DE69535123T2

DE69535123T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der helligkeit einer lampe

Info

Publication number: DE69535123T2
Application number: DE69535123T
Authority: DE
Inventors: Gary Potomac BROOKER; Scott J. Germantown McDONALD; Scott Jeffrey Herndon BROOKER
Original assignee: Atto Instruments Inc
Current assignee: Atto Instruments Inc
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2015-11-02
Also published as: CA2180842C; WO1996015546A1; ATE334478T1; EP0739532B1; JP2008171821A; EP0739532A1; JP2005276831A; DE69535123D1; US6141131A; US5723943A; JPH09512951A; CA2180842A1; EP0739532A4

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur Hochgeschwindigkeitssteuerung und/oder -schaltung der Intensitäten und/oder Wellenlängen von Lampen und zur optischen Hochgeschwindigkeitsdatenübermittlung.
Darstellung des Hintergrunds
Lichtquellen oder Lampen, die Materialien enthalten, die in dampfförmigen Zustand direkt oder indirekt für die Beleuchtung verantwortlich sind, die aber unter typischen Bedingungen der Lagerung und/oder Nutzung der Lampe (z. B. einer Temperatur zwischen 15 °C und 350 °C oder mehr und Druck zwischen einem annähernden Vakuum (z. B. 1 kPa (0,1 atm) bis zu mehreren atm oder mehr) zumindest teilweise fest oder flüssig sind, sind hinreichend bekannt und werden auf bestimmten Technologiegebieten häufig verwendet. Derartige Lampen schließen Lichtbogenlampen (z. B. Quecksilberdampflampen), Plasmabogenlampen und Halogenlampen (die z. B. einen Glühfaden aus Wolfram und Jodkristalle enthalten) ein und können andere Lichtquellen wie z. B. Natriumlampen einschließen.
Lichtbogenlampen werden z. B. üblicherweise in der Photochemie verwendet (siehe Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ausgabe (1982), Band 17, S. 545–553). Hochdruck-Quecksilberdampflampen erzeugen eine Leistung von 1–10.000 W und können für das Ultravioletthärten, photochemische Reaktionen usw. verwendet werden. Niederdruck-Quecksilberdampflampen erzeugen eine Leistung von 1–400 W und können für die Photosterilisation, photochemische Reaktionen usw. verwendet werden. Quecksilberdampflampen der Kapillarbauart erzeugen eine Leistung von 1,5–5 kW und können für die Ultraviolett-Polymerisation, Projektion, photochemische Reaktionen und die biologische Forschung verwendet werden.
Die so genannten „Halogen"-Lampen enthalten als aktives Leuchtmaterial einen Glühfaden aus Metall oder einer Legierung (z. B. aus der Metallgruppe VI [Cr, Mo, W]) und als Hilfsmaterial ein Halogen (z. B. Cl₂, Br₂, I₂). Halogenlampen stellen gegenüber Glühlampen, die kein Halogen enthalten, wesentliche Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer und der Lichtausbeute bereit. In einer Halogenlampe reagieren Metallatome, die sich als Dampf vom Glühfaden lösen, mit den Halogenmolekülen, wodurch verhindert wird, dass sich auf der Innenfläche der Glühlampe Metallablagerungen bilden. Wenn sich die gebildeten Metall-Halloide dem Glühfaden wieder nähern, liefert die Hitze des aktiven Glühfadens die Energie zur Trennung von Metall und Halloid und gewinnt so das Metall für den Glühfaden zurück.
Halogen-Metalldampflampen gibt es auch als so genannte „Kurzbogen"-Lampen. Kurzbogen-Halogen-Metalldampflampen verfügen über eine hohe Leuchtdichte und Wirkungskraft und stellen daher besondere Vorteile als Projektionslichtquellen (z. B. in Diaprojektoren und Overhead-Projektoren) bereit. Halogenlampen können auch in Photokopierern und als Hochleistungslichtquellen (z. B. Stadionflutlicht, Scheinwerfer) verwendet werden.
Derartige Lampen sind auf Materialien angewiesen, die sich in dampfförmigem Zustand befinden müssen, um die gewünschten Ergebnisse und/oder Vorteile zu erzielen. Derartige Materialien sind jedoch manchmal vor oder während der Nutzung zumindest teilweise in festem oder flüssigem Zustand. Vor der vorliegenden Erfindung musste man jedoch lediglich abwarten, bis sich die Lampe auf eine Temperatur erhitzte, die zur vollständigen Verdampfung der teilweise festen oder flüssigen Materialien führte, um die Technologie voll zu nutzen. Im Ergebnis waren viele Hochgeschwindigkeitsanwendungen unter Verwendung derartiger Lampen nicht erreichbar.
Glasfaserkommunikationsgeräte und -verfahren sind hinreichend bekannt und können für die Datenübermittlung über sowohl lange Strecken (z. B. Telekommunikation, Kabelfernsehdienste, Nachrichtenübermittlungsausrüstung für Journalismus aus entlegenen Gebieten und für militärische Anwendungen usw.) als auch kurze Strecken (z. B. lokale Rechnernetze und Signalübermittlung in Umgebungen, die starken elektromagnetischen Interferenzen ausgesetzt sind) verwendet werden; für einen Überblick über Faseroptik und Glasfaserkommunikation siehe Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4. Ausgabe (1993), Band 10, S. 514–538 und die dort aufgeführte Literatur und Jeff Hecht, „Understandig Fiber Optics", Howard W. Sams and Co., Indianapolis, Indiana, 1987. Lichtquellen zur Erzeugung der übermittelten Lichtsignale sind jedoch üblicherweise auf Laser oder Leuchtdioden (LEDs) beschränkt, die hinsichtlich (i) der Leistung, mit der die Signale gesendet werden können und (ii) der Wellenlänge des Lichts, das erzeugt werden kann, eingeschränkt sind.
Die US-A-5,189,340 offenbart eine Leuchtstofflampe für die Verwendung in einem Bildscanner, der eine Heizvorrichtung zur von der Stromversorgung der Lampe unabhängigen Erwärmung der Glasröhre der Lampe enthält und die Temperatur der Glasröhre auf einem vorher festgelegten optimalen Niveau hält, auf dem die Leuchteigenschaften der Leuchtstofflampe stabil sind.
Die US-A-4,7989,97 offenbart ein Gerät zur Erzeugung von Licht umfassend:

(A) eine Lampe, die eine oder mehrere Materialien enthält;
(i) die sich zumindest teilweise in einem dampfförmigen Zustand während des Lampengebrauchs befinden,
(ii) die zumindest teilweise fest oder flüssig während des Lampengebrauchs oder deren Lagerung sind, und
(iii) die nicht ununterbrochen Licht unterhalb einer elektrischen Schwellenenergie erzeugen, die jedoch in Reaktion auf eine zugeführte Energiemenge, welche größer als die Energieschwelle ist, kontinuierlich Licht von einer Intensität erzeugen, das sich auf die Differenz zwischen der zugeführten Energiemenge und der Schwellenenergie bezieht, und
(B) einer ersten Energiequelle, die der Lampe Energie zuführt, damit die Lampe Licht erzeugt; und
(C) einer zweiten Energiequelle, die der Lampe Energie zuführt.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine elektronische Rückkopplungsschleife enthält, die wirksam ist, die Energie der zweiten Energiequelle zu erhöhen, wenn die von der ersten Energiequelle der Lampe zugeführte Energie von einem höheren Wert als die elektrische Schwellenenergie auf einen Wert unterhalb der elektrischen Schwellenenergie absinkt, um sicherzustellen, dass der Lampe ausreichend Energie zugeführt wird, um das Material oder die Materialien zu verdampfen, wodurch die Lampe ununterbrochen Licht erzeugt, auch nachdem die zugeführte Energiemenge von der ersten Energiequelle unterhalb der elektrischen Schwellenenergie gefallen ist.
Das Gerät kann in einem Verfahren verwendet werden, das zwischen zwei oder mehreren Intensitäten und/oder Wellenlängen des Lichts (z. B. von 1 Hz auf 10 GHz) mit hoher Geschwindigkeit umschaltet. Das Verfahren kann zum Beispiel für optische Hochgeschwindigkeitsdatenübermittlung mit verschiedenen Wellenlängen und hoher Intensität verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Gerät kann mit einer Lampe verwendet werden, die eine oder mehrere Materialien enthält, die (i) zumindest teilweise fest oder flüssig sind unter den Bedingungen der Lampennutzung oder deren Lagerung und die (ii) kein Licht unterhalb einer elektrischen Energieschwelle erzeugen, die aber in Reaktion auf eine zugeführte Energiemenge, die größer als die elektrische Energieschwelle ist, Licht von einer Intensität erzeugt, die sich linear auf die Differenz zwischen der zugeführten Energie und der elektrischen Energieschwelle bezieht. Das Gerät kann in einem Verfahren verwendet werden, das die folgenden Schritte umfasst:

(A) Zuführen einer ersten Energiemenge auf eine erste Energiequelle, die in thermischem, physischen oder optischem Kontakt mit der Lampe steht, wobei die erste Energiemenge ausreichend ist, um das Material zu verdampfen, das zumindest teilweise fest oder flüssig ist unter den Bedingungen der Lampennutzung oder deren Lagerung.
(B) Zuführen einer zweiten Energiemenge auf die Lampe, die für die Erzeugung von Licht ausreicht. Zusätzlich oder alternativ kann das Gerät in einem Verfahren zur optischen Datenübermittlung verwendet werden, das die folgenden Schritte umfasst:
(a) Übermitteln von Licht mit einer ersten Wellenlänge, einer ersten Intensität oder sowohl einer ersten Wellenlänge als auch einer ersten Intensität vom erfindungsgemäßen Gerät über eine Glasfaser an einen Empfänger, der mit der Glasfaser optisch Nachrichten austauscht; und
(b) innerhalb einer Zeitspanne zwischen 0,1 Nanosekunden und 1 Sekunde nach Übermittlung von Schritt (A) das Übermitteln von Licht mit einer zweiten Wellenlänge, einer zweiten Intensität oder sowohl einer zweiten Wellenlänge als auch einer zweiten Intensität vom Gerät über die Glasfaser an den Empfänger.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständigere Beurteilung der Erfindung und der diese begleitenden Vorteile wird leicht erreicht, wenn unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung ein besseres Verständnis derselben erworben wird, wobei diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten ist, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des vorliegenden Geräts zur Erzeugung von Licht ist,
2 eine Kurve ist, die das Verhältnis zwischen der einer herkömmlichen Quecksilberdampflampe zugeführten Energie und der Lichtausbeute der Lampe zeigt und
3 eine Kurve ist, die die Temperatur der Glühlampe und die Leuchtintensität eines von der Bestrahlung durch die Lampe angeregten Farbstoffs zeigt, beide jeweils als Funktion der Zeit.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten identische oder entsprechende Teil kennzeichnen, und insbesondere auf 1, die eine Ausführungsform des vorliegenden Geräts zur Erzeugung von Licht zeigt, wird elektrische Energie von Energiequelle 1 an Lampe 2 bereitgestellt, die in elektrischer Verbindung steht mit Spannungsabfrageleitung 3 und Stromabfrageleitung 4. Ein analoger Multiplizierer 5 multipliziert die Spannung von Spannungsabfrageleitung 3 mit dem Strom von Stromabfrageleitung 4. Die elektrische Energieausgabe des Multiplizierers 5 wird unter Verwendung von Vergleichseinrichtung 7 mit einer Referenzspannung in Referenzspannungsleitung 6 verglichen.
Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung ist eine „Vergleichseinrichtung" jede Einrichtung, wie z. B. ein Rechner, die in der Lage ist (i) die elektrischen Signale von Multiplizierer 5 mit denen von Referenzspannungsleitung 6 zu vergleichen und (ii) ein Signal entweder zu Energiequelle 1 oder zweiten Energiequelle 10 zu senden, um die gesamte Lampe 2 zugeführte Energie so anzupassen, dass sie der vorher festgelegten Referenzspannung entspricht. Die Referenzspannung 6 wird auf die Spannung festgelegt, die notwendig ist, um die Energie bereitzustellen, die zu der gewünschten Lichtausbeute durch Lampe 2 führt. Referenzspannung 6 wird festgelegt, indem das Verhältnis zwischen der direkt der Lampe zugeführten Energiemenge und die Lichtausbeute der Lampe (z. B. wie im Folgenden beschrieben) festgestellt, dieses durch den bekannten durch die Schaltung fließenden Strom geteilt und dann die Spannung gewählt wird, die notwendig ist, um die gewünschte Energie bereitzustellen, die zu der gewünschten Lichtausbeute führt.
Aspekte der Temperatur und Energie bei der Steuerung der Lampenintensität
Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass das betriebsbedingte schnelle Umschalten der Lampe von voller auf minimale Energie wesentlich verbessert wird, wenn die Temperatur einer Lampe über der Temperatur gehalten wird, die notwendig ist, um die Materialien (z. B. Quecksilber) in der Lampe wirklich vollständig zu verdampfen, die (a) erforderlich sind, um Licht zu erzeugen und/oder die Intensität oder Lebensdauer der Lampe zu erhöhen, und die (b) unter den bei Nutzung und/oder Lagerung der Lampe vorkommenden Temperaturen und/oder Druckverhältnissen fest oder flüssig sind. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem die Bogenlampenhülle erhitzt wird, wenn dem Bogen wenig Energie zugeführt wird, so dass bei der erneuten Zuführung der vollen zugeführten Energie keine Zeit oder Energie benötigt wird, um feste oder flüssige Materialien (z. B. Quecksilber) zu verdampfen, so dass die gesamte zugeführte Energie dem Lichtbogenplasma zugeführt wird, das innerhalb der Grenzen der steuernden Schaltung die volle Intensität der Lichtausbeute erreicht.
Zur Bereitstellung einer stabilen Lichtausbeute von Lampe 2 stellt der schematisch in 1 dargestellte Schaltkreis eine elektronische Rückkopplungsschleife bereit, die die Energie an eine zweite Energiequelle 10 (z. B. eine mit der Bogenlampe in Kontakt stehende Heizvorrichtung) erhöht, wenn die dem Bogen aus Energiequelle 1 zugeführte Energie auf oder unter eine Energieschwelle absinkt. Übersteigt die zugeführte Energie die Energieschwelle senkt die Rückkopplungsschleife die Energie an die zweite Energiequelle 10 ab. (Die „Energieschwelle" ist die Energiemenge pro Zeiteinheit, die nötig ist, um alle festen oder flüssigen Materialien zu verdampfen, die sich in gasförmigem Zustand befinden müssen, um die Ansprechempfindlichkeit der Lampe bei der Erzeugung von Licht zu maximieren und/oder irgendwelche sonstigen Vorteile des Materials bereitzustellen). Daher stellt die Rückkopplungsschleife in 1 eine stabile Lichtausbeute der Lampe 2 bereit unabhängig von der der Lampe durch Energiequelle 1 zugeführten Energiemenge.
Daher besteht ein wesentlicher Gedanken der vorliegenden Erfindung darin, die direkte oder indirekte Zuführung zumindest der Schwellenenergie zu gewährleisten, die notwendig ist, um die Materialien zu verdampfen, die (a) zumindest teilweise fest oder flüssig sein können unter den Bedingungen der Lampennutzung oder deren Lagerung und die (b) notwendig sein können, um entweder Licht zu erzeugen oder die Lebensdauer und/oder Intensität anderer Licht erzeugender Materialien in der Lampe zu erhöhen. Sinkt die der Lampe zur Erzeugung von Licht zugeführte Energiemenge unter die zur Verdampfung derartiger Materialien nötige Energieschwelle, stellt eine externe Energiequelle der Lampe ausreichend Energie bereit, um die festen und/oder flüssigen Materialien zu verdampfen, die zur Erreichung der maximalen Ergebnisse verdampft werden müssen. Die in 1 dargestellte Rückkopplungsschleife stellt die passende Steuerung bereit, um die Zuführung von zumindest einer Schwellenenergie auf die Lampe entweder durch direkt zugeführte Energie (d. h. die zur Erzeugung von Licht verwendete Energie) oder durch extern zugeführte Energie (d. h. eine Heizvorrichtung in physischem, optischem oder thermischen Kontakt mit der Lampe) zu gewährleisten.
Vergleichseinrichtung 7 kann aus einem Rechner bestehen, der über angemessene Datenübermittlungsfähigkeiten hinsichtlich Referenzspannungsleitung 6, zugeführter Energiequelle 1, zweiter Energiequelle 10 und des Signals von Multiplizierer 5 verfügt.
Multiplizierer 5 kann entweder analog oder digital sein. Ein analoger Multiplizierer wird bevorzugt, da dieser die Anzahl der Berechnungen (d. h. der Datenumrechnungen) minimiert, was die theoretische Höchstgeschwindigkeit erhöht, mit der Energiesignale an die Lampe geändert werden können. Es sind jedoch auch digitale Multiplizierer für die Verwendung in dem vorliegenden Gerät und Verfahren geeignet, insbesondere wenn Vergleichseinrichtung 7 aus einem digitalen Rechner besteht, obwohl die zusätzlichen Schritte der Umwandlung der analogen Signale von Spannungsabfrageleitung 3 und Stromabfrageleitung 4 in digitale Daten (in einer vorher festgelegten Geschwindigkeit) und der Zurückumwandlung der digitalen Daten mit dem Rechner in analoge Daten über einen Digital/Analogwandler ebenfalls ausgeführt werden müssen.
Alternativ erfasst eine in 1 dargestellte Fotodiode 9 die Lichtausbeute und übermittelt ein proportionales elektrisches Signal an Vergleichseinrichtung 7. (Die gestrichelte Linie in 1 zwischen Fotodiode 9 und Vergleichseinrichtung 7 verweist auf die alternative Beschaffenheit dieser Ausführungsform, die darin besteht, dass es eine Verbindung geben kann, aber nicht muss.) Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wird Lampe 2 dann entweder durch zugeführte Energiequelle 1 oder zweite Energiequelle 10 eine ausreichende Energiemenge zugeführt, um die festen oder flüssigen Materialien zu verdampfen, die verdampft werden müssen, um maximale Ergebnisse bereitzustellen und damit eine konstante Ausgabe von Lichtintensität bereitzustellen. (Die gestrichelte Linie in 1 zwischen Lampe 2 und zweiter Energiequelle 10 verweist auf die alternativen Verbindungen, direkt oder indirekt, die eingesetzt werden können, aber nicht müssen.)
Zu den in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Lampen gehören diejenigen, in denen die Lichtausbeute der Lampe zumindest teilweise von verdampften Materialien abhängig ist, die unter den Bedingungen, denen die Lampe während der Nutzung und/oder Lagerung ausgesetzt ist, zumindest teilweise fest oder flüssig sind, d. h. bei Temperaturen zwischen 15 und 350 °C und mehr und Druckverhältnissen zwischen 1 kPa und 1 MPa und mehr (0,01 bis 10 oder mehr Atmosphären) usw.). Im vorliegenden Gerät kann die Lampe eine herkömmliche Lichtbogenlampe, eine herkömmliche Plasmalampe oder eine herkömmliche Halogenlampe (d. h. eine Wolfram/Jod-Lampe) sein. Die Lampe im vorliegenden Gerät kann auch eine Natriumlampe sein. Quecksilberdampflampen und Halogenlampen werden bevorzugt. (Um die Darlegung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen, werden die auf Lampen bezogenen Aspekte mit Bezug auf eine Quecksilberdampflampe dargestellt.)
In der vorliegenden Erfindung ist die zweite Energiequelle eine externe Quelle für die der Lampe mit der Zeit zugeführte Energie und kann aus einem oder mehreren Bestandteilen bestehen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus:

