 zeigt für Füllung B) den Farbort (x- bzw. y-Wert) als Funktion der Lebensdauer (Anfangswert nach 1 Std., Wert nach 1000 und 2700 Std.) und des Ortes (neun Meßpunkte E1-E9, die gleichmäßig über die Fläche des Projektionsschirms als 3×3-Matrix gelegt sind). Der x-Wert schwankt nur geringfügig zwischen den Werten x = 0,28 und x = 0,29; der y-Wert zwischen y = 0,295 und 0,31.

In Fig. 6 und 7 ist schließlich das Verhalten einer 200 W-Lampe gezeigt, die ansonsten ähnlich wie die 170 W-Lampe aufgebaut ist. Die hier verwendeten Füllungen sind zum einen identisch mit Füllung C), zum anderen wurde folgende Füllung E) verwendet: E) 0,9 mg AlJ₃, 0,1 mg InJ, 0,36 mg HgBr₂.

Fig. 6 zeigt die Beleuchtungsstärke auf einem Projektionsschirm in Lux, gemittelt über das bei Fig. 5 beschriebene Raster von neun Meßpunkten in Abhängigkeit von der Brenndauer, während Fig. 7 die Farbtemperatur als Funktion der Brenndauer zeigt.

Auch hier bestätigt sich wieder die Unempfindlich­ keit des auf AlJ₃ basierenden Füllungssystems gegenüber speziellen Anpassungen an besondere Anforderungen.

Claims (10)

1. Metallhalogenidentladungslampe für fotooptische Zwecke mit einem durchscheinenden Entladungsgefäß (2), das eine aluminiumhaltige Füllung enthält, in dem zwei Elektroden (4) einander gegenüberstehen, die mit nach außen geführten Stromzuführungen (8) verbunden sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Füllung enthält folgende Bestandteile:
  0,1-4,5 mg/cm³ AlJ₃
  0-2,0 mg/cm³ Halogenide (Ha) des Indium (InHa) u/o Quecksilber (HgHa₂)
• - der Elektrodenabstand beträgt maximal 15 mm
• - die Farbtemperatur beträgt mindestens 5000 K.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zusätzlich bis zu 1,0 mg/cm³ Halo­ genide des Thallium (TlHa) und/oder des Cäsium (CsHa₂) enthält.

3. Lampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Füllung zusätzlich bis zu 0,5 mg/cm³ Seltenerdmetalle enthält.

4. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zusätzlich bis zu 2,0 mg/cm³ AlBr₃ enthält.

5. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Baueinheit mit einem optischen Reflektor (9) bildet.

6. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4) aus Wolfram gefertigt sind, wobei die Elektrode oder ein Teil davon mit einem Material niedriger Elektronenaustrittsarbeit do­ tiert sein kann.

7. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (4) unbeschichtet ist.

8. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Intensi­ tätsverteilung über drei ausgewählte Wellenlängen­ bereiche R/G/B mit
R = 600 nm bis 650 nm
G = 500 nm bis 540 nm
B = 400 nm bis 500 nm
beträgt
R = 25% bis 35%
G = 50% bis 65%
B = 8% bis 18%.

9. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand zwischen zwei und acht Millimetern beträgt.

10. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) ein zweiseitig ge­ quetschter Quarzglaskolben ist, der ggf. ganz oder teilweise beschichtet ist.