DE2857271A1

DE2857271A1 - Incandescent electric lamp with etalon type transparent heat mirror

Info

Publication number: DE2857271A1
Application number: DE19782857271
Authority: DE
Inventors: P Walsh
Original assignee: Duro Test Corp
Current assignee: Duro Test Corp
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-12-04

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Glühlampe.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, transparente Wärmespiegel-Beschichtungen aus drei diskreten Filmen aus Titandioxid-Silber-Titandioxid (Ti0₂/Ag/Ti0₂) auf der Wand des Glaskolbens einer Glühlampe zu verwenden, um das von dem Glühfaden erzeugte sichtbare Licht durchzulassen und die von dem Fäden erzeugte Inffarotenergie zu reflektieren. Der Kolben ist so geformt, daß die Infrarot- (IR) Strahlung zurück zu dem Faden reflektiert wird, um dadurch seine Temperatur zu erhöhen. Dies führt insgesamt zu dem Ergebnis, daß der Faden wenigstens teilweise durch die reflektierte IR-Energie erwärmt wird, wodurch sich wiederum eine Verringerung der Menge an elektrischer Energie ergibt, die- zur Erwärmung des Fadens benötigt wird. Insgesamt kann also auf diese Weise eine energiesparende Glühlampe erreicht werden.

Die Ti0₂/Ag/Ti0₂ - Beschichtung, die bei einer solchen Glühlampe eingesetzt wird, hat mehrere neue Merkmale und Vorteile. Zunächst zeichnet sich Silber unter den üblichen Nichtalkali-Metallen dadurch aus, daß es das geringste Absorptionsvermögen für das sichtbare Licht und Infrarotstrahlung hat. Ein dünner Film aus Silber kann in Bezug auf das sichtbare Licht als praktisch verlustfreies Material betrachtet werden. Die Verwendung von zwei Schichten aus dielektrischem Material, beispielsweise TiO₂, verbessert die Durchlässigkeit für das sichtbare Licht. Theoretisch kann eine aus drei Filmen bestehende Beschichtung Isolator-Silber-Isolator (I-S-I) so ausgelegt werden, daß die Durchlässigkeit für Lichtenergie bei den Wellenlängen des sichtbaren Lichtes bei der Spitze der Leuchtstärke einer Glühlampe (ungefähr 585nm für einen Wolframfaden mit einer Temperatur von 2000° K) maximal wird. Diese Anforderung legt die optimale Dicke

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der Filme aus Silber und dem Isolator für jedes gegebene Isolatormaterial eindeutig fest.

Einer der Nachteile der Kombination TiC^/Ag/TiO-, liegt darin, daß das Reflexionsvermögen für die Energie int nahen Infrarotbereich nicht so hoch ist, wie es für bestimmte Anwendungen, beispielsweise bei einer Glühlampe, angestrebt wird, um optimale Ergebnisse zu erhalten. Därüberhinaus ist TiO₂ eine ziemlich hitzebeständige Substanz, so daß es sich bei der Filmherstellung nur sehr langsam zerstäuben läßt, wenn dieses Material durch Zerstäuben bzw. Sprühen bzw. Bedampfen auf einem Substrat abgelagert werden soll (die Zerstäubungs- bzw. Spritz- bzw. Bedampfungs-Geschwindigkeit von TiO₂ beträgt nur ungefähr 3 bis 5 % der Geschwindigkeit von Ag). Insbesondere dieser Nachteil führt zu einer relativ langen Herstellungsdauer und dementsprechend zu relativ hohen Kosten.

Es wäre deshalb sehr zweckmäßig, eine Beschichtung zu haben, die Silber mit einem anderen, weniger hitzebeständigen Isolatormaterial verwendet und ein höheres IR-Reflexionsvermögen als die Beschichtung Ti0₂/Ag/Ti0₂ hat, während sich gleichzeitig eine bessere Annäherung an das Ideal einer 100 %-igen Durchlässigkeit für die Energie des sichtbaren Lichtes ergibt, wobei die Absorption des Metalls selbst vernachlässigt wird.

Die oben erwähnten Vorteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß eine Glühlampe vorgeschlagen wird, bei der eine aus mehreren Filmen bestehende Beschichtung ausgenutzt wird, für.die einige der Techniken des Etalon-Prinzips verwendet werden. Ein Etalon-Element verwendet eine Schicht aus isolierendem Material, beispielsweise Luft, zwischen zwei reflektierenden Metallschichten, beispielsweise aus Silber.

