(57)【要約】本発明は、ランプバルブ（１）を有するランプであって、少なくとも１つの干渉フィルタ（３）が前記ランプバルブの表面に少なくとも部分的に位置し、少なくともこの干渉フィルタ（３）がいくつかの層を有し、該層の構造が高屈折率を有する層（３．１）及び低屈折率を有する層（３．２）を交互に有し、干渉フィルタ（３）の少なくとも外側の層及び／又は少なくとも１つの内側の層が熱的及び／又は固有のストレスを低減する保護層（４）を有し、前記１つの又は複数の保護層（４）の厚さが該低屈折率を有する全ての他の層の値の４０％より下の値を有する、ランプに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプバルブを有するランプであって、少なくとも１つの干渉フィルタが少なくとも部分的に前記ランプバルブの表面に位置し、少なくともこの干渉フィルタがいくつかの層を有し、該層の構造が高屈折率を有する層及び低屈折率を有する層を交互に有し、前記干渉フィルタの少なくとも外側の層及び／又は少なくとも１つの内側の層が熱的及び／又は固有のストレスを低減する保護層を有し、１つの又は複数の前記保護層の厚さが該低屈折率を有する全ての他の層の値の４０％より下の値を有する、ランプ。
【請求項２】
請求項１に記載のランプにおいて、前記保護層、前記層及び前記ランプバルブに用いられる材料が、略同等であることを特徴とする、ランプ。
【請求項３】
請求項１に記載のランプにおいて、前記干渉フィルタの該低屈折率を有する前記層が、好ましくは主にＳｉＯ２を有し、前記干渉フィルタの前記高屈折率を有する層が、ＳｉＯ２よりも高い屈折率を有する材料、好ましくは主に酸化ジルコニウムを有することを特徴とする、ランプ。
【請求項４】
請求項３に記載のランプにおいて、前高屈折率を有する層が、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、窒化ケイ素、及び特に好ましくは酸化ジルコニウムＺｒＯ２、又はこれら材料の混合物の群からの材料を有することを特徴とする、ランプ。
【請求項５】
高輝度放ランプ又はハロゲンランプであることを特徴とする、請求項１に記載のランプ。
【請求項６】
前記１つの保護層又は全ての保護層が、前記干渉フィルタ内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のランプ。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか一項に記載のランプを少なくとも１つ備える照明ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくともランプバルブを有するランプであって、干渉フィルタが前記ランプバルブの表面に少なくとも部分的に位置され、少なくとも前記干渉フィルタがいくつかの層を有し、前記層の構造が、高屈折率を備える層と低屈折率を備える層との交互の層を有し、前記干渉フィルタが、熱的及び／又は固有のストレスを低減する少なくとも１つの保護層を有するようなランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ及び、特に、超高性能（ＵＨＰ）ランプは、とりわけ、これらの光学的特性の理由により、投影目的に関して好ましい。本発明においては、ＵＨＰと呼ばれるランプ（Ｐｈｉｌｉｐｓ）は、他の製造者からのＵＨＰタイプのランプも含む。
【０００３】
この応用例において、電極先端間において形成される光アークが特定の長さを超えないように、可能な限り点状である光源が必要とされる。加えて、光の可能な最も自然なスペクトル組成を有する可能最高光度が必要とされる。
【０００４】
高輝度放ランプのランプバルブにおける、例えば干渉フィルタの光学層の集積化は、光学設備の設計を大幅に簡単にすることを可能にする。
【０００５】
１つの斯様な例は、データビーマにおける光源として用いられ得るＵＨＰランプの一体型反射器である。ここでは、ランプバルブの半分は、光アークによって発せられた光が優先的にランプバルブの他の半分側に送られるように、干渉フィルタとして設計される鏡部に適合される。この結果は、発せられた光が投影システムに関してより効率的に用いられ得るということである。
