高壓放電燈、燈單元和圖像顯示設備的制作方法

專利名稱：高壓放電燈、燈單元和圖像顯示設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及高壓放電燈、燈單元和圖像顯示設備。
背景技術：
通常使用包含凹反射鏡的燈單元作為比如投影儀的圖像顯示設備的光源，其中高 壓放電燈構建在該凹反射鏡中。作為向這種燈單元中的屏幕提供改善的光通量的技術，專 利文獻1公開一種電弧管，該電弧管所具有的形狀使得從高壓放電燈輻射的光通量能夠被 反射鏡高效地捕獲。根據電弧管的結構，發光部件外表面的曲率半徑在靠近密封部件的部 分比在中心部分小。因此，穿過靠近密封部件的部分的光通量在基本上垂直于電弧管管軸 的方向上從發光部件輻射。由于在垂直于電弧管的管軸的方向上輻射的高水平的光通量的 原因，包含該電弧管的高壓放電燈表現出有利的光強度分布特性，且因此能夠將大量的光 通量集中在反射鏡的反射表面上。因此，有可能提供改善的光通量到燈單元中的屏幕。[引文列表] [專利文獻]
日本專利申請公開號No. 2005-285417。

發明內容
[技術問題]
然而，當在近年來在市場中變得普遍的小尺寸高效高壓放電燈中采用專利文獻1中公 開的電弧管時，由于熱而出現電弧管破損。據推測，由于如下原因而出現破損。為了減小在 靠近密封部件的部分中的發光部件外表面的曲率半徑，在所述部分中玻璃的厚度減小，從 發光部件到密封部件的熱導率減小。這使得在燈點亮期間在發光部件中逐步形成的熱量難 以通過密封部件散逸到反射鏡側。換言之，因為發光部件的溫度由于熱的原因而變高，密封 部件的靠近發光部件的部分的溫度變高。破裂于是在被密封在所述部分中的電極附近的玻 璃上產生，導致電弧管破損。鑒于上述問題而獲得本發明。本發明的目的是提供一種小尺寸高效高壓放電燈， 該高壓放電燈表現出有利的光強度分布特性且造成電弧管破損的可能性較小。本發明的另 一目的是提供一種燈單元和圖像顯示設備，其尺寸小、提供改善的光通量到屏幕并且發生 故障可能性較小。[問題的解決方案]
為了實現上述目的，本發明的一個方面為一種高壓放電燈，其包含電弧管，該電弧管 包含具有基本上球形形狀且具有封入其中的水銀的發光部件；和從該發光部件的對立側延 伸的一對密封部件；以及一對電極，其布置在該電弧管中使得每個電極的一個端部被相應 密封部件密封且所述電極的另外的端部在該發光部件中彼此相對，其中所封入的水銀具有 0. 2[mg/mm3]至 0. 4[mg/mm3]且包含 0. 2[mg/mm3]和 0. 4[mg/mm3]的密度，從接觸點 S 到該發光部件的中心0的距離W為3.0 [mm]至5.0 [mm]，且包含3.0 [mm]和5.0 [mm]，其中該接 觸點S代表該電弧管的管軸Z與該電弧管的內表面相交的點，從接觸點Ttj到該中心0的距 離C。為1. 5 [mm]至3. 0 [mm]，且包含1. 5 [mm]和3. 0 [mm]，其中接觸點Tq代表穿過該中心0 且垂直于該管軸Z的豎直軸Ytj與該電弧管的內表面相交的點，所述距離Ctj與從接觸點Tm 到中點M的距離Cm滿足關系(VQ ^ 0. 8，其中該中點M代表該中心0和該接觸點S之間的 中點，且該接觸點Tm代表穿過該中點M且垂直于該管軸Z的豎直軸Ym與該電弧管的內表面 相交的點，以及在密封部件側部分中該電弧管的最小厚度X[mm]與該發光部件的最大外徑 D[mm]滿足關系X/D ^ 0. 2，所述密封部件側部分為該發光部件的靠近密封部件的部分。本發明的另一方面為一種燈單元，其包含所述高壓放電燈；以及反射鏡，該反射 鏡包含頸部，該高壓放電燈的所述密封部件之一固定到該頸部；以及類似球狀的表面，其 反射從該高壓放電燈輻射的光通量。本發明的又一方面為包含所述燈單元的圖像顯示設備。[發明的有益效果]
本發明的高壓放電燈尺寸小且高效，這是因為以0. 2[mg/mm3]至0. 4[mg/mm3](且包含 0. 2 [mg/mm3]和0. 4 [mg/mm3])的密度將水銀封入其中，距離W為3. 0 [mm]至5. 0 [mm]，且包含 3. 0 [mm]和 5. 0 [mm]，以及距離 C。為 1. 5 [mm]至 3. 0 [mm]，且包含 1. 5 [mm]和 3. 0 [mm]。該高 壓放電燈表現出有利的光強度分布特性，這是因為距離Cm與距離(^滿足關系CM/C0 ^ 0. 8。 此外，該高壓放電燈造成電弧管破損的可能性較小，這是因為最小厚度X與最大外徑D滿足 關系X/D彡0. 2。本發明的燈單元和圖像顯示設備均包含小尺寸高效高壓放電燈，如上所述，這種 高壓放電燈提供有利的光強度分布特性且造成電弧管破損的可能性較小，且因此本發明的 燈單元和圖像顯示設備均尺寸小，提供改善的光通量到屏幕，且故障可能性較小。


圖IA為實施例1中的燈單元的透視圖，以及圖IB為實施例1中的燈單元的側視 圖2為實施例1中的燈單元的截面圖； 圖3為電弧管在其發光部件附近的截面圖4A示出當水銀密度為0. 3[mg/mm3]時X/D與電弧管破損之間的關系，以及圖4B示 出當水銀密度為0. 4[mg/mm3]時X/D與電弧管破損之間的關系； 圖5示出Cm/Q*光強度分布特性之間的關系； 圖6示出理想的光強度分布特性；
圖7示出CM/^對從發光部件輻射的光通量的光路徑的影響；
