DE60222793T2

DE60222793T2 - Beleuchtungseinheit

Info

Publication number: DE60222793T2
Application number: DE60222793T
Authority: DE
Inventors: Holger Moench; Arnd Ritz
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: KR101038450B1; ATE374903T1; JP2005505909A; EP1440278A1; DE10151267A1; DE60222793D1; TWI223045B; US7224107B2; CN100538158C; CN1571902A; WO2003033959A1; US20050024880A1; EP1440278B1; KR20040048954A; JP4170908B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle, insbesondere eine Lichtquelle in Form einer HID-Lampe (HID: high intensity discharge) oder UHP-Lampe (UHP: ultra high performance) sowie mit einem Hauptreflektor und einem Rückreflektor, wobei das aus der Lichtquelle kommende Licht durch eine dem Hauptreflektor gegenüberliegenden Öffnung in dem Rückreflektor hindurch auf den Hauptreflektor reflektiert wird,.
Beleuchtungseinheiten dieser Art werden auf Grund ihrer optischen Eigenschaften unter anderem bevorzugt zu Projektionszwecken eingesetzt. Dabei werden insbesondere die sogenannten Kurzbogen-HID-Lampen verwendet, bei denen der Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden relativ gering ist, so dass die eigentliche Lichtquelle (Lichtbogen) im Wesentlichen punktförmig ist.
Aus der US-PS 5.491.525 ist eine Beleuchtungseinheit für Flüssigkristall-Projektionseinrichtungen bekannt, die einen Hauptreflektor, eine Lichtquelle, wie z. B. eine Entladungslampe, sowie einen die Lichtquelle im Wesentlichen halbkugelförmig umgebenden Rückreflektor aufweist, mit dem Licht aus der Lichtquelle auf den Hauptreflektor reflektiert wird. Weiterhin sind verschiedene Filter, dichroitisch reflektierende Schichten sowie Linsenanordnungen vorgesehen, mit denen der Strahlengang des abgestrahlten Lichtes in bestimmter Weise beeinflusst und die Helligkeit auf einer Projektionsfläche erhöht werden soll.
US 4.422.135 offenbart eine ringförmige Beleuchtungseinheit zum Untersuchen einer Oberfläche, mit einer Lichtquelle, einem Rückreflektor in Form eines kugelförmigen Spiegels und einem Hauptreflektor in Form eines elliptischen Spiegels und eines kreiszylindrischen Spiegels, wobei ein zwischen dem Zentrum der Lichtquelle und dem Rand der Öffnung des Rückreflektors aufgespannter erster Sektorwinkel kleiner als 180° ist.
EP 1 104 009 offenbart eine Lichtquelle mit einer Kurzbogenentladungslampe, einem konkaven Hauptreflektor und einem Rückreflektor in Form einer Beschichtung auf dem Kolben der Lampe in einem speziellen Frontabschnitt, wobei die Innen- und die Außenfläche des Kolbens in diesem speziellen Abschnitt eine Kugelfläche mit einem Zentrum im Lichtbogen ist. Hierdurch soll Licht, das in diese speziellen Vorwärtsabschnitte abgestrahlt wird, zurück in das Zentrum des Lichtbogens und auf den gegenüberliegenden Bereich des Hauptreflektors reflektiert werden, sodass ein Lichtverlust verhindert wird, der gewöhnlich durch eine "rugbyballartig kreiselnde Tonnenform" des Kolbens durch Reflexionen an der Innen- und der Außenfläche des Kolbens unter unterschiedlichen Winkeln verursacht wird, wobei diese Reflexionen durch die Elektroden blockiert oder absorbiert werden oder auf andere Weise nicht anwendbar sind.
US 3.796.886 offenbart einen Lichtprojektor, der einen ersten und einen zweiten Rückreflektor, einen Frontreflektor und eine Konvexlinse in der Öffnung des ersten Rückreflektors umfasst. Dieser Lichtprojektor ist für Autoscheinwerfer zum nahezu energieverlustfreien Abstrahlen gesonderter Lichtbündel konfiguriert.
