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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckgasentladungslampe, die zumindest umfasst einen
Lampenkolben, der einen mit einem Gas gefüllten Entladungsraum hermetisch
verschließt, eine funktionelle Schicht und eine Lichtaustrittsöffnung, die auf der äußeren
Oberfläche des Lampenkolbens angeordnet sind.
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Hochdruckgasentladungslampen (HID-[high intensity discharge]-Lampen) und
insbesondere UHP-(ultra high performance)Lampen werden auf Grund ihrer optischen
Eigenschaften u. a. bevorzugt zu Projektionszwecken eingesetzt. Im Sinne der Erfindung
umfasst die Bezeichnung UHP-Lampe (Philips) auch UHP-artige Lampen anderer
Hersteller.
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Für diese Anwendungen wird eine möglichst punktförmige Lichtquelle gefordert, so dass
der sich zwischen den Elektrodenspitzen ausbildende Lichtbogen eine Länge von etwa
0,5 bis 2,5 mm nicht überschreiten soll. Weiterhin ist eine möglichst hohe Lichtstärke bei
möglichst natürlicher spektraler Zusammensetzung des Lichtes erwünscht.
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Aus der DE 101 51 267 ist bekannt, dass eine Effizienzsteigerung (Lichtausbeute) in
optischen Projektionssystemen durch die Verspiegelung eines Teiles der äußeren
Oberfläche des Entladungsraumes erreicht werden kann. Bei dieser Lösung muss der
Rückreflektor, der insbesondere als Schicht ausgebildet ist, zumindest eine Öffnung besitzen,
die regelmäßig gegenüber dem Rückreflektor angeordnet ist und den gewünschten
Lichtaustritt in Richtung des Hauptreflektors der Hochdruckgasentladungslampe
ermöglicht. Die Herstellung einer solchen Öffnung ist, insbesondere im Rahmen einer
Massenproduktion, technologisch aufwendig.
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Außerdem besteht in der Lichttechnik für weitere Anwendung der Bedarf nach
funktionellen Schichten, die unterschiedlichen Zwecken dienen. Diese Schichten können sowohl
auf der Innen- und/oder Außenseite des Lampenkolbens aufgebracht sein. Zu solchen
funktionalen Schichten gehören beispielsweise UV-absorbierende Schichten bei
Autolampen, IR-reflektierende Schichten auf Halogenlampen oder Phosphorschichten im
Innern von Leuchtstofflampen. Bei diesen genannten Anwendungen ist charakteristisch,
dass die Beschichtung die gesamte Fläche des Lampenkolbens bedecken muss oder kann,
was die Effektivität der Herstellung dieser Schichten positiv beeinflusst.
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Sollen Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere UHP-Lampen eingesetzt werden,
müssen bei deren Weiterentwicklung jedoch zwei wesentliche Forderungen gleichzeitig
erfüllt werden:
Einerseits darf die höchste Temperatur an der inneren Oberfläche des Entladungsraums
nicht so hoch werden, dass eine Entglasung des im allgemeinen aus Quarzglas
gefertigten Lampenkolbens auftritt. Dies kann deshalb problematisch sein, weil durch die
starke Konvektion innerhalb des Entladungsraums der Lampe der Bereich oberhalb des
Lichtbogens besonders stark erwärmt wird.
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Andererseits muss die kälteste Stelle an der inneren Oberfläche des Entladungsraums
noch eine so hohe Temperatur aufweisen, dass sich das Quecksilber dort nicht
niederschlägt, sondern insgesamt in ausreichendem Maße im verdampften Zustand erhalten
bleibt. Dies ist im besonderen Maße bei Lampen mit gesättigter Gasfüllung zu beachten.
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Diese beiden widerstrebenden Forderungen führen dazu, dass die maximal zulässige
Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur (im allgemeinen an der
oberen und unteren Innenseite des Entladungsraums) relativ gering ist. Bei einem
Betreiben dieser Hochdruckgasentladungslampen an der Belastungsgrenze der
Konstruktionsmaterialien kann jede Veränderung des Temperaturfeldes, beispielsweise
eine Temperaturerhöhung, negative Auswirkungen auf die Leistungsparameter, wie die
Lebensdauer, haben. Da jedoch durch die innere Konvektion hauptsächlich der Bereich
oberhalb des Entladungsraums erwärmt wird und dessen Wärmeleitfähigkeit durch
entsprechende Gestaltung des Lampenkolbens, beispielsweise einer größeren
Wandstärke, nur in engen Grenzen erhöht werden kann, ist die Einhaltung der maximalen
Differenz und somit des optimalen Betriebspunktes relativ schwierig.