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Die vorliegende Erfindung setzt ein Etalon-Element bei einer Glühlampe ein, indem eine zusammengesetzte Beschichtung Meta11-Isolator-Metall, die aus entsprechenden, dünnen Filmen besteht, auf einer Wand eines Kolbens einer : Glühlampe ausgebildet wird. Die Dicke der einzelnen Filme

', der Beschichtung und ihre Wechselbeziehungen werden so

' ausgewählt, daß die Durchlässigkeits-Kennlinien der Be-

', Schichtung für die von dem Faden der Glühlampe im Bereich

des sichtbaren Lichtes erzeugte Energie maximal wird und gleichzeitig auch maximale Reflexionseigenschaften

! für Energie im Infrarotbereich erreicht werden.

' Die Erfindung schafft also eine Glühlampe, bei der ein

nach dem Etalon-Prinzip aufgebauter, transparenter Härmespiegel auf dem Kolben der Glühlampe dazu verwendet wird, die von dem Glühfaden der Lampe im Bereich des sichtbaren Lichtes erzeugte Strahlung durchzulassen und die Wärmestrahlung im Infrarotbereich zurück zu dem Faden zu reflektieren, um dessen Temperatur zu erhöhen und dadurch den Wirkungsgrad der Glühlampe zu verbessern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei-. spielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen ^: Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

; Fig. 1 ...im Schnitt eine Seitenansicht eines wärmetrans-

; parenten Spiegels, bei dem gemäß der vorliegen-

■ den Erfindung ein Etalon-Film verwendet wird,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des allgemeinen optischen Verhaltens eines Etalon-Films,

Fig. 3 ein Diagramm des Ansprech-Verhaltens eines bevorzugten Etalon-Films, wie er bei einer elektrischen Lampe eingesetzt werden soll, wobei die Empfindlichkeitskurven des Auges,

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und eines typischen Glühfadens eingezeichnet sind,

Fig. 4 eine Ansicht einer elektrischen Lampe nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4A im vergrößerten Maßstab eine Detailansicht eines Bereichs des Lampenkolbens und der Beschichtung, und

Fig. 5 ein Diagramm einer elektrischen Lampe nach der vorliegenden Erfindung, bei der eine zusätzliche Beschichtung als weiterer Schutz verwendet wird.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Substrates, beispielsweise aus Kalk- bzw. Lime-Gläs oder Pyrex, auf dem eine Etalon-Beschichtung aufgebracht worden ist. Die Etalon-Beschichtung besteht aus drei diskreten, schichtförmigen Bestandteilen. Bei der ersten Schicht handelt es sich um eine dünne, filmförmige Schicht 11 aus einem reflektierenden Material, wie beispielsweise Silber, die auf einer Oberfläche des Substrates 10 aufgebracht worden ist; bei einer weiteren Schicht handelt es sich um ein isolierendes Material 12 (das im folgenden im Detail erörtert werden soll),das auf dem Metallfilm 11 abgelagert worden ist? die äußere, filmförmige Schicht 13 besteht schließlich aus einem reflektierenden Metall, bei dem es sich ebenfalls um Silber handeln kann und das auf die isolierende Schicht aufgebracht worden ist. Jede herkömmliche, geeignete Technik kann dazu verwendet werden, die drei Schichten herzustellen; als Beispiele .sollen die chemische Ablagerung, die Ablagerung aus der Dampfphase, das Zerstäuben und das Aufspritzen genannt werden. Die drei filmförmigen Schichten werden nach einer bevorzugten Ausführungsform als getrennte Einzelteile hergestellt. D.h., es sollte dafür gesorgt werden, daß es keine wechselseitige Diffusion zwischen diesen Materialschichten gibt. Die Filmschichten wirken jedoch

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zusammen, um die gewünschte Durchlassigkeits- und Reflexions-Kennlinie zu erzeugen, so daß sie insgesamt als Verbund, d.h., als zusammengesetztes Material, bei dem sich die Eigenschaften der einzelnen Bestandteile ergänzen, ausgelegt ist.

Eine einfallende Strahlung R soll Bestandteile sowohl im sichtbaren Bereich des Spektrums als auch im Infrarotbereich des Spektrums enthalten. Diese Strahlung R fällt auf die Schicht 13, die am weitesten entfernt von dem Substrat 10 ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Eigenschaften, d.h., die Kennlinie-, der Etalon-Beschichtung so ausgelegt, daß sie im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes eine maximale Energiemenge durchläßt und im Bereich größerer Wellenlängen, einschließlich des IR-Bandes, eine maximale Energiemenge reflektiert.

