-
Die Erfindung betrifft eine Niederdruck-Entladungslampe mit einem
röhrenförmigen Entladungsgefäß, das eine Achse hat und eine Wand, die einen eine
ionisierbare Füllung enthaltenden Entladungsraum gasdicht umschließt, wobei in dem
Entladungsraum ein Paar Elektroden angeordnet ist und die Wand des Enfladungsgefaßes an
einer Innenfläche mit einer optisch aktiven Schicht aus einem Material versehen ist,
welche optisch aktive Schicht durch ein in Richtung der Achse verlaufendes, längliches
Fenster unterbrochen wird.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer
Niederdruck-Entladungslampe, die ein röhrenförmiges Entladungsgefäß mit einer Achse hat,
welches Entladungsgefäß eine Wand hat, die einen eine ionisierbare Füllung
enthaltenden Entladungsraum gasdicht umschließt, wobei in dem Entladungsraum ein Paar
Elektroden angeordnet ist und die Wand des Entladungsgefäßes an einer Innenfläche mit
einer optisch aktiven Schicht aus einem Material versehen ist, welche optisch aktive
Schicht durch ein in Richtung der Achse verlaufendes, längliches Fenster unterbrochen
wird, mit welchem Verfahren das Material der optisch aktiven Schicht auf der
genannten Innenfläche aufgebracht wird, woraufhin das innerhalb des zu bildenden Fensters
liegende Material entfernt wird.
-
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen soll unter dem
Begriff "optisch aktive Schicht" eine Schicht verstanden werden, auf oder in der eine
Wechselwirkung mit der aus dem Entladungsraum kommenden Strahlung stattfindet. Mit
dem Fenster in der optisch aktiven Schicht wird erreicht, daß die von der Lampe durch
das Fenster emittierte Strahlung im Vergleich zur Intensität der Strahlung von Lampen
mit einer sich über die gesamte Innenfläche erstreckenden optisch aktiven Schicht eine
verhältnismäßig hohe Intensität aufweist. Solche Lampen sind sehr gut für
Anwendungen geeignet, bei denen eine verhältnismäßig hohe Intensität der Lichtquelle gefordert
wird, wie in einer LCD-Einheit oder Anwendungen, bei denen die aus der Lampe
stammende Strahlung in einem streifenförmigen Gebiet gebündelt werden muß, wie in einer
Einrichtung zum automatischen Lesen von Dokumenten.
-
Ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, mit dem solche Lampen
hergestellt werden können, ist aus EP 0 464 723 A2 bekannt. Bei dem bekannten
Verfahren wird ein Schabeglied durch das Entladungsgefaß bewegt und mit Hilfe eines
Magnetfeldes gegen die Wand gedrückt. Auf diese Weise wird in der optisch aktiven
Schicht in der Lampe, hier eine Leuchtschicht und/oder eine reflektierende Schicht, ein
Fenster freigelegt.
-
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens ist, daß der Kontakt zwischen der
Lampe und dem Werkzeug, mit dem das Fenster erzeugt wird, leicht zu Defekten an
der Lampe führen kann. Das Schabeglied kann beispielsweise Verunreinigungen in das
Entladungsgefaß einbringen. Außerdem unterliegt das Schabeglied einem
Verschleißprozeß, weil es beim Bewegen in Kontakt mit dem Entladungsgefäß steht. Verschleiß
des Schabegliedes kann zu einer Beschädigung an der Wand des Entladungsgefäßes
und/oder einer unzureichenden Entfernung von Material in dem zu bildenden Fenster
führen.
-
Bei der oben genannten Veröffentlichung wird die Anwendung des
Verfahrens für Lampen beschrieben, deren Entladungsgefäße einen Innendurchmesser von
ungefähr 3,75 bis 5,25 mm haben. In dem Maße, in dem der Durchmesser des
Entladungsgefäßes abnimmt, und somit der maximal zulässige Querschnitt des Schabegliedes
abnimmt, übt das Magnetfeld eine geringere Kraft auf das Schabeglied aus. Die
Effektivität, mit der das Material im Fenster entfernt wird, wird dadurch verringert. Beim
Wegschaben von Material zur Bildung eines Fensters wird das weggeschabte Material
üblicherweise entfernt, indem man ein Gas, beispielsweise Luft, durch das
Entladungsgefäß strömen laßt, um eine ungehinderte Bewegung des Schabegliedes zu ermöglichen.
