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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht von einem Leuchtkörper mit einem thermischen
Emitter und einer Lampe mit einem derartigen Leuchtkörper
aus.
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Stand der Technik
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Bei
herkömmlichen Temperaturstrahlern, die die Grundlage eines
Großteils der Leuchtmittel bilden, wird entsprechend dem
Planckschen Gesetz ein erheblicher Teil der elektromagnetischen
Strahlung in einer für das menschliche Auge unsichtbaren
Wellenlänge abgegeben. Um nun die Effizienz von Glühlampen
zu steigern, können unterschiedliche Ansätze zum
Einsatz kommen. Es kann die Wendeltemperatur gesteigert werden,
wodurch sich der Anteil an sichtbaren Licht im emittierten Licht
erhöht. Ferner kann durch eine spezielle Beschichtung auf
dem Lampenkolben zur Wärmerückgewinnung die durch eine
Glühwendel erzeugte Wärme zu dieser reflektiert
werden. Auf diese Weise ist eine geringere Energiezufuhr von außen
notwendig, um die Wendel auf Betriebstemperatur zu bringen.
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Eine
Halogenglühlampe mit einer derartigen Infrarotreflexionsbeschichtung
ist aus dem Patent
DE 19701794A1 bekannt.
Es besteht bei einfach zu bauenden und kostengünstigen
Glühlampen die Notwendigkeit, die Effektivität
zu steigern, das heißt die Lichtausbeute zu erhöhen
und den Energiebedarf zu vermindern. Eine Möglichkeit zur Änderung
des Abstrahlungsverhaltens eines thermischen Emit ters ist die Integration
dieses Emitters in einen photonischen Kristall, der eine regelmäßige
Struktur in der Größe der zu blockierenden Wellenlänge
aufweist, wobei diese regelmäßigen Strukturen
Brechungsindizes aufweisen, die sich stark voneinander unterscheiden. Im
Ergebnis kann sich Licht mit einer Wellenlänge, das dieser
Strukturgröße entspricht, in dem Kristall nicht
ausbreiten, wobei sich jedoch die Strahlung in Bereichen außerhalb
der Wellenlänge erhöht.
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In
den Druckschriften
EP
1575080A2 und
US 2006/0071585A1 sind
Glühlampen mit einem Glühfaden offenbart, um die
ein zweidimensionaler oder dreidimensionaler photonischer Kristall
vorgesehen ist. Ferner wird bei den genannten zwei Druckschriften
eine relativ breitbandige Strahlung erzeugt. Bei einem aufgebrachten
Bragg-Spiegel für diese breitbandige Strahlung verlassen
noch ca. 40% der Infrarotstrahlung den Leuchtkörper. Somit
kann mit den genannten Leuchtkörpern die gewünschte
Effizienzsteigerung nicht umgesetzt werden.
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In
der Druckschrift
US
2003/0235229A1 ist ein VCSEL-Laser (vertical cavity surface
emitting laser), bei dem photonische Kristalle zum Einsatz kommen,
offenbart. Von Nachteil ist hier, dass als Emissionsquelle Halbleiter
verwendet werden, deren hohen Herstellungskosten den Einsatz in
kostengünstigen Glühlampen nicht gestatten.
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Somit
besteht Bedarf nach einer Lampe die vorwiegend weißes Licht
erzeugt, dessen Leuchtkörper einen einfachen Einbau in
die Lampe erlaubt, bei dem das Licht diffus verteilbar oder zumindest
ein beträchtlicher Raumwinkel ausleuchtbar ist, dessen Leuchtkörper
in einfacher Weise an herkömmliche Spannungsquellen, wie
12 Volt, 110 Volt, 230 Volt anschließbar ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leuchtkörper
mit einem thermischen Emitter und eine Lampe mit einem derartigen
Leuchtkörper vorzusehen, die den vorstehenden Anforderungen
genügen, insbesondere eine hohe Lichtausbeute haben, bei
denen der Energiebedarf vermindert ist und die kostengünstig
herstellbar sind.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Leuchtkörper nach Anspruch 1 und
eine Lampe nach Anspruch 18 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird
ein Leuchtkörper mit einer Laserkavitätsschicht,
auf deren einen Seite ein thermischer Emitter angeordnet ist und
auf deren anderen Seite ein eindimensionaler photonischer Kristall
in einer solchen Weise angeordnet ist, dass im wesentlichen monochromatischer,
sichtbare Strahlung erzeugbar ist, vorgesehen. Dadurch kann die Lichtausbeute
bei einer Minimierung der benötigten Energie erhöht
werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung weist der eindimensionale photonische
Kristall eine Vielzahl von dielektrischen Schichtpaaren auf, wobei
jedes Paar eine Schicht mit niedrigen Brechungsindex und eine Schicht
mit hohen Brechungsindex aufweist. Dadurch kann ein teildurchlässiger
Spiegel für die gewünschte Strahlung vorgesehen
werden, während nicht gewünschte Strahlung nicht
erzeugt wird.