Fig. 2 zeigt eine typische Kennlinie für eine Etalon-Beschichtung. Dabei ist auf der Ordinate die Durchlässigkeit der Beschichtung für die einfallende Strahlung und auf der Abszisse die Wellenlänge aufgetragen. Gemäß einem charakteristischen Merkmal eines solchen Elementes gibt es mehrere Energiedurchlaßbänder bei verschiedenen Wellenlängen, wobei diese Wellenlängen eine bestimmte Beziehung zueinander haben; es handelt sich nämlich hierbei um ganzzahlige Vielfache. Die Etalon-Beschichtung weist also ein letztes Durchlaßband bei der längsten Wellenlänge auf, das als drittes Band von rechts dargestellt ist. Die Zahl . der Durchlaßbänder hängt von dem Aufbau der Beschichtung ab. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Beschichtung so ausgelegt, daß das letzte Durchlaßband verwendet wird, um die Energie des sichtbaren Lichtes durchzulassen und die IR-Energie zu blockieren oder zu reflektieren. Außerdem ist die Etalon-Beschichtung so ausgelegt, daß die letzte Durchlässigkeits-Spitze nach Fig. 2(die sich bei der längsten Wellenlänge befindet) mit der Spitze der Lichtabstrahlung des Fadens zusammenfällt, der für die Lampe verwendet wird.

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Bei der Auslegung von Etalon-Beschichtungen legt die Art der isolierenden Filmschicht, d.h. ihr Brechungsindex und ihre Dicke, die Breite und die Form der Durchlaß-Kennlinie und in Verbindung mit den Metallschichten die Steigung der Durchlaßgrenze fest, d.h. die Schärfe, mit der ein Spiegel den übergang vom transparenten Bereich zum reflektierendenBereich bei einer gewünschten Wellenlänge durchläuft.

Die Metallschichten dienen zur Reflexion der IR-Energie. Bei einer optimalen Auslegung in Bezug auf eine elektrische Glühlampe wird eine hohe Durchlässigkeit im Bereich des sichtbaren Lichtes mit geringer Absorption und hohem Reflexionsvermögen im IR-Bereich angestrebt. Bei der Auslegung eines optimalen Filters müssen verschiedene Parameter berücksichtigt und gegeneinander ausgeglichen werden. Eine geringe Menge Absorption im Bereich des sichtbaren Lichtes erfordert einen dünnen Metallfilm, während für eine starke Reflexion im IR-Bereich ein dicker Metallfilm benötigt wird. Darüberhinaus bedingt die Lage der Durchlässigkeits-Spitze im Bereich des sichtbaren Lichtes und ein rascher Anstieg der Reflexion bei der Annäherung an den IR-Bereich, daß der dielektrische Film 12 in Bezug auf seine Dicke und seinen Index in der gewünschten Weise in Verbindung mit den Metallfilmen 11, 13 ausgelegt werden muß.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß bei der Entwicklung einer Etalon-Beschichtung, wie sie für die vorliegende Erfindung verwendet wird, die herkömmliche Viertelwellen-Theorie nicht verwendet werden kann. Die herkömmliche Viertelwellen-Theorie berücksichtigt von einem metallischen Film hervorgerufene Phasenänderungen als solche Phasenänderungen, die auf eine sehr dicke Schicht zurückzuführen sind. Beispielsweise wird die Phasenänderung bei der Reflexion an einer Metallschicht des Etalon-Elementes bei der herkömmlichen Viertelwellen-Theorie als - 180° ange-

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nommen. Bei dünnen Metallfilmen, wie sie für die vorliegende Erfindung verwendet werden, weichen jedoch die Phasenänderungen bei der Reflexion und Transmission vollständig von der herkömmlichen Viertelwellen-Technik ab, so daß Entwicklungen nach dieser Technik zusammengesetzte Filter ergeben, die dan Filtern nach der vorliegenden Erfindung weit unterlegen sind. Der rasche Anstieg des Reflexionsvermögens für Strahlung im IR-Bereich, wie ihn die hier verwendeten Filter zeigen, kann mit der herkömmlichen Viertelwellen-Theorie nicht vorhergesagt werden. Darüberhinaus benötigt die herkömmliche Viertelwellentheorie eine Dicke der dielektrischen Schicht, die bei der Umsetzung in die Praxis die Spitze der Lichtdurchlässigkeit weit entfernt von dem gewünschten Teil des Bereiches der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes anordnet.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung bestimmter Kriterien für die Auslegung eines effizienten Etalon-Filters für eine Glühlampe. Dabei stellt die Kurve 30 die Empfindlichkeit des Auges, im allgemeinen im Bereich von ungefähr 400 bis 700 nm, mit einer Spitze bei 550 nm im Bereich der gelben Farbe dar. Die Kurve 32 zeigt die von einer Glühlampe mit einem Wolframfaden abgestrahlte Lichtenergie. Wenn der Wolframfaden auf eine höhere Temperatur erwärmt würde, würde sich die Kurve 32 weiter nach oben und nach links verschieben. Bei allen in der Praxis verwendeten Betriebstemperaturen erzeugt der Wolframfaden eine relativ große Menge IR-Energie.