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Dieses optimierte System reagiert sehr sensibel auf Maßnahmen, die das Temperaturfeld
im Entladungsraum beeinflussen bzw. verändern. Das Aufbringen einer reflektierenden
Schicht auf die äußere Oberfläche stellt eine solche Maßnahme dar, wodurch die
Betriebstemperatur der UHP-Lampe verglichen mit einer solchen Lampe ohne eine
Beschichtung normalerweise ansteigt. Dies ist u. a. darin begründet, dass durch eine
Mehrfachreflektion im Innern der Lampe eine erhöhte Reabsorbtion eintritt. Regelmäßig
führt die Beschichtung außerdem zu einer Verringerung der Wärmeabstrahlung der
Lampenoberfläche gegenüber der reinen Quarzoberfläche einer unbeschichteten
Oberfläche, so dass die Lampe weniger Wärme abgeben kann und sich damit die
Betriebstemperatur vergleichsweise erhöht.
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Um eine möglichst geringe Veränderung des Temperaturfeldes, welche bei der
Leistungsaufnahme der Lampe eine Entglasung des Lampenkolbens oder eine Kondensation des
Gases bei einem Betreiben dieser Hochdruckgasentladungslampen an der
Belastungsgrenze bewirken kann, verursacht durch eine Beschichtung zu erreichen, wird die Größe
der beschichteten Fläche möglichst gering gehalten. Bei einer somit erforderlichen
Teilbeschichtung einer hochbelasteten Lampe wird nicht nur die zur Sicherstellung der
optischen Funktion notwendige Fläche des Kolbens, beispielsweise die
Lichtaustrittsöffnung, unbeschichtet belassen, sondern außerdem alle die Flächen, die zu dieser
Funktionalität keinen direkten Beitrag leisten. Wird eine UHP-Lampe beispielsweise in
einem Projektionssystem eingesetzt, sind neben der Lichtaustrittsöffnung auch die sich
an das kugelförmige Entladungsgefäß anschließenden Enden der Lampe unbeschichtet
ausgeführt. Eine Herstellung einer solchen bezüglich der Funktionalität minimierten
Teilbeschichtung ist technologisch sehr aufwendig und wenig effektiv. Ein solcher
Lampenkolben benötigt zumindest zwei voneinander getrennte Bereiche, die während
des Beschichtungsprozesses abgedeckt werden müssen, um ein Beschichten dieser zu
verhindern. Während des Auftragens der Beschichtung werden zum Abdecken
beispielsweise Blenden eingesetzt, die eine partielle Beschichtung verhindern. Der Einsatz von
Mitteln zum Abdecken oder von Mitteln mit einer vergleichbaren Funktionalität
verkomplizieren den Beschichtungsprozess, so dass zusätzliche technische Aufwendungen
und Prozessschritte, die die Effektivität des Herstellungsprozesses insgesamt negativ
beeinflussen, erforderlich werden. Diese technisch grundsätzlich machbare Lösung ist im
Rahmen einer Massenproduktion, wenn überhaupt, dann technologisch nur sehr
aufwendig zu realisieren. Es besteht somit unmittelbar ein Bedarf nach einer diesbezüglich
effektiveren Lösung.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, eine
Hochdruckgasentladungslampe der eingangs genannten Art, die insbesondere für Projektionszwecke
geeignet ist, bzw. eine Beleuchtungseinheit zu schaffen, deren Lampenkolben eine
effektiv herzustellende Teilbeschichtung besitzt und deren optische Effizienz verbessert
ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine zweite Schicht weitere
Bereiche der Oberfläche des Lampenkolbens abdeckt, die nicht dem Zweck der
funktionellen Schicht dienen, wobei die Lampe mit einer Leistung der Art betreibbar ist, dass bei
der Leistungsaufnahme der Lampe eine Entglasung des Lampenkolbens und eine
Kondensation des Gases im wesentlichen verhindert wird.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die Effizienzsteigerung,
insbesondere in optischen Projektionssystemen, die durch die Verspiegelung eines Teiles
der äußeren Oberfläche des kugelförmigen Entladungsraumes erreichbar ist, genutzt
werden kann, wobei die spektralen Eigenschaften des Lichtes auf hohem Niveau erhalten
bleiben. Dies kann in überraschend einfachen Art und Weise dadurch realisiert werden, in
dem die Fläche der äußeren Oberfläche des Lampenkolbens, die beschichtet ist,
erfindungsgemäß so groß wie möglich bemessen wird. Im Idealfall ist die gesamte
äußere Oberfläche des Lampenkolbens, ausschließlich des Bereiches, der als
Lichtaustrittsöffnung dient, beschichtet.