【０００６】
斯様な干渉フィルタは、数層で規則的に構築される。干渉フィルタの多層構造において、層は、高屈折率の層と低屈折率の層とが交互になっている。各層の屈折率は、選択された層材料によって主に決定され、したがって、この点において少なくとも２つの異なる絶縁材料が層の構造において用いられなければならない。
【０００７】
フィルタの透過及び反射特性は、フィルタの種々異なる層の設計、特に層厚さによって決定される。
【０００８】
一般的に、所望のスペクトル目標関数は、異なるフィルタ層の屈折率間の差がより大きくなるにつれて、より容易に実現され得る。層材料の屈折率の値の間の差が大きい場合、交互の層の数、つまり多くの場合干渉フィルタの全体の厚さは、大概低減され得る。ランプバルブが、特に石英又は同等の材料を有する場合、ＳｉＯ２が、低い屈折率を有する層に関する材料としてしばしば用いられる。高い屈折率を有する層に関する材料の選択は、ＵＨＰランプに関する通常動作温度の範囲を考慮しなければならず、ＵＨＰランプの範囲の上限は、約１０００℃である。この点に関して十分な温度耐性は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）によって証明される。しかし、酸化ジルコニウムは、石英より著しく高い熱膨張率係数を有する。このことは、ＨＩＤランプ、特にＵＨＰランプの高動作温度における干渉フィルタの層間におけるストレスの発達を生じさせ得て、クラックの形成をフィルタの完全破壊の点にまで引き起こさせ、又は不所望な光散乱の増加を生じ得る。
【０００９】
ＨＩＤランプ、特にＵＨＰランプが用いられる場合、２つの重要な要件が同時に満たされなければならない。
【００１０】
一方では、放電空間部の内側表面における最高温度が、通常石英ガラスからなるランプバルブの変形が生じる程に高くあってはならない。このことは、光アークの上の領域がランプの放電空間部内の強い対流によって特に強く熱せられるので、問題になり得る。
【００１１】
他方では、放電空間部の内側表面における最低温度点は、なお水銀がその場に蒸着せずに、全体に十分なレベルの気化のままでいるような高い温度を有さなければならない。このことは、飽和ガスが満たされているランプに関して特に考慮されなければならない。
【００１２】
これらの矛盾する要件は、最高及び最低温度の間の最大許容差が比較的小さいということを意味する。構造材料の負荷限界におけるこれらＨＩＤランプの１つを動作する場合、例えば温度の上昇のような温度場のいかなる変化も、動作寿命のような性能パラメータに負の影響を有し得る。
【００１３】
この最適化されたシステムは、放電空間部における温度場に影響を及ぼす又は変化させる対策に非常に敏感に反応する。外側表面への反射層の適用は、ＵＨＰランプの動作温度が、被膜のない同様のランプと比較した場合に、通常上昇するような１つの手段である。これは、とりわけ特に、ランプ内部の多重反射が、再吸収の増加を通常引き起こすからである。例えば多層干渉フィルタであるような被膜は、通常、被膜されていない表面の純粋な石英面と比較してランプ表面における熱放射の低減を引き起こし、それにより、ランプは少ない熱を放出し、したがって、動作温度は上昇する。
【００１４】
多層干渉フィルタを用いる場合に温度場の変化を最小に低減するために、保護層を含む干渉フィルタの厚さは、出来る限り小さく保たれなければならない。
【００１５】
ＵＨＰランプが投影システムに架設される場合、例えば、多層干渉フィルタの設計は、特定の要件を適切に満たさなければならず、この場合に、可変に位置決めされ得る保護層の最小可能厚さは、設計に関する新しい可能性になり得る。
【００１６】