Die gestrichelte Linie 50 stellt eine idealisierte Durchlässigkeitsband-Kurve für den transparenten Wärmespiegel dar, wenn er bei einer Glühlampe verwendet wird. D.h.. also, eine idealisierte Beschichtung würde die gesamte Energie des sichtbaren Lichtes von 400 bis 700 nm durchlassen und die gesamte andere Energie, insbesondere die gesamte IR-Energie Über 700 nm, reflektieren. Eine solche Kurve, wie sie

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bei 50 dargestellt ist, mit einer vertikalen Grenzlinie läßt sich jedoch in der Praxis nicht realisieren. Die strichpunktierte Kurve 34 stellt die gewünschte Durchlässigkeitsband-Kennlinie einer Beschichtung dar, die mit einer Etalon-Beschichtung erreicht werden kann. Wie oben erwähnt wurde, legt die Dicke der Metallschichten die Breite der Kurve 34 und die Dicke des dielektrischen Films in Verbindung mit den Metallfilmen, die Wellenlänge ihrer Spitze fest. In der Kurve 34 stellt A₀ die Wellenlänge dar, bei der die maximal mögliche Energie durchgelassen wird, während die beiden Punkte , die auf jeder Seite der Kurve mit A q ₅ bezeichnet sind, jeweils den Punkt darstellen, bei dem eine Hälfte der Spitze der Energie im Bereich des sichtbaren Lichtes durchgelassen wird.

Fig. 4 zeigt eine Glühlampe nach der vorliegenden Erfindung, von der ein Teil im vergrößerten Maßstab in Fig. 4A dargestellt ist, so daß die Details der transparenten Spiegelbeschichtung zu erkennen sind. Die Glühlampe enthält einen Glaskolben 40 aus herkömmlichen Pyrex, Kalkoder Lime-Glas oder aus einem anderen, geeigneten, hitzebeständigen Material. An dem unteren Ende des Kolbens ist zur Abdichtung ein Metall-Grundteil 42 vorgesehen. Das Grundteil weist auch einen unteren Knopfkontakt 44 auf, um in Verbindung mit den Grundteil 42 einem Faden 46, der an elektrischen leitenden Drähten 47, 48 angebracht ist, elektrischen Strom zuzuführen. Die Drähte 47, 48 erstrecken sich durch einen Fuß 49 aus isolierendem Material, wie beispielsweise Glas, der einen Stengelansatz 52 enthält, durch den der Kolben entleert wird. Die als Zuleitungen dienenden Drähte 47, 48 sind mit der Basis und dem Kontaktknopf verbunden.

Beim Anlegen eines Stroms an den Faden 46 beginnt er zu glühen und erzeugt Strahlungsenergie sowohl im Bereich

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des sichtbaren Lichtes als auch im IR-Bereich, wie in Fig. 3 zu erkennen ist. Die typischen Betriebstemperaturen für den Faden liegen im Bereich von ungefähr 2.300⁰K bis ungefähr 3.300⁰K. Wenn die Temperatur des Fadens abnimmt/ verringert sich das Maximum ₀ der Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes tes (die Strahlung verschiebt sich zum roten Licht hin); wenn die Betriebstemperatur des Fadens zunimmt, erhöht sich die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes (die Strahlung verschiebt sich grünen Licht hin).

Eine transparente Wärmespiegelbeschichtung 56 befindet sich auf der inneren Wand des Kolbens 40. Diese Beschichtung 56 soll einen möglichst großen Anteil des sichtbaren Lichtes von dem Faden 46 durch den Kolben 40 durchlassen und einen möglichst großen Anteil der IR-Energie des Fadens zu dem Faden zurückreflektieren. Ein idealer transparenter Wärmespiegel für eine Glühlampe würde die gesamte Energie im Bereich des für das Auge sichtbaren Lichtes durchlassen und die gesamte IR-Energie reflektieren. Wie oben erwähnt wurde, ist die Etalon-Beschichtung so ausgelegt, daß sie sich der maximalen Durchlässigkeit für die sichtbare Energie bei der Wellenlänge Λ _Q der maximalen Lichtabstrahlung (sichtbare Abstrahlung des Fadens) nähert oder identisch damit ist. Diese Spitze verschiebt sich relativ wenig über einen relativ weiten Bereich der Betriebstemperatur des Fadens, beispielsweise von ungefähr 550 bis 590nm bei einem Temperaturbereich von ungefähr 3300⁰K bis herab zu 2300⁰K. Dieser Bereich überdeckt die Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit des Auges.