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Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der durch Versuche mit UHP-Lampen, d. h.
Versuche mit und ohne einer Beschichtung deren Lampenenden, gewonnenen
Ergebnisse. Diese Ergebnisse beinhalten die überraschende Erkenntnis, dass Lampen mit einer
Beschichtung der Lampenenden zwar im Betrieb insgesamt heißer werden, sich über die
Oberflächen der Lampenkolben aber eine innerhalb der Messgenauigkeit der
Temperaturbestimmung vergleichbare Temperaturverteilungen einstellt. Die erfindungsgemäße
Umsetzung dieser Erkenntnis in einer technischen Lösung ermöglicht eine wesentliche
Vereinfachung des Herstellungsprozesses der Lampe. Es muss somit insbesondere nur
der Bereich der Lichtaustrittsöffnung durch geeignete Maßnahmen im
Beschichtungsprozess unbeschichtet bleiben.
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Funktionelle Schichten im Sinne der Erfindung sind Schichten, deren Hauptfunktion auf
das Erreichen einer definierten Parameterveränderung einer
Hochdruckgasentladungslampe zielt.
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Die Dimensionierung, die Anordnung und die Form der funktionellen Schicht und der
Lichtaustrittsöffnung sowie deren Lage zueinander sind vom jeweiligen Lampentyp,
einschließlich des jeweiligen Hauptreflektors, und der vorgesehenen Anwendung der
Lampe abhängig, wobei diese in bekannter Art und Weise erfolgt bzw. zu realisieren ist.
Beachtlich dabei ist, dass die vorgenannte Auswahl insbesondere Mehrfachreflektionen
weitestgehend vermeiden sollte, so dass möglichst keine Beeinträchtigung der
Lichtausbeute zu verzeichnen ist.
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Der Rückreflektor besitzt regelmäßig eine dem Hauptreflektor gegenüberliegende
Öffnung, durch die das Licht der Lichtquelle auf den Hauptreflektor reflektiert wird.
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Die Auswahl der Materialien bezüglich der funktionellen und der zweiten Schicht sowie
des Verfahrens zum Aufbringen der entsprechenden Lagen der Schicht erfolgt ebenso
nach dem Stand der Technik und ist auf die jeweilige Anwendung bezogen. Das
ausgewählte Material sollte zu einer möglichst geringen Absorption führen.
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Außerdem müssen diese Materialien eine ausreichende Temperaturfestigkeit aufweisen,
wenn sie auf eine UHP-Lampe aufgebracht werden sollen.
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Für die äußere Form des mittleren Teiles des Lampenkolbens, der den Entladungsraum
beinhaltet, gilt insbesondere, dass diese entweder im wesentlichen die Form einer Kugel
oder einer Ellipse haben sollte. Im Falle einer Kugel sollte der Lichtbogen im Mittelpunkt
der Kugel zentriert sein. Im Falle einer Ellipse sollte der Abstand zwischen den beiden
Brennpunkten nicht größer sein als der Abstand zwischen den Spitzen der beiden
Elektroden, wobei die Brennpunkte innerhalb der des Lichtbogens liegen sollten.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung bezüglich einer besonders effektiven Herstellung ist
gemäß Anspruch 2 erreichbar.
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Die Ausführung gemäß Anspruch 3 bevorzugt UHP-Lampen.
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Bevorzugt gemäß Anspruch 4 ist, dass die funktionelle Schicht oder die funktionelle
Schicht und die zweite Schicht im wesentlichen alle Bereiche der Oberfläche des
Lampenkolbens abdeckt bzw. abdecken.
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Besonders vorteilhaft ist gemäß Anspruch 5, dass die funktionelle Schicht ein Rückreflektor
mit dichroitische Eigenschaften oder ein Interferenzfilter ist.
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Da durch die dichroitischen Eigenschaften der funktionellen Schicht nur bestimmte
Spektralbereiche des Lichts bevorzugt abgestrahlt werden.
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Für das Material mit dem niedrigeren Brechungsindex gemäß Anspruch 6 wird bevorzugt
Siliziumoxid (SiO2) verwendet, welches weitestgehend dem Material des Lampenkolbens
entspricht. Für das Material mit dem höheren Brechungsindex stehen mehrere
Materialien zur Auswahl, wie TiO2, ZrO2 oder Ta2O5. ZrO2 ist dabei besonders
bevorzugt, da es weniger absorbiert als die meisten anderen Materialien.
