JP4960590B2 - メタルハライドランプの効率を改善する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ランプのための光学干渉被膜に関し、ランプの効率を増大させるために紫外（ＵＶ）放射線をハロゲン化金属プール内に反射するメタルハライドランプのアーク管の多層ＵＶ反射被膜に関連した特定の用途を見出すものである。

メタルハライドランプは、ハロゲン化金属、水銀、及び希ガスを含む充填材を用いる。ヨウ化ナトリウム及びヨウ化スカンジウムを含むハロゲン化金属は、ランプ作動中に溶融液体プールから部分的に蒸発される。ランプが通電されると、アーク放電が生成されて、約２００ｎｍを越える波長の放射線を放出する。１００〜４００ｎｍの間で放出される放射線は、紫外（ＵＶ）放射線であって、これは人間の目や皮膚に有害であり、更に織物、プラスチック、及び塗料の退色、変色、及び劣化を引き起こす。ランプから漏れるＵＶ放射線の有害な作用に加えて、ＵＶ放射線は、有用な可視照明には寄与しないので、本質的に無駄になる。

典型的な作動中の石英メタルハライド（ＱＭＨ）ランプにおいては、溶融ハロゲン化金属プールが、４５０ｎｍより低い入射放射線の少なくとも５０％を吸収し、且つ４００ｎｍより低い入射放射線の少なくとも８０％を吸収する。円筒形アーク管の垂直方向の作動においては、溶融ハロゲン化金属プールがアーク管の内側表面の下方２５％を覆うことができる。ハロゲン化金属プールの温度が上昇すると、ハロゲン化金属ガスの蒸気圧力が増大し、水銀と比べて、充填材に対するハロゲン化金属の相対的寄与が高くなる。これは、高圧力水銀ランプに比べてより効率が高く色度が良好なメタルハライドランプをもたらす。

幾つかのＱＭＨランプにおいては、より高い温度でハロゲン化金属プールを作動させるために、アルミナを含む場合が多い熱保存性の末端被膜が、ハロゲン化金属プールに対応する領域にわたりアーク管の外表面に施される。幾つかの垂直点灯ＱＭＨ設計においては、アーク管の上端部を過熱することなくハロゲン化金属プールをより効率的に加熱するために、アーク管の下端部は上端部よりも直径が小さく形成される。

有害なＵＶの放射を遮断するために、幾つかの方法が採用されてきた。従来のメタルハライドランプは、ＵＶ防護のためにガラス製外側ジャケット内に封入されたほぼ純粋石英から成るアーク管を使用している。しかしながら、光ファイバ光源（例えば、米国特許第４，９５８，２６３号参照）や自動車用ランプ（例えば、米国特許第４，８６８，４５８号参照）のような、最近のメタルハライド製品は、ガラス製外側ジャケットの使用を制限するサイズ及び使用上の制約に直面する。ドープ石英で形成されたアーク管（例えば、米国特許第５，１９６，７５９号参照）が、アーク管自体の内部のアークからのＵＶ放射を吸収するために使用されてきており、従ってガラス製外側ジャケットの必要性が排除される。しかしながら、ドープ石英中のＵＶ吸収ドーパントは、失透を高め且つランプ寿命を短くする。アーク管内部におけるガスの自然対流によって、アーク管壁内での自然発生の「ホットスポット」が放電の直ぐ上方でメタルハライドアーク管内に形成される。ドープ石英アーク管によるＵＶ放射線の吸収は、アーク管壁上のホットスポットを更に悪化させる傾向がある。ドープ石英によるＵＶ吸収に起因するホットスポットでの更なる過熱によって一層助長されてドープ石英の失透及び軟化されやすい性質が更に増大し、ランプの早期故障を招く恐れがある。このため、通常は、ドープ石英の使用は、アーク管自体以外で、アーク管を取り囲むシュラウド又はジャケットに制約される。

ＵＶ防護のための別の選択肢は、アーク管の外表面上における被膜の使用である。米国特許第５，３３６，９６９号は、アーク管の表面に施されて焼成されるＣｅＦ_３及びＡｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２の懸濁を含む被膜の使用について記載している。この被膜は、ＵＶ放射線を吸収する働きをする。米国特許第４，９４９，００５号は、フィルタ設計における変更によって特定波長を反射又は吸収させるために、タングステンハロゲンランプ上で使用されるタンタラ−シリカ干渉フィルタを開示している。ハロゲンランプの効率を改善するために、ＩＲ熱放射は優先的に反射されてタングステンフィラメントに戻される。米国特許第５，５５２，６７１号は、ハロゲン化金属アーク管上で使用するためのＵＶ反射多層被膜を開示しており、この多層被膜は、深ＵＶを吸収し、近ＵＶ放射線を反射する。この被膜の反射特性により、ＵＶ放射線が被膜から反射してハロゲン化金属プールによって吸収されることが可能になる。このことは、アーク管の寿命を増大させるために石英ホットスポットの過熱を伴うドープ石英を使用することなく、アーク管からのＵＶ放射の減衰を可能にする。
米国特許第４，９５８，２６３号 米国特許第４，８６８，４５８号 米国特許第５，１９６，７５９号 米国特許第５，３３６，９６９号 米国特許第４，９４９，００５号 米国特許第５，５５２，６７１号