EP 0 371 510 offenbart einen Autoscheinwerfer mit einem Licht divergierenden konkaven Hauptreflektor mit einer ersten und einer zweiten Hälfte, einem Rückreflektor, einer Lichtquelle und einer nahezu transparenten Abdeckung in der Öffnung des Hauptreflektors, wobei ein zwischen der Lichtquelle und dem Rand der Öffnung des Rückreflektors aufgespannter Sektorwinkel kleiner als 180° ist. Die Konfiguration ist vorgesehen, um in effektiver Weise ein gewisses Lichtstärkenverteilungsmuster auf einer Fahrbahndecke zu erhalten.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die demgegenüber eine weiter erhöhte Effizienz (Lichtausbeute) sowie verbesserte optische Eigenschaften und Leistungsfähigkeiten aufweist.
Es soll auch eine Beleuchtungseinheit geschaffen werden, bei der die Bündelung des abgestrahlten Lichtes weiter verbessert ist.
Weiterhin soll eine Beleuchtungseinheit geschaffen werden, die auch bei in Draufsicht (d. h. entgegen der Abstrahlrichtung gesehen) nicht kreisförmigen, wie z. B. rechtwinkligen oder anders geformten Reflektoren eine verbesserte Bündelung des abgestrahlten Lichtes aufweist.
Schließlich soll eine Beleuchtungseinheit geschaffen werden, deren Lichtbündelung auch dann verbessert ist, wenn der Glaskolben einer als Lichtquelle verwendeten Entladungslampe relativ dicke Wände aufweist, wie sie zum Beispiel bei Hochdruck-Kurzbogenlampen notwendig sind.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird nach Anspruch 1 mit einer Beleuchtungseinheit gelöst, die eine Lichtquelle in Form einer Hochdruck-Gasentladungslampe, einen Hauptreflektor und einen Rückreflektor mit einer dem Hauptreflektor gegenüberliegenden Öffnung, durch die Licht aus der Lichtquelle auf den Hauptreflektor reflektiert wird, aufweist, welche Beleuchtungseinheit dadurch gekennzeichnet ist, dass das Zentrum der Lichtquelle, der Hauptreflektor und der Rückreflektor relativ zueinander so angeordnet oder gestaltet sind, dass ein zwischen dem Zentrum der Lichtquelle und dem Rand der Öffnung des Rückreflektors aufgespannter erster Sektorwinkel kleiner als 180° ist und ein zwischen der Lichtquelle und dem Rand der Öffnung des Hauptreflektors aufgespannter zweiter Sektorwinkel größer oder gleich der Differenz aus 360° und dem Wert des ersten Sektorwinkels des Rückreflektors ist.
Unter dem Zentrum der Lichtquelle soll dabei der Bereich verstanden werden, in dem der wesentliche oder überwiegende Teil des Lichtes erzeugt wird.
Ein Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass Mehrfachreflexionen an dem Rückreflektor ganz oder zumindest weitgehend (in Abhängigkeit von der Ausdehnung der Lichtquelle sowie davon, ob alle Sektorwinkel, die sich bei einem Umlauf entlang des gesamten Randes der Öffnung des Rückreflektors ergeben, kleiner als 180° sind) vermieden werden, so dass die Lichtausbeute wesentlich verbessert werden kann. Ein anderer Vorteil ist, dass seitliche Abstrahlung von Licht aus der Beleuchtungseinheit vermieden wird.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Die Ausführungsform nach Anspruch 2 ist besonders für Entladungslampen vorteilhaft, bei denen der Abstand zwischen den Elektrodenspitzen größer und der Lichtbogen daher länger ist.
Mit der Ausführungsform nach Anspruch 3 kann die Lichtausbeute weiter erhöht werden.
Die Ausführungsform nach Anspruch 5 ist insbesondere im Falle von Hauptreflektoren mit sehr kleinem Durchmesser vorteilhaft.
Die nach Anspruch 6 verwendete Lichtquelle ist insbesondere für den Einsatz der Beleuchtungseinheit zu Projektionszwecken vorzuziehen.
Die Gestaltung des Rückreflektors nach Anspruch 7 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Hauptreflektor in Draufsicht nicht kreisförmig ist.
Die Ausführungsform nach Anspruch 8 hat den Vorteil, dass auch in dem Fall, in dem die Wand des den Gasentladungsraum umgebenden Teils des Glaskolbens relativ dick ist, keine Linseneffekte oder andere nachteilige Beeinflussungen des Strahlengangs des erzeugten Lichtes auftreten.