圖8A為包含口 50mm反射鏡的燈單元的截面圖，以及圖8B為包含口 35mm反射鏡的燈 單元的截面圖9為示出實施例2中的圖像顯示設備的實例的局部切割透視圖； 圖10為示出實施例3中的圖像顯示設備的實例的透視圖； 圖11為改進例1中的燈單元在其發光部件附近的截面圖； 圖12為改進例1中的燈單元在其發光部件附近的截面圖；以及圖13為改進例2中的燈單元的截面圖。
具體實施例方式下文在實施例中參考附圖描述高壓放電燈、燈單元和圖像顯示設備。注意，附圖不 是成比例的，因此附圖中的元件的比例不同于實際比例。[高壓放電燈和燈單元的配置]
圖IA為實施例1中的燈單元的透視圖。圖IB為實施例1中的燈單元的側視圖。如圖 IA和IB所示，燈單元100包含實施例1中的高壓放電燈101、反射鏡102以及外殼103。圖2為實施例1中的燈單元的截面圖。圖2略去了外殼。如圖2所示，高壓放電 燈101為所謂的雙端高壓水銀燈，并且包含由石英玻璃制成的電弧管110以及一對電極組 件120。電弧管110包含具有基本上球形形狀的發光部件111以及連接到發光部件111的 相對側的一對密封部件112。高壓放電燈101例如具有200[W]的額定功率和70[V]的額定 電壓。圖3為電弧管在其發光部件附近的截面圖。圖3略去了電極組件。如圖3所示， 發光部件111中電弧管110的最大外徑D約為9. 0 [mm]，并且發光部件111中電弧管110的 外表面的曲率半徑約為5. 45[mm]。在發光部件111內部形成容積約為60[mm3]的放電空間 113。從接觸點S到發光部件111的中心0(放電空間113的中心)的距離W約為4[mm]。 從接觸點Ttj到中心0的距離C0約為2. 0[mm]。注意，距離Ctj對應于放電空間113中包圍的 并且中心與中心0吻合的最大的圓的半徑。從接觸點Tm到中心0與接觸點S之間的中點M 的距離Cm約為1.7 [mm]。注意，距離Cm對應于放電空間113中包圍的且中心與中點M吻合 的最大的圓的半徑。密封部件側部分114中電弧管110的最小厚度X約為1.95[mm]。這 里，接觸點S為電弧管110的管軸Z與電弧管110的內表面相交的點。接觸點Ttj為穿過中 心0且垂直于管軸Z的豎直軸Ytj與電弧管110的內表面相交的點。接觸點Tm為穿過中點 M且垂直于管軸Z的豎直軸Ym與電弧管110的內表面相交的點。注意，在實施例中，發光部件111的中心0定義為與管軸Z的位于放電空間113中 的部分相對應的線段的中點。在本申請中，出于討論的目的，發光部件111被豎直軸Ym劃 分為多個部分。靠近密封部件112的部分定義為密封部件側部分114。而靠近中心0的其 它部分定義為中心部分115。最小厚度X定義為從電弧管110的外表面上的邊界U到電弧 管110的內表面的最小距離。這里，邊界U為發光部件111和密封部件112之間的邊界。注意，發光部件111的尺度不限于上述尺度，且可以根據高壓放電燈101的規格而 相應地改變。然而，為了減小高壓放電燈101的尺寸，距離W需要落在3.0 [mm]至5.0[mm] 的范圍內，且包含3.0 [mm]和5.0 [mm]，距離C。需要落在1.5 [mm]至3.0 [mm]的范圍內，且 包含1. 5[mm]和3. 0[mm]。為了提供表現出有利的光強度分布特性的高壓放電燈101，距離 Cm和距離Ctj需要滿足關系Cm/Q彡0. 8。為了防止電弧管110破損，最小厚度X和最大外徑 D需要滿足關系X/D彡0. 2。稍后描述這些尺度的具體原因。放電空間113被填充有密度大約為0. 2[mg/mm3]至0. 4[mg/mm3](且包含0. 2[mg/ mm3]和0.4[mg/mm3])的作為發光材料的水銀(Hg)、壓強大約為30[kPa]的作為起動輔助劑 (starting aid)的稀有氣體、以及密度大約為10_7[ μ mol/mm3]至10_2[ μ mol/mm3](且包含
610-7[ymol/mm3]和10_2 [ μ mol/mm3])的作為鹵素材料的溴(Br)。燈點亮期間的水銀蒸氣壓 強約為20[kPa]至30[kPa]且包含20[kPa]和30[kPa]。高壓放電燈101是高效的，這是因 為水銀以大約 0. 2[mg/mm3]至 0. 4[mg/mm3](且包含 0. 2[mg/mm3]和 0. 4[mg/mm3])的密度 封入該高壓放電燈中。注意，發光材料不限于水銀，并且堿金屬原子等可以用作發光材料。稀有氣體的 實例為氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)以及其中至少兩種的混合物。鹵素材料的實例為碘(I)、 溴(Br)、氯(Cl)以及其中至少兩種的混合物。燈點亮期間的水銀蒸氣壓強不限于大約 20 [kPa]至 30 [kPa]且包含 20 [kPa]和 30 [kPa]。往回參考圖2，該對密封部件112的每一個具有例如基本上柱狀形狀。密封部件 112的外徑約為5. 2[mm]，并且從中心0到密封部件112的最遠端的距離為22. 5[mm]。每 個電極組件120由該對密封部件112中的相應一個密封。該對密封部件112中的僅僅一個 利用膠接劑162等固定到反射鏡102的頸部161。