本発明は、上記及び他の諸問題を克服する最適化されたＵＶ反射多層被膜及びその作製方法を提供する。

本発明例示的な実施形態においては、メタルハライドランプの効率を改善する方法が提供される。本方法は、アーク管の表面上に多層被膜を配設する段階を含む。この被膜は、屈折率の異なる少なくとも２つの材料から成る層を含み、これらの層は、協働して電磁スペクトルのＵＶ領域の放射線を反射する。被膜は、該被膜に衝突するＵＶ放射線の少なくとも９５％を反射するように最適化される。本方法は、アークからＵＶ放射を生じさせるようにランプを作動させる段階と、ＵＶ放射線を反射してランプ内へ戻す段階とを更に含む。

本発明の別の例示的な実施形態においては、メタルハライドランプの効率を改善する方法が提供される。本方法は、ランプのスペクトルパワー分布を求める段階と、電磁スペクトルのＵＶ領域の放射線を反射する多層被膜をランプのアーク管表面上に配設する段階とを含む。この被膜は、複数の波長の各々におけるスペクトルパワーに正比例して、複数の波長の各々におけるＵＶ光を反射するように最適化される。ランプは、アークからＵＶ放射を生じさせ、ＵＶ放射線を反射してランプ内へ戻すように作動する。

別の例示的な実施形態においては、メタルハライドランプの効率を改善する方法が提供される。本方法は、多層被膜をランプのアーク管表面上に配設する段階を含む。この被膜は、屈折率の異なる少なくとも２つの材料から成る層を含み、これらの層は、協働して電磁スペクトルのＵＶ領域の放射線を反射する。多層被膜は、ランプ作動時にアーク管上への放射線の非垂直入射を考慮するように選択された角度で最適化される。ランプは、アークからＵＶ放射を生じさせ、ＵＶ放射線を反射してランプ内へ戻すように作動する。

別の例示的な実施形態においては、メタルハライドランプが提供される。このランプは、外囲体を含む。ランプ作動時に放電を発生させるために、ハロゲン化金属プールが外囲体内に配置される。外囲体表面上の多層被膜は、屈折率の異なる少なくとも２つの材料から成る層を含み、これらの層は、協働して電磁スペクトルのＵＶ領域内の放射線を反射する。多層被膜は、ａ）アーク管上へのＵＶ放射線の平均入射角の１０°以内である角度にて外囲体に衝突するＵＶ放射線の反射、ｂ）被膜に衝突するＵＶ放射線の少なくとも９５％の反射、及び、ｃ）複数の波長の各々におけるスペクトルパワーに正比例する、複数の波長の各々におけるＵＶ光の反射の内の少なくとも１つについて最適化される。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の１つの利点は、ランプアーク管に対するホットスポットの影響を緩和し、アーク管温度の空間均一性を改善することである。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の別の利点は、ハロゲン化金属プールの温度を高め、その結果、メタルハライドランプの効率及び演色性が増大することである。

本発明の更に別の利点は、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を読み理解することにより当業者には明らかになるであろう。

多層被膜構成は、メタルハライドランプ表面上での使用を意図している。この被膜は、アークからのＵＶ放射線を反射して、メタルハライドの蒸気圧力の増大を助ける。具体的には、ＵＶ反射被膜は、メタルハライドランプのアーク管の表面上に形成される。被膜は、該被膜の無いランプと比べてかなりの（１０〜１５％又はそれ以上の）効率の向上を達成するために、非垂直角度で最適化される。この被膜は、好ましい波長領域にわたって高い反射率が得られるように最適化されるのが好ましい。

本明細書で使用される用語「メタルハライドランプ」は、自動車用ヘッドランプ、表示照明及びランプ、全般照明及びランプ、及び光ファイバ光源等といった全てのメタルハライドランプを意味する。ＵＶ反射被膜は、約４００ｎｍから約７００ｎｍまでのスペクトルの可視部分の光を自由に透過し、約３００ｎｍから約４００ｎｍまでのスペクトルのＵＶ部分の光を反射する。この被膜は、ケイ素、タンタル、及びチタニウムの酸化物類などの耐熱材料の複数の層を含む。ランプは、ハライドに加えて水銀を含有することができる充填材を含む。ランプから放出される光は、ＵＶ放射線を含む。