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Der
thermische Emitter ist in einer Ausführung eine metallische
Reflektorschicht. Dadurch kann über Widerstandsbeheizung
bei geringem Materialaufwand der thermische Emitter ausgebildet werden.
In einer weiteren Ausführung ist die metallische Reflektorschicht
auf einen Keramikträger aufgebracht. In diesem Fall wird
der elektrische Leiter mit hohem elektrischen Widerstand durch die
Keramik gebildet oder kann die Keramik zur Weiterleitung von Wärme
verwendet werden.
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Auf
den Keramikträger kann entgegengesetzt zum metallischen
Reflektorschicht eine Leiterbahn zur Erwärmung der metallischen
Reflektorschicht vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Keramik
ein elektrisch isolierendes Material, das jedoch eine gute Wärmleitfähigkeit
aufweist. Somit bestehen größere Variationsspielräume
bei der Gestaltung der Leiterbahn.
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In
einer Weiterbildung wird der thermische Emitter durch einen metallischen
Wendelkörper gebildet, so dass auf eine herkömmliche
Wendelgestaltung eine erfindungsgemäße Schichtanordnung
aufbringbar ist. Dieses Aufbringen kann entweder vor der Formgebung
für den Wendelkörper oder nach der Formgebung
erfolgen. Im letztgenannten Fall besteht der Vorteil, dass durch
das Fehlen einer Verformung nach dem Aufbringen der Schicht ein
Abplatzen der Schicht verhindert werden kann.
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Ferner
wird bevorzugt, dass auf den metallischen Wendelkörper
entgegengesetzt zu der Laserkavitätsschicht eine weitere
Laserkavitätsschicht aufgebracht ist. Auf diese Weise kann
vermittels Abstrahlung zu beiden Seiten die Lichtausbeute erhöht werden.
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Der
thermische Emitter ist bevorzugt im Wesentlichen als ebene Fläche
oder im Wesentlichen als rotationssymmetrische Fläche ausgebildet.
Auf diese Weise ist eine Beschichtung in einfacher Weise möglich.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der Leuchtkörper einen
im Wesentlichen rechteckigen Leiterquerschnitt auf. Dieses begünstigt
die Verwendung von metallischen Leitern zum Vornehmen der Widerstandsheizung.
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In
einer Ausführungsform ist der Leuchtkörper als
Glühwendel ausgebildet, so dass herkömmliche Glühwendel
für den erfindungsgemäßen ersetzbar sind.
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In
einer weiteren Gestaltung ist der Leuchtkörper kegelförmig
ausgestaltet, so dass ein flächenmäßige
Abstrahlung erfolgen kann.
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Bei
einer Ausgestaltung des Leuchtkörpers in Doppelkegelform
kann die Beleuchtungsstärke, die vom Leuchtkörper
ausgeht, erhöht werden.
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Der
Leuchtkörper kann in Form einer Scheibe ausgebildet sein,
die zu den Zuführungsabschnitten senkrecht verläuft.
Auf diese Weise wird es erleichtert, dass eine flächige
Abstrahlung rechtwinklig zu einem Lampensockel vorgesehen sein kann.
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Der
Leuchtkörper kann abschnittsweise die Form einer Kugelfläche
aufweisen. Dieses erleichtert ein homogenes Erhellen eines Raumbereiches.
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Ein
Widerstandsheizelement des thermischen Emitters kann zumindest abschnittsweise
Mäanderform haben, so dass auf geringer Fläche
eine große Leiterlänge umsetzbar ist.