(a) einem Heizmittel in thermischem Kontakt mit der Lampe, durch das die Wand in ausreichendem Maße erwärmt wird, um das Material, welches zumindest teilweise fest oder flüssig unter den Bedingungen des Lampengebrauchs oder der Lagerung ist, zu verdampfen;
(b) Mikrowellen- oder Hochfrequenzbestrahlung;
(c) einem in der Lampe angeordneten elektrischen Widerstandsmaterial;
(d) Lichtbestrahlung in optischer Verbindung zu der Lampe; und
(e) einem Verschluss- oder Isoliermittel, das die Lampe zumindest teilweise umgibt.

Die externe Energiequelle kann entweder durch Wechselstrom (ac) oder Gleichstrom (dc) mit Energie versorgt werden.
Ist die externe Energiequelle eine Substanz in Wärmekontakt mit der Lampe, kann die Substanz aus Gas bestehen, das ausreichend erhitzt ist, um das Material, welches zumindest teilweise fest oder flüssig unter den Bedingungen der Lampennutzung oder Lagerung ist, zu verdampfen und das während der Zeitspanne, in der die zugeführte Energie an oder unterhalb der Energieschwelle liegt, über die Lampe geleitet wird. (Der Begriff „Wärmekontakt" kann sich auf physischen, elektronischen oder optischen Kontakt oder Nachrichtenübermittlung zwischen, zum Beispiel, der externen Energiequelle und der Lampe beziehen).
In einer anderen Ausführungsform kann die Substanz eine (vorzugsweise nicht brennbare) Hochtemperaturflüssigkeit sein, die durch einen die Glühlampe zumindest teilweise (aber vorzugsweise zumindest zu 80 %) umgebenden Mantel fließt. Noch bevorzugter absorbiert diese Flüssigkeit keine wesentliche Menge (z. B. 10 % oder weniger) des Lichts einer gewünschten Wellenlänge oder eines Bands von Wellenlängen der Lichtübermittlung.
Die Substanz kann auch aus einem Widerstandsheizer (z. B. einem(r) elektrisch widerstandsfähigem(r) Metall oder Legierung) in direkter oder indirekter Berührung mit der Lampe bestehen. „Indirekte" physische Berührung bezieht sich auf die Situation, in der die vom Widerstandsheizer erzeugte Wärme durch ein Wärmeübertragungsmedium wie Glas, Quarz oder sogar Luft auf die Lampe übertragen wird (wobei die Heizvorrichtung locker von einem Mantel oder einer Hülle umschlossen wird). Ein Widerstandsheizer ist das bevorzugte Gerät zur externen Erwärmung der Lampe.
Wenn die externe Energiequelle aus einem elektrisch widerstandsfähigem Material besteht, welches sich in besagter Lampe befindet, kann das elektrisch widerstandsfähige Material ein Kontrolllichtbogen sein, wie der, welcher in der am 25. März 1994 eingereichten US-Anmeldung mit der Seriennummer 08/217,883 (US-Patent Nr. 5,491,343) beschrieben ist. Es kann eine so genannte „Mehrfachbogenlampe" verwendet werden, in der ein Kontrolllichtbogen außerhalb der optischen Achse angeordnet ist und ein funktionierender Bogen in der optischen Achse der Lampe angeordnet ist. Eine dem Kontrolllichtbogen zugeführte Energie erzeugt ausreichend Wärmeenergie in der Lampe und hält diese aufrecht, um das/die Material(ien), welche(s) zumindest teilweise fest oder flüssig unter den Bedingungen der Lampennutzung oder Lagerung ist/sind, zu verdampfen und diese Materialien in gasförmigem Zustand zu halten. Der funktionierende Bogen kann ein- oder ausgeschaltet oder seine Intensität kann durch eine Veränderung der ihm zugeführten Energie angepasst werden.
Wenn die externe Energiequelle aus einer Lichtbestrahlung besteht, kann die Lichtbestrahlung durch eine zweite Lampe in optischer Nachrichtenübermittlung mit der ersten Lampe des Geräts bereitgestellt werden. In der vorliegenden Anwendung bezieht sich der Begriff „in optischer Nachrichtenübermittlung" auf die Fähigkeit einer Lichtquelle, ein gewünschtes Objekt zu bestrahlen (z. B. wenn das Licht der zweiten Lampe die erste Lampe bestrahlt).
Ein weiteres Verfahren, das für sich allein oder in Kombination mit dem Heizverfahren verwendet werden kann, erfordert eine geschlossene Schleifenrückkopplungssteuerung der Lichtintensität (siehe zum Beispiel 1). In dieser Anordnung überwacht ein optischer Sensor (Fotodiode 9) die Lichtausbeute jeder Lampe und regelt die der Lampe zugeführte Energie, um die gewünschte Lichtausbeute zu erzielen.
Fehlt eine Erwärmung der Hülle der BogenLampe, erhöht sich, wenn die Lampe von hoher Energie auf niedrige Energie oder niedrige Lichtintensität umgeschaltet wird, die der Lampe zugeführte Energie, sobald das Quecksilber anfängt zu kondensieren, wodurch dieses im angemessenen gasförmigen Zustand bleibt. Wird auf hohe Lichtintensität umgeschaltet, erkennt der Rückkopplungssensor, dass mehr Energie benötigt wird, um die hohe Lichtausbeute der Dauerleistung zu erreichen, und dadurch wird mehr Energie in die Lampe eingespeist, bis das gesamte Quecksilber verdampft ist. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die der Lampe zugeführte Energie ihre normale, volle Dauerzustandsleistung.
Wenn zum Beispiel eine 100-W-QuecksilberdampfLampe in Betrieb ist, kann sie, nachdem sie sich erwärmt hat und der Lampe eine Energie von 100 W zugeführt wird, 10.800 Lux (1000 Footcandle) Licht ausgeben. Wird die der Lampe zugeführte Energie auf 3 W gesenkt, sollte die Lichtausbeute unmittelbar auf 323 Lux (30 Footcandle) Licht sinken. Eine Energiezufuhr von 3 W an die Lampe stellt jedoch nicht ausreichend Energie bereit, um die Lichtausbeute auf 323 Lux (30 Footcandle) (3 × 10.800) zu halten. Daher nimmt die Lichtausbeute mit der Zeit ab, bis der Bogen verloschen ist.