用語「ＵＶ放射線」は、ほぼ１００〜４００ｎｍの領域内の波長を有する放射線を意味する。４００〜７００ｎｍ領域の波長は、可視領域内であると見なされる。ＵＶ放射線は、人間に有害であることに加えて、織物中に見出される様々な染料、色素、及び顔料や表示物中に存在する材料などの材料類を劣化させる。本発明の多層被膜は、好ましくは約３００から４００ｎｍの間の波長を有するＵＶ放射線を遮断し、更に２００から３００ｎｍ領域内の放射線も遮断することができ、同時に可視光線に対しては実質的に非吸収性で透過性である。

多層被膜は、アークから放出されたＵＶ放射線の特定部分を反射してアーク管に戻すように設計され、また可視光線の一部分も同様であるのが好ましい。反射されてアーク管に戻ると、この反射されたＵＶ放射線は、更にアーク管内で液体ハロゲン化金属添加物を蒸発させてランプ性能を高める。取り込まれたＵＶによるハロゲン化金属プールの加熱を最大化するために、ＵＶ放射線被膜は、最大４００ｎｍの波長、場合によっては４００ｎｍよりも幾分長い波長での良好な反射率を有することが望ましい。しかしながら、被膜による４００ｎｍよりも相当に長い波長、また特に４２０ｎｍよりも長い波長の反射は、望ましい可視光線を遮断してランプ効率を低下させる作用を及ぼすことになる。被膜が４００ｎｍよりも大きな波長を反射する場合には、ルーメン出力の損失と、ハロゲン化金属プールを加熱することによって得られる利点とのトレードオフが存在する。従って、ＵＶの反射に加えて、最大約４２０ｎｍ又は最大約４５０ｎｍまでもの波長の少なくとも制御された部分を反射してアーク管に戻すことが望ましい。約４００ｎｍを越える波長、すなわち４００〜４５０ｎｍ領域の波長は、可視領域であると考えられる。

本発明は、作動温度が高いことにより、純粋石英すなわち非ドープ石英の使用を必要とするランプ用途に特に好適である。ドープ石英は、ドーパントに起因して純粋石英又は非ドープ石英よりも粘性が低く、高温用途において望ましくない。更に、可視光の散乱又は反射を排除することが望ましい自動車用及びビームフォーミング用などの用途においては、光透過を妨げるドーパント又は外部要素のないアーク管を使用することが有利である。

図１は、例示的なメタルハライドランプＡを示す。ランプは、石英、ガラス、セラミック、又は高温プラスチックなどの光透過性材料で形成されたアーク管１２を備えるバーナ１０を含む。本発明は、アーク管が透明な石英又は明澄なセラミックで形成されたメタルハライド（ＭＨ）ランプに特に好適である。本発明はまた、半透明のセラミックメタルハライドランプにも適用可能である。アーク管は、内部チャンバ１４を定めるほぼ円筒形状、球形状、又は楕円形状である。アーク管１２は、図１に示すように垂直に、又は水平に配置することができる。「垂直に整列される」とは、作動中にランプの最長寸法部がほぼ垂直に配置されることを意味する。「水平に整列される」とは、作動中にランプの最長寸法部がほぼ水平方向に配置されることを意味する。アーク管は、通常のピンチシール又はシュリンクシールにより参照符号１６の箇所で気密シールされる。任意選択的であるが、例えばタングステンで形成され互いに離間して配置された電極２０、２２がチャンバ内に延び、外部電源（図示せず）から電流を流してチャンバ内でアーク放電２３を生成する。リード線２４、２６は、これらの電極を電源に接続する。放電を開始するために、始動器電極２８を使用することができるが、無電極ランプも企図される。

電圧が両電極間に印加されてランプが作動されると、チャンバの底部にあるメタルハライド及び水銀プールなどの蒸発可能材料３０が放電中に蒸発し、電磁スペクトルの可視領域及びＵＶ領域の両方の放射線を生成する。

多層光学干渉被膜４０が、アーク管１２の壁４４の外表面４２上に形成される。多層被膜４０は、有害なＵＶ放射線を反射してチャンバ内へ戻すと共に、有用な可視領域の光がアーク管壁を透過することができるように最適化される。

従来のＱＭＨランプにおいては、ハロゲン化金属プールの温度は、ピーク効率及び最高の色質を得るための望ましい温度をはるかに下回ることが分かっている。
ＵＶ放射線捕捉用の薄膜状被膜４０を付加することで、該被膜が無い場合にアーク管の外部に無用に放射されるはずのＵＶ放射線が捕捉されることによって、ハロゲン化金属プールが有利且つ有意に加熱される。被膜４０によるハロゲン化金属プールの加熱は、アルミナ末端被膜の有無にかかわらず、被覆されたＱＭＨランプを、アルミナ末端被膜を有する従来の被覆されていないＱＭＨランプよりも高い効率で有効に動作させることができる。

被膜４０が特に適切であるランプには、上述のようなメタルハライドランプが含まれる。被膜４０は、ＵＶ放射線を実質的に除去するので、表示ランプによる、織物、プラスチック、又は塗装物品などの表示物が退色する傾向が低減される。更にこの被膜は、ＵＶ放射線による劣化を受けやすいプラスチック製のランプケーシング及び外囲部材を保護し、光ファイバの劣化を防止するように機能する。アーク管上でハロゲン化金属プールの加熱を促進するために従来的に使用されているアルミナ末端被膜無しで、ランプを作製することができる。