Der Faden 46 und der Kolben 40 stehen nach einer bevorzugten Ausführungsform in einer solchen optischen Beziehung zueinander, daß die maximale Länge der von dem Faden 46 erzeugten IR-Energie, die auf die innere Wand des Kolbensfällt, zu dem Faden zurückreflektiert wird. Ein Weg, dies zu erreichen, liegt in der Auswahl einer geeigneten Bezie-

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-/-Λλ

hung für Form und Auslegung des Fadens und des Kolbens. Diese Beziehungen werden im Detail in der oben erwähnten US-Patentanmeldung, Serial No. 781 355 erläutert. Es läßt sich jedoch ein geringerer Energieverbrauch sogar dann erreichen, wenn der Faden nicht optisch zentriert wird.

Die Beschichtung 56 wird nach einer bevorzugten Ausführungsform auf der inneren Wand des Kolbens 40 durch irgendeine geeignete, herkömmliche Technik angebracht, beispielsweise durch chemische Abscheidung, Aufdampfen aus der Gasphase, Kochfrequenz-Zerstäubung usw. Die Beschichtung 56 kann auch auf der äußeren Wand des Kolbens angeordnet werden, obwohl dies nicht bevorzugt wird, da die Beschichtung in diesem Falle beschädigt oder gar zerstört werden könnte.

Die Beschichtung 56 wird durch die äußere und innere Metallschicht 11, 13 gebildet, zwischen denen die dielektrische Schicht 12 angeordnet ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Metallschichten 11, 13 aus Silber, da dieses Metall.die höchste Durchlässigkeit für sichtbares Licht von den üblichen Metallen hat. Andere Metalle (beispielsweise Gold, Kupfer, Aluminium), Legierungen und auch zwei verschiedene Metalle können als Metallschichten dieses Aufbaus verwendet werden. Bei dem Isolator, oder der dielektrischen Schicht 12, kann es sich um irgendein geeignetes, isolierendes Material handeln, das mit Silber verträglich ist. Bevorzugte Isolatoren sind Silberchlorid(AgCl) und Magnesiumfluorid (MgF₂). Silberchlorid hat den Vorteil, daß es sich sehr gut mit einer Silbermetallschicht verträgt. Dieses Beschichtungssystem wird im folgenden als S-I-S (Silber-Isolator-Silber)

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-Ui-

bezeichnet, um es von dem I-S-I-System vom TiO^/Ag/TiO-Typ zu unterscheiden.

Die Dicke des Isolators 12 wird so ausgewählt, daß der Phasenwinkel, der sich durch das zweimalige Durchlaufen des Isolators zwischen den Silberschichten 11, 13 plus der beiden Reflexionen an den Silberschichten ergibt, bei der für die maximale Durchlässigkeit ausgewählten Wellenlänge des sichtbaren Lichtes 0° ist. Im Bereich des sichtbaren Lichtes folgt der Phasenwinkel aufgrund der Reflexion an dem Silber im allgemeinen nicht der Viertelwellen-Technik. Die relativen Dicken der Silberschichten sind so ausgewählt, daß sich das gleiche individuelle Reflexionsvermögen ergibt. Bei dieser Anordnung treten konstruktive Interferenzen auf, und die Gesamtdurchlässigkeit der Kombination ist bei der ausgewählten Wellenlänge des sichtbaren Lichtes wie bei der I-S-I Kombination 100 %, wobei Absorptionen in der Silberschicht vernachlässigt werden.

Um die optimalen Dicken für die Silberschichten und die dielektrische Schicht zu finden, werden die folgenden Schritte durchgeführt:

Zunächst wird die Durchlässigkeits-Spitze bei einer ausgewählten Wellenlänge Λ ₀ ^des sichtbaren Lichtes vorgesehen, wobei der Gesamtphasenwinkel δ auf Null eingestellt wird. Die Wellenlänge \ _Q wird im allgemeinen als Spitze der Lichtabstrahlung des Fadens ausgewählt. Beispielsweise hat ein Faden, der bei einer Temperatur von ungefähr 3000⁰K betrieben wird, eine Spitze bei ungefähr 585 nm. Hierbei gelten:

⁶ ^{= Q}i 2,GLAS^{1+ Q}i *,LUFT^{+ 2Q}

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- A3

Ji = Dicke des Isolators

η = Brechungsindex des Isolators bei der

Wellenlänge
Q.. = Reflektivitäts-Phasenänderungen

von dem Isolator i, j Film 12 entweder zu dem Metallfilm 11 auf der Glasseite oder zu dem Metallfilm 13 auf der Luftseite.

Diese . Größe wird aus der folgenden Gleichung bestimmt:

Hi

-ί2η· (K + —z— ) coshct.. sinha. ¹fS ¹I

i² - Hi²) COShO₁J - (K²^₁ ²H j2) sinh²o_i/:j]

Dabei bedeuten:

= 12, j = Glas oder Luft

N₁ = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 12,

ND. = Dielektrizitätskonstante von Glas oder Luft,

K = imaginärer Teil des komplexen Brechungsindex von Silber. Der Realteil wird zu Null angenommen.

ItA Κ2π

A,.

