WO1995001648A1

WO1995001648A1 - Metallhalogenid-hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: WO1995001648A1
Application number: PCT/DE1994/000702
Authority: WO
Inventors: Andreas Genz
Original assignee: Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 1995-01-12
Also published as: US5668441A; EP0706713B1; DE4322115A1; JPH08506450A; DE59404543D1; EP0706713A1; JP2817804B2; CN1049067C; CN1126528A

Abstract

Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe (2), die insbesondere für den Einbau in optische Systeme (1) geeignet ist, wird bei spezifischen Bogenleistungen zwischen 100 und 180 W pro mm Bogenlänge betrieben. Zur Bildung von Metallhalogeniden enthält das Entladungsgefäß (9) pro cm3 Gefäßvolumen je zwichen 0,3 und 3 νmol Dysprosium, Hafnium und Lithium sowie zwischen 0,2 und 2 νmol Indium, wodurch Leuchtdichten zwischen 25 und 75 kcd/cm2 bei Farbtemperaturen zwischen 4500 und 7000 K erzeugt werden können. Mittels Spezialreflektor (1) werden Lichtflecke mit ca. 4 mm Durchmesser und einem Farbwiedergabeindex Ra von 80 erreicht. Dadurch wird der Einsatz der Lampe in Kombination mit dünnen Glasfaserbündeln für Beleuchtungszwecke, beispielsweise in der Endoskopie, ermöglicht.

Description

Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe

Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenid-Hoch- druckentladungslampe mit einer mittleren Bogenlei- stung zwischen 100 und 180 W pro mm Bogenlänge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Me allhalogenid-Hochdruckentladungslampen dieser Art werden insbesondere für Glasfaserbeleuchtungs¬ systeme in der Medizin (Endoskopie) und Technik (Boroskopie) eingesetzt, wo Licht mit Farbtempera- turen zwischen 4500 und 7000 K und guter bis sehr guter Farbwiedergabe in allen Farbtemperaturberei¬ chen sowie hohe Beleuchtungsstärken benötigt wer¬ den.

Eine verlustarme Einkopplung des Lichts in das

Glasfaserbündel erfordert eine gute Fokussierung, d.h. einen Fokusdurchmesser, der kleiner oder höchstens gleich dem nutzbaren Durchmesser des Glasfaserbündels ist. Für die Erzeugung eines entsprechenden Lichtflecks wird im wesentlichen der Bogenkern durch einen Reflektor oder ein sonstiges optisches System abgebildet. Enthält nun das vom Bogenkern emittierte Licht nicht alle spektralen Anteile des insgesamt von der Lampe abgestrahlten Lichts, so kann sich die Farbwiedergabeeigenschaft des fokussierten Lichts gegenüber jener des unfo- kussierten Lichts verschlechtern. Daher ist es von großer Wichtigkeit, für den Einsatz in den genann- ten fokussierenden Systemen gezielt Füllungsbe¬ standteile zu finden, die im heißen Bogenkern und nicht nur im kühleren Bogenrand emittieren. Außer¬ dem müssen für eine gute Fokussierung und hohe Be¬ leuchtungsstärken am Eingang des Glasfaserbündels besonders kompakte Lampenabmessungen und ein sehr kurzer Lichtbogen (wenige mm) mit höchsten Leucht¬ dichten (im Mittel einige 10 kcd/cm²) angestrebt werden.

Aus der EP 0193 086 sind Metallhalogenid-Hochdruck- entladungslampen mit ähnlich kurzen Lichtbögen und entsprechend hohen Leuchtdichten bekannt, die Licht mit guten Farbwiedergabeeigenschaften abgeben.