注意，密封部件112的尺度不限于上述尺 度，且可以根據高壓放電燈101的規格而相應地改變。然而優選的是，密封部件112的外徑 落在5.0[mm]至6.0[mm]的范圍內且包含5. 0[mm]和6.0[mm]。每個電極組件120包含電極130、金屬箔140以及外引線150。電極組件120例如 通過將電極130、金屬箔140和外引線150按此順序焊接在一起而制成。電極組件120主要 在金屬箔140的部分被密封部件112密封。電極130包含例如電極引腳131和線圈132，所述電極引腳和線圈均由鎢制成。線 圈132通過熔融而卷繞電極引腳131的一個端部。該對電極130在放電空間113中彼此相 對布置，其間的距離約為0. 95 [mm]，使得在電極130的一個端部被相應密封部件112密封的 狀態下，電極130基本上位于同一直線上。優選的是，這對電極130的相對末梢(tip)之間 的距離，即弧長，落在0.5 [mm]至2.0 [mm]的范圍內(且包含0. 5 [mm]和2. 0 [mm])，從而將高 壓放電燈置為接近點光源。這對電極130的每一個的末梢通過用線圈132卷繞而增大直徑。利用這種結構， 提高了熱容量，且因而減輕電極130的退化。此外，這對電極130的每一個的末梢通過用線 圈132卷繞而增大表面積。利用這種結構，提高熱散逸，且因而防止電極130的溫度不必要 地增大。這對電極130的每一個的末梢優選地是逐漸變細的，從而防止由電極130造成的漸暈。金屬箔140為例如基本上條形且由鉬制成。金屬箔140在較長方向上的寬度約為 14[mm]，且在較短方向上的寬度約為1.5[mm]。金屬箔140的厚度約為20[ μ m]。金屬箔 140的尺度不限于上述尺度。然而優選的是，在較長方向上的寬度落在10[mm]至20[mm]的 范圍內且包含10 [mm]和20 [mm]，在較短方向上的寬度落在1.0 [mm]至2.0 [mm]的范圍內且 包含1.0 [mm]和2.0 [mm]，并且金屬箔140的厚度落在10 [μ m]至30 [μ m]的范圍內且包含 10[μ ]禾口 30[μπι]ο電極130結合到金屬箔140的一個端部，且外引線150結合到金屬箔140的另一 端部。整個金屬箔140埋在密封部件112中。如上所述通過將金屬箔140夾置在電極130 和外引線150之間并且主要在金屬箔140的部分密封電極組件120，將放電空間113形成為 氣密的。外引線150例如由鉬制成。位于金屬箔140的一側上的外引線150的一個端部埋在密封部件112中，且外引線150的另一端部從密封部件112被拖曳到外部。反射鏡102為漏斗形二向色反射鏡，其包含頸部161和類似球狀的表面163。高 壓放電燈101的這對密封部件112的一個固定到頸部161。類似球狀的表面163將從高壓 放電燈101輻射的光通量反射到外殼103的一側。反射鏡102是通過壓制比如硼硅酸鹽玻 璃、鋁硅酸鹽玻璃和結晶化玻璃的耐熱材料而制成。類似球狀的表面163是由通過真空沉積方法、濺射方法、離子輔助沉積方法等制 成的光學多層構成。該多層根據波長透射或反射光，且由此抑制反射鏡的溫度上升并且改 善反射效率。類似球狀的表面163具有這樣的結構，其中角度OF2R等于或小于角度OF2Q (在圖 2中，角度OF2R等于角度0F2Q)。這里，當中心0與類似球狀的表面163的第一焦點F1吻合 時，角度OF2R代表由中心0、類似球狀的表面163的第二焦點F2以及未固定到頸部161的 密封部件112的端部的外周R形成的角度。角度OF2Q代表由中心0、第二焦點F2、以及發光 部件的外表面與豎直軸\相交處的接觸點Q形成的角度。類似球狀的表面163的長半徑A 和小半徑B滿足關系0. 4≤(A-B) /A≤0. 6。利用這些結構，高壓放電燈101表現出有利的 光強度分布特性。稍后描述這些尺度的詳細原因。往回參考圖IA和1B，外殼103包含盒狀本體171。例如利用硅樹脂粘合劑(未示 出)或通過托架(未示出)，準直透鏡172在與反射鏡102相對的一側上結合到本體171。用于將室外空氣吸入本體171中的冷卻窗口 174設于本體171的相對的側壁173 的每一個中。通過冷卻窗口 174有效地冷卻被反射鏡102和外殼103包圍的高壓放電燈 101。利用這種結構，高壓放電燈101的發光部件111和密封部件112保持在合適的溫度， 且由于熱引起的發光部件111的劣化和破損發生的可能性較小。注意，防塵過濾器175附 連到冷卻窗口 174。[發光部件的形狀的細節]
下文描述發光部件111的最佳尺度及其至關重要性。< 關系 X/D ≥ 0. 2>
圖4A示出當水銀密度為0. 3[mg/mm3]時X/D與電弧管破損之間的關系，以及圖4B示 出當水銀密度為0. 4[mg/mm3]時X/D與電弧管破損之間的關系。圖4A和4B中的值表明損 壞的電弧管的數目與評估樣品的數目的比率。為了檢查值X/D對由于熱引起的電弧管破損的影響，制作分別具有不同X/D值的 各種高壓放電燈，并且評估所制作的高壓放電燈的破損頻率。特別地，關于最大外徑D分別 為8. 0[mm]、9. 0[mm]和10. 0[mm]并且發光部件外表面的曲率半徑相同的三種類型的高壓 放電燈，調整最小厚度X，使得每個高壓放電燈具有不同X/D值。接著，評估所制作的高壓放 電燈的破損頻率。以200[W]功率點亮每個高壓放電燈。此時，不進行每個高壓放電燈的冷卻，以便 盡可能增大發光部件和密封部件的溫度，且由此增大熱沖擊的范圍。在一個點亮循環中，每 個高壓放電燈被接通并點亮一個小時，且接著被關閉并保持半個小時。重復點亮循環，使得 總的點亮小時設置為30小時。通過處理由X射線設備捕獲的電弧管110的圖像來測量厚 度。注意，由于密封部件側部分位于發光部件的相對側，通過測量全部兩個所述密封部件側 部分的厚度并選擇較薄的一個來確定最小厚度X。