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Der
thermische Emitter kann zu einer Platte, die die Laserkavitätsschicht
und den photonischen Kristall aufweist, beabstandet sein, so dass
höhere Temperaturen beim thermischen Emitter ohne eine Zerstörung
der Schichtstruktur umsetzbar sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann der thermische Emitter auf eine
Platte, die die Laserkavitätsschicht und den photonischen
Kristall aufweist, aufgebracht sein. Dadurch lässt sich
das Herstellungsverfahren zur flächigen Ausbildung der Schichtstruktur
erleichtern.
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Erfindungsgemäß wird
ferner eine Lampe mit einem Leuchtkörper, wie dieser vorstehend
beschrieben ist, vorgesehen. Diese Lampe weist eine erhöhte
Lichtausbeute auf.
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Eine
derartige Lampe kann ferner einen Lampenkörper aufweisen,
auf dessen lichtabstrahlenden Bereich eine Konverterschicht zur
Umwandlung eines Teils der Strahlung in die Komplementärfarbe
vorgesehen ist. Somit wird die Erzeugung von weißem Licht
unterstützt.
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Ferner
kann zum Oxidationsschutz im Lampenkörper ein Gas, wie
zum Beispiel Stickstoff vorgesehen sein.
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Durch
das Vorsehen einer Diffusorschicht kann ein gleichmäßiges
Abstrahlen unterstützt werden.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1A eine
Draufsicht auf eine Lampe mit einem Leuchtkörper entsprechend
der vorliegenden Erfindung, 1B eine
geschnittene Ansicht von links der Lampe aus 1A und 1C eine
Draufsicht auf die Lampe von 1A entsprechend
der vorliegenden Erfindung,
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2 den
Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend dem ersten
Ausführungsbeispiel,
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3 den
Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einem zweiten
Ausführungsbeispiel
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4 den
Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einem dritten
Ausführungsbeispiel,
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5 den
Schichtaufbau eines Leuchtkörpers entsprechend einem vierten
Ausführungsbeispiel
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die 6A bis 13B Anwendungsbeispiele für die Leuchtkörper
entsprechend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel,
wobei die 6A bis 6D ein
erstes Anwendungsbeispiel zeigen, die 7A, 7B ein
zweites Anwendungsbeispiel der Erfindung, die 8A, 8B ein
drittes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die 9 ein
viertes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die 10A, 10B ein
fünftes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die 11 ein
sechstes Anwendungsbeispiel der Erfindung, die 12A, 12B ein
siebentes Anwendungsbeispiel der Erfindung und die 13A, 13B ein
achtes Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigen.
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Bevorzugte Ausführung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung nutzt das Prinzip des Strahlers nach dem VERTE-Prinzip
(VERTE = vertical cavity enhanced resonant thermal emitter) der
in der Physical Revue B72, 075127 (2005) der American Physical
Society unter dem Titel „A resonant-cavity enhanced thermal
emission" von Ivan Celanovitch, David Perreault und John Kassakian veröffentlicht
wurde. Hierbei ist ein thermischer Emitter, der Wolfram oder Silber
als Metallspiegel aufweist, mit einer Abfolge von Silizium- und
Siliziumdioxid-Schichten versehen. Bei einem derartigen Strahler
wird Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von ungefähr
2,35 Mikrometern mit relativ hoher Kohärenz und stark gerichtet
abgegeben. Bei dem Schichtaufbau wird sich an dem Prinzip des VCSEL-Lasers
orientiert.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird das VERTE-Strahler-Prinzip in einer
solchen Weise abgewandelt, dass ausschließlich eine gewünschte, sichtbare
Strahlung erzeugt wird.
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In
den 1A bis 1C sind
Ansichten einer Lampe 1 gezeigt, in der ein erfindungsgemäßer Leuchtkörper
zum Einsatz gelangt. Eine derartige Lampe 1 weist einen
Lampenkörper 4 mit einem Lampensockel 6 in
Form einer Quetschdichtung und einen Reflektorkörper 8 auf,
in dem sich der Leuchtkörper 2 befindet. In den
Lampensockel 6 sind zwei Sockelstifte 10a, 10b eingebettet,
die über Molybdänfolien 12a, 12b mit
Stromzuführungen 14a, 14b verbunden sind,
an denen die elektrischen Kontakte des Leuchtkörpers 2 befestigt
sind und der Leuchtkörper 2 mechanisch gehalten
wird.