Nachteilig ist jedoch, daß die Füllungen dieser

Lampen Cadmium enthalten. Aus Gründen des Umwelt¬ schutzes muß das toxische Schwermetall Cadmium nach dem Ende der Lampenlebensdauer wieder dem Rohstoff¬ kreislauf zugeführt oder sachgemäß entsorgt werden, _Was in beiden Fällen mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Außerdem weisen die Lampen mit Cd-Füllung einen störenden Grünstich auf, und der Farbort liegt oberhalb der Planckschen Kurve.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Metallhaloge- nid-Hochdruckentladungslampe zu schaffen, die einen sehr kurzen Lichtbogen mit sehr hoher Leuchtdichte besitzt, sowie eine Farbtemperatur zwischen 4500 und 7000 K bei einem Farbort nahe der Planckschen Kurve aufweist, eine gute Farbwiedergabe insbeson¬ dere auch in Kombination mit einem stark fokussie- renden Reflektor oder sonstigem optischen System besitzt und dieses Ziel mit einer Cadmium-freien Füllung erreicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk¬ male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Metallhalogenid-Hochdruckent- ladungslampe wird bei spezifischen Bogenleistungen zwischen 100 und 180 W pro mm Bogenlänge betrieben. Bei den kompakten geometrischen Dimensionen der Lampe - sehr kurzer Elektrodenabstand (wenige mm) und geringes Gefäßvolumen (einige Zehntel ml) - entspricht dies Wandbelastungen von 70-120 W pro cm² Wandfläche des Entladungsgefäßes. Mittels der erfindungsgemäßen Füllungsbestandteile des Entladungsgefäßes werden mittlere Leuchtdichten von 25-75 kcd pro cm² Bogenfläche erzielt, die mit Hilfe eines Reflektors oder sonstigen optischen Systems auf einen Lichtfleck, dessen Dυrchmesser weniger als 10 mm beträgt, fokussiert werden kann. Der besondere Wert der Erfindung besteht nun darin, daß die gute bis sehr gute Farbwiedergabe (Ra >_^ 75) auch nach der Fokussierung erhalten bleibt, wobei der Farbort nahe der Planckschen Kurve liegt, und dies mit einer Füllung erzielt wird, die auf das bisher verwendete toxische Cadmium verzichtet.

Der Füllung der erfindungsgemäßen Lampe, die aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas und minde¬ stens einem Halogen besteht, ist Dysprosium (Dy), Hafnium (Hf), Lithium (Li) und Indium (In) zuge¬ setzt. Die Füllmengen in μmol pro ml Gefäßvolumen betragen vorteilhaft für Dy, Hf und Li jeweils zwischen 0,3 und 3 sowie für In zwischen 0,2 und 2. Dysprosium sorgt mit seinem Viellinienspektrum für einen hohen Strahlungsfluß im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und trägt zusätz¬ lich zum Kontinuu santeil bei. Hafnium erzeugt ebenfalls ein Viellinienspektrum und reduziert außerdem die Entglasungsneigung, indem es einen verstärkten Halogenmantel an der Kolbenwand auf¬ baut. Durch den hohen Dampfdruck der Hafniumhaloge¬ nide wird außerdem die Neigung zu Kolbenschwärzun- gen vermindert und folglich der nutzbare Lichtstrom während der Lampenlebensdauer erhöht.

Durch Lithium und Indium wird der Strahlungsfluß insbesondere im roten und blauen Teil des optischen Spektralbereichs verstärkt. Insgesamt weist das abgestrahlte Licht eine spektrale Zusammensetzung auf, die jener der Planckschen Strahlung sehr nahe kommt, d.h. gute bis sehr gute Farbwiedergabeeigen¬ schaften besitzt. Je nach Verhältnis der Füllmengen der einzelnen Komponenten kann Licht mit einer Farbtemperatur zwischen 4500 und 7000 K erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Lampe wird bevorzugt in di- chroitischen Spezialreflektoren eingesetzt, die im wesentlichen den inneren Bogenkern abbilden. Durch die gezielte Wahl der beiden atomaren Strahler Lithium und Indium, die bevorzugt im heißen Bogen¬ kern strahlen, wird erreicht, daß die guten Farb- Wiedergabeeigenschaften auch im Fokus dieses Re¬ flektors erhalten bleiben. Außerdem wird durch die Verwendung von Lithium in Kombination mit Hafnium eine hohe Farbstabilität erzielt, d.h. die Farbtem¬ peratur ändert sich nur wenig innerhalb der Lampen- lebensdauer. Zur Bogenstabilisierung kann das Entladungsgefäß zusätzlich bis zu 3 μmol Cäsium pro cm³ Gefäßvolu¬ men enthalten. Zur Aufrechterhaltung des Halogen¬ kreisprozesses werden vorteilhaft Jod und Brom in einem molaren Verhältnis zwischen 0,3 und 1,5 verwendet. Des weiteren enthält die Lampe Quecksil¬ ber von typisch einigen Zehn bis einigen Hundert μmol pro cm³ Gefäßvolumen und ein Edelgas, bei¬ spielsweise Argon, als Grundgas. Der Fülldruck des Edelgases in der kalten Lampe beträgt weniger als Atmosphärendruck - typisch einige 10 kPa -, so daß in diesem Fall eine gefahrlose Handhabung möglich ist. Andererseits ist der Druckbereich hoch genug, so daß beim Zünden ein unerwünschtes Abdampfen der Wolfram-Elektroden und damit eine Schwärzung des Entladungsgefäßes weitgehend verhindert wird.