Mit der Ausführungsform nach Anspruch 9 können durch den Rückreflektor verursachte Temperaturerhöhungen des Glaskolbens vermieden werden.
Mit der Ausführungsform nach Anspruch 10 können bestimmte Spektralbereiche des Lichtes bevorzugt abgestrahlt werden. Die Ausführungsformen nach den Ansprüchen 11 bis 13 beschreiben Materialien, die zur Erzeugung einer dichroitischen Reflexion und unter Berücksichtigung von geeignet angepassten Ausdehnungskoeffizienten bevorzugt eingesetzt werden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform;
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform;
3 schematische Schnittdarstellungen durch eine dritte Ausführungsform; und
4 einen schematischen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform.
Die im folgenden beschriebenen Ausführungsformen sind insbesondere zur Anwendung in Projektionssystemen geeignet.
Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit umfasst gemäß 1 einen Hauptreflektor 1, der im Wesentlichen die Form eines Parabolspiegels aufweist oder einen ellipsenähnlichen oder einen anderen Längsschnitt hat, der in Abhängigkeit von der Art der für eine vorgesehene Anwendung erforderlichen Bündelung gewählt wird.
1 zeigt weiterhin als wesentlichen Teil einer Gasentladungslampe den Glaskolben 2 mit einem Entladungsraum 21, der ein Entladungsgas sowie eine Elektrodenanordnung enthält. Die Elektrodenanordnung ist durch eine erste, dem Hauptreflektor gegenüberliegende Elektrode 22 und eine zweite Elektrode 23 gebildet, zwischen deren Spitzen in bekannter Weise eine Gasentladung 24 angeregt wird. Der Glaskolben 2 und der Hauptreflektor 1 sind relativ zueinander so angeordnet, dass die die eigentliche Lichtquelle darstellende Gasentladung 24 im Wesentlichen im Brennpunkt des Hauptreflektors liegt.
An dem Glaskolben 2 befindet sich ein Rückreflektor 3 in Form einer reflektierenden Schicht, die auf einen Teil der Oberfläche des den Entladungsraum umgebenden Glaskolbens aufgebracht ist. Dieser Teil der Oberfläche ist so geformt, dass das aus der Gasentladung 24 auf den Rückreflektor 3 auftreffende Licht durch die Öffnung des Rückreflektors 3 auf den Hauptreflektor 1 reflektiert wird. Die Oberfläche ist im Allgemeinen kugelförmig.
Zur Erläuterung der Bemessung des Hauptreflektors 1 sowie des Rückreflektors 3 sind in 1 verschiedene Hilfslinien eingezeichnet. Eine erste Hilfslinie L1 bzw. L1' verläuft von dem Zentrum der Lichtquelle (Gasentladung) 24 senkrecht zu der Längsrichtung der Lampe (d. h. der Abstrahlungsrichtung) und stellt eine Bezugslinie dar. Eine zweite Hilfslinie L2 bzw. L2' verläuft zwischen dem Zentrum der Gasentladung 24 und dem Rand der Öffnung des Rückreflektors 3. Eine dritte Hilfslinie L3 bzw. L3' verläuft zwischen dem Zentrum der Gasentladung 24 und dem Rand der Öffnung des Hauptreflektors 1, während eine vierte Hilfslinie L4 bzw. L4' schließlich zwischen dem Zentrum der Gasentladung 24 und dem Ende des Rückreflektors 3 gezogen ist, das von dem Hauptreflektor 1 abgewandt ist.
Demgemäß sei im folgenden ein erster Winkel a1 (bzw. a1') zwischen der ersten Hilfslinie L1 (bzw. L1') und der zweiten Hilfslinie L2 (bzw. L2'), ein zweiter Winkel b1 (bzw. b1') zwischen der ersten Hilfslinie L1 (bzw. L1') und der dritten Hilfslinie L3 (bzw. L3') sowie ein dritter Winkel a2 (bzw. a2') zwischen der ersten Hilfslinie L1 (bzw. L1') und der vierten Hilfslinie L4 (bzw. L4') definiert.