Dicke des Silberfilms zwischen dem Dielektrikum 12 und Glas oder Luft.

Als zweites wird die Wellenlänge, bei der die Transmission bzw. Durchlässigkeit auf die Hälfte ihres Spitzenwertes fällt, zu 0,5 (siehe Fig. 3) ausgewählt, indem

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•χ/· AI-

4RM _sl 2 ⁰0.5 _β _χ 2 Π 2

gesetzt wird.

Hierbei wird angenommen, daß R = R, - Glas S ^Rl2,

sind, wobei bedeuten:-.

riiTU 2

Ctu-th)" cosh*· Ct₄., + CKH
R.. j

Luft

^i#j (Hi+Hj)² cosh² Ct₁ j + (K- ⁿiⁿj)

Die Größe δ _n , wird zusammen mit den Werten ct. . und

U/D I]

den Indizes η^, η . und K berechnet, wie es oben erwähnt wurde, jedoch bei der Wellenlänge Λ _{0 5} · Bei diesem ^ Q c handelt es sich um den höheren Wert, da die Wirkung der Etalon-Beschichtung in dem Wellenlängen-Bereich vom sichtbaren Licht zum IR-Bereich von besonderem Interesse ist. Bei einer Glühlampe nach der vorliegenden Erfindung, die bei der letzten Etalon-Spitze betrieben wird, wird ^₀C üblicherweise auf ungefähr 800 nm eingestellt. Dabei handelt es sich um die Wellenlänge, bei der das Auge rasch beginnt, seine visuelle Empfindlichkeit für die Lichtenergie zu verlieren, während die IR-Energie anfängt, wirksam zu werden. Wird die Grenze des Transmissions-Bandes bei hohen Wellenlängen entsprechend ausgelegt, so kann das IR-Reflexionsvermögen bei 1000 nm, wo die IR-Energie effektiv ist, sich dem Bereich von ungefähr 90% oder mehr nähern und mit zunehmender Wellenlänge weiter ansteigen.

Diese Vorschriften bestimmen die drei variablen Größen des Etalon-Films, nämlich die Dicken der beiden Silberfilme

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und die Dicke der dielektrischen Schicht, wenn die Werte für die Parameter f\ und K als Funktion der Wellenlänge bekannt sind. Dieses Verfahren kann für jedes geeignete Metall, Metallegierungen oder Kombinationen von Metalllegierungen eingesetzt werden.

Das Reflexionsvermögen in nahen IR-Bereich nimmt rasch mit der Wellenlänge zu, und zwar durch einen Mechanismus, der durch die herkömmliche Viertelwellen-Theorie nicht erfaßt werden kann. Bei längeren Wellenlängen des Infrarotbereiches nimmt die Phasendifferenz im Isolator auf Null ab, während die Phasenverschiebung bei jeder Reflexion auf -180° abnimmt, dem herkömmlichen Wert, wie er bei der Viertelwellen-Technik verwendet wird. Bei einigen Wellenlängen im nahen IR-Bereich nimmt der Gesamtphasenwinkel von 0° auf -180° (auf seinem Weg zu -360° bei sehr großen Wellenlängen) ab, und es ergeben sich störende Etalon-Interferenzen, die zu einem Gesamt-Reflexionsvermögen von 4 R_M/(1+R_M)^a führen. Dieses Gesamtreflexionsvermogen ist für R„ > 0,5 sehr nahe bei 1, wobei R_M das IR-Reflexionsvermögen für einen Silberfilm ist. Damit kann also eine bestimmte Silber-Isolator-Silber-Kombination so ausgelegt werden, daß sich ein hohes IR-Reflexionxvermögen, beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1 Mikron,ergibt. Wenn die Wellenlänge weiter zunimmt, erhöht sich das Reflexionsvermögen gleichmäßig zu 1 hin.

Filme vieler herkömmlicher Isolatoren erzeugen ein höheres IR-Reflexionsvermögen in der S-I-S - Beschichtung als TiO₂ in der I-S-I, Ti0₂/Ag/Ti0₂-Beschichtung für die gleiche Gesamtdicke der Silberfilme, d.h., ein Film für I-S-I und zwei für S-I-S. Materialien mit niedrigeren Brechungsindizes und weniger hitzebeständige Materialien werden bei der S-I-S Beschichtung bevorzugt, so daß eine rasche. Zerstäubung bzw. Versprühung, Aufdampfen aus der Dampfphase oder chemische Ablagerung für die Aufbringung des Isolatorfilms möglich ist. Zusätzlich zu der Freiheit bei der

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Auswahl eines Isolators kann die Gesamtdicke des Silberfilms ebenfalls variiert werden, so daß sich ein breiterer Auslegungsbereich für die Kennlinie des Durchlässigkeitsbandes bei der S-I-S Kombination als bei jeder I-S-I Korn-* bination ergibt, da die I-S-I Kombination keine Freiheit bei der Auswahl der Vorschrift (3) bietet.