被膜４０は多層構成を有しており、ここでは、様々な（通常は交互の）被膜層が屈折率の異なる（つまり、高屈折率及び低屈折率の）材料を含む。被膜材料は、好ましくは、材料の耐熱性、ランプ放射が強い可視及び赤外領域における低い吸収性、耐久性、及び被着の容易性に基づいて選択される。層の厚さは、ＵＶ波長である約３００〜４００ｎｍ領域における反射率を最適化すると共に、可視波長の約４００〜７００ｎｍ領域における透過性を保持するように選択される。被覆されたアーク管は、ＵＶ光を吸収するのではなく反射することによってＵＶボトルとして作用し、ハロゲン化金属プールに衝突し、その中に吸収されるまでアーク管チャンバ内周辺で反射するＵＶを捕捉する。一実施形態において、低屈折率材料及と高屈折率材料の交互の組合せは、３００〜４００ｎｍ領域のＵＶ放射線の反射及び４００〜約４２０ｎｍ領域の可視光線の一部の反射を生じるように選択される。従って、この被膜は、約４００ｎｍを下回る光を反射する一連の１／４波長反射体を形成する。

本発明による被膜４０は、２乃至１００層又はそれ以上の層を備え、約０．２〜４．０ミクロンの厚さを有する。被膜内の個々の層は、１０〜２５０ｎｍ範囲の厚さを有することができる。これらの範囲は、個々の被膜材料の反射特性の関数であり、従って特定の被膜構成に応じて変わることになる。任意の数の層を使用することができるが、少なくとも幾つかの層のペアは、有意な反射率をもたらすのに使用される。被膜のコスト、光学的透明性、及び強度によって、層の数及び全体の厚さが制限される可能性がある。製造の便宜上、約１０〜５０の層を使用してランプ効率を有利に高めることができる。

多層被膜４０は、アーク管の表面上に被膜材料を付着させるための既知の任意の好適な付着法によって付着させることができる。例示的な方法には、限定ではないが、化学蒸着法、熱蒸着法、プラズマ支援化学蒸着法、イオンメッキ法、浸漬被覆法、イオンビーム蒸着法、スパッタリング法、及びレーザアブレーション法が含まれる。

多層被膜４０は、好ましくは、アルミニウム、タンタル、チタニウム、シリコン、ニオビウム、ハフニウム、セリウム、ジルコニウム、イットリウム、エルビウム、ユーロピウム、ガドリニウム、インジウム、マグネシウム、ビスマス、トリウム、及びこれらの組合せ、並びに同様に好適な希土類金属の少なくとも１つの酸化物又は窒化物を含む。より好ましくは、上記酸化物又は窒化物の少なくとも２つの組合せを含む。１つの好ましい組合せにおいては、シリカ成分は、その他の高屈折率の酸化物又は窒化物の１つと協働して被膜の反射品質に寄与する。

上記材料を組み合せると、スペクトルの約４００〜７００ｎｍ部分の可視光放射を有効に透過し、スペクトルの約３００〜４００ｎｍ部分のＵＶ光放射を反射し、更に最高約４２０ｎｍまでの可視光放射の一部を反射する被膜が得られる。

多層被膜を最適化する（コンピュータ最適化）商業的に入手可能な多くのコンピュータプログラムが存在する。これらのコンピュータプログラムには、Ｏｐｔｉｌａｙｅｒ（Ｏｐｔｉｌａｙｅｒ，Ｌｔｄ．、販売ＤｅＢｅｌｌ Ｄｅｓｉｇｎ）、ＴＦ Ｃａｌｃ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｓｐｅｃｔｒａ，Ｉｎｃ．）、ＭｃＬｅｏｄ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ（アリゾナ州フェニックスのＴｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｅｎｔｅｒにより発行）が含まれる。このプログラムには、例えばスペクトルの各波長又は波長領域における所望の反射率／光透過率、被膜上への所望の光入射角、層の総数又は最大数、及び所望の特性の各々の相対的重要度を規定する重み係数といった所望の被膜特性が入力される。このようなプログラムは、電磁スペクトルを多数の波長領域に分割して、各領域を個別に分析することができる。次いで、プログラムは、選択されたパラメータに合致するよう被膜を最適化するために、最適な層の数及び各層の最適な厚みを確定する。プログラムは、選択されたパラメータに対して層構成を確定して該構成をチェックすることによってこれを行う。次にプログラムは、１つ又はそれ以上の層の厚さを変えるなどの小さな変更を構成に対して行い、この新しい構成をチェックして、該構成が選択されたパラメータの最適化の点でより良好か否かを調べる。このプロセスは、これ以上改善ができなくなるまで繰り返される。全てのパラメータを同時に完全に最適化することは不可能であることは明らかであるが、大きな重みが割り当てられたパラメータには、より高い最適化の優先度が与えられる。