Eine optimale Bündelung des abgestrahlten Lichtes kann durch eine und/oder mehrere der folgenden Bemessungsregeln erreicht werden:
Zur Vermeidung von Lichtverlusten durch seitliche Abstrahlung aufgrund der endlichen Ausdehnung der Gasentladung (Lichtbogen) sollten die ersten Winkel a1, a1' stets kleiner als die zweiten Winkel b1, b1' sein.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Lichtausbeute dann besonders gut ist, wenn die ersten Winkel a1, a1' größer als 0 sind. Dies bedeutet, dass sich gemäß der obigen Definition der Rückreflektor 3 in Richtung auf den Hauptreflektor nicht ganz bis zur Hälfte des den Entladungsraum umgebenden Teils des Glaskolbens erstreckt. Dadurch wird insbesondere vermieden, dass Lichtanteile, die von der Lichtquelle ausgehen, im Bereich des Randes der Öffnung des Rückreflektors 3 mehrfach in diesem hin und her reflektiert werden, ohne auf den Hauptreflektor 1 zu treffen.
Besonders vorteilhafte Eigenschaften der Lampe werden erzielt, wenn die ersten Winkel a1, a1' jeweils größer als 0 Grad und kleiner als etwa 20 Grad gewählt werden.
Dies bedeutet, dass ein erster Sektorwinkel L2-L2', der zwischen dem Zentrum der Lichtquelle 24 einerseits und dem Rand der Öffnung des Rückreflektors 3 andererseits aufgespannt wird und sich somit in der Darstellung der 1 zwischen den beiden zweiten Hilfslinien L2, L2' erstreckt, kleiner als 180 Grad und vorzugsweise größer als etwa 140 Grad sein sollte. Diese Bedingung sollte vorzugsweise für alle Sektorwinkel gelten, die sich bei einen Umlauf entlang des Randes der Öffnung ergeben.
Die oben gegebenen Bemessungsregeln gelten insbesondere dann, wenn der Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden 22, 23, wie zum Beispiel bei Kurzbogenlampen, relativ gering ist. In dem Fall jedoch, in dem dieser Abstand größer und somit der Lichtbogen länger ist, ist es vorzuziehen, die Bemessung der Reflektoren auf andere Weise vorzunehmen.
Zu diesem Zweck sind die in 2 eingezeichneten Hilfslinien zu verwenden. Die ersten, dritten und vierten Hilfslinien L1, L3, L4 sind dabei identisch mit den in gleicher Weise bezeichneten Hilfslinien der 1. Die zweite Hilfslinie L2 erstreckt sich hierbei jedoch zwischen der Spitze der zweiten Elektrode 23 und dem Rand der Öffnung des Rückreflektors 3.
In diesem Fall ergibt sich eine optimale Bündelung des abgestrahlten Lichtes dann, wenn sich der Rückreflektor 3 in Richtung auf den Hauptreflektor bis auf die Höhe der Spitze der zweiten Elektrode 23 erstreckt. In diesem Fall verläuft die zweite Hilfslinie L2 also im Wesentlichen parallel zu der ersten Hilfslinie L1. Außerdem sollte der zweite Winkel b1 wiederum so groß sein, dass eine seitliche Lichtabstrahlung vermieden wird.
Für bestimmte Anwendungen, bei denen besondere Anforderungen an die Lichtbündelung gestellt werden, wie zum Beispiel bei der Anwendung für sehr kleine Displays, ist das Gesamtsystem aus Lichtquelle, Rückreflektor und Hauptreflektor zu betrachten, um die Effizienz der Lichtabstrahlung zu optimieren. Der Durchmesser des Hauptreflektors 1 wird dabei im Allgemeinen so klein wie möglich gemacht, so dass der zweite Winkel b1 nicht wesentlich größer als 0 Grad ist. In diesem Fall und für diese Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn sich der Rückreflektor 3 mit dem Rand seiner Öffnung bis zu einem Punkt erstreckt, der etwa auf der Höhe der Mitte zwischen der Spitze der zweiten Elektrode 23 einerseits und der Mitte zwischen den beiden Spitzen der Elektroden 22, 23 andererseits liegt.
Ein bevorzugtes gemeinsames Merkmal aller Ausführungsformen besteht somit darin, dass sich die den Rückreflektor bildende Beschichtung nicht ganz bis zur Hälfte des den Gasentladungsraum umschließenden Bereiches des Glaskolbens erstreckt.