Je kleiner das Entladungsgefäß ist, desto weniger Raum wird jedoch zwischen dem
Schabeglied und dem Entladungsgefäß für eine Durchfuhr des Gases zur Verfügung
stehen. Dies kann zu einer ungenügenden Entfernung des Materials aus dem
Entladungsgefäß führen, so daß es die Bewegung des Schabegliedes behindert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lampe der eingangs
erwähnten Art zu verschaffen, die einen physikalischen Kontakt mit dem zur Bildung
des Fensters notwendigen Werkzeug unnötig macht.
-
Erfindungsgemäß ist die Lampe der eingangs erwähnten Art hierzu
dadurch gekennzeichnet, daß das sowohl an das Fenster als auch an die Wand grenzende
Material der optisch aktiven Schicht verschmolzen ist. Das sowohl an das Fenster als
auch die Wand grenzende Material unterscheidet sich, beispielsweise weil Teilchen
davon Tropfenform angenommen haben oder miteinander verschmolzen sind.
-
Die erfindungsgemäße Lampe kann in einfacher Weise mit einem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß inten
sive elektromagnetische Strahlung durch die Wand des Entladungsgefäßes hindurch auf
das zu entfernende Material gerichtet wird. Unter dem Ausdruck "intensive
elektromagnetische Strahlung", im weiteren mit IEM-Strahlung bezeichnet, soll hier
elektromagnetische Strahlung verstanden werden, deren Leistungsdichte zumindest um einige
Ordnungen größer ist als die der beim Betrieb der Lampe erzeugte Strahlung.
-
Es zeigte sich, daß auf diese Weise Material aus dem Fenster
verschwindet. Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Lampe, insbesondere das Vorhandensein
eines Schabegliedes in dem Entladungsgefaß, ist dann unnötig. Nach der Erkenntnis des
Erfinders hat die Bestrahlung des Materials die folgende Wirkung. Die durch die Wand
hindurch auf das zu entfernende Material gerichtete IEM-Strahlung wird in diesem
Material absorbiert, so daß es erwärmt wird und verdampft. Bei einer sehr hohen
Intensität der IEM-Strahlung ist der dabei entwickelte Dampfdruck so groß, daß an das
verdampfte Material grenzendes Material weggedrückt wird. Unter anderem infolge der in
der Wand des Entladungsgefaßes gestreuten IEM-Strahlung werden an das Fenster
grenzende Teile der optisch aktiven Schicht so stark erhitzt, daß das Material der
Schicht zumindest teilweise schmilzt, aber nicht verdampft. Das an das Fenster und die
Wand grenzende Material hat im Vergleich zu dem übrigen Material somit eine durch
Verschmelzen veränderte Form erhalten.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Entfernen von Material
der optisch aktiven Schicht aus dem Fenster nach Aufbringen der Schicht in jedem
Stadium des Herstellungsprozesses stattfinden. Das Fenster kann beispielsweise
unmittelbar nach Aufbringen der optisch aktiven Schicht auf der Innenfläche des
Entladungsgefäßes gebildet werden. Das Material der optisch aktiven Schicht kann beispielsweise
dadurch aufgebracht werden, daß eine Suspension verwendet wird oder mittels
elektrostatischer Beschichtung. Das Verfahren kann Sintern der optisch aktiven Schicht
umfassen, beispielsweise wenn die Materialschicht in Form einer Suspension angebracht
wurde. Unter Sintern wird hier das Erhitzen der Schicht in einer sauerstoffhaltigen
Atmosphäre verstanden, beispielsweise durch Hinzufügen von Luft, um in der Schicht
vorhandene Hilfssubstanzen wie Binder zu entfernen. Dies kann beispielsweise
unmittelbar nach Aufbringen des Materials der optisch aktiven Schicht oder nach Bildung des
Fensters in der Schicht erfolgen.