如圖4A所示，當水銀密度為0. 3[mg/mm3]時，只要關系X/D≥0. 20被滿足，則不 發生電弧管破損。如圖4B所示，當水銀密度為0. 4[mg/mm3]時，只要關系X/D≥0. 20被滿 足，也不發生電弧管破損。然而，當關系X/D<0. 20被滿足時，水銀密度為0. 4[mg/mm3]的情形中損壞的電弧 管的數目略大于水銀密度為0.3 [mg/mm3]的情形中損壞的電弧管的數目。據推測，這是因 為由于水銀密度增大而引起水銀蒸氣壓強增大的緣故。下文描述當關系X/D≥0. 20被滿足時不發生電弧管破損的原因。首先，由放電空間113的尺寸和發光部件111的玻璃厚度確定最大外徑D。然而， 放電空間113需要具有一定的尺寸。因此，為了減小高壓放電燈的尺寸，必須減小最大外徑 D。結果，必須相應地減小密封部件側部分中的玻璃厚度。放電空間需要具有一定的尺寸的原因在于，當發光中心定位為太靠近內表面時， 鎢附著到電弧管的內表面。這會使電弧管變黑，且造成鹵素循環中的錯誤而使電極退化。此 外，當放電空間小時，由于電弧管的內表面溫度增大的原因，構成電弧管的石英玻璃變得有 云紋(clouded)。這造成光通量減小。接著，當密封部件側部分的玻璃厚度減小時，在靠近發光部件的部分中的密封部 件的溫度增大。這可能引起破裂的發生。這是因為下述原因。由鎢制成的電極引腳的熱膨 脹系數為38 X 10-7 [/°C],而由石英玻璃制成的密封部件的熱膨脹系數為5 X 10-7 [/°C ]。它 們之間的差異巨大。當密封部件的溫度在靠近發光部件的部分中變高時，該差異在該部分 上引起應力。結果，會在圍繞電極引腳的玻璃中發生破裂，且該破裂會擴展。特別地，當額定功率P在100 [W]至300 [W]的范圍內(且包含100 [W]和300 [W])， 且最大外徑D和額定功率P滿足關系D≤0. 02XP+6 (例如，當額定功率P為200 [W]且最 大外徑D等于或小于10.0 [mm]時)時，發光部件111的溫度可能變高。這種情況下，破裂可 能發生且在高壓放電燈101的密封過程中已經發生的破裂由于應力的原因有可能擴展。根據實施例1中的高壓放電燈101，在發光部件111的密封部件側部分114中玻璃 厚度大，因為最小厚度X[mm]和最大外徑D[mm]滿足關系X/D>0.2。這種結構使得容易將 在放電空間113中產生且傳遞到發光部件111的熱量通過密封部件側部分114中的玻璃傳 導到密封部件112，并允許所述熱量通過密封部件112逃逸到反射鏡102的一側。因此，發 光部件111的溫度變高的可能性較小。結果，將電極130密封的密封部件112的發光部件 側部分116的溫度變高的可能性也較小，且因此在圍繞電極130的玻璃中發生破裂的可能 性較小并且電弧管110破損發生的可能性較小。為了防止發光部件111造成的漸暈阻擋由類似球狀的表面163反射的光通量，優 選地盡可能減小最大外徑D。< 關系 CM/CQ ≥ 0. 80>
為了檢查值Cm/Q對光強度分布特性的影響，制作分別具有不同CM/Q值的三種類型的 高壓放電燈，并且評估每一個所制作的高壓放電燈的光強度分布特性。在每個所制作的高 壓放電燈中，最大外徑D為9.0 [mm]，距離C。為2.0 [mm]，且發光部件111的外表面的曲率 半徑為5. 45 [mm]。在電弧管繞中心0旋轉360度的同時，通過使用置于距中心0距離30cm 處的照度計來測量燈點亮期間的照度，從而評估光強度分布特性。圖5示出C/Q和光強度分布特性之間的關系。圖6示出理想的光強度分布特性。如圖5所示，當Cm/Q為0. 73時，高壓放電燈表現出心形光強度分布特性，表明密封部件側 部分中的光通量水平高于中心部分中的光通量水平。當CVQj為0. 80時，密封部件側部分 的光通量水平基本上等于中心部分的光通量水平。與Cm/Q為0. 73的情形相比，密封部件 側部分中的光通量的水平減少且中心部分中的光通量水平增大。當C/Q為0. 85時，如圖 6所示，高壓放電燈表現出理想的光強度分布特性，表明中心部分中的光通量的水平高于密 封部件側部分中的光通量的水平。如上所述，發現CM/CQ越高，光強度分布特性越佳。當CM/CQ等于或大于0. 80時，中 心部分中的光通量的水平等于或大于密封部件側部分中的光通量的水平。光強度分布特性 隨著Cm/Q增大而改善的原因在于，當CM/Q大時，穿過中心部分的光通量可以在基本上垂直 于電弧管管軸的方向上(在基本上平行于豎直軸\的方向上)從發光部件輻射。圖7示出Cm/Q對從發光部件輻射的光通量的光路徑的影響。如圖7所示，當CM/Q 為0. 80時，穿過發光部件111的中心部分115的光通量遵循光路徑Li。另一方面，當CmA^ 為0. 73時，由于電弧管110的內表面具有由虛線示出的形狀，穿過發光部件111的中心部 分115的光通量遵循光路徑L2。