Die erfindungsgemäße Metallhalogenid-Hochdruckent- ladungslampe wird zwar bevorzugt in einem fest mit der Lampe verbundenen Reflektor eingesetzt, aller¬ dings ist es auch möglich, die Lampe ohne fest verbundenen Reflektor zu verwenden.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausfüh- rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Metallhalogenid- Hochdruckentladungslampe mit Reflektor

Fig. 2 je ein Spektrum aus dem Bogenkern (A) bzw. unteren Bogenrand (B) der Lampe aus Fig. 1.

Figur 1 zeigt eine in einem Reflektor 1 fest einge- baute Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 2 mit einer Leistungsaufnahme von 270 W. Die Lampe 2 liegt dabei mit ihrer Achse in der Achse des Re¬ flektors 1. Während ein Elektrodenschaft 3 mittels Kitt 4 im Keramiksockel 5 befestigt ist, wird der andere Elektrodenschaft 6 durch gleichzeitig als Stromzuführungen dienende Kupferbänder 7 am Keramik¬ abschlußring 8 des Reflektors 1 gehalten. Die Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 2 besitzt ein Entladungsgefäß 9, dessen Volumen 0,35 cm³ beträgt. Die Elektroden 10, 11 sind in einem Ab¬ stand von 2,2 mm über vakuumdicht eingeschmolzene Molybdänfolien 12, 13 mit den Stromzuführungen 14, 15 verbunden. Ein Stromanschluß 16 ist im Sockel 5, der andere (hier nicht sichtbar) am Abschlußring 8 des Reflektors 1 angebracht.

Der Reflektor 1 erzeugt in der Brennebene einen im wesentlichen kreisförmigen Lichtfleck der Lichtlei¬ stung .φ mit nahezu gaußförmiger räumlicher Vertei¬ lung der Beleuchtungsstärke E(r). In Polarkoordina¬ ten gilt daher näherungsweise

wobei r die Radialkoordinate und ro den Radius des

Lichtflecks bedeuten. Der Radius r_.= r gibt dem¬ nach den radialen Abstand vom Zentrum des Licht¬ flecks an, bei dem die Beleuchtungsstärke um den Faktor 1/e² kleiner ist, als die maximale Beleuch¬ tungsstärke E_mι (r =0)

im Zentrum des Licht¬ flecks. Der so definierte Durchmesser d= 2 x ro des

Lichtflecks - innerhalb dieser Abmessung befinden sich 1-1/e² = 86,5 % der gesamten Lichtleistung des Lichtflecks (in Anlehnung an die Vornorm DIN V

18 730) - beträgt ca. 4 mm. Der Öffnungswinkel der Strahlkaustik im Bereich des Fokus beträgt dabei ca. 60°. Nahezu der gesamte Lichtstrom kann also effizient in dünne Glasfaserbündel eingekoppelt werden, wobei der nutzbare Durchmesser des Glasfa- serbündels bis zu 4 mm klein sein darf, sofern der Akzeptanzwinkel des Bündels mindestens 60° beträgt

Aus der nachfolgenden Tabelle ist eine erfindungs¬ gemäße Füllung des Entladungsgefäßes 9 der Lampe 2 aus der Figur 1 sowie die erzielten lichttechni¬ schen Daten dieser Lampe (Farbwiedergabeindex Ra für Lampe 2 inkl. Reflektor 1) ersichtlich.