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Der
Reflektorkörper 8 weist an seiner zum Leuchtkörper 2 weisenden
Seite eine reflektierende Beschichtung 16 auf und ist an
seinem Lichtaustrittsbereich 18, der von der reflektierenden
Beschichtung 16 umgeben ist, mit einer Diffusorschicht 20 und
auf dieser mit einer Konverterschicht 22 zur Umwandlung
eines Teils der Strahlung in die Komplementärfarbe versehen.
Als Oxidationsschutz für die heißen Bauteile ist
der Innenraum des Reflektors mit einer Gasfüllung versehen,
beispielsweise mit einer Stickstofffüllung. Ferner weist
die in den 1A bis 1C gezeigte
Lampe eine Pumpspitze 24 auf. Statt eine Diffusorschicht
kann am gesamten Körper auch eine Vorsatzlinse vorgesehen
sein.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Leuchtkörper 2 kann
im wesentlichen sichtbares, monochromatisches Licht, beispielsweise
mit 400 oder 500 Nanometer Wellenlänge erzeugt und gerichtet
abgestrahlt werden.
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Die 2 bis 5 zeigen
den Schichtaufbau für den Leuchtkörper entsprechend
einem ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsbeispiel und
die 6a bis 13c ein erstes
bis achtes Anwendungsbeispiel für die Leuchtkörper
mit dem Schichtaufbau entsprechend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel.
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Jeder
Leuchtkörper entsprechend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel
hat den Grundaufbau, bei dem auf einen thermischen Emitter mit hohem
Reflektionskoeffizienten eine aktive Schicht aufgebracht ist, auf
der sich ein Schichtsystem befindet, das Schichten mit abwechselnd
hohem und niedrigen Brechungsindex aufgebracht ist. Durch diese Schichtreihenfolge
wird folgende Grundfunktion verwirklicht:
Der thermische Emitter
würde als Planckscher Strahler in einem weiten Wellenlängenbereich
Strahlung emittieren. Aufgrund der vorgesehenen aktiven Schicht,
die bevorzugt ein dielektrisches Medium ist und die eine vorbestimmte
Schichtdicke hat, baut sich eine stehende Welle auf, der ein zugehöriges elektromagnetisches
Feld entspricht. Dieses elektromagnetische Feld tritt mit der eigentlichen
Quantenquelle im thermischen Emitter (Plasmonen, molekulare Dipole,
Gitterschwingen oder anderes) in Wechselwirkung, wobei die Quantenquelle
an das vorhandene elektromagnetische Feld gekoppelt wird. Im Ergebnis
kann nur synchron über das vorhandene elektromagnetischen
Feld Strahlung emittiert werden, das heißt synchron mit
der Frequenz, die der Größe der aktiven Schicht
entspricht.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist auf der zum thermischen Emitter entgegengesetzten
Seite der aktiven Schicht das Schichtsystem vorgesehen, was als
Bragg-Spiegel in Form eines teildurchlässigen Spiegels
wirken kann.
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Für
die Funktion eines derartigen Leuchtkörpers ist von Bedeutung,
dass die beiden Seiten der aktiven Schicht mit einem guten Spiegel
versehen sind. Dieser kann beispielsweise durch eine metallische
Oberfläche am thermischen Emitter auf der einen Seite umgesetzt
sein. Bei dem eindimensionalen photonischen Kristall des Schichtsystems
auf der andern Seite liegt ein teildurchlässiger Spiegel
vor, der für die gewünschte Strahlung eine hohe
Reflektivität (beispielsweise 99%) besitzt.
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Somit
wird im Gegensatz zum Stand der Technik, wie diese in der vorstehenden
genannten Physical Review wiedergegeben ist, keine Infrarotstrahlung
reflektiert, sondern sichtbares Licht. Die Schichten des Leuchtkörpers
sind in einer solchen Weise ausgelegt, dass ein Teil der sichtbaren
Strahlung aus dem Laser austritt und auf diese Weise verwendet werden
kann.