-
Bei einer Ausführungsform erfolgt das Entfernen des Materials aus dem
Fenster als letzter Herstellungsschritt. In diesem Fall wird die optisch aktive Schicht
beispielsweise in Form einer Suspension verschafft, dann gesintert, woraufhin das
Entladungsgefaß evakuiert wird, mit Elektroden und mit einer ionisierbaren Füllung
versehen, beispielsweise einer Füllung aus Quecksilber und einem Edelgas wie Argon, und
gasdicht verschlossen, bevor das Fenster in der optisch aktiven Schicht mit Hilfe von
IEM-Strahlung gebildet wird. Es ist sehr günstig, daß die Bildung des Fensters in einem
späten Stadium der Herstellung der Lampe erfolgen kann. Einerseits ermöglicht dies,
daß Lampen mit Fenstern und Lampen mit einer ununterbrochenen Schicht zum größten
Teil die gleiche Fertigungslinie durchlaufen und die gleichen Komponenten haben.
Andererseits ermöglicht dies, falls erwünscht, Lampen der ersteren Art aus bereits
verfügbaren Lampen der letzteren Art kurzfristig zu fertigen, ohne daß die gesamte
Fertigungslinie durchlaufen werden muß.
-
Für den Fachmann ist es möglich, mit wenigen Experimenten die für ein
bestimmtes Material erforderliche IEM-Strahlungsdauer und Intensität festzustellen.
Innerhalb eines verhältnismäßig großen Bereichs kann eine Abnahme der
Strahlungsdauer durch eine Zunahme der Leistungsdichte der IEM-Strahlung kompensiert werden,
und umgekehrt. Eine Bestrahlung einer bestimmten Dauer kann dadurch erreicht
werden, daß ein Strahlenbündel aus IEM-Strahlung über die Wandfläche bewegt wird. Die
Strahlungsdauer an den von dem Strahlenbündel überdeckten Stellen ist dann
proportional zum Durchmesser des Strahlenbündels in Richtung der Bewegung und umgekehrt
proportional zur Geschwindigkeit, mit der das Strahlenbündel sich bewegt. Alternativ
kann das Strahlenbündel in Form des zu bildenden Fensters gebündelt werden, wobei
die IEM-Strahlungsquelle während der gewünschten Strahlungsdauer aktiviert wird.
-
Eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß die intensive elektromagnetische Strahlung mit einem
Laser erzeugt wird. Das mit einem Laser erhaltene Strahlenbündel kann über die
Oberfläche des Entladungsgefaßes bewegt werden und die Form des Strahlenbündels kann
mit einfachen optischen Mitteln eingestellt werden. Günstige Ergebnisse wurden mit
einem Infrarot-Laser erhalten. Die Verwendung eines impulsbetriebenen Lasers bietet
weitere Möglichkeiten zum Einstellen der Strahlungsdauer durch Wahl der Impulsdauer
und der Folgefrequenz der Impulse.
-
Das Laserstrahlenbündel wird beispielsweise mit Spiegeln über den Teil
des Entladungsgefäßes gerichtet, wo das Fenster in der optisch aktiven Schicht erzeugt
werden soll. Alternativ kann das Laserstrahlenbündel zur Oberfläche geleitet werden,
beispielsweise mittels eines flexiblen optischen Wellenleiters. In noch einer anderen
Ausführungsform wird das Entladungsgefäß beispielsweise auf einem Transportband
durch ein Strahlenbündel geleitet, das einer festen Bahn folgt.
-
Die optisch aktive Schicht kann eine weitere optisch aktive Schicht tragen.