如上所述，當C/Q變為大時，穿過中心部分115的光通量 在基本上垂直于電弧管110的管軸Z的方向上從發光部件111輻射。換言之，Cm/Q越大， 由穿過中心部分115的光通量與豎直軸\形成的角度變得越小。因此，在垂直于管軸Z的 方向上輻射的光通量的水平增大，且光強度分布特性因而改善。圖8A為包含口 50mm反射鏡的燈單元的截面圖，以及圖8B為包含口 35mm反射鏡 的燈單元的截面圖。這里，口 50mm反射鏡為尺寸與可以被容納在50-mm立方體中的最大的 鏡的尺寸相同的鏡。如圖8A所示，在作為傳統反射鏡的實例的口 50mm反射鏡中，例如，第一焦距fl為 6. 5 [mm]，第二焦距f2為150 [mm]，且橢圓率(A-B)/A為0. 59。從電弧管輻射的光通量的有 效反射區域是在通過將穿過中心0的豎直線旋轉48. 31[° ]到頸部側而測量的范圍內以及 通過將所述豎直線旋轉39.59]到開口側而測量的范圍內。當使用口 50mm反射鏡時，對于高壓放電燈中的CM/CQ為0. 73,0. 80或0. 85的所 有情形，并不發生收集光通量的主要問題，因為在開口側穿過密封部件側部分的光通量落 在反射鏡的有效反射區域內。此外，在頸部側，發生問題的可能性較小，因為有效反射區域 對于光強度分布具有大約8]的余地。另一方面，如圖8B所示，作為近年來在市場中變得普遍的小尺寸反射鏡的實例的 □ 35mm反射鏡具有的開口尺寸和第一焦距Π比口 50mm反射鏡的開口尺寸和第一焦距fl 小大約百分之20至百分之30。例如，第一焦距Π為4. 8 [mm]，第二焦距f2為60 [mm]，且橢 圓率(A-B)/A為0. 48。從電弧管110輻射的光通量的有效反射區域是在通過將穿過中心0 的豎直線旋轉30.43Γ ]到頸部側而測量的范圍內以及通過將該豎直線旋轉39. 46[° ] 到開口側而測量的范圍內。頸部側上的有效反射區域比口 50mm反射鏡的小17.88]。如上所述，在有效反射區域小的口 35mm反射鏡中，聚焦在第二焦點F2上的光通量 趨于減小。當該反射鏡與Cm/QS 0.73c的高壓放電燈組合時，包含在大約10]的角度 內的密封部件側部分中的光通量未被使用，且聚焦在第二焦點F2上的光通量相應地減小。 當該反射鏡與CVQj為0. 80或0. 85的高壓放電燈組合時，高壓放電燈表現出的光強度分 布特性表明中心部分中的光通量的水平等于或高于密封部件側部分中的光通量的水平。因此，未使用的光通量與全部光通量的比率低。由于密封部件側部分中的光通量的僅一部分 未被使用，到屏幕的光通量未顯著地減小。注意，由于Cm/QS 0. 85c的高壓放電燈表現出有利的光強度分布特性表明中心部 分中的光通量的水平最高，因此即使當該高壓放電燈與有效反射區域小的小尺寸反射鏡組 合時，仍可以充分地利用光通量。與其它部分相比，類似球狀的表面的精確性在頸部附近趨于減小，且厚度在開口 附近趨于減小。然而，在中心部分，不存在這種趨勢。再者，中心部分在反射效率方面具有 高的權重，且對到達屏幕的光通量具有強的影響。由于這些原因，Cm/Q為0. 85c的高壓放 電燈適于與反射鏡組合。然而，當(VQ高于0. 9時(例如，當(VQ為0. 93時)，關于聚焦在對應于第二焦點 F2的受輻射表面上的光通量，在受輻射表面的中心和受輻射表面的外圍之間形成巨大亮度 差異。即使當通過使用許多小尺寸透鏡提供均勻光分布的透鏡陣列將光通量投射在屏幕上 時，在屏幕的中心和屏幕的外圍之間也形成顯著亮度差異。因此，為了減小屏幕的中心和屏 幕的外圍之間的亮度差異，優選地Cm/Q為0. 9或更低。<距離C。和距離W>
如圖3所示，當距離Ctj在1. 5[mm]至3. 0[mm]的范圍內(且包含1. 5[mm]和3. 0[mm]) 且距離W在3.0 [mm]至5.0 [mm]的范圍內(且包含3. 0 [mm]和5. 0 [mm])時，發光部件111 的內表面具有圓弧形狀。因此，由從放電空間113入射在發光部件111中玻璃上的光通量 與豎直軸Ytj形成的角度減小。利用這種結構，表現出這樣的光強度分布特性，其中強度峰 位于中心部分。因此，當具有這種結構的高壓放電燈與有效反射區域小的小尺寸反射鏡組 合時，光通量的絕對量減小的可能性較小。因此，該組合對于小尺寸薄型圖像顯示設備是有 用的。然而，當距離Ctj小于1.5[mm]時，發光中心定位為太靠近發光部件111的內表面， 并且比如去玻璃化(devitrification)和變黑的問題可能出現。當距離C。大于3. 0 [mm]時， 發光部件111的厚度過度減小，且耐壓性減小。這會導致電弧管110破損。當距離W小于3.0[mm]時，發光中心定位為太靠近密封部件112的發光部件側部 分116，且密封部件112的發光部件側部分116的溫度因而變得太高。這會導致電弧管110 破損。此外，有可能發生比如鎢(其構成電極且在啟動期間被濺射)附著到內表面的問題。 當距離W大于5. 0[mm]時，由于發光部件111的密封部件側部分114太遠離發光中心，密封 部件側部分114的溫度變低。因而，水銀不徹底蒸發，且因此光通量的量減小。〈發光部件的成型方法〉