Tabelle Stoffmenge der Füllungsbestandteile in μmol:

Fülldruck des Grundgases (Ar) 45 kPa

Entladungsgefäßvolumen 0,35 cm³

Elektrodenabstand 2,2 mm

Leistungsaufnahme 270 W

Brennspannung 40 V

Spezifische Bogenleistung 125 W/mm

Wandbelastung 82 W/cm²

Lichtausbeute 70 lm/W mittle ^■ -^■; Leuchtdichte 35 kcd/cm²

Ra (Lampe inkl. Reflektor) 80

Farbtemperatur 5400 K

Lebensdauer > 250 h Die ausgeglichene spektrale Zusammensetzung des aus dem Bogenkern emittierten Lichts - Vorausset¬ zung für eine gute Farbwiedergabe bei Verwendung eines fokussierenden Reflektors - ist in Figur 2 dokumentiert. Dargestellt sind zwei mit Hilfe eines Spektrometers gemessene Emissionsspektren der in Figur 1 beschriebenen Lampe im Spektralbereich zwischen 250 und 925 nm. Sie stammen aus dem Licht des Bogenkerns A bzw. des unteren Bogenrandes B und verdeutlichen die Ortsabhängigkeit der spektralen Zusammensetzung des emittierten Lichts. Auf der Ordinate ist die relative Lichtintensität in rela¬ tiven Einheiten aufgetragen und auf der Abszisse die Wellenlänge in Nanometern (nm). Die spektrale Auflösung des verwendeten Spektrometers beträgt ca. 1,5 nm. Seine spektrale Übertragungsfunktion wurde mit Hilfe des Spektrums einer Halogenglühlampe für Wellenlängen > 350 nm korrigiert. Die stärksten Linien des Quecksilbers sind nicht vollständig dargestellt, um die Struktur der restlichen Spek¬ tren besser erkennen zu können (die Maximalwerte der genannten Linien betragen etwa 67 000 in rela¬ tiven Einheiten). Die zwei auffälligsten Merkmale beider Spektren sind der Untergrund und die Viel- zahl der sich daraus erhebenden Spektrallinien. Der Untergrund besteht aus Kontinuumsstrahlung (Rekom¬ binationsstrahlung ungebundener Elektronen) , Mole¬ külbanden (z.B. Halogenidmoleküle) und eng benach¬ barte Resonanzlinien atomarer Strahler (z.B. Dy, Hf), die durch das verwendete Spektrometer nicht in einzelne Linien aufgelöst wurden.

Durch die erfindungsgemäßen Füllungsbestandteile hat wie gewünscht das aus dem Bogenkern emittierte und anschließend durch den Reflektor fokussierte Licht eine innerhalb des gesamten sichtbaren Be¬ reichs (ca. 380-780 nm) ausgewogene spektrale Zusammensetzung, die einer Planckschen Verteilung ähnlich ist. Wie deutlich zu ersehen ist, wird insbesondere durch Indium und Lithium ein Auffüllen des Spektrums A im grün-blauen sowie roten Bereich erzielt, so daß schließlich eine gute bis sehr gute Farbwiedergabe des aus dem Bogenkern emittierten Lichts erreicht wird. Das aus dem Bogenrand emit- tierte Licht hat hingegen keine guten Farbwiederga¬ beeigenschaften, da der blau-grüne Spektralanteil deutlich unterrepräsentiert ist (s. Spektrum B).

Claims

Patentansprüche

1. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe (2) mit einer mittleren Bogenleistung zwischen 100 und 180 W pro mm Bogenlänge, insbesondere für den Einbau in optische Systeme (1), mit einem Entla- dungsgefäß (9) aus hochtemperaturfestem lichtdurch¬ lässigen Material, zwei hochtemperaturbeständigen Elektroden (10, 11) und einer Füllung aus Quecksil¬ ber, mindestens einem Edelgas, mindestens einem Halogen sowie weiteren Metallen, die Metallhaloge- nide bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu¬ gung von Licht mit einer Farbtemperatur zwischen 4500 und 7000 K und Leuchtdichten zwischen 25 und 75 kcd/cm² die Füllung als halogenidbildende Metal¬ le Dysprosium, Hafnium, Lithium und Indium enthält.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Dysprosiums, Hafniums und Lithiums jeweils zwischen 0,3 und 3 μmol pro cm³ des Gefäßvolumens beträgt.

3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Indiums zwischen 0,2 und

2 μmol pro cm³ des Gefäßvolumens beträgt.

4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß zusätzlich bis zu 3 μmol pro cm³ des Gefäßvolumens Cäsium enthält.

5. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß als Halogene für die Halo- genidverbindungen Jod und Brom enthält.

6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Jod und Brom zwischen 0,3 und 1,5 beträgt.

7. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abbildung des Bogenkerns auf einen Lichtfleck mit einem Durchmesser zwischen 3 und 10 mm ein Farbwiedergabeindex des Lichts von Ra > 75 erzielt wird.