またハロゲンランプは、特別な応用例に関して、特に効率を増加するために光学干渉フィルタで被膜される。ここにおいて、他の手法では照明目的用に用いられ得ない放出されたスペクトルの赤外線部分は、白熱フィラメントに反射して戻され再吸収される。この再吸収された容量は、白熱フィラメントの過熱に貢献し、したがって、この目的に関して必要な電力の低減を可能にする。この場合の高屈折層は、多くの場合、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ又はこれらの混合物の群からの材料を用いる。斯様な応用例は、赤外線における広い反射帯に加えて、可視スペクトルにおいて良好な伝達を必要とするので、高い層数及び大きい全厚さ、例えば６０層より多く及び６μｍを超える全厚さを備える複雑なフィルタが、しばしば用いられる。またこれらの材料は、ランプバルブ材料（基板）との熱膨張係数の差が例えばＺｒＯ２よりも少ないにもかかわらず、ハロゲンランプの通常の動作温度における安定性限界に近づく。このことが意味するのは、更なる設計選択肢に関する需要が、より厚くより効率的なフィルタ被膜にストレス低減層を有する多層干渉フィルタに関して存在するということである。
【００１７】
基本的な解決法は、米国特許第５，９２３，４７１号より、外部保護層が実際の光学効果的多層干渉フィルタに塗布されるランプ及びディスプレイの様々な応用例の場合に関して既知である。このことは、とりわけ特に、所要の成功を達成するために、保護層の厚さが室温と約１２００℃の温度の間における動作温度範囲において特定の厚さより低下してはならないことを提案する。保護層の最小厚さに関して、ある値が与えられ、この値は、干渉フィルタにおける全ての他のケイ酸塩層の値の少なくとも５０％を下回ってはならない。保護層のこの必要な厚さは、例えば、工業大量生産における高製造コストのせいにより、ＨＩＤランプ、特にＵＨＰランプの様々な特別な応用例に関して実現するのが困難である。またこの解決法の別の不利な点は、干渉フィルタの外側の層が常に保護層でなければならず、したがって、干渉フィルタに関する設計選択肢が、必然的に制限されることでもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、本発明の目的は、ランプのランプバルブが工業的大量生産において効率的に製造され得る保護層を備える干渉フィルタを有し、ランプの厚さが所要の動作温度に適合され得る、冒頭の段落に記載の種類のランプ又は前記ランプを備える照明ユニットを開発することであり。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の目的は、請求項１における特徴によって達成される。
【００２０】
本発明のランプは、ランプバルブを有し、干渉フィルタが前記ランプバルブの表面に少なくとも部分的に位置し、少なくとも前記干渉フィルタがいくつかの層を有し、該層の構造が高屈折率を有する層及び低屈折率を有する層を交互に有し、干渉フィルタの少なくとも外側の層及び／又は少なくとも１つの内側の層が熱的及び／又は固有のストレスを低減する保護層を有し、１つの又は複数の保護層の厚さが低屈折率を有する全ての他の層の値の４０％より下の値を有する。
【００２１】
本発明の解決法は、ＵＨＰランプを用いた多数の検査、すなわち干渉フィルタに関する様々な設計での検査から得られた経験に基づく。これらの結果は、ＨＩＤランプにおいて、被膜材料の選択、個別の層の設計及び層の構造におけるこれらの配置が、所要のスペクトル目標関数を得るのに非常に重要であるという認識を特に含む。比較的高い層厚さ、すなわち約３μｍを越える厚さを有する多層干渉フィルタにおいて、例えば層の構造内に少なくとも１つの保護層の配置は必須である。
【００２２】
米国特許第５，９２３，４７１号における、保護層の最小厚さに関する上記の有効な規則は、驚くほどに大幅に下回られ得る。このことは、斯様な多層干渉フィルタが、初めて効果的に工業大量生産され得ることを意味する。保護層の厚さの低減は、特に、干渉フィルタ生産におけるより短い周期及び被膜材料を節約することになる。加えて、このことは、斯様な干渉フィルタを備えるＨＩＤランプに関する新たな設計可能性及び応用例領域を開く。
【００２３】
干渉フィルタ材料の事前選択及び夫々のフィルタ層を塗布する方法は、通常の形式で行われ、特に夫々の応用例に基づく。選択された材料は、例えば、可能な最も低い吸収性となるべきである。加えて、これらの材料は、十分な温度耐性を有しなければならない、すなわちランプの夫々の最大動作温度に特に適されなければならない。