下文描述包含具有期望形狀的發光部件的電弧管的制造方法。例如，外徑為6[mm]、內 徑為2[mm]且長度為1200[mm]的石英管劃分為四等份以獲得長度均為300[mm]的四個截 斷管頭。所述截斷管頭之一的兩個端部由旋轉卡盤保持，且在該截斷管頭旋轉的同時，該截 斷管頭的中心部分被氣體燃燒器加熱軟化。此時，比如氬和氮的惰性氣體通過該截斷管頭 的兩個端部被吹入該截斷管頭以形成發光部件的內部形狀。同時，該截斷管頭的膨脹部分 通過設為圍繞截斷管頭中心部分的成型夾具而成型，以形成該發光部件的外形。通過調整 比如燃燒器的熱功率、惰性氣體的壓強以及從兩個端部朝向中心部分推動截斷管頭的力和 速度的條件來加工該電弧管的發光部件。
11
[反射鏡形狀的細節] 〈角度OF2R和角度0F2Q>
如圖2所示，高壓放電燈101和反射鏡102定位為使得中心0與類似球狀的表面163 的第一焦點F1吻合。從電弧管110輻射的光通量在從G到H的區域中被類似球狀的表面 163反射。所有的在從G到H的區域中反射的光通量理想地被聚焦在類似球狀的表面163
的第二焦點F2上。然而，當穿過第二焦點F2和接觸點Q的線與類似球狀的表面163相交的點由N表 示時，在從G到N的區域中反射的光通量損失，這是因為發光部件111阻擋該光通量。此 外，當穿過第二焦點F2和外周R的線與類似球狀的表面163相交的點由N’表示時，在從N 到N’的區域中反射的光通量損失，這是因為在角度OF2R大于角度OF2Q的情況下密封部件 112阻擋該光通量。因此，為了不損失在從N到N’的區域中反射的光通量，角度OF2R優選地等于或小 于角度OF2Qtj利用這種結構，防止了由密封部件112造成的漸暈，且因而有效地將光通量聚 焦在第二焦點F2上。因此，有可能提供改善的光通量到燈單元100中的屏幕。特別地，通過減小密封部件112的端部的直徑，可以使角度0&1 等于或小于角度 OF2Q0換言之，當密封部件112的直徑如圖2中虛線所示那樣為恒定時，且因而角度OF2R' 大于角度OF2Q時，通過減小密封部件112的端部的直徑，可以使角度OF2R等于或小于角度 OF2Q。注意，通過減小密封部件112的長度，可以使角度OF2R等于或小于角度0F2Q。然 而，當額定功率P大時，密封部件112需要加長以降低電弧管110的溫度。在這種情況下， 一種有效的方式是減小密封部件112的端部的直徑。注意，通過使用燃燒器、激光器等來加 熱，可以使密封部件112的端部逐漸變細。〈橢圓率(A-B)/A>
如圖2所示，類似球狀的表面163的長半徑A和小半徑B優選地滿足關系0. 4 ( (A-B) / A <0.5。例如，對于口 35mm反射鏡的情形，通過將長半徑A設置為32. 4 [mm]，小半徑B設 置為16. 971 [謹]，第一焦距f 1設置為4. 8 [謹]以及第二焦距f2設置為60 [謹]，獲得了一 種提供改善的光通量到屏幕的小尺寸反射鏡。在這種情況下，(A-B)/A約為0. 48，且在準直 透鏡172上的入射角約為19]。當(A-B)/A大于0.5時，在上述口 35mm反射鏡中，第一焦距fl等于或小于 4. 5 [mm]。因此，電弧管110的發光部件111定位為太靠近反射鏡102的類似球狀的表面 163。這不是優選的，因為密封部件112和發光部件111的溫度容易增大，且容易發生電弧 管110破損。相比之下，當(A-B)/A小于0.4時，在定位在類似球狀的表面163的第二焦點F2上 的準直透鏡172上的入射角(見圖IA和1B)增大。因此，一部分光通量在準直透鏡172的 表面上被反射并損失。例如，當第一焦距約為1 [mm]的雙凹透鏡被用作準直透鏡172時，要 求入射角等于或小于26. 6[° ]以減小光通量的損失。出于上述原因，在比如口 35mm反射鏡的小尺寸反射鏡的情形中，優選地應滿足關 系0.4彡(A-B)/A彡0.5。注意，在口 50mm反射鏡的情形中，由于長半徑A和小半徑B大 于小尺寸反射鏡中的長半徑A和小半徑B，優選地應滿足關系0. 4彡(A-B) /A彡0. 6。
[高效率確認實驗]
為了確認本發明在效率方面的效果，進行了下述實驗。< 實驗 1>
通過將包含本發明的電弧管(最大外徑D為9. 0 [mm]，電弧管的外表面的曲率半徑為 5. 45 [mm]，距離 C0 為 2. 0 [mm]，CM/C0 為 0. 8，距離 W 為 4. 0 [mm]且水銀密度為 0. 3 [mg/mm3]) 的高壓放電燈構建在口 35mm反射鏡(第一焦距fl為4.8[mm]且第二焦距f2為60[mm])中 來制作燈單元。接著以200[W]的功率點亮所制作的燈單元。穿過5Φ孔徑的光被收集在積 分球上，并且測量其照度[lx]。為了比較，通過將包含傳統電弧管(最大外徑D為10. 2 [mm]， 電弧管的外表面的曲率半徑為5. 1 [mm]，距離C0為2. 2 [mm]，CM/C0為0. 72，距離W為4. 0 [mm] 且水銀密度為0. 3 [mg/mm3])的高壓放電燈構建在口 50mm反射鏡(第一焦距Π為6. 5 [mm] 且第二焦距f2為150[mm])中來制作另一燈單元。接著，在與本發明的高壓放電燈使用的 條件相同的條件下測量所述另一燈單元的照度。注意，將5Φ孔徑定位在每個反射鏡的第 二焦點上，并且允許光穿過該孔徑。作為評估的結果，發現本發明的燈單元的照度與傳統燈單元的照度相比提高了大 約8[%]。相應地，發現本發明的燈單元是高效的，同時其在尺寸上小于傳統燈。< 實驗 2>