Insbesondere in Kombination mit einem Parabolreflektor als Hauptreflektor 1 kann auch bei einem sehr kleinen Durchmesser des Hauptreflektors eine große Effizienz der Lichtbündelung erreicht werden, wenn für das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d und der Brennweite f des Hauptreflektors die Bedingung d > 4f gilt. Wenn der Durchmesser des Parabolreflektors zum Beispiel etwa 30 mm und dessen Brennweite etwa 6 mm beträgt, wird mit dem in der oben beschriebenen Weise bemessenen Rückreflektor 3 an dem Glaskolben eine um etwa 30 bis 40 Prozent höhere Effizienz bei der Anwendung in Projektionssystemen erzielt, als ohne Rückreflektor.
Wesentlich für eine dauerhafte Steigerung dieser Effizienz und somit für eine lange Lebensdauer der Beleuchtungseinheit ist, dass eine Schwärzung der Innenwände des Entladungsraums verhindert wird. Eine solche Schwärzung hätte nämlich nicht nur eine Beeinträchtigung des Reflexionsvermögens des Rückreflektors zur Folge, sondern würde aufgrund der teilweisen Absorption der Lichtstrahlung auch zu einer erhöhten thermischen Belastung des Glaskolbens führen. Eine Schwärzung ist am besten mit einem der bekannten regenerativen chemischen Zyklen zu verhindern; daher ist die Lichtquelle vorzugsweise eine HID-Lampe oder UHP-Lampe. Lampen dieser Art mit Rückreflektor könnten über mehr als tausend Stunden betrieben werden, ohne dass Probleme mit den Elektroden oder dem Glaskolben auftreten oder, im Gegensatz zu bekannten Lampen ohne Rückreflektor, Veränderungen an diesen Teilen vorgenommen werden müssen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinheit wurde als Lichtquelle eine Kurzbogenlampe mit einer Lichtbogenlänge von weniger als 2 mm, einer Wandbelastung von mehr als 1 W/mm² und einer Gesamtleistung der Lampe zwischen 50 und 1200 W gewählt. Das Entladungsgas enthielt ein Edelgas wie zum Beispiel Argon, Quecksilber unter hohem Druck (zum Beispiel mit einer Menge von mehr als etwa 0,15 mg/mm³) und Brom mit einer Menge zwischen etwa 0,001 und etwa 10 μmol/cm³ sowie Sauerstoff, so dass ein Wolfram-Transportzyklus ablaufen konnte.
Aus praktischen Gründen werden in manchen Projektionssystemen Beleuchtungseinheiten mit einem in Draufsicht quadratischen Reflektor verwendet. 3a zeigt eine solche Beleuchtungseinheit in Draufsicht und 3b in Seitenansicht, wobei nur der Hauptreflektor 1 und der Glaskolben 2 schematisch angedeutet sind. Eine besonders effiziente Bündelung des abgestrahlten Lichtes ergibt sich für Hauptreflektoren dieser Art mit einer gegenüber den 1 und 2 abweichenden Form des Rückreflektors 3, wie sie in 3c dargestellt ist. 3c zeigt schematisch in Seitenansicht den Glaskolben 2 mit der ersten und zweiten Elektrode 22, 23, zwischen denen die Gasentladung 24 angeregt wird, sowie den Rückreflektor 3. Der in 3c gezeigte Rand der Öffnung des Rückreflektors, die dem Hauptreflektor (nicht dargestellt) gegenüberliegt, wird vorzugsweise wie folgt konstruktiv ermittelt:
Zunächst sei eine gerade Linie zwischen der Spitze der zweiten Elektrode 23 und dem Rand der Öffnung des Hauptreflektors, d. h. dessen optisch aktiver Fläche, gezogen. Anschließend wird diese Linie entlang dieses Randes um 360° um die rotationssymmetrische Achse des Glaskolbens bewegt. Die Schnittlinie, die sich dabei zwischen der Linie und dem Glaskolben ergibt, stellt den Rand der für eine optimale Effizienz bevorzugten Form der Öffnung des Rückreflektors dar. Anders ausgedrückt wird dieser Rand durch eine Projektion des Randes des Hauptreflektors entlang einer von der Spitze der zweiten Elektrode ausgehenden trichterähnlichen Fläche auf den Glaskolben erzeugt.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich der Verlauf des optimalen Randes der Beschichtung, die als Rückreflektor dienen soll, aus der Position der Elektroden und der Position des Hauptreflektors und nicht der Position des Glaskolbens ergibt. Bei bestimmten Anwendungen, wie sie oben beispielhaft genannt sind, kann es vorteilhaft sein, zur Bestimmung des genannten Randes der Öffnung des Rückreflektors die gezogene Linie nicht an der Spitze der zweiten Elektrode 23, sondern an einem Punkt auf der Verbindungslinie der beiden Elektroden 22, 23 beginnen zu lassen. In jedem Fall liegt dieser Punkt jedoch näher an der zweiten (vorderen) Elektrode 23 als an der ersten Elektrode 22. In 3c ist der Rückreflektor und insbesondere dessen die Öffnung abgrenzender Rand eingezeichnet, der sich für einen in 3a gezeigten, in Draufsicht im Wesentlichen quadratischen Hauptreflektor nach der oben beschriebenen Anweisung ergibt.