【００２４】
従属項は、本発明の更なる有利な実施例に関する。
【００２５】
保護層、最低屈折率を有する層及びランプバルブの材料は、略同等であることが好ましい。
【００２６】
当該材料は、特にＳｉＯ２を有する。
【００２７】
請求項３に記載の好ましい実施例は、低屈折層を有する干渉フィルタの層が、好ましくはＳｉＯ２を有し、且つ干渉フィルタの第２層が、ＳｉＯ２より高い屈折率を有する材料、好ましくは主に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を有することを必要とする。
【００２８】
請求項４における好ましい実施例は、第２層が、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、窒化ケイ素、特に好ましくは酸化ジルコニウムＺｒＯ２又はこれら材料の混合の群からの材料を有することを必要とする。ＺｒＯ２は、大抵の他の材料より吸収が少なく、且つより温度耐性があるので、特に好ましい。
【００２９】
上述の材料及びこれらの混合に加えて、更なる材料が本発明の範囲内で用いられ得、これらは、例えば、適切な検査によって適用性に関して確認され得る。
【００３０】
干渉フィルタの製造の好ましい方法は、特に、蒸発、スパッタリング、化学気相沈着又はディッピングを用いた薄膜技術の既知の標準方法である。
【００３１】
好ましいランプは、高輝度放ランプ又はハロゲンランプである。
【００３２】
１つの又は全ての保護層が干渉フィルタ内に位置することも好ましい。この場合、この点において何の外部保護層も存在しない。
【００３３】
所要のスペクトル目標関数に関する設計の更なる最適化に関して、いくつかの保護層が干渉フィルタ内に位置することが好ましい。
【００３４】
本発明の目的は、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の少なくとも１つのランプを備える照明ユニットによっても達成される。
【００３５】
少なくとも１つのＨＩＤランプを備える斯様な照明ユニットは、特に投影目的に関して用いられ得る。
【００３６】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載の実施例から明らかであり、これらを参照にして説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１．１は、本発明による、高輝度放ランプ（ＵＨＰランプ）の放電空間部２１を備えるランプバルブ１を断面図（図１．１）に概略的に示す。この目的に関して通常のガスで満たされる放電空間部２１を密封する１つのピースからなると共に材料が通常硬質ガラス又は石英ガラスを有するランプバルブ１は、２つの相互に対向する円筒状領域６１及び６２を有し、これらの間には、約８ｍｍから１４ｍｍの範囲の直径を有する通常球状である領域６３が位置する。電極構成部２を備える楕円上に形成される放電空間部２１は、領域６３の中央に位置される。電極構成部２は、通常、第１電極２２及び第２電極２３を有し、これらの対向する先端間には、発光アーク放電が、放電空間部２１において励起され、前記発光アークは、高輝度放ランプの光源として役目を果たす。電極２２及び２３の端部は、ランプの電気的接続部７１及び７２に接続され、これらを介して、ランプを動作するのに必要な供給電圧が、図１．１には図示されない一般ライン電圧に関して設定される電力供給ユニットを介して供給される。
【００３８】
干渉フィルタ３及び発光アパーチャ５は、領域６３の外側表面に位置される。干渉フィルタ３は、全体で、約３μｍ厚であり、いわゆるクールライト反射器として機能するいくつかの層を有する。特にＳｉＯ２を有する干渉フィルタ３の外側層は、熱的及び固有のストレスを低減する保護層４である。保護層４を含む干渉フィルタ３及びその構造の設計は、図１．２に示される。干渉フィルタ３は、３３層構造を有し、ＳｉＯ２層の全層厚さは、１９９３．３ｎｍであり、ＺｒＯ２の全層厚さは、１０９２．３ｎｍである。干渉フィルタ３の層を形成すると共に外側の空気に露出される保護層の厚さは５１３．５ｎｍである。