従来、このようなプログラムは、電磁スペクトルのＵＶ又は赤外領域の放射線を捕捉するための多層被膜設計を生成するために使用されてきた。しかしながら、これまで設計された被膜は全て、放電近傍のアーク管壁４４の内表面５０（図２）に対してほぼ垂直又は垂直に近い角度θにて被膜層の厚さを計算するように設定された。多層被膜内の各層ｌ_１，ｌ_２，ｌ_ｎの厚さｔ_１，ｔ_２，．．．，ｔ_ｎ（ｎ層を備えた被膜の場合）は、放出された光が各層を通ってｘ方向に距離ｔ_ｉ（ｉ＝１，２，．．．，ｎ）だけ進むとの仮定に基づいて計算された。

しかしながら、発明者らは、光線追跡計算により、光がアーク管壁の内表面５０に衝突する角度は、主としてその内表面に垂直な角度ではないということを見出した。むしろ、アークの有限の直径、アーク管の延在長、及びチャンバ内における複数回の反射に起因して、光は、一般に垂直（方向ｘ）から約５〜３５°の「非垂直」であり、平均角度がαの角度θの範囲にわたって壁４４に衝突する(図３参照)。光線は、或る角度範囲にわたって壁に衝突し、従ってαは、ＵＶ領域の光子がアーク管壁に到達する平均角度を表す。アーク管の内表面５０上に被膜が配設される場合には、αが測定される表面は、明らかに被膜の第１層の最も内側の表面である。

図３に示すように、αは必ずしもピーク又は卓越入射角θｐである必要はないが、曲線は幾分より大きな角度まで屈曲することから、一般的にはαはθｐよりも僅かに大きく、典型的には約５°〜７°大きい。角度αは、アークからの光放射の半径分布及び角度分布、及びアーク管の形状及び寸法に依存する。ＵＶ放射線は，主として角度αで壁に衝突するので、ｔ_ｉよりも大きい距離ｄ_ｉＩ（ｄ_ｉ＝ｔ_ｉ／（ｃｏｓα／ｎ_Ｉ）であるから）だけ層ｌ_ｉ内を進む。

従って、従来の被膜設計においては、各層の厚さは、或る非垂直な角度で光が衝突する時に実際に進む距離に対して最適化されていない。

好ましい実施形態においては、層の数及び厚さを計算するために使用されるプログラムは、α又はαに近い角度において最適化される。プログラムは、好ましくはαの±１０°内の最適化角度、より好ましくはαの±５°内の最適化角度、より好ましくはαの±２°内の最適化角度、最も好ましくは角度αで最適化される。

垂直な入射角ではなく非垂直な角度αに対する層の厚さを最適化することにより、被膜によるＵＶ反射の改善とランプの光出力の改善とが認められた。

アーク管内部で数回の反射を行うＵＶ放射線の半径分布及び角度分布を確定するために、好ましくは光線追跡モデルが使用される。図１に示すタイプの円筒形石英メタルハライドランプの場合、１つの光線追跡モデルは、ＵＶ放射線が２０〜４０°範囲内でピークとなる角分布パターンと約３０°の角度αとを有することを示した。

図１に示すような垂直に配向されたランプにおいては、垂直から０°で最適化されたランプと比べて、角度αでの最適化又はある角度αの範囲内で最適化することによりＵＶ光分布の反射の１０〜２０％又はそれ以上の増加を得ることができる。例えば、θが垂直から約２６°でピーク値（θα）が認められ、αが約３０°（図３）であることが認められた場合、フィルムは、垂直（０°）ではなく垂直から約３０°に最適化された。長期使用にわたり維持されるルーメンで３０％の改善を達成することができる。

図１と同様の全般的構成の垂直配向円筒形ランプでは、平均入射角αは、主として１５°〜４０°の範囲、より一般的には２５°〜３５°の範囲であることが認識されている。従って、被膜設計は、平均入射の正確な角度αの評価を必要とせずに、１５°〜３５°の範囲、より好ましくは約２５°から約３０°までの範囲の最適化角度で好都合に行うことができる。しかしながら、被覆されるべき特定のランプ設計においては、角度αは、光線追跡計算及びこの角度又はこれに近い角度に対して最適化された被膜設計を使用して、実験的もしくは経験的に決定されるのがより好ましい。しかし、約３０°〜３５°の最適化角度を越えると、被膜は可視出力の一部を遮断するので、最適化の利点の一部が相殺される場合がある。従って、垂直から約３０°又はこれを下回る角度で最適化することが好ましい。

成形された（非円筒形の）垂直配向アーク管、すなわち放電領域に膨出部を有するアーク管の場合、平均角度αは、等価な円筒形ランプよりも一般に小さく、２０°に近いものとすることができる。従って、被膜設計は好ましくは２０°又は約２０°で最適化される。