Der Grund für das Erlöschen des Bogens besteht darin, dass nicht genügend Energie zugeführt wurde, um das Quecksilber in gasförmigem Zustand zu halten. Daher kann die Lichtausbeute auf 323 Lux (30 Footcandle) gehalten werden, indem der Lampenhülle Energie in Form eines Widerstandsheizers zugeführt wird, indem die Bogenlampe so modifiziert wird, dass sie im Inneren eine Heizspule umfasst, indem die dem Bogen zugeführte Energie erhöht wird, wenn die Lichtintensität sinkt, oder durch ein oder mehrere der oben beschriebenen zusätzliche Verfahren oder Vorrichtungen.
Die folgende Gleichung beschreibt somit die Faktoren, welche die Lichtausbeute einer Bogenquelle steuern:
Lichtausbeute = (Bogenenergie) + (Notwendige Energie, um Quecksilber in gasförmigem Zustand zu halten)
Es ist zu sehen – wie in der Kurve in 2 dargestellt –, dass oberhalb des Punkts, an dem das gesamte Quecksilber verdampft ist, ein lineares Verhältnis zwischen der Bogenintensität und der Energie besteht. In diesem Versuch wurde die dem Bogen zugeführte Energie verändert und die Lichtausbeute gemessen. Der Bogen erlosch bei circa 10 % der maximalen Nennleistung der Lampe.
Quecksilberdampflampen stellen zum Beispiel oberhalb einer zugeführten Energieschwelle eine Lichtausbeute bereit, die linear proportional zur Energiezufuhr ist. Die zugeführte Energieschwelle ist die Energiemenge, die notwendig ist, um Quecksilber vollständig in gasförmigem Zustand zu halten. Für eine herkömmliche Quecksilberlampe kann diese Temperatur bei circa 350 °C liegen, obwohl die tatsächliche Temperatur sich mit der speziellen Lampe ändern kann, die verwendet wird. Diese Temperatur kann gemäß den im Folgenden beschriebenen Verfahren empirisch festgestellt werden.
In einer weiteren Reihe von Versuchen haben die vorliegenden Erfinder entdeckt, dass die Lichtausbeute bei Zufuhr der vollen Energie auf die Lampe konstant blieb, sobald die (mit einem an der Oberfläche der Lampe angebrachten Thermoelement gemessene) Temperatur der Bogenlampe die Temperatur überschritt, die notwendig ist, um sämtliche Quecksilbertröpfchen in der Lampe zu verdampfen. In dem Versuch, der die in der Kurve von 3 dargestellten Daten ergeben hat, wurde die Fluoreszenz des von einer sich erhitzenden Bogenlampe angeregten Farbstoffs Fura-2 überwacht (wobei Fluoreszenz direkt proportional zur Lichtausbeute des Bogens ist). Es ist zu bemerken, dass die Intensität der Fluoreszenz relativ konstant blieb, nachdem die Glühlampe 350 Grad Celsius erreicht hatte, obwohl die Temperatur weiter bis zu einem Beharrungszustand von 540 Grad anstieg.
Obwohl die vorliegende Erfindung (dem gegenwärtigen Stand der Technik entsprechend) zur Erzeugung oder Übertragung von Licht mit einer Wellenlänge von 200 nm bis 6000 nm fähig ist, ist die vorliegende Erfindung insbesondere zur Erzeugung oder Übertragung von Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder ultravioletten Spektrum (d. h. zwischen 100 nm und 800 nm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 700 nm) geeignet.
Das vorliegende Verfahren zur Senkung der Anstiegszeit einer Lampe kann ferner die folgenden Schritte umfassen. Die Zufuhr einer elektrischen Energie auf die Lampe, die ausreicht, um vor Schritt (A) Licht zu erzeugen (siehe die obige „Kurzbeschreibung der Erfindung") und die Senkung der Energie unter die elektrische Energieschwelle gleichzeitig mit oder nach Schritt (A), aber vor Schritt (B).
Sowohl das vorliegende Gerät als auch das vorliegende Verfahren zur Übertragung von Licht und Verkürzung der Anstiegszeit einer Lampe sind besonders vorteilhaft für die Hochgeschwindigkeitssteuerung und das Hochgeschwindigkeitsumschalten zwischen zwei oder mehr Wellenlängen und/oder Lichtintensitäten unter Verwendung einer oder mehrerer Lichtquellen (Lampen). Daher kann man unter Verwendung einer einzigen Lampe ein bestimmtes Objekt von einem Mal bis zu zehn Milliarden Mal in der Sekunde (vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 10 Hz bis 1 GHz, noch mehr vorzugsweise von 20 Hz bis 1 GHz) bestrahlen. Es können so viele verschiedenen Wellenlängen und/oder Intensitäten angesteuert werden, wie in die Rechnersteuerung der Schaltung programmiert werden können. Das vorliegende Verfahren und Gerät sind auch besonders anwendbar für das in der am 25. März 1994 gleichzeitig eingereichten Anmeldung mit der Seriennummer 08/217,883 (US-Patent Nr. 5,491,343) offenbarte und beanspruchte Verfahren und für ein im US-Patent Nr. 5,332,905 offenbarte und beanspruchte Verfahren zur mehrfachen Verhältnisabbildung.
Das vorliegende Verfahren kann auf mehrere Lichtquellen als Mittel zur unabhängigen Steuerung jeder Lichtquelle angewendet werden. Das vorliegende Gerät zur Erzeugung von Licht kann daher aus mehreren Lampen bestehen, die auf Materialien angewiesen sind, die unter den Bedingungen der Nutzung oder Lagerung der Lampe zur Lichtausbeute zumindest teilweise fest oder flüssig sind, wobei jede Lampe mit einer externen Energiequelle für die Verdampfung der darin enthaltenen Materialien ausgestattet ist.
Folglich kann ein Gerät nach der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zur Übermittlung von Licht verwendet werden, das aus den folgenden Schritten besteht:

(A) Erzeugung von Licht mit einer ersten Wellenlänge (λ₁), einer ersten Intensität (I₁) oder sowohl einer ersten Wellenlänge (λ₁) als auch einer ersten Intensität (I₁) mit dem vorliegenden Gerät zur Erzeugung von Licht und
(B) Erzeugung von Licht mit einer zweiten Wellenlänge (λ₂), einer zweiten Intensität (I₂) oder sowohl einer zweiten Wellenlänge (λ₂) als auch einer zweiten Intensität (I₂) mit dem Gerät innerhalb eines Zeitraums von 0,1 Nanosekunden bis 1 Sekunde (1 s) nach Erzeugung von Schritt (A),

₂

₁

₂

₁

Wenn gilt, dass λ₂ ≠ λ₁, unterscheidet sich λ₂ von λ₁ vorzugsweise um mindestens 10 nm und bevorzugter um mindestens 20 nm. Wenn entsprechend gilt, dass I₂ ≠ I₁, unterscheidet sich I₂ von I₁ vorzugsweise um mindestens 10 % (d. h. es ist entweder I₂ ≥ (1,1 × I₁) oder (1,1 × I₂) ≤ I₁), bevorzugter um mindestens 50 % und am meisten vorzugsweise um den Faktor 2 (100 %, d. h. es ist entweder I₂ ≥ (2 × I₁) oder (2 × I₂) ≤ I₁).
Verwendung schnell umschaltender Bogenlampen zu Nachrichtenübermittlungszwecken
Das vorliegende Verfahren zur optischen Datenübermittlung stellt ein spezielles Beispiel eines Verfahrens zur Übermittlung von Licht dar und kann aus den folgenden Schritten bestehen

(a) Übermittlung von Licht mit einer ersten Wellenlänge, einer ersten Intensität oder sowohl einer ersten Wellenlänge als auch einer ersten Intensität von einer Lichtbogen-, Plasma- oder Halogenlampe entlang einer Glasfaser zu einem Empfänger in optischer Nachrichtenübermittlung mit besagter Glasfaser und
(b) innerhalb eines Zeitraums von 0,1 Nanosekunden bis 1 Sekunde nach besagtem Übermittlungsschritt (A) Übermittlung von Licht mit einer zweiten Wellenlänge, einer zweiten Intensität oder sowohl einer zweiten Wellenlänge als auch einer zweiten Intensität von der Lampe entlang der Glasfaser zu Empfänger.