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Der
thermische Emitter weist beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel
der 2 und 3 eine auf ein Widerstandsheizelement
aufgebrachte metallische Reflektorschicht 26 auf, die einen
hohen Reflektionskoeffizienten hat. Der Reflektionsgrad beträgt
vorzugsweise mehr als 90%, wozu eine hohe Oberflächenqualität
notwendig ist.
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Beim
dritten und vierten Ausführungsbeispiel der 4 und 5 ist
der thermische Emitter Teil einer metallischen Wendel, wobei durch
diese Wendel sowohl die Widerstandsheizung als auch die Reflektionsfunktion
umgesetzt wird. Die aktive Schicht ist bei allen vier Ausführungsbeispielen
bevorzugt eine Laserkavitätsschicht, deren Dicke von der
Wellenlänge abhängt und beispielsweise 170 Nanometer beträgt.
Als Material wird bevorzugt ein transparentes Material mit einer
möglichst kleinen Absorptionsrate und einer definierten
Permitivität eingesetzt.
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Der
Brechungsindex dieser Laserkavitätsschicht soll klein sein.
Zur Verringerung der Verlust einer Laserkavitätsschicht
kann diese auch zweischichtig ausgeführt sein. Durch die
Dicke der Laserkavitätsschicht wird die Wellenlänge
des aus dem Leuchtkörper emittierten Lichts bestimmt, die
sich nach dem elektromagnetischem Feld richtet, das eine Halbwelle
der Strahlung repräsentiert. Das Schichtsystem ist ein
eindimensionaler photonsicher Kristall und weist Schichten mit abwechselnd
zuerst hohen und dann niedrigen Brechungsindex aus. Die Schicht
mit hohem Brechungsindex, die auf dem thermischen Emitter aufgebracht
ist, kann zum Beispiel aus Silizium oder aus Diamant hergestellt
sein und eine Dicke von beispielsweise 35 Nanometer aufweisen. Die
Schicht mit niedrigen Brechungsindex, die sich an die Schicht mit
hohem Brechungsindex anschließt, kann beispielsweise aus
Siliziumdioxid hergestellt sein und eine Dicke von beispielsweise
80 Nanometern aufweisen.
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Eine
Vielzahl dieser Doppelschichten befinden sich bei allen vier Ausführungsbeispielen
auf der aktiven Schicht aufeinander. Das Schichtsystem gleicht bis
auf die Schichtdicke und der Materialauswahl einer Infrarotreflexionsschicht
bei herkömmlichen Lampen. Durch diese Schicht wird Licht
reflektiert, wodurch Interferenzen gewisse Wellenlängen abgeschwächt
werden. Die Schichtdicke ist an die gewünschte Wellenlänge
angepasst. Für sichtbares Licht hat sich ein Dickenbereich
von 30 bis 150 Nanometer als günstig erwiesen. Aufgrund
der Ähnlichkeit zur Infrarotreflexionsschicht kann das
Schichtsystem auf IRC(infrared coating)-Beschichtungsanlagen gefertigt
werden.
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2 zeigt
den Querschnitt durch den Leuchtkörper entsprechend einem
ersten Ausführungsbeispiel, bei den auf einen Keramikträger 28, der
beispielsweise aus Al2O3,
AIN oder anderen Stoffen hergestellt ist, die metallische Reflektorschicht 26 aufgebracht
ist. Die Reflektorschicht 26 wird über Widerstandsbeheizung
durch den Keramikträger 28 auf eine bestimmte
Temperatur, beispielsweise auf 1200 Kelvin, erhitzt. Der Keramikträger
ist aus einem Material mit hohem elektrischen Widerstand, beispielsweise
SiC und kann daher direkt an eine Spannungsversorgung angeschlossen
werden.
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Auf
der metallischen Reflektorschicht ist als aktive Schicht die Laserkavitätsschicht 30 aufgebracht,
auf der sich das Schichtsystem 32 aus einer jeweiligen
Schicht 32a mit hohem Brechungsindex und einer Schicht 32b mit
niedrigem Brechungsindex befindet.
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Der
Leuchtkörper entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist in 3 gezeigt. Hier weist der thermische Emitter die
metallische Reflektorschicht 26, die beispielsweise wie
beim ersten Ausführungsbeispiel aus Wolfram, Silber, Molybdän, Nickel,
Eisen oder ähnlichem gefertigt ist, und den Keramikträger,
der beispielsweise aus Al2O3,
AIN oder anderem gefertigt ist, auf.