水平に整列されたアーク管の場合、最適化角度は一般に更に小さく、垂直に近い（０〜１５％）。水平ランプの場合、αの約±５°内、より好ましくはαである適切な角度を選択することにより、約１０％又はそれ以上のルーメン出力の増大が容易に達成される。

被膜４０は、アーク管壁４４の外表面上に付着されているものとして示されているが、代わりに被膜を壁の内表面５０上に形成することも企図される。被膜は、ランプから出る全てのＵＶ放射線が被膜上に入射するように、壁の全表面を覆うのが好ましいが、或いはＵＶ放射線が主に放出される区域に限定してもよい。

多層被膜４０は、必要であれば赤外線フィルタと組み合せることができる。アーク管は、光透過性のシュラウド又は外側ジャケット５２で取り囲むことができる。ランプはまた、反射体（図示せず）を含むことができる。

被膜４０中の層の数及び各層の厚さは、放電により放出された後に溶融ハロゲン化金属プールによって吸収される波長に対応する特定の１つ又は複数の波長のＵＶを反射するように最適化されるのが好ましい。

水銀（Ｈｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びスカンジウム（Ｓｃ）の充填材を含む石英メタルハライドランプの場合、ＵＶピークは、典型的には３６５（Ｈｇ）、３９１（Ｓｃ）、及び４０５（Ｈｇ）ｎｍで見られる。表１は、被覆されていないＱＭＨランプのスペクトルパワー分布を示す。アークによって放射されたパワーは、ＵＶ領域を通じて、更に可視領域内の紫外域にまで波長が大きくなるにつれて増大する。一般に、ＵＶ反射被膜設計の遮断波長が高いほど、より大量の放射パワーが被膜によって捕捉され、ハロゲン化金属プールの加熱が増大するようになる。従って、約３７０〜４５０ｎｍの上限遮断波長（λ_５０）までの波長、より好ましくは約３９０〜４２０ｎｍまでの波長を反射するようにフィルムを最適化することが望ましい。λ_５０は、被膜の反射率が５０％である波長である。従って、反射率範囲の上限遮断波長における反射率は５０％であり、下限遮断波長における反射率は５０％である。選択された範囲の上限遮断波長が高過ぎる場合には、スペクトルの可視領域の光の損失が生じる。領域の上限遮断波長が低く選択された場合には、ＵＶの一部がアーク管から漏れ出す。最適な上限遮断波長（λ_５０）は、３９０〜４２０ｎｍの領域内（約４０５ｎｍ）であることが分かった。下端遮断波長（λ_５０）は、好ましくは約３００ｎｍ又はこれを下回る。

一実施形態においては、被膜は、３００〜３７０ｎｍで少なくとも９０％、より好ましくは少なくとも９５％、最も好ましくは少なくとも９６〜９８％の反射率を達成するように最適化される。この被膜はまた、スペクトルの可視領域で高い光透過性を達成し、約４５０ｎｍを越える可視波長に対して好ましくは９５％より高く、より好ましくは少なくとも約９８％であるように最適化される。

３００〜４００ｎｍ領域における高い反射率は、必要であれば、ＵＶ放射線が被膜によって実質的に吸収又は透過されることなく、ハロゲン化金属プールに到達し吸収されるまでアーク管内部で複数回の反射を行うことができることを保証する。これにより、ハロゲン化金属プールに戻されて該プールが吸収する累積ＵＶエネルギーが最大になる。例えば、ハロゲン化金属プールに衝突するまで平均約６回の反射を行うＵＶ光線は、反射率が９８％の場合で８８％の効率、反射率が９５％の場合で７４％の効率で捕捉されるが、反射率が９０％の場合には５３％の効率でしか捕捉されない。発明者らは、図１に示すタイプの直線壁を有する垂直に整列されたアーク管においては通常、反射は平均６〜７回であることを確認した。

上限及び下限遮断波長間の波長領域は、選択されたランプのスペクトル分布に応じて変化する可能性があることは理解されるであろう。上記領域は、表１に示すＱＭＨランプ用に選択されている。例えば、３９０〜４００ｎｍの領域で放出されるＵＶがほとんど無いか或いは全く無い場合には、上限遮断波長は低くなる可能性がある。

更に、被膜を設計するために使用されるプログラムは、ＵＶ放射が最も大きいＵＶスペクトルの領域において、最も高い反射率を与えるように重み付けされるのが好ましい。例えば、３６５、３９１、及び４０５ｎｍでＵＶ放射を行うＱＭＨランプの場合、プログラムは、スペクトルパワーが最も高い波長の領域で反射率が最適化されるように重み付けされるのが好ましい。このようにして、全ＵＶ領域に対して平均反射率が最適化される。より複雑なプログラムでは、所与の波長帯域に対して反射率を最適化する重み付けは、好ましくはその波長におけるスペクトルパワーに直接関係しており、すなわちスペクトルパワーがより高い帯域が比較的高い重み付けを受けるので、プログラムは、これらの領域に対してはより高い反射率を生成するようになる。