接著，通過將包含實驗1中使用的傳統電弧管的高壓放電燈構建在口 35mm反射鏡中 來制作燈單元。接著，通過收集穿過Φ5孔徑的光，在與在實驗1中使用的條件相同的條件 下測量燈單元的照度。結果，發現與通過將包含傳統電弧管的高壓放電燈構建在實驗1中使用的口 50mm反射鏡中而制作的傳統燈單元的照度相比，通過將包含傳統電弧管的高壓放電燈構建 在口 35mm反射鏡中而制作的燈單元的照度減少了大約3 [%]。基于實驗2的結果，假設照度減小是因為由于反射鏡尺寸的簡單減小引起反射鏡 的有效反射區域減小，以及因為如結合圖8A和8B所述，當對電弧管的光強度分布特性有貢 獻的CVQj低于0. 8時，密封部件側部分中的光通量未被用于增大照度。在實驗1中，通過將包含本發明的電弧管的高壓放電燈構建在口 35mm反射鏡中 而制作的燈單元的照度可以提高的原因在于，通過將CVQ設置為0. 8以改善光強度分布特 性，密封部件側部分中的光通量損失得到抑制。此外，可以防止由于電弧管的發光部件的尺 寸減小引起的漸暈。[圖像顯示設備]
圖9為示出實施例2中的圖像顯示設備的實例的局部切割透視圖。圖9略去圖像顯示 設備的殼體的頂板，使得可以看到內部部件。如圖9所示，實施例2中的第一圖像顯示設備 200為將圖像投射在置于其前方的屏幕(未示出)上的前投式投影儀，并且使用DLP 技術。 圖像顯示設備200具有這樣的結構，其中光學單元202、控制單元203、投影透鏡204、冷卻扇 單元205以及電源單元206容納在殼體201中。光學單元202包含用作光源的燈單元100、 DMD (未示出)以及由三種不同顏色的濾色器構成的色輪(未示出)。控制單元203控制并 驅動DMD等。電源單元206將從商業電源供應的電功率轉換成適合于控制單元203和燈單 元100的電功率，并且供應經轉換的電功率。圖10為示出實施例3中的圖像顯示設備的實例的透視圖。如圖10所示，實施例3中的第二圖像顯示設備300為背投式投影儀且具有這樣的結構，其中作為光源的燈單元 100、光學單元(未示出)、投影透鏡(未示出)以及反射鏡(未示出)容納在殼體301中。從投 影透鏡投射且接著被反射鏡反射的圖像從半透明屏幕302后方被投射和顯示。在實施例2中的圖像顯示設備200和實施例3中的圖像顯示設備300中，使用這 樣的高壓放電燈101，其尺寸小且高效，表現出有利的光強度分布特性，且包含很少損壞的 電弧管110。因此，與傳統圖像顯示設備相比，圖像顯示設備200和300尺寸更小，提供增加 的光通量到屏幕，且故障可能性較小。[改進例]
盡管本發明的高壓放電燈、燈單元和圖像顯示設備的細節在上文中基于實施例予以描 述，但本發明不限于在上述實施例中描述的那些細節。下文描述它們的改進例。<改進例1>
圖11和12為改進例1中的燈單元在其發光部件附近的截面圖。注意，圖11和12中 的符號“G”、“N”和“N’ ”分別對應于圖2中的符號“G”、“N”和“N’ ”。如圖11所示，改進例1中的燈單元的反射鏡102還包含在頸部的一側(圖11中在 左側)位于類似球狀的表面163上的球形反射表面164。當反射鏡102不包含球形反射表面164時，類似球狀的表面163形成于圖11中虛 線所示的從G到N的區域中。在從G到N的區域中反射的光通量被電弧管110的發光部件 111阻擋而不聚焦在第二焦點F2上。然而，當曲率中心與類似球狀的表面163的第一焦點F1吻合的球形反射表面164 至少形成于從G到N的區域中時，在類似球狀的表面163上從G到N的區域中將被反射且 被發光部件111阻擋的光通量可以被球形反射表面164反射并聚焦在中心0上。聚焦在中 心0上的光通量接著穿過中心0和發光部件111，被類似球狀的表面163反射，并聚焦在第 二焦點F2上。如上所述，可以有效地使用由于發光部件111造成的漸暈而將損失的光通量。 因此，在燈單元中收集光通量的效率提高，且因而增加投射在屏幕上的光通量。通過形成球形反射表面164而獲得的另一效果為高壓放電燈的壽命提高。這是因 為，通過增大電弧管Iio和反射鏡102之間的距離，防止了電弧管110的局部溫度上升。如圖12所示，當角度OF2R大于角度OF2Q時，需要形成球形反射表面164從而至少 覆蓋從G到N’的區域。利用這種結構，也可以有效地使用由于密封部件112造成的漸暈而 將損失的光通量。注意，當球形反射表面164形成時，在頸部161的一側的電極130的溫度會由于球 形反射表面164反射且聚焦在中心0上的光通量而增大，且會引起電極130的退化。作為用 于減輕在頸部161的該側的電極130退化的方法，考慮這樣的方法與在另一側的電極130 相比，增大在頸部161的該側的電極130的熱容量。通過調整電極引腳131的直徑以及線 圈132的直徑或匝數，增大電極130的熱容量。當電極130的熱容量通過這些方法增大時， 優選防止光通量被電極130阻擋。<改進例2>