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Auf
dem Keramikträger ist auf der zur metallischen Reflektorschicht 26 entgegengesetzten
Seite eine Leiterbahn 36 vorgesehen, über die
die Widerstandsbeheizung ausgeführt wird. Der Keramikträger 34 ist
ein elektrisch isoliertes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit.
Die Leiterbahn 36 weist eine ausreichende Länge
und einen ausreichenden Querschnitt auf, um die Widerstandsbeheizung
auszuführen. Auf der metallischen Reflektorschicht 26 befinden
sich wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Laserkavitätsschicht 30 und
das Schichtsystem 32 mit Schicht mit hohem Brechungsindex
und mit Schicht mit niedrigem Brechungsindex. Mit dem ersten und
zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Leuchtkörper
für relativ hohe Spannungen offenbart.
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Bei
dem Leuchtkörper entsprechend dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel
aus den 4 und 5 handelt
es sich um einen Leuchtkörper für relativ niedrigere
Spannungen. Hierbei wird der thermische Emitter durch eine Wendel 38 gebildet,
durch die die Heizfunktion und die Reflektionsfunktion umgesetzt
wird. Es wird bevorzugt, wenn die Wendel 38 aus Molybdän
oder Wolfram gefertigt ist. Auf der Wendel 38 befindet
sich wie im ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel eine
Laserkavitätsschicht 30 sowie ein Schichtsystem 32.
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Beim
Beschichtungsverfahren ist es vorteilhaft, wenn ein Leuchtkörper
vorgesehen wird, bei dem das Schichtsystem 32 bei mechanischer
Verformung nicht abplatzt. Dieses kann insbesondere dann vorteilhaft
umgesetzt werden, wenn die Wendel 38 aus einem Blechstreifen
gewickelt wird und anschließend der Beschichtungsprozess
ausgeführt wird. Alternativ dazu kann zuerst die Beschichtung
der Wendel 38 vorgenommen werden und anschließend
der Leuchtkörper geformt werden.
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Beim
Leuchtkörper entsprechend dem vierten Ausführungsbeispiel,
das in 5 gezeigt ist, ist auf die entgegengesetzt liegenden
Seiten der Wendel 38 jeweils eine Laserkavitätsschicht 30 und
ein Schichtsystem 32 aufgebracht. Bei einer derartigen Beschichtung
erhöht sich die Lichtausbeute des Leuchtkörpers.
Andererseits erhöhen sich die Anforderungen an die Sicherheit
gegen das Abplatzen des Schichtsystems von der Wendel. Für
eine Umsetzung der vorliegenden Erfindung eignen sich für
den thermischen Emitter insbesondere ebene Flächen und
rotationssymmetrische Flächen, wie zum Beispiel Zylinderflächen,
Kugelflächen, Kegelflächen und Anderen. Anwendungs beispiele
für eine derartige Ausgestaltung des Leuchtkörpers
werden nachfolgend gegeben.
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In
den 6A bis 6D ist ein
Leuchtkörper entsprechend einem ersten Anwendungsbeispiel
gezeigt, wobei in 6A eine Seitenansicht von links, in 6B eine
Vorderansicht, in 6C eine perspektivische Ansicht
von rechts unten in Bezug auf 6C und
in 6D eine Draufsicht auf den Leuchtkörper 50 dargestellt
ist.
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Im
ersten Anwendungsbeispiel schließen sich die Stromzuführungen 14a, 14b,
die in 1B gezeigt sind, unmittelbar
an die Glühwendel selbst an. Es wird bevorzugt, die Glühwendel 52 und
nicht die Stromzuführungen 14a, 14b mit
einem Schichtsystem entsprechend dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel
zu versehen.
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Die 7A, 7B zeigen
einen kegelmantelartig ausgebildeten Leuchtkörper 56,
aus dessen Mitte die Stromzuführung 14b und aus
dessen Randabschnitt am Außenumfang die Stromzuführung 14a heraustritt.
In 7A ist dabei eine Draufsicht des Leuchtkörpers 56,
in 7B eine Ansicht von links wiedergegeben. Während
bei dem ersten Anwendungsbeispiel eine zylinderartige Abstrahlcharakteristik
vorliegt, wird beim zweiten Anwendungsbeispiel flächig
abgestrahlt.