以上のことから分かるように、被膜設計プログラムは、一般に、被膜の全ての特性を同時に最適化することはできない。従って、より重要度が高いと考えられる特性（スペクトルパワーが高い場所における高い反射率のような）に対してより高い重み係数を適用することによって、プログラムは、操作者が最も重要と考える特性の最適化に対してより大きな重みを与える。

被膜４０は、壁の過熱を最小にし、且つハロゲン化金属プールの加熱を最大にするために、ＵＶ放射線を吸収するのではなく反射するように構成されるのが好ましい。本発明のランプは、好ましくは１回の反射当たりに約２〜３％又はこれより少ないＵＶしか薄膜内に吸収しない。発生するＵＶの約８０〜９０％は、ハロゲン化金属プール内に吸収されて熱に変換される。その結果、ランプはより良好な熱的均一性を有し、ハロゲン化金属プールがより高温で作動することを可能にし、これによって同じ寿命の間により高いＬＰＷをもたらす。

多層被膜は、上記特徴の１つより多い特徴をもたらすように最適化することができる点を理解すべきである。例えば、多層被膜は、非垂直最適化と高い反射率の両方を提供するように設計することができる。しかしながら、被膜を設計して対応するようにされる各追加特性は、他の特性の最適化の幾らかの損失を生じる傾向にあることを理解すべきである。被膜が、最適入射角をＵＶ波長の好ましい領域にわたって高い反射率に整合させるように設計されている場合には、垂直方向に点灯する円筒形アーク管の効率は、被覆されていないアーク管に対して８〜１６％だけ増大される。

本発明の範囲を限定するものではないが、ＨＩＤメタルハライドランプにおける被膜の下記の実施例は、このようなランプの放射の改善を達成する方法を示すものである。
［実施例］
実施例１
ＵＶ被膜の非垂直最適化
３０°の入射角αに対して最適化された多層被膜を、ＨＩＤメタルハライドランプ（ＧＥ ＭＶＲ４００／ＶＢＵ）内の垂直方向に作動するアーク管に施した。このアーク管は、非ドープ石英で形成され、実質的に図１に示すようなアーク管であった。被膜は、石英基板上にＴａ_２Ｏ_３（高屈折率材料）とＳｉＯ_２（低屈折率材料）から成る交互層で形成された。ＵＶ光線分布の実ピーク角度θｐは、光線追跡プログラムを用いて、約２６°でより大きな角度に曲っていることが確認され、その結果、３０°が好ましい（平均）最適化角度αである。ＭＶＲ４００の場合においては、分布の３分の２は、０°〜４５°の間に含まれることが分かった。

３０°にて最適化された被膜は、約３００ｎｍと３６５ｎｍとの間で９６〜９８％の反射率を有し、３７０ｎｍ近傍で減少し始めた。

表２は、３０°にて最適化された被膜の設計を、層の組成及び厚さに関して層１（アーク管壁に最も近い層）から順に示している。

図４及び図５は、入射角０°及び３０°に対する２００〜１０００ｎｍの領域における被膜の反射率と透光率を示す。

図４から分かるように、被膜に対する入射角が３０°の場合、反射率のグラフでは、入射角３°で観察される被膜と比べて３０°の被膜を観察すると、約２０ｎｍ分だけ波長が下方へ移動している。
実施例２
３０°にて最適化されたランプの性能における改善の算出
実施例１の３０°にて最適化された高反射率ランプを、他のＵＶ被膜付きランプと比較した。表３は、アークにより放出され、ハロゲン化金属プールが配置されたアーク管の端部まで被膜によって供給されるＵＶの量の光線追跡計算結果を反射率と最適化角度の関数として示している。この表に示された数値は、指定された波長領域内においてアークから放出された光線であり、最終的には反射されてハロゲン化金属プールへ戻る光線のパーセンテージを表している。従って、最適化角度α＝３０°にて最適化され、且つ高反射率（３００〜３７０ｎｍ領域で平均９８％）用に形成された被膜を備えた同等のアーク管の場合の４９．９％と比較すると、垂直から１５°にて最適化された低反射率（９０％）の被膜付きアーク管の場合では、例えば近ＵＶ領域（３００〜４００ｎｍ）において放出されたＵＶ光線の３０．８％だけがハロゲン化金属プールに戻る。上述のことから明らかなように、プールに戻らないＵＶは実質的に無駄に消費され、アーク管壁を加熱するか、もしくはアーク管壁を透過する。高反射率（実施例１のランプの場合、９６〜９８％）と組み合せた３０°における最適化は、約１５°にて最適化され且つより低い反射率（Ｌｏｗ−Ｒ）を有する同様のランプより優れる５０％の改善をもたらし、約１５°にて最適化され且つ高い反射率（Ｈｉｇｈ−Ｒ）を有するランプより優れる１５％の改善をもたらすことが算出された。被覆されていないランプと比較して、３０°にて最適化されたＨＩｇｈ−Ｒのランプの場合には、ＬＰＷにおいて１６％の増大が得られ、１５°にて最適化されたＬｏｗ−Ｒの被膜では、ＬＰＷにおいて２〜５％の増大に過ぎなかった。