Ein weiterer Gesichtspunkt, der im Hinblick auf die Steigerung der optischen Leistungsfähigkeit zu beachten ist, sind die geometrischen Abmessungen des Glaskolbens und insbesondere des Bereiches, der den Gasentladungsraum umgibt. Dies betrifft insbesondere die sogenannten Kurzbogenlampen. Aufgrund deren hohen Gasdrucks müssen die Wände relativ dick sein und können deshalb die Wirkung einer Linse haben, die das Bild des Lichtbogens, das auf den Hauptreflektor zurückreflektiert wird, stören könnte.
4 zeigt schematisch den zentralen Bereich des Glaskolbens in Seitenansicht mit dem Gasentladungsraum 21 in vereinfachter Darstellung, in dem die Elektroden 22, 23 angeordnet sind. Der Gasentladungsraum hat dabei eine im Längsschnitt im Wesentlichen ellipsenähnliche Form, die durch gerade, in Längsrichtung verlaufende Wandabschnitte 210, 211, 212, 213 sowie zwei Stirnwände 214, 215 angenähert ist. Es hat sich gezeigt, dass besonders vorteilhafte optische Eigenschaften dann erzielt werden, wenn für die Neigung s der Wandabschnitte, die sich näherungsweise aus der Differenz zwischen dem größten (d_i) und dem kleinsten (d_bo) Innendurchmesser des Gasentladungsraums, dividiert durch dessen Länge (l_i), ergibt, ein Wert s im Bereich zwischen etwa 0,3 und etwa 0,8 gewählt wird.
Für die äußere Form des den Gasentladungsraum 21 umgebenden Glaskolbens gilt, dass diese entweder im Wesentlichen eine Kugel oder ein Ellipsoid sein sollte. Im Falle einer Kugel sollte der Lichtbogen im Mittelpunkt der Kugel zentriert sein. Im Falle eines Ellipsoids sollte der Abstand zwischen deren beiden Brennpunkten nicht größer sein als der Abstand zwischen den Spitzen der beiden Elektroden 22, 23, wobei die Brennpunkte innerhalb des Lichtbogens liegen sollten.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich der Glaskolben durch die Beschichtung mit einer reflektierenden Schicht auf eine höhere Temperatur erwärmt, als ohne Beschichtung. Diese Temperaturerhöhung erfordert nicht nur eine höhere Haltbarkeit und Stabilität der reflektierenden Beschichtung, sondern hat auch eine beschleunigte nachteilige Veränderung des Glaskolbens bzw. des Quarzmaterials, aus dem der Glaskolben hergestellt ist, zur Folge. Diese Veränderungen können einerseits in einer Rekristallisation der inneren Wand des Gasentladungsraums und andererseits sogar in einer Deformation des Kolbens durch den hohen Gasdruck in diesem Raum bestehen.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass diese Probleme weitgehend dadurch gelöst werden können, dass der Glaskolben im Bereich des Gasentladungsraums einen etwas größeren äußeren Durchmesser (d_a) erhält. Wenn zum Beispiel der äußere Durchmesser bei einem mit einer reflektierenden Beschichtung versehenen Glaskolben um etwa zehn Prozent gegenüber einem Glaskolben für eine Entladungslampe mit gleicher Leistung und ohne Beschichtung vergrößert wird, ergeben sich für beide Lampen im Wesentlichen gleiche Temperaturen und die gleichen Lebensdauern. Das gleiche Ergebnis wird mit einem um etwa 5 bis 15 Prozent vergrößerten Außendurchmesser erzielt.