Bei einer Ausführungsform ist beispielsweise die optisch aktive Schicht eine
reflektierende Schicht, beispielsweise aus MgO oder Al&sub2;O&sub3;, und trägt eine Leuchtschicht, die
eine weitere optisch aktive Schicht bildet. Das Vorhandensein der reflektierenden
Schicht hat einen günstigen Einfluß auf den Lichtstrom in dem Fenster. Bei einer
Ausführungsform erstreckt sich die Leuchtschicht über die gesamte Innenfläche, d.h. auch
über das Fenster in der reflektierenden Schicht. Alternativ kann die Leuchtschicht ein
Fenster haben, ebenso wie die reflektierende Schicht. Bei der Herstellung dieser
Ausführungsform einer Lampe kann die Leuchtschicht aufgebracht werden, nachdem die
reflektierende Schicht mit einem Fenster versehen worden ist. In der Leuchtschicht kann
dann ein Fenster dadurch angebracht werden, daß die IEM-Strahlung durch das Fenster
in der reflektierenden Schicht auf die Leuchtschicht gerichtet wird. Alternativ kann ein
Fenster gleichzeitig in der Leuchtschicht und der reflektierenden Schicht gebildet
werden, nachdem diese beiden Schichten auf die Wand aufgebracht worden sind.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lampe hat das Entladungsgefäß einen Innendurchmesser von höchstens 3 mm. Bei der
erfindungsgemaßen Lampe stellt auch ein Entladungsgefaß mit diesem Innendurchmesser
kein Hemmnis für das Werkzeug dar. Das verhältnismäßig kleine Fenster einer Lampe
entsprechend dieser Ausführungsform, beispielsweise einer Lampe mit einem
Innendurchmesser von 0,5 mm, ermöglicht es nämlich, die Lampe verhältnismäßig einfach zu
herzustellen. Bei einem Herstellungsverfahren, bei dem ein IEM-Strahlenbündel relativ
zum Entladungsgefäß bewegt wird, genügen verhältnismäßig wenige Bewegungen zum
Überqueren der Oberfläche des zu bildenden Fensters. Bei einem Herstellungsverfahren,
bei dem die IEM-Strahlung in ein Strahlenbündel mit der Form des zu bildenden
Fensters gebündelt worden ist, kann die IEM-Strahlungsquelle eine verhältnismäßig geringe
Leistung haben.
-
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Niederdruck-Entladungslampe und eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 und 2 einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt (entlang II-II in
Fig. 1) einer erfindungsgemäßen Lampe,
-
Fig. 3 und 4 eine Ausführungsform eines Schrittes der Herstellung mit
Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Dabei zeigt Fig. 3 das dem Verfahren
unterzogene Entladungsgefäß als Ansicht, während Fig. 4 ein Längsschnitt des
Entladungsgefäßes entlang IV-IV in Fig. 3 ist.
-
Fig. 1 und 2 zeigen eine Lampe 1, hier eine
Niederdruck-Entladungslampe mit einem röhrenförmigen Entladungsgefäß 2. Das Entladungsgefäß 2 mit einer
Achse 3 hat eine Länge von 23 cm und eine Wand 4 von 0,85 mm Dicke. Die Wand 4
umschließt einen mit einer Füllung aus Quecksilber und Argon versehenen
Entladungsraum 5 gasdicht. In dem Entladungsraum 5 ist ein Paar Elektroden 6A, 6B angeordnet.
Die Elektroden 6A, 6B sind als Metallbuchsen ausgeführt. Die Wand 4 des
Entladungsgefäßes 2 ist an einer Innenfläche 7 mit einer optisch aktiven Schicht 8 versehen, hier
mit einer ungefähr 25 µm dicken Leuchtschicht mit 40 Gew.-%
Cer-Magnesiumaluminat, das mit dreiwertigem Terbium (CAT) aktiviert ist, 27 Gew.-%
Barium-Magnesiumaluminat (BAM), das mit zweiwertigem Europium aktiviert ist und 33 Gew.- %
Yttriumoxid (YOX), das mit dreiwertigem Europium aktiviert ist. Die Leuchtschicht 8
wird von einem länglichen Fenster 9 mit einer Breite von 0,9 mm unterbrochen, das
über eine Länge von 15 cm entlang der Achse 3 des Entladungsgefäßes 2 verläuft. Das
Entladungsgefäß 2 der Lampe 1 hat einen Innendurchmesser von 2,55 mm. Das sowohl
an das Fenster 9 als auch die Wand 4 des Entladungsgefäßes 2 grenzende Material der
optisch aktiven Schicht 8 ist verschmolzen.