表３において、低反射率設計の場合には、３００〜３７０ｎｍ領域にわたり平均反射率が約９０％であり、高反射率設計の場合には、同領域における平均反射率は９８％である。

実施例１の３０°にて最適化された被膜４０が被覆された垂直配向の円筒形ランプ（ＧＥのＭＶＲ４００）に対して、ルーメン維持試験が行われた。これらのランプは、４０００時間のテスト期間中、同等の被覆されていないランプよりも有意に良好なルーメン維持を有することが分かった。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきた。前述の詳細な説明を読んで理解すると、変更及び修正が存在することは当業者には明らかであろう。このような変更及び修正は全て、これらが添付の請求項又はその均等物の範囲内に含まれる限り、本発明に含まれるものと解釈されるべきである。

本発明によるランプの断面図。 ＵＶ光線の経路を示す、図１のアーク管壁の拡大断面図。 入射角θに対する光子数の概略グラフ図。 入射角３０°にて正規化されたＵＶ被膜付きランプにおける、入射角０°及び３０°にて観察される波長に対する反射率のグラフ図。 入射角３０°にて正規化されたＵＶ被膜付きランプの入射角０°及び３０°にて観察される波長に対する透過率のグラフ図。

符号の説明

Ａ メタルハライドランプ
１０ バーナ
１２ アーク管
１４ 内部チャンバ
１６ 気密シール部
２０、２２ 電極
２３ アーク放電
２４、２６ リード線
２８ 始動電極
３０ 蒸発可能材料
４０ 多層光学干渉被膜
４２ 外表面（アーク管壁４４の）
４４ 壁（アーク管１２）
５０ 内表面（アーク管壁４４の）
５２ シュラウド、外囲体

Claims (9)

1. メタルハライドランプ（１０）の効率を改善する方法であって、
   アーク管（１２）の表面（４２）上に多層被膜（４０）を配設する段階を含み、前記被膜が、屈折率の異なる少なくとも２つの材料から成る層を含み、これらの層が協働して可視放射線を透過させ、電磁スペクトルのＵＶ領域の放射線を反射し、前記被膜が、該被膜に衝突する３００〜３７０ｎｍのＵＶ放射線の少なくとも９５％を反射するように最適化されており、前記多層被膜が最適化される角度が、ＵＶ放射線の平均入射角の１０°以内で前記アーク管に衝突する角度であり、
   前記方法が更に、
   アークからＵＶ放射と可視放射を生じさせるように前記ランプを作動させる段階と、
   前記ＵＶ放射線を反射して前記ランプ内へ戻す段階と、
   を含む方法。
2. 前記被膜が、該被膜に衝突するＵＶ放射線の少なくとも９８％を反射するように最適化されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ３００〜４００ｎｍの波長領域においてアークから放出されたＵＶ放射線の少なくとも４５％がハロゲン化金属プールに到達すること、
   ３００ｎｍと３９１ｎｍとの間にある前記ランプのＵＶ放射線の少なくとも平均９０％が反射されること、
   ４５０〜６５０ｎｍ領域の少なくとも平均９６％の投射が反射されること、
   及び、
   ３００ｎｍと３７０ｎｍとの間にある前記ランプのＵＶ放射線の少なくとも平均９５％が反射されること、
   の内の少なくとも１つが真であるように、前記被膜がＵＶ放射線を反射することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 被覆されていない時のランプのスペクトル分布を求める段階と、
   前記ＵＶ放射が最大であるＵＶスペクトルの領域において、より大きな反射率を与えるように前記被膜を最適化する段階と、
   を更に含む請求項１に記載の方法。
5. ４００〜４５０ｎｍの波長領域内の可視光の一部を反射して前記ランプに戻す段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記アーク管が、非ドープ石英で形成され、
   前記ランプ作動中の前記アーク管上への放射線の非垂直入射を考慮するよう選択された角度（∀）にて前記多層被膜を最適化する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
7. ＵＶ光が前記アーク管に衝突する平均角度を求める段階と、
   前記被膜が最適化される角度を前記平均角度の５°以内になるように選択する段階と、
   を更に含む請求項６に記載の方法。
8. 前記被膜が、複数の波長の各々におけるスペクトルパワーに正比例して、複数の波長の各々におけるＵＶ光を反射するように最適化されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記アーク管の表面上に多層被膜を配設する段階が、ある角度で被膜を最適化するために、前記被膜内の層の各々の厚さと最適な層の数とを計算するためのコンピュータプログラムを利用することを含む請求項１に記載の方法。

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