Im Hinblick auf die Art des Rückreflektors hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dichroitisch reflektierende Beschichtungen zu verwenden, die z. B. mit einem Sputterprozess auf dem Glaskolben abgelagert werden können.
Wenn der Rückreflektor mit Interferenzfiltern realisiert wird, sind mindestens zwei verschiedene Materialien erforderlich, die jeweils einen hohen bzw. einen niedrigen Brechungsindex aufweisen. Zur Erzielung einer guten Filterwirkung sollte die Differenz zwischen den Brechungsindices der zwei Materialien so groß wie möglich sein.
Ein weiterer wichtiger Parameter bei der Auswahl der Materialien ist deren thermischer Ausdehnungskoeffizient. Um während des Betriebes der Lampe zu hohe mechanische Spannungen zu vermeiden, sollte dieser Ausdehnungskoeffizient möglichst weitgehend mit demjenigen des Trägermaterials, das heißt im Allgemeinen des Materials, aus dem der Glaskolben gefertigt ist, übereinstimmen. Außerdem müssen diese Materialien insbesondere dann eine ausreichende Temperaturstabilität aufweisen, wenn sie auf eine UHP-Lampe (900–1000°C) aufgebracht werden sollen.
Für das Material mit dem niedrigen Brechungsindex wird bevorzugt Siliciumoxid (SiO₂) verwendet, das somit das gleiche Material ist, aus dem auch der Glaskolben hergestellt wird. Für das Material mit dem hohen Brechungsindex stehen unter anderem folgende Materialien zur Auswahl: TiO₂, ZrO₂, Ta₂O₅.
TiO₂ ist ein sehr gutes optisches Material mit einem sehr hohen Brechungsindex, jedoch auch einem sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Für die üblichen Ablagerungsprozesse wird TiO₂ in der kristallographischen Modifikation von Anatas verwendet. Bei Temperaturen oberhalb von 650°C unterliegt TiO₂ einer Umwandlung in die Rutil-Modifikation, die eine höhere Dichte aufweist. Dadurch können in den Schichten zusätzliche Spannungen entstehen, so dass die Anwendung von TiO₂ normalerweise auf Temperaturbereiche beschränkt ist, die deutlich unterhalb der Betriebstemperaturen von UHP-Lampen liegen. Ein Ausweg kann hierbei jedoch darin bestehen, in einem ersten Schritt das TiO₂ direkt in dem Rutil-Zustand abzulagern. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel das TwinMag-Verfahren der Firma Leybold angewendet werden. Mit einem zweiten Schritt, der nachfolgend im Zusammenhang mit ZrO₂ beschrieben wird, kann dann eine Stabilisierung des Filters vorgenommen werden.
ZrO₂ ist ein optisches Material mit einem mittleren Brechungsindex, dessen optische Eigenschaften bei hohen Temperaturen sehr stabil sind. Es hat jedoch auch einen sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Da das Trägermaterial im Allgemeinem einen wesentlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, können in Filterstapeln Risse entstehen. Diese Risse können jedoch weitgehend dadurch verhindert werden, dass der Filterstapel mit einem Überzug aus Silika (vgl. WO 98/23897 ) versehen wird, um damit zumindest einen Teil der Spannungen zu kompensieren. Diese Maßnahme ist auch bei der oben beschriebenen Anwendung von TiO₂ möglich.
Ta₂O₅ ist schließlich ein gutes optisches Material mit einem hohen Brechungsindex und einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die Fehlanpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials ist so gering, dass Filterstapel auch bei Verwendung für UHP-Lampen stabil sind. Nach langer Betriebsdauer (etwa mehrere hundert Stunden, jedoch vor Ablauf der Lebensdauer der Lampe) zeigen die Schichten eine weißliche Erscheinung, so dass sich die optischen Eigenschaften durch Streuung verschlechtern können. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass die Konstruktion der Lampe so verändert wird, dass sich die Temperatur der Schichten auf einen Wert vermindert, bei dem die Schichten während der gesamten Lebensdauer der Lampe ihre optimalen optischen Eigenschaften behalten.