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Die 8A, 8B zeigen
einen Leuchtkörper 60 entsprechend dem dritten
Ausführungsbeispiel, wobei in 8A eine
Ansicht von vorn und in 8B eine
Ansicht von links wiedergegeben worden ist. Hier ist der Leuchtkörper 60 als
die Mantelfläche eines Doppelkegels ausgebildet, wobei
auf geringem Raum eine große Oberfläche vorgesehen werden
kann.
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In
der 9 ist ein Leuchtkörper 64 entsprechend
einem vierten Anwendungsbeispiel wiedergegeben. Hierbei ist der
Leuchtkörper 64 als eine Fläche mit einem
mäanderförmigen aktiven Bereich 66 ausgebildet.
Durch diesen mäanderförmigen aktiven Bereich 66 wird
auf geringer Oberfläche eine lange Leiterbahn ermöglicht,
so dass eine hohe Lichtausbeute und eine hohe Temperatur aufrecht
erhalten können. Auch hier wird bevorzugt, dass der Bereich der
Stromzuführungen 14a, 14b weder die aktive Schicht,
noch das Schichtsystem aufweist.
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In
den 10A, 10B ist
ein Leuchtkörper 70 gezeigt, der einen im wesentlichen
scheibenförmigen aktiven Bereich 72 aufweist,
aus dem die Stromzuführungen 14a, 14b heraustreten.
Hierbei zeigt 10A eine Draufsicht und 10B eine perspektivische Ansicht von vorne rechts
des Leuchtkörpers 70.
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Die 11 zeigt
einen Leuchtkörper 76 entsprechend dem sechsten
Anwendungsbeispiel. Dabei gelangt vorteilhaft die Struktur entsprechend
dem zweiten Ausführungsbeispiel zur Anwendung. Leiterbahnen 36 sind
auf den Keramikträger 34 mäanderförmig
aufgebracht und über Anschlussflächen 78a, 78b mit
den Stromzuführungen 14a, 14b verbindbar. Auf
den Keramikträger 34 befindet sich die metallische
Reflektorschicht 26 und die Laserkavitätsschicht 30 sowie
anschließend das Schichtsystem 32 entsprechend
den vorherigen Ausführungsbeispielen. Bei einer derartigen
Ausgestaltung ist vorteilhaft, dass die Beschichtung einer ebenen
Fläche mit dem Keramikträger 34 als Grundwerkstoff
vorgenommen werden kann und die Leiterbahn 36 darauf ausgebildet
wird.
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Die 12A, 12B sowie 13A, 13B zeigen
ein siebentes und achtes Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
entsprechend eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels
aus 3. Genauer gesagt ist die Leiterbahn 36 aus 3 durch
ein Widerstandsheizelement ersetzt, dass in einem vorbestimmten
Abstand zum Keramikträger 34 vorgesehen ist.
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12A zeigt einen Leuchtkörper 84 mit
einer Leiterbahn 86 und einer Schichtanordnung 88, die
voneinander mit einem Abstand b beabstandet sind. 12A zeigt eine Draufsicht, wobei die Leiterbahn 86 gestrichelt
wiedergegeben ist, 12B eine Ansicht von links.
In der Schichtanordnung 88 sind der Keramikträger 34,
die metallische Reflektorschicht 26, die Laserkavitätsschicht 30 und
die Schichtanordnung 32 vorgesehen.
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Beim
achten Anwendungsbeispiel aus den 13A bis 13B ist der Leuchtkörper 94 mit
einem Widerstandsheizelement 96 und einer kugelartigen
Schichtanordnung 98 vorgesehen, wobei in 13A eine Ansicht von links, in 13B eine Draufsicht des Leuchtkörpers 94 gezeigt
ist. Das Widerstandsheizelement 96 ist über Stromzuführungen 14a, 14b mit
Molybdänfolien 12a, 12b verbindbar und erzeugt
Wärme, die durch die Schichtanordnung 98, die über
ein stabförmiges Halteelement 100 am Lampensockel
befestigbar ist, aufgenommen wird.
