UHP灯泡发光原理及制作探讨|灯泡发光原理

时间：2019-04-11 03:17:46　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　0 引言　　随着IT产品以及新视听设备的快速发展，具有超大演示面积和震撼显示效果的投影机已成为多媒体教学、家庭娱乐及商务谈判等不可或缺的设备。在投影机光学系统核心中，投影灯泡是其中最昂贵的耗材，投影灯泡的好坏直接决定着投影图像的清晰度和亮度，从发光类型上看，投影灯炮普遍采用金属卤素灯炮、UHE、UHP灯泡这三种光源。其中UHP使用寿命长，是一种理想的冷光源，普遍运用于正投投影机和DLP背投拼接墙上以及家庭用大屏幕背投电视，是投影机发展的可靠的光源保障。
　　1 UHP灯泡特性及其发光原理
　　UHP灯泡属高压汞灯泡，外形小巧，寿命较长，通常标称6000小时，最长标称高达12000小时，累计工作时间达到4000小时后亮度衰减很小；与同是高压汞灯泡的UHE灯泡相比，在相同功耗下，能产生大光量，有效抑制闪烁情况发生，是用于各种投影机的标准光源。其特性主要表现为：能够激发出高的亮度，其平均值高达1Gcd/m?；短间距电极能应用于更小尺寸的面板；拥有最长的使用寿命，光源寿命于前投应用领域达到1000～6000小时；在其使用寿命期间，拥有最完美、最稳定的色谱；藉由安定器产生的脉冲与光源之间的相互作用能有效稳定电极藉此抑制闪烁的发生。
　　与普通灯泡相比，UHP灯泡的点亮和工作条件较为复杂，启动电路可产生点燃高压气体放电灯所需的高压脉冲，当电源接通后，UHP灯回路处于短路状态，高压脉冲电流的峰值极大，且处于最大输出状态，使得电极进行弧光放电，UHP即被点亮；高压UHP灯泡在工作时，汞蒸汽压可达到20MPa，其发光过程中汞蒸汽压越高，灯的亮度也就越高，且汞原子谱线宽度变大，分子连续谱与带电粒子复合光谱也就更强，尤其是在595nm以上的红光辐射也随着灯内工作压强的升高而增强，从而致使灯泡的显色性提高。
　　2 设计制作
　　UHP灯泡是由灯芯、反光杯、辅助天线、陶瓷固辅助件等组成，灯芯分交流和直流两种。组装时，灯芯经过专用设备进行精确定焦后固定在反光杯内，利用反光杯反射光线到投影系统；有些碗口部粘接有一片防爆、隔热且两面均镀有耐高温透光膜的玻璃板，有些就没有，其灯芯直接裸露在空气当中，组装投影光机引擎时外加一个可以提供防爆保护的灯座进行裸灯固定。例如：欧司朗生产的交流E20.6230W/180W/300W，以及索尼生产的150W直流灯等。
　　目前UHP灯泡生产厂商基本都是国外一些知名大公司，像日本优志旺（NSH/UMPRD）、松下（HS）、凤凰（SHP）。索尼曾经也进行过一些生产，现在已经停产。德国的欧司朗以及荷兰飞利浦（UHP）等公司，由于存在专利产权和制作精度方面的技术突破等等问题，国内的UHP灯泡生产主要用于投影机售后维修市场，截至目前，还没有一家大的国内投影灯泡生产商能够在UHP灯泡销量上占据可观的市场份额。
　　2.1 UHP灯芯工艺设计制作
　　UHP灯泡正常点亮时，其灯芯腔体内汞蒸汽压超过20MPa，灯芯电极管压强为60～80V，若是100～150W灯，通过灯芯的工作电流为1.5～2.2A。在这种工作状态下，要求灯芯内汞放电等离子体电位梯度应≥500V/cm，其对应的灯芯极间距离应≤1.3cm；以锰质电极与石英玻璃为例，它的纯度往往高达ppm等级，制作时还需要严格管制防止不纯物的混入，超高压水银灯可分为AC点灯方式与DC点灯方式两种。AC点灯方式可藉由点灯器的设计改善闪烁（flicker）现象，相较之下DC点灯方式本身闪烁现象比较少，加上电极可由阴极与阳极分别发挥各自的功能，因此能有效抑制闪烁现象，而且阴极的动作温度范围比AC宽广，因此可作大约20%的调光。