Die folgende Tabelle I vergleicht berechnete Werte für die Durchlässigkeit und die Reflexion von zwei S-I-S BeSchichtungen mit einer TiO./Ag/TiO- Beschichtung, wobei alle Beschichtungen für einen Sollwert von 100 % der Durchlässigkeit für das sichtbare Licht bei 600 nra ausgelegt sind.

In Tabelle I ist die Lichtabsorption vernachlässigt worden. Bei einem guten Silberfilm beträgt sie wahrscheinlich weniger als 5 % im Bereich des sichtbaren Lichtes und weniger als 1 bis 2 % über den größten Teil des IR-Bereiches. Für Vergleichszwecke ist die Gesamtdicke des Silberfilms in der S-I-S Beschichtung so ausgelegt worden, daß sie gleich den Beschichtungen bei der oben erwähnten älteren US-Patentanmeldung, amtliches Aktenzeichen 781 355 ist, so daß die Absorption des sichtbaren Lichtes bei beiden Beschichtungen im wesentlichen gleich sein sollte. Bei den S-I-S Beschichtungen können dickere oder dünnere Silberfilme verwendet werden. Bei der TiO2/AgZTiOj Beschichtung läßt sich die Silberdicke nicht leicht einstellen.

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Tabelle I

Beispiel: Ti0₂/Ag/Ti0₂ Beispiel: Ag/MgF₂/A₉

325A - 240? - 325A _120A - _177θΑ* .

so ausgelegt, daß die Durchlässigkeit für sichtbares Licht bei 600 nra 100 % ist.

IR-Reflexionsvermögen SYSTEM 600 nm l_y100 nm 1,700 nm

ISI: Ti0₂/Ag/Ti0₂ 0% 84% 94.5% SIS: Ag/AgCl/Ag 0% 89% 95%

SIS: Ag/MgF₂/Ag 0% 93% 98%

In allen Fällen wird die Gesamtdicke des Silbers so ausgewählt, daß sich eine ähnliche Absorption ergibt (5 % bei 600 nm für einen guten Silberfilm). Weiterhin wird in Tabelle I das ideale Reflexionsvermögen bei drei Wellenlängen berechnet, während das Absorptionsvermögen vernachlässigt wird.

Änderungen der oben beschriebenen S-I-S Beschichtung sind über den Bereich des sichtbaren Bandes möglich. Bei typischen Beschichtungen kann der Silberfilm im Bereich von ungefähr 105 A bis ungefähr 135 A liegen, während die Dicke des Magnesiumfluorid-Films im Bereich von 1605 A

bis ungefähr 1935 A liegt.

Andere, zur Verfügung stehende Isolatoren, die in Verbindung mit Silber eingesetzt werden können, sind Aluminiumoxid, Titandioxid und Chromoxid. Eine typische Beschichtung

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aus Ag/TiO_/Ag würde zwei Silberfilme aufweisen, die je-

* .O O

wells im Bereich von ungefähr 105 A bis ungefähr 135 A liegen; der dielektrische Film aus TiO₉ liegt im Bereich

ο ■ ο «

von ungefähr 600 A bis ungefähr 830 A, wobei eine bevorzugte Beschichtung Silberfilme von ungefähr 120 A und

einen dielektrischen Film von ungefähr 720 A hat.

Für befriedigende S-I-S Etalon-Beschichtungen für eine Glühlampe sollte das Etalon-Element so ausgelegt werden, daß sich die maximale Durchlässigkeit bei der Spitze bzw. dem Maximum der Leuchtstärke des von dem Faden abgestrahlten Lichtes ergibt. Für herkömmliche Wolframfäden, die im üblichen Temperaturbereich (beispielsweise von 2300 °K bis 3300° K) betrieben werden, liegt das Maximum der Leuchtstärke des Fadens nahe bei dem Punkt der maximalen Empfindlichkeit des Auges. Der Λ_ο c Punkt wird so ausgewählt, daß die nutzbare sichtbare Energie durchgelassen und die IR-Energie blockiert wird.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Beschichtung auf dem Innern des Lampenkolbens mit einer Filmschicht 70 auf der Fläche, die dem Faden gegenüberliegt, überzogen worden ist, um die Beschichtung zu schützen. Die Schicht 70 sollte mit dem Metall, in diesem Fall Silber, verträglich sein und auch die Beschichtung gegen schädliche Materialien schützen, wie beispielsweise Wolfram, das von dem Faden verdampft wird. Geeignete Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise die oben erwähnten, dielektrischen Materialien sowie auch andere Materialien, wobei das wesentliche Kriterium ist, daß ihre Absorption für das sichtbare Licht und die Strahlung im nahen Infrarotbereich vernachlässigbar ist.