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Neben den vorgenannten Materialien und deren Mischungen sind im Rahmen der
Erfindung weitere Materialien verwendbar, die beispielsweise durch entsprechende Tests
auf deren Anwendbarkeit überprüft werden können.
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Bevorzugte Verfahren zur Herstellung der funktionellen Schichten im Sinne der
Erfindung sind bekannte Standardverfahren der Dünnschichttechnik, insbesondere mittels
Verdampfen, Sputtern, chemischer Gasphasenabscheidung oder Tauchen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Beleuchtungseinheit mit
zumindest einer Hochdruckgasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gelöst.
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Eine solche Beleuchtungseinheit bzw. Hochdruckgasentladungslampe kann insbesondere
für Projektionszwecke eingesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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Fig. 1 die schematische Schnittdarstellung eines Lampenkolbens mit einem
Entladungsraum einer Hochdruckgasentladungslampe (UHP-Lampe).
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Fig. 1 zeigt schematisch in Schnittdarstellung einen Lampenkolben 1 mit einem
Entladungsraum 21 einer erfindungsgemäßen Hochdruckgasentladungslampe (UHP-
Lampe). Der aus einem Stück bestehende Lampenkolben 1, der den mit einem
diesbezüglich üblichen Gas gefüllten Entladungsraum 21 hermetisch verschließt und dessen
Material üblicherweise Hartglas oder Quarzglas ist, umfasst zwei zylindrische und sich
gegenüberliegende Bereiche 61, 62 zwischen denen sich ein im wesentlichen
kugelförmiger Bereich 63 mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 8 mm bis 14 mm
befindet. Der elliptisch geformte Entladungsraum 21 mit einer Elektrodenanordnung 2 ist
mittig im Bereich 63 angeordnet. Die Elektrodenanordnung 2 umfasst im wesentlichen
eine erste Elektrode 22 sowie eine zweite Elektrode 23 zwischen deren sich
gegenüberliegenden Spitzen im Entladungsraum 21 eine Lichtbogen-Entladung angeregt wird,
wobei der Lichtbogen als Lichtquelle der Hochdruckgasentladungslampe dient. Die
Enden der Elektroden 22, 23 sind mit elektrischen Anschlüssen 71, 72 der Lampe
verbunden, über die durch ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Netzteil, ausgelegt für eine
allgemeine Netzspannung, die zum Betrieb der Lampe erforderliche
Versorgungsspannung zugeführt wird.
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Auf der äußeren Oberfläche des Bereiches 63 ist die funktionelle Schicht 3 sowie die
Lichtaustrittsöffnung 5 angeordnet. Die funktionelle Schicht 3 ist insgesamt etwa 3 µm
dick, wobei diese mehrere Lagen besitzt und als sog. Kaltlichtspiegel in Form eines
Interferenzfilters ausgeführt ist. Diese Lagen, in Fig. 1 nicht dargestellt, sind
insbesondere durch einen differierenden Brechungsindex charakterisiert, wobei eine Lage
mit einem niedrigen Index einem höheren abwechselnd folgt. Als Material mit dem
niedrigeren Brechungsindex dient beispielsweise SiO2; mit dem höheren beispielsweise
ZrO2.
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Auf den zylindrischen Bereichen 61, 62 ist die Schicht 4 aufgetragen, die ebenfalls aus
mehreren Lagen aus SiO2 und ZrO2 aufgebaut ist, sich aber von der Schicht 3 bezüglich
deren Qualität insbesondere bezüglich der Gleichmäßigkeit der Dicke unterscheiden
kann. Üblicherweise erfolgt die Beschichtung der funktionellen Schicht 3 und der
Schicht 4 in einem Herstellungsprozess. Sich im Herstellungsprozess ergebende geringe
Schichtdickenabweichungen und Inhomogenitäten können mit Blick auf die verminderten
Qualitätsanforderungen der Schicht 4 im Vergleich zur funktionelle Schicht 3 regelmäßig
hingenommen werden. Außerdem werden zusätzliche Kosten zur Qualitätskontrolle und
diesbezügliche Aussonderungen vermieden.
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An einer UHP-Lampe mit dem vorbeschriebenen Lampenkolben 1 und betrieben bei
einer Nennleistung von 120 W konnte auch nach mehreren tausend Betriebsstunden im
Grenz/Hochlastbereich keine wesentlichen über die normale Alterung von vergleichbaren
nur teilbeschichteten Lampen hinausgehenden Beeinträchtigungen festgestellt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine
Hochdruckgasentladungslampe, die als Kurzbogenlampe ausgeführt ist und Projektionszwecken dient.