Dieses Verfahren kann mehrmals mit einer Geschwindigkeit von 10 Gigahertz (10 GHz) bis zu 1 Hertz (1 Hz) wiederholt werden.
Im vorliegenden Verfahren zur optischen Datenübermittlung sollte zumindest einer der Wellenlängen des Lichts im ultravioletten oder sichtbaren Spektrum liegen (z. B. 100–800 nm, vorzugsweise 200–770 nm) und zumindest eine der Intensitäten des Lichts (wenn I₂ ≠ I₁, die höhere der beiden Intensitäten) sollte vorzugsweise zumindest 10 Watt betragen.
Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass das schnelle Umschalten der Bogenlampe mit sehr hohen Geschwindigkeiten wirksam für die Datenübermittlung unter Verwendung der Faseroptiktechnik verwendbar ist. Es ist möglich, das Licht von einer einzigen oder mehreren Lichtquellen im Gigahertzbereich zu modulieren. (Bevorzugte Bereiche). Daher ist eine Bogenquelle (bevorzugte Ausführungsformen) eine ideale Lichtquelle, um bestimmte faseroptische Nachrichtenübermittlungssysteme mit Energie zu versorgen. Dies hat gegenüber Lasern wesentliche Vorteile, da Bogenquellen für dieselbe Menge an Lichtausbeute um Größenordnungen preiswerter sind als Laser. In der digitalen Nachrichtenübermittlung ist der „An"-Zustand elektrisch 2–5 V und der „Aus"-Zustand 0–1,2 V. Daher muss der Bogen, um als Nachrichtenübermittler über ein faseroptisches Netz zu fungieren, nur zwischen circa 10 % und 40 % seiner höchsten Intensität moduliert werden; eine Leistung, die wir leicht erbringen können.
Ein weiterer Vorteil dieser Lampen (z. B. einer Bogenquelle) ist es, dass sie polychromatisches Licht bereitstellen, wogegen ein Laser generell monochromatisch ist. Daher können entweder mit einem Monochrometer oder mit Interferenzfiltern zur Erzeugung/Übermittlung bestimmte Wellenlängen des Lichts ausgewählt werden. Dadurch können viele (z. B. 1–1000) Lichtquellen in ein einziges faseroptisches Kabel eingespeist werden, so dass jede Wellenlänge des Lichts als unabhängiger Nachrichtenübermittlungskanal fungiert. Ein einziges transatlantisches Kabel kann so 1000 verschiedene Signale auf derselben Faser übertragen, jedes mit einer anderen Wellenlänge des Lichts. Am anderen Ende des faseroptischen Kabels tasten 1000 Abtaster jeweils eine spezielle Wellenlänge des Lichts ab, um die Information zu entschlüsseln. Derartige Abtaster sind ziemlich gebräuchlich und im Handel als Diodenarray-Detektoren bekannt.
Möchte man zum Beispiel 5 unabhängige Signale über ein faseroptisches Kabel übermitteln, können 5 unabhängige Bogenlampen eingesetzt werden, jede mit unabhängiger modulierender Steuerung. Die Wellenlängen, mit denen die Lampen Lichtsignale übermitteln, kann aus einer etwas zufälligen Auswahl bestehen (z. B. mit 400 nm, 440 nm, 500 nm, 510 nm und 700 nm). Am empfangenden Ende können 5 unabhängige Hochgeschwindigkeitsfotodioden mit einer ausschließlichen Empfindlichkeit für Licht mit 400, 440, 500, 510 und 700 nm verwendet werden, um die 5 unabhängigen Signale abzutasten, um die optischen Signale so in elektrische Impulse umzuwandeln. Folglich erhöht das vorliegende Verfahren drastisch die Fähigkeit bestehender faseroptischer Kabel zu Handhabung von Daten.
Ein zusätzlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es eine betriebsbereite Quelle modulierbaren Lichts in den unteren sichtbaren und den ultravioletten Spektren bereitstellt. Licht dieser Wellenlängen ist viel energiegeladener als Infrarotlicht, das normalerweise für optische Datenübermittlung verwendet wird. Weil die Wellenlänge kürzer ist, kann die Bandbreite der Nachrichtenübermittlung höher sein und so können mehr Daten in die Übermittlung einer einzigen Faser eingeschlossen werden. Es ist auch eine erhöhte Übermittlungsstrecke bei höherer Intensität möglich und dadurch ein geringerer Bedarf nach Erweiterung/Verstärkung des Signals bei der faseroptischen Übermittlung über lange Strecken (z. B. 1 km und mehr).
Verluste aufgrund der Absorption hochenergetischen Lichts durch Glas (das für Fasern gebräuchlichste Material) können jedoch bei niedrigeren Wellenlängen (z. B. unter 400 nm) beträchtlich sein. Daher können Quarzfasern, die für ultraviolettes Licht relativ transparenter sind, oder Kunststofffasern, die für sichtbares oder Infrarotlicht relativ transparenter sind, für die optische Datenübermittlung über lange Strecken gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber Glasfasern bevorzugt werden.
Das Verfahren stellt auch die Steuerung vieler Wellenlängen von Licht bereit. Dadurch können viele parallele Nachrichtenübermittlungen gleichzeitig über dasselbe Kabel stattfinden. Zum Beispiel kann man unabhängige Nachrichtenübermittlung bei 200 nm, 210 nm, 250 nm, 300 nm, 305 nm, 350 nm, 388 nm usw. bis zu circa 800 nm (oder höher, wenn eine oder mehrere Quellen für Infrarotlicht eingesetzt werden) ausführen.
Die Grenzen der Umschalt-/Datenübermittlungsfähigkeit der vorliegenden Verfahren scheint durch die aktuellen Mittel zur Abtastung von Lichtsignalen und zum Antrieb von Lichtquellen begrenzt zu sein. Die vorliegenden Verfahren und Geräte zum Umschalten von Intensitäten und/oder Wellenlängen von Licht folgt den Eingabesignalen vollkommen (d. h. weniger als wahrnehmbare Grenzen).
Folglich ist das Verfahren besonders anwendbar für optische Rechnerschaltkreise, in denen die vorliegenden optischen Signale mit hoher Intensität und hoher Energie nicht durch starke örtliche Elektromagnetische Felder im Innern des Rechners beeinflusst werden und keinen Verlust durch Übermittlung über lange Strecken erleiden.
Von dem Verfahren wird auch angenommen, das es für wiederholte Abtastimpulse im Ultraviolett- oder Breitbandbereich anwendbar ist (z. B. in der Mikroskopie, Photolithographie und Halbleiterherstellung). Die vorliegende Erfindung, insbesondere das Gerät zur Erzeugung von Licht, ist besonders geeignet für die in der am 25. März 1994 eingereichten US-Anmeldung mit der Seriennummer 08/217,883 offenbarten Verfahren und Geräte. Die vorliegende Erfindung kann auch Bragg-Zellen ersetzen, da die vorliegende Erfindung eine breitere Bandbreite von Vorteilen bietet.
Das vorliegende Gerät zur Erzeugung von Licht unter Verwendung einer Rückkopplungsschleife kann zusätzlich zur Lampe und der Rückkopplungsschleife eine Überwachungsvorrichtung umfassen. Die Überwachungsvorrichtung kann aus (i) einem Stromabtaster (z. B. 4 in 1), (ii) einem Spannungsabtaster (z. B. 3 in 1) und (iii) einem Stromabtaster, einem Spannungsabtaster und einem Multiplizierer (z. B. 5 in 1) bestehen. Die Rückkopplungsschleife kann aus einer Vergleichseinrichtung (z. B. 7 in 1) und einer Referenzspannungsquelle (z. B. 6 in 1) in elektrischer Nachrichtenübermittlung mit der Vergleichseinrichtung bestehen.
Ein Verfahren zur Stabilisierung des Lichtausbeute einer Lampe, welche kein Licht unterhalb einer elektrischen Energieschwelle erzeugt, welches aber in Reaktion auf eine zugeführte elektrische Energiemenge, die größer als die elektrische Energieschwelle ist, Licht von einer Intensität erzeugt, die sich linear auf die Differenz zwischen der zugeführten Energie und der elektrischer Energieschwelle bezieht, besteht aus den folgenden Schritten:

(A) elektrische Überwachung der der Lampe zugeführten Energie und
(B) Anpassung der der Lampe zugeführten Energie, so dass die Lampe Licht mit einer vorher festgelegten Intensität erzeugt.