-
Die Lampe wurde folgendermaßen hergestellt (siehe Fig. 3 und 4). Die
Schicht 8 wurde an der Innenfläche 7 des Entladungsgefaßes 2 in Form einer
Suspension angebracht. Dann wurde die Schicht 8 in folgender Weise durch ein Fenster 9
unterbrochen. IEM-Strahlung 20 wurde durch die Wand 4 des Entladungsgefaßes 2 auf
das zu entfernende Material gerichtet. Die IEM-Strahlung 20 wurde mit einem Nd-
YAG-Laser 21 erzeugt. Mit dem Laser 21 wurde ein Strahlenbündel mit einer
Wellenlänge von 1,06 µm und einem Halbwertsdurchmesser von 0,2 mm am Ort der Wand 4
des Entladungsgefaßes 2 erhalten. Der Laser 21 war pulsbetrieben mit einer Frequenz
von 1500 Hz. Dabei wurden IEM-Strahlungspulse mit einer Leistungsdichte von
ungefähr 3 x 10¹&sup0; W/m², einer Dauer von 200 ns und einer Gesamtenergie von 2 mJ
generiert. Mit einem Spiegel 22A wurde das Strahlenbündel 20 mit einer Geschwindigkeit
von 150 mm/s in Längsrichtung X über die Oberfläche hin und her bewogen. In einem
Intervall zwischen jeder Bewegung und der folgenden Bewegung in entgegengesetzter
Richtung wurde das Strahlenbündel von dem Spiegel 22B um einen Abstand von
0,08 mm in senkrechter Richtung Y versetzt.
-
Die Herstellung der Lampe der Fig. 1 und 2 wurde nach dem Anbringen
des Fensters 9 in der Leuchtschicht 8 und nach dem Sintern der Schicht 8
folgendermaßen vollendet. Die Metallbuchsen 6A, 6B wurden in den beiden Enden 10A, 10B des
Entladungsgefäßes 2 angebracht. Die Buchse 6A wurde an ihrem dem Entladungsgefäß
2 abgewandten Ende 11A mit einer Glasdichtung 12A versehen. Die andere Elektrode
6B wurde an ihrem dem Entladungsgefäß 2 abgewandten Ende mit einem Pumpstengel
12B aus Glas versehen. Nachdem das Entladungsgefäß 2 durch den Pumpstengel 12B
evakuiert und mit einer Füllung aus Quecksilber und Argon versehen war, wurde der
Pumpstengel 12B an dem der Elektrode 6B abgewandten Ende verschmolzen, so daß die
Wand 4 des Entladungsgefäßes 2 den Entladungsraum 5 gasdicht umschloß. SEM-Bilder
der Lampe 1 zeigten, daß einige Teilchen des sowohl an das Fenster 9 als auch an die
Wand 4 grenzende Materials 8A (siehe Fig. 2) der Leuchtschicht 8 infolge von
Verschmelzung Tropfenform angenommen hatten, während andere Teilchen miteinander
verschmolzen waren.
-
Lampen gleicher Konstruktion und Abmessungen wie die in Fig. 1 und 2
gezeigten wurden mit einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
Gemäß dieser Ausführungsform wurden die Fenster in der Schicht als letzter Schritt im
Herstellungsprozeß angebracht. Es zeigte sich, daß bei gleicher Leistung eine ungefähr
fünfmal kürzere Strahlungsdauer genügte, um das Material zu entfernen. In manchen
Fällen zeigte sich, daß schwarze Flecken auf dem Entladungsgefaß auftraten. Es wird
angenommen, daß diese schwarzen Flecken aus der Verdampfung und erneuten
Abscheidung von Quecksilber und Quecksilberverbindungen herrühren, wenn das Fenster
mit IEM-Strahlung bestrahlt wird. Angenommen wird, daß dieser Effekt vermieden
werden kann, indem Quecksilber erst nach der Bestrahlung dosiert wird oder indem die
Lampe mit einer quecksilberfreien Füllung, beispielsweise einer Füllung aus Xenon oder
Neon, versehen wird.
-
Mit der gleichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wurden anschließend Lampen mit Entladungsgefäßen mit einem Innendurchmesser von
1,5 mm hergestellt.