　　UHP灯泡电极材料采用具有较高熔点和较低蒸汽压的金属钨。如果电极太热，就会很快蒸发；而功率越高时灯泡的电流越大，电极上热负载就会提高，温度随之升高；相反，如果电极表面温度偏低，热发射下降，短弧会被压缩至最小面积，弧光斑处，电极表面很小部分会被加热到50000K，受其影响，弧光处的钨会大量蒸发且在其附近凝聚，弧在电极间移动致使电极表面粗糙不平，这种弧斑跳跃现象可达到几百μm，以至于投影运用时出现伪像。可见，在短弧电极的设计中，热电极在产生稳定的弧光的同时却极易被烧毁，而冷电极能提供长寿命，但易出现弧跳跃。设计出一种“冷的、长寿命”的电极成为UHP灯泡中短弧灯电极设计制作的难点，随着科技的进步，这些难题将会被一一攻克。
　　2.2 UHP灯反光杯设计制作
　　UHP灯泡中反光杯处在高温环境中，对反光镀膜材料的选取需要较高的要求。灯芯正常点亮致使反光杯自身温度升高，灯杯根部局部温度可升至650℃以上，只有镀耐高温的多层氧化物介质膜，才能保证其较长的寿命；而且UHP灯辐射能量约有34%的红外线能量、6%的紫外线能量，其余为可见光，其中红外线为热能，可通过反光杯聚集在光机系统的聚光镜和分光镜上，如果光束温度过高就会导致光碗中分光镜爆裂，而紫外线对光学系统也存在一定的危害。并具备隔热和吸收紫外线功能，玻璃两面均镀膜耐高温透光膜，以降低玻璃表面反射率，使可见光透射率达到99%以上。
　　灯芯发光经反光杯反射产生平行光或聚焦光，抛物面反光杯产生平行光，椭圆面反光杯产生聚焦光。反光杯内壁的耐高温特殊涂层对可见光辐射具有很高的反射率，而对红外和紫外辐射具有低的反射率，透过涂层的红外辐射透过反光杯玻璃从后部发射，透过涂层的紫外辐射被反光杯玻璃吸收。因此从反光杯前端出射的光谱分布发生了改变，放电管经过涂层反射和前罩玻璃透射的光谱分布会发生改变。
　　3 综述
　　UHP灯要求有良好的热启动性能，以前只能通过驱动电源提供非常高的启动峰值电压（20kV左右）来实现，现在开发了在5kV条件下即可实现快速热启动的灯。该灯在放电管上整合了微小腔体，借助灯芯辅助天线，在灯启动时能产生少量紫外线，从而大大降低了放电管需要的击穿电压。
　　为适应投影机市场小型化的趋势，飞利浦开发了E17小型反光杯灯-Bami，该灯端面尺寸只有33mm*33mm，反光面为椭球面，放电管球体一侧镀反光膜，光线被反射回反光杯，大大提高了光通量。此项技术与单片DLP和三片DLP技术相结合，可开发非常小巧的、高清晰的、具有丰富色彩图像的便携式投影机。
　　参考文献：
　　[1]从技术原理出发谈投影保养和维护，http://info.av.省略/20
　　09/10/301515126179.shtml.
　　[2]欧珊瑚、王倩丽、朱哲瑜，VisualC++.NET数字图像处理技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
　　[3]葛俊杰，微机原理与接口技术实用教程[M].北京：中国电力出版社，2008.
　　[4]刘富强，数字视频信息处理与传输教程[M].北京：机械工业出版社，2004.
　　作者简介：
　　朱胜平，女，安徽定远人，中级工程师，专科学历，从事研究投影机光源设计开发工作。

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