Dieses Verfahren kann ferner gleichzeitig mit dem elektrischen Überwachungsschritt aus einem optischen Überwachungsschritt der der Lampe zugeführten Energie bestehen (z. B. mit der Fotodiode 9 in 1). Dieses Verfahren kann unter Verwendung des vorliegenden Geräts mit einer externen Energiequelle und/oder einer Rückkopplungsschleife durchgeführt werden.
Offensichtlich sind im Licht der obigen Ausführungen zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Daher wird darauf hingewiesen, dass innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche die Erfindung auf andere als die hier besonders beschriebenen Arten genutzt werden kann.

Claims

Gerät zur Erzeugung von Licht umfassend: (A) eine Lampe (2), die eine oder mehrere Materialien enthält; (iv) die sich zumindest teilweise in einem dampfförmigen Zustand während des Lampengebrauchs befinden, (v) die zumindest teilweise fest oder flüssig während des Lampengebrauchs oder deren Lagerung sind, und (vi) die nicht ununterbrochen Licht unterhalb einer elektrischen Schwellenenergie erzeugen, die jedoch in Reaktion auf eine zugeführte Energiemenge, welche größer als die Energieschwelle ist, kontinuierlich Licht von einer Intensität erzeugen, das sich auf die Differenz zwischen der zugeführten Energiemenge und der Schwellenenergie bezieht, und (B) einer ersten Energiequelle (1), die der Lampe Energie zuführt, damit die Lampe Licht erzeugt; und (C) einer zweiten Energiequelle (10), die der Lampe Energie zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine elektronische Rückkopplungsschleife enthält, die wirksam ist, die Energie der zweiten Energiequelle (10) zu erhöhen, wenn die von der ersten Energiequelle (1) der Lampe zugeführte Energie von einem höheren Wert als die elektrische Schwellenenergie auf einen Wert unterhalb der elektrischen Schwellenenergie absinkt, um sicherzustellen, dass der Lampe ausreichend Energie zugeführt wird, um das Material oder die Materialien zu verdampfen, wodurch die Lampe ununterbrochen Licht erzeugt, auch nachdem die zugeführte Energiemenge von der ersten Energiequelle unterhalb der elektrischen Schwellenenergie gefallen ist.
Gerät nach Anspruch 1, worin die zweite Energiequelle (10) aus einem oder mehreren Bestandteilen besteht, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: (f) einem Heizmittel in thermischem Kontakt mit der Lampe, durch das die Wand in ausreichendem Maße erwärmt wird, um das Material, welches zumindest teilweise fest oder flüssig unter den Bedingungen des Lampengebrauchs oder der Lagerung ist, zu verdampfen; (g) Mikrowellen- oder Hochfrequenzbestrahlung; (h) einem in der Lampe angeordneten elektrischen Widerstandsmaterial; (i) Lichtbestrahlung in optischer Verbindung zu der Lampe; und (j) einem Verschluss- oder Isoliermittel, das die Lampe zumindest teilweise umgibt.
Gerät nach Anspruch 1, worin die Leuchte eine Lichtbogenlampe ist.
Gerät nach Anspruch 1, worin die Lampe (2) eine Plasmalampe ist.
Gerät nach Anspruch 1, worin die Lampe (2) eine Halogenlampe ist.
Gerät nach Anspruch 2, worin die zweite Energiequelle (10) einen Widerstandsheizer in direkter oder indirekter Berührung mit der Lampe umfasst.
Gerät nach Anspruch 2, worin die zweite Energiequelle (10) einen Kontrolllichtbogen umfasst.
Gerät nach Anspruch 2, worin die zweite Energiequelle (10) eine Lichtstrahlung einer zweiten Lampe in optischer Verbindung zu der Lampe ist.
Gerät nach Anspruch 2, worin die zweite Energiequelle (10) ein Gas umfasst, wobei das Gas ausreichend erhitzt wird, um das Material zu verdampfen, das zumindest teilweise fest oder flüssig unter den Bedingungen des Lampengebrauchs oder der Lagerung ist.
Gerät nach Anspruch 1, worin die Lampe ein einzelnes Material enthält, welches sich zumindest teilweise in einem Dampfzustand unter den Bedingungen des Lampengebrauchs befindet, und welches zumindest teilweise fest oder flüssig unter den Bedingungen des Lampengebrauchs oder der Lagerung ist, und welches kein Licht unterhalb der elektrischen Schwellenenergie erzeugt, welches aber in Reaktion auf die zugeführte Energiemenge, die größer als die elektrische Schwellenenergie ist, Licht von einer Intensität erzeugt, die sich linear auf die Differenz zwischen zugeführter Energie und elektrischer Schwellenenergie bezieht.
Gerät nach Anspruch 10, worin das Material Quecksilber ist.
Gerät nach Anspruch 1, worin das Material oder die Materialien, die in der Lampe vorhanden sind, ein erstes und ein zweites Material umfassen.
Gerät nach Anspruch 12, worin das erste Material Jod und das zweite Material ein Glühfaden eines Metalls der Gruppe VI b ist.
Gerät nach Anspruch 1, worin die zweite Energiequelle Wechselstrom ist.
Gerät nach Anspruch 1, worin die zweite Energiequelle Gleichstrom ist.