圖13為改進例2的燈單元的截面圖。如圖13所示，改進例2中的燈單元是通過利用 底座104將高壓放電燈101和反射鏡102結合在一起而獲得的。底座104具有類似帽的形狀，并具有位于其頂部的通孔181和位于其兩側的一對通氣孔182。密封部件112穿過通孔181。室外空氣通過這對通氣孔182被吸入底座104。 通過使用粘合劑等在底座104裝配在反射鏡102的頸部161上的狀態下，將底座104固定 到反射鏡102。通過使用粘合劑等在高壓放電燈101在其密封部件112處穿過通孔181的 狀態下，將底座104也固定到高壓放電燈101。空氣穿過頸部161和密封部件112之間的空 間，因為高壓放電燈101和反射鏡102通過底座104結合在一起且因而該空間未用膠接劑 填充。利用上述結構，有可能允許經過外殼的冷卻窗口在反射鏡102中流動的室外空氣 (見圖IA和1B)穿過頸部161和密封部件112之間的空間并且通過通氣孔182逃逸到底座 104外部。利用這種結構，有效地冷卻高壓放電燈101的發光部件111。此外，通過有效地 冷卻發光部件111，降低了冷卻扇(未示出)的流速，且因而抑制圖像顯示設備中的噪聲。[工業應用性]
本發明的高壓放電燈、燈單元和圖像顯示設備可廣泛地應用于比如液晶投影儀和DMD 投影儀的投影儀。[參考標記列表]
100燈單元101高壓放電燈102反射鏡103外殼110電弧管111發光部件112密封部件161頸部163類似球狀的表164球形反射表面130電極174冷卻窗口200 和 300圖像顯示設備
權利要求
1.一種高壓放電燈，包含 電弧管，該電弧管包含具有基本上球形形狀且具有封入其中的水銀的發光部件；和 從該發光部件的對立側延伸的一對密封部件；以及一對電極，其布置在該電弧管中使得每個電極的一個端部被相應密封部件密封且所述 電極的另一端部在該發光部件中彼此相對，其中所封入的水銀具有 0. 2 [mg/mm3]至 0. 4 [mg/mm3]且包含 0. 2 [mg/mm3]和 0. 4 [mg/mm3]的 密度，從接觸點S到該發光部件的中心0的距離W為3. 0 [mm]至5. 0 [mm]，且包含3. 0 [mm]和 5. 0[mm]，其中該接觸點S代表該電弧管的管軸Z與該電弧管的內表面相交的點，從接觸點T0到該中心0的距離C0為1. 5 [mm]至3. 0 [mm]，且包含1. 5 [mm]和3. 0 [mm]， 其中接觸點Ttj代表穿過該中心0且垂直于該管軸Z的豎直軸Ytj與該電弧管的內表面相交 的點，所述距離Q與從接觸點Tm到中點M的距離Cm滿足關系CVQj彡0. 8，其中該中點M代 表該中心0和該接觸點S之間的中點，且該接觸點Tm代表穿過該中點M且垂直于該管軸Z 的豎直軸、與該電弧管的內表面相交的點，以及在密封部件側部分中該電弧管的最小厚度X[mm]與該發光部件的最大外徑D[mm]滿足 關系X/D ^ 0. 2，所述密封部件側部分為該發光部件的靠近密封部件的部分。
2.權利要求1的高壓放電燈，其中額定功率P為100 [W]至300 [W]且包含100 [W]和300 [W]，以及 該最大外徑D [mm]和該額定功率P滿足關系02XP+6。
3.一種燈單元，包含權利要求1或2的高壓放電燈；以及 反射鏡，該反射鏡包含頸部，該高壓放電燈的所述密封部件之一固定到該頸部；以及 類似球狀的表面，其反射從該高壓放電燈輻射的光通量。
4.權利要求3的燈單元，進一步包含外殼，其在與該頸部相對的一側上附連到該反射鏡的一部分并且具有冷卻窗口。
5.權利要求3的燈單元，其中當該中心0與所述類似球狀的表面的第一焦點F1吻合時，角度OF2R等于或小于角度 OF2Q,其中所述角度OF2R代表由該中心0、所述類似球狀的表面的第二焦點F2以及未固定到 該頸部的所述密封部件之一的端部的外周R形成的角度，并且所述角度OF2Q代表由該中心 0、該第二焦點F2以及該發光部件的外表面與該豎直軸\相交處的接觸點Q形成的角度。
6.權利要求3的燈單元，其中所述類似球狀的表面的長半徑A和小半徑B滿足關系0. 4 ( (A-B) /A < 0. 6。
7.權利要求3的燈單元，其中該反射鏡進一步包含球形反射表面，其在該頸部的一側位于所述類似球狀的表面上并且具有與所述類似球 狀的表面的第一焦點F1吻合的曲率中心。
8. 一種圖像顯示設備，包含權利要求3至7中任何一項的燈單元。
全文摘要
本發明旨在提供一種小尺寸、高效的高壓放電燈，其表現出有利的光強度分布特性且造成電弧管破損的可能性較小。本發明在于一種高壓放電燈101，其包含電弧管110，該電弧管包含具有基本上球形形狀且具有封入其中的水銀的發光部件111和從發光部件111的相對側延伸的一對密封部件112；以及一對電極130，其布置在電弧管110中使得每個電極的一個端部被相應密封部件密封且所述電極的另一端部在該發光部件中彼此相對。所封入的水銀密度為0.2[mg/mm3]至0.4[mg/mm3]且包含0.2[mg/mm3]和0.4[mg/mm3]。從接觸點S到中心O的距離W為3.0[mm]至5.0[mm]且包含3.0[mm]和5.0[mm]。從接觸點TO到中心O的距離CO為1.5[mm]至3.0[mm]且包含1.5[mm]和3.0[mm]。距離CO與距離CM滿足關系CM/CO≥0.8，并且最小厚度X與最大外徑D滿足關系X/D≥0.2。
文檔編號H01J61/20GK102150232SQ20108000255
公開日2011年8月10日 申請日期2010年6月2日 優先權日2009年7月14日
發明者太田和紀, 水津將幸, 田丸修治, 蒲田幸平 申請人:松下電器產業株式會社