【００３９】
干渉フィルタ３における２つの異なる層３．１及び３．２は、特に、屈折率の差を特徴とし、低い率を有する層は、高い率の層と交互にある。ＳｉＯ２は、層３．２に関して低い屈折率を有する材料として役目を果たし、ＺｒＯ２は、層３．１に関して高い率を有する材料として役目を果たす。したがって、保護層４の値は、総計で、ＳｉＯ２からなる他の層、すなわち層３．２の全体厚さの値の約３５％になる。
【００４０】
干渉フィルタ３及び保護層４の層化された応用例は、既知のスパッタリング方法基づく製造方法で実施される。
【００４１】
記載のランプバルブ１を備えるＵＨＰランプにおいて、１２０Ｗの公称電力で動作され、限界／高負荷範囲における数千動作時間の後でさえも、同等のランプの通常の経年変化を超える何の著しい影響も認められない。
【００４２】
本発明の特に有利な実施例は、短アークランプとして設計され、投影目的に関して用いられる高輝度放ランプに関する。
【００４３】
図２の実施例は、保護層のない４８層の干渉フィルタの層構造を、表にして示す。干渉フィルタに関するこの設計は、以下のスペクトル目標関数が必要となる場合、すなわち４００ｎｍから７８０ｎｍの範囲で９５％を越える反射、及び８２５ｎｍから２０００ｎｍの範囲で２０％より以下の反射率が必要とされる場合、通常選択され得る。この干渉フィルタは、４８層構造を有し、ＳｉＯ２層の全層厚さは、２３２７ｎｍであり、ＺｒＯ２層の全層厚さが１３５３ｎｍである。したがって、フィルタの全体厚さは、３６８０ｎｍである。しかし、この干渉フィルタは、室温と約１０００℃の温度との間における動作温度の範囲の所要の温度耐性を保有しない。
【００４４】
図３の実施例は、米国特許第５，９２３，４７１号による外部保護層を備える４９層干渉フィルタの層構造を、表にして示す。この干渉フィルタは、４９層を有し、ＳｉＯ２層の全層厚さは、３３８２ｎｍであり、この値は１１６３ｎｍの外部保護層の厚さを含む。ＺｒＯ２層の全層厚さは、１３８２ｎｍである。フィルタの全体厚さは、保護層の厚さを考慮に入れて、４７６４ｎｍである。したがって、保護層の値は、全ての他のＳｉＯ２層の全体厚さの値の約５２％である。
【００４５】
図４の実施例は、２つの内部保護層（層１９及び層３７）を備える本発明による４８層の干渉フィルタ３の層構造を表にして示す。この干渉フィルタ３は、４８層構造を有し、ＳｉＯ２層の全層厚さは、３２３０ｎｍであり、ＺｒＯ２層の全層厚さは、１４９６ｎｍである。干渉フィルタの全体厚さは、４７２６ｎｍである。２つの層（層１９及び層３７）の厚さは、合計９６５ｎｍであり、これらは、夫々５７２ｎｍ（層１９）及び３９３ｎｍ（層３７）の厚さである。ＳｉＯ２を含む保護層４は、層１９及び層３７にまとめられる。保護層４が捨てられる場合に、図２及び図４に示される干渉フィルタが、更に特に１９番目の層及び３７番目の層の対応する層の厚さに関して、互いにおおよそ対応すると仮定すると、計算機によって決定され得る、２つの保護層４の厚さに関する値が得られる。したがって、２つの保護層４は、約７７５ｎｍ厚さである。２つの統合保護層４の値は、したがって、他の全てのＳｉＯ２層の全体厚さの値の約３２％である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１．１】図１．１は、３３層干渉フィルタを担持する高輝度放ランプ（ＵＨＰランプ）におけるランプバルブの概略的な断面図を示す。
【図１．２】図１．２は、３３層干渉フィルタの層構造を示す。
【図２】図２は、（最新の）保護フィルタを備えない４８層干渉フィルタの層構造を示す。
【図３】図３は、（最新の）保護フィルタを備える４９層干渉フィルタの層構造を示す。
【図４】図４は、内部保護層を備える４８層干渉フィルタの層構造を示す。
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【図１．２】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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