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Wie
auch beim siebenten Ausführungsbeispiel weist die Schichtanordnung
des achten Ausführungsbeispiels vom Widerstandsheizelement 96 ausgehend
einen Keramikträger 34, eine metallische Reflektionsschicht 26,
eine Laserkavi tätsschicht 30 und die Schichtanordnung 32 des
zweiten Ausführungsbeispiels aus 3 auf.
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Durch
den vergrößerten Abstand zwischen Leiterbahn und
Keramikträger im siebenten und achten Anwendungsbeispiel
kann durch die Leiterbahn eine erhöhte Temperatur vorgesehen
werden. Es ist günstig, wenn die erfindungsgemäße
Lampe mit einem Gas befüllt ist, durch die der Wärmetransport vom
Widerstandsheizelement 96 bzw. von der Leiterbahn 86 zur
entsprechenden Schichtanordnung optimiert ist.
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Die
Auslegungen der Schichten des Leuchtkörpers entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise mit Hilfe der Störungstheorie
bei gegebenen Brechungsindizes bzw. in Abhängigkeit vom
Wellenwiderstand des metallischen Reflektors wie in dem Artikel
der Physical Review auf den Seiten 2 und 3 angegeben, vorgenommen
werden. Im Vergleich zum dort beschriebenen Laser sind die Qualitätsanforderung
bei der vorliegenden Erfindung geringer, jedoch die Strukturgrößen
aufgrund erheblich kürzeren Wellenlänge kleiner.
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Nachfolgend
wird die mögliche Lichtleistung eines photonischen Strahlers
entsprechend der vorliegenden Erfindung untersucht.
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Es
wird davon ausgegangen, dass die Wendel einer Halogenglühlampe
eine Temperatur von in diesem Fall 3000 Kelvin erreicht. Die Strahlungsleistung
wird entsprechend dem Stefan-Boltzmann-Gesetz wie folgt berechnet P = σ·ε·A(T4Strahler – T4UMGEBUNG )[W]
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Unter
der Annahme, dass
ist und ε für
Wolfram bei 3000 Kelvin und einer Wellenlänge von 500 Nanometer
ungefähr 0,42 beträgt, ergibt sich unter Vernachlässigung
der Umgebungsstrahlung
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Bei
einer Erhitzung des photonischen Leuchtkörpers auf 1500
Kelvin strahlt dieser bei einem ε von 0,46 für
Wolfram bei 1500 K und einer Wellenlänge von 500 Nanometern
mit
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Somit
ergibt sich ein Leistungsverhältnis von
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Der
Teil, der in den sichtbaren Wellenlängenbereich fällt,
ist bei einer Halogenwendel nur ungefähr 10%, während
die photonische Wendel entsprechend der vorliegenden Erfindung bei
entsprechenden Auslegung nahezu 100% des Lichts im sichtbaren Bereich
abgibt. Somit steigt die Strahlungsleistung bei der Resonanzwellenlänge
und bei Wolfram als Träger um das Dreizehnfache an.
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Im
Ergebnis kann festgehalten werden, dass die photonische Wendel unter
diesen Umständen etwa die gleiche Strahlungsleistung im
sichtbaren Bereich bei nur 1500 Kelvin erbringt. Im Ergebnis werden
mit einem Leuchtkörper und einer Lampe entsprechend der
vorliegenden Erfindung wenige als 10% der elektrischen Leistung
benötigt und hat sich die Lichtausbeute verzehnfacht.
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Erfindungsgemäß werden
ein Leuchtkörper und eine Lampe mit einem Leuchtkörper
vorgesehen, wobei auf der einen Seite einer Laserkavitätsschicht
ein thermischer Emitter angeordnet ist und auf der anderen Seite
ein eindimensionaler photonischer Kristall, so dass im Wesentlichen
monochromatisch, sichtbare Strahlung erzeugbar ist. Dadurch lässt
sich die Lichtausbeute bei verringertem Energieeinsatz erhöhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19701794
A1 [0003]
- - EP 1575080 A2 [0004]
- - US 2006/0071585 A1 [0004]
- - US 2003/0235229 A1 [0005]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Physical Revue
B72, 075127 (2005) der American Physical Society unter dem Titel „A
resonant-cavity enhanced thermal emission" von Ivan Celanovitch,
David Perreault und John Kassakian [0037]