Darüber hinaus ist es möglich, durch Mischen von zwei oder mehr der bekannten Beschichtungsmaterialien neue Materialien mit optimierten Eigenschaften zu schaffen. Solche Materialien bzw. ein Tauchbeschichtungsverfahren für Filter sind zum Beispiel aus der US-PS 4.940.636 bzw. dem Aufsatz von H. Köstlin et al. "Optical filters an linear halogen-lamps prepared by dip-coating" in Journal of Non-Crystalline Solids 218, 1997, S. 347–353, bekannt. Insbesondere eine Mischung aus TiO₂ und Ta₂O₅ hat bis zu einer Temperatur von etwa 1000°C eine gute thermische Stabilität, was für UHP-Lampen im Allgemeinen ausreichend ist. Da die Tauchbeschichtung jedoch bei relativ kleinen ellipsenförmigen UHP-Lampen mit Schwierigkeiten verbunden sein kann, ist es im Allgemeinen vorzuziehen, die Beschichtung mit einem Sputterprozess vorzunehmen.
Neben den oben beschriebenen Materialien und Materialmischungen sind eine große Anzahl weiterer Materialien und deren Mischungen anwendbar, die durch Versuche ermittelt werden können.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit ist insbesondere zur Anwendung in Projektionssystemen zum Beispiel für Displays geeignet.

Claims

Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle (24) in Form einer Hochdruck-Gasentladungslampe, einem Hauptreflektor (1) und einem Rückreflektor (3) mit einer dem Hauptreflektor (1) gegenüberliegenden Öffnung, durch die Licht aus der Lichtquelle (24) auf den Hauptreflektor (1) reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum der Lichtquelle (24), der Hauptreflektor (1) und der Rückreflektor (3) relativ zueinander so angeordnet oder gestaltet sind, dass ein zwischen dem Zentrum der Lichtquelle und dem Rand der Öffnung des Rückreflektors (3) aufgespannter erster Sektorwinkel (L2-L2') kleiner als 180° ist und ein zwischen der Lichtquelle (24) und dem Rand der Öffnung des Hauptreflektors (1) aufgespannter zweiter Sektorwinkel (L3-L3') größer oder gleich der Differenz aus 360° und dem Wert des ersten Sektorwinkels des Rückreflektors (3) ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Gasentladungslampe eine erste Elektrode (22) aufweist, die gegenüber dem Hauptreflektor (1) und einer zweiten Elektrode (23) positioniert ist, wobei der Rückreflektor (3) sich in der Richtung zum Hauptreflektor (1) so weit wie die Spitze der zweiten Elektrode (23) erstreckt.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückreflektor (3) auf eine kugelförmige Oberfläche aufgebracht ist und der erste Sektorwinkel einen Wert von mindestens etwa 140° aufweist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptreflektor (1) im Wesentlichen die Form eines Parabolspiegels oder eine ellipsoidale Form hat
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d und der Brennweite f des Hauptreflektors (1) die Bedingung d > 4f gilt.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Gasentladungslampe eine Lichtbogenlänge von weniger als etwa 2 mm hat, wobei das Entladungsgas ein Edelgas wie Argon, Quecksilber unter hohem Druck und Brom in einer Menge zwischen etwa 0,001 und etwa 10 μmol/cm³ sowie Sauerstoff enthält, wobei der Rückreflektor (3) aus einer auf den Glaskolben (2) der Gasentladungslampe aufgebrachten reflektierenden Beschichtung besteht.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Randes der Öffnung des Rückreflektors (3) eine Projektion des Randes der Öffnung des Hauptreflektors (1) in Richtung der Lichtquelle (24) auf den Glaskolben (2) der Gasentladungslampe ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasentladungsraum (21) eine im Wesentlichen ellipsenähnliche Form mit Wandabschnitten (210, 211, 212, 213) hat, deren Neigungen Werte zwischen etwa 0,3 und etwa 0,8 aufweisen.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer insbesondere durch den Rückreflektor (3) verursachten Temperaturerhöhung des Glaskolbens (2) der Glaskolben in dem den Gasentladungsraum umgebenden Bereich einen Außendurchmesser aufweist, der um etwa 5 bis 15 Prozent größer ist als der eines Glaskolbens ohne Rückreflektor.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Rückreflektor (3) bildende Beschichtung dichroitisch reflektierend ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein Interferenzfilter gebildet wird, das ein erstes Material mit einem niedrigen Brechungsindex und ein zweites Material mit einem hohen Brechungsindex aufweist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material SiO₂ ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material TiO₂ und/oder ZrO₂ und/oder Ta₂O₅ ist.
Projektionssystem mit mindestens einer Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.