Wenn ein Schutzfilm, wie beispielsweise die Schicht 70, verwendet wird, muß bei der Berechnung der Dicke der S-I-S Filme der Schutzfilm bei der Auslegung der S-I-S Beschichtung berücksichtigt werden.

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Wie oben erwähnt wurde, kann der S-I-S Film auf das Äußere des Kolbens aufgebracht werden. Die Berechnungen können dann für die Dicke des Films und den Index des Dielektrikums auf die oben beschriebene Weise durchgeführt werden, wobei die entsprechenden optischen Koeffizienten verwendet werden. Vergleicht man die Anordnung mit der Beschichtung auf der Außenseite des Kolbens, wie sie oben beschrieben wurde, so würden die Dicken der Filme ohne überzug den gleichen Wert haben wie für den Fall, daß die Beschichtung auf die Innenseite des Kolbens aufgebracht wird. Für S-I-S Filme auf der Außenseite des Kolbens können die überzüge der Schutzschicht beispielsweise Kunststoffe und organische Materialien enthalten, die durchlässig für das sichtbare Licht sind.

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Claims

Patentansprüche

Glühlampe, gekennzeichnet durch einen abgedichteten Kolben (40) aus einem hitzebeständigen Material, durch einen Glühfaden (46) in dem Kolben (40), durch eine Einrichtung (42, 44, 47, 48, 49) zur Zuführung von Strom zu dem Faden (46), so daß er bei einer Temperatur glüht, bei der Lichtenergie im Bereich des sichtbaren Lichtes sowie Energie im Infrarotbereich erzeugt wird, und durch eine Etalon-Beschichtung (11, 12, 13) auf dem größeren Bereich des Kolbens (40) , der optisch so geformt ist, daß er Energie zurück zu dem Faden (46) reflektiert, wobei die Beschichtung einen Film (12) aus einem dielektrischen Material aufweist, der zwischen zwei Metallfilmen (11, 13) angeordnet ist, um wenigstens ungefähr 80 % der Lichtenergie im Bereich des sichtbaren Lichtes bei der Spitze der Leuchtstärken - Kurve der Energie im Bereich des sichtbaren Lichtes durchzulassen und wenigstens ungefähr

TKLKFON (OBO) 99 98 OQ

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os-aesao TKLCaRÄMMC

MONAPAT

TKLKKOPtKHKH

75 % der Energie im Infrarotbereich bei über 1,0 Mikron zurück zu dem Faden (46) zu reflektieren, wodurch seine Betriebstemperatur erhöht wird.
2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallfilme (11, 13) aus Silber bestehen.
3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Metallfilme (11/ 13) aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt wird, die Gold, Silber und Kupfer enthält.
4. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus einer Gruppe von Materia lien ausgewählt wird, die Silberchlorid, Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid, Titandioxid und Magnesiumoxid enthält.
5. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Etalon-Beschichtung bei der Kennlinie des letzten Durchlaßbandes liegt, und daß die Spitze des Durchlaßbandes so ausgewählt ist, daß sie bei einer Wellenlänge liegt, die im wesentlichen der Wellenlänge der maximalen abgegebenen Helligkeit des Fadens (46) entspricht.
6. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden (46) in einem Temperaturbereich' von ungefähr 2.300° K bis ungefähr 3000° K betrieben wird.
7. Glühlampe nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge, bei welcher das letzte Durchlaßband der Etalon-Beschichtung (11, 12, 13) im wesentlichen ca. eine Hälfte der Spitze der maximalen abgestrahlten Helligkeit hat, im Ubergangsbereich zwischen dem Bereich des sichtbaren Lichtes und dem Infrarotbereich liegt.
8. Glühlampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Halbenergie-Punktes bei ungefähr 800 nm liegt.

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9. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilme (11, 13) aus Silber und der Isolator-Film (12) aus Magnesiumfluorid bestehen.
10. Glühlampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberfilme (11, 13) jeweils eine Dicke im Bereich

O O

von ungefähr 105A bis ungefähr 135 A haben, und daß der Magnesiumfluorid-Film eine Dicke im Bereich von ungefähr 1605 A bis ungefähr 1935 A hat.
11. Glühlampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Spitzen-Durchlässigkeit der Beschichtung bei ungefähr 585 nm liegt, und daß die Dicken der Silberfilme (11, 13) jeweils ungefähr 120 A und die Dicke des dielektrischen Films (12) ungefähr 1770 A betragen.
12. Glühlampe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberfilme (11, 13) jeweils eine Dicke im Bereich

O O

von ungefähr 105 A bis ungefähr 135 A haben, und daß der Magnesiumfluorid-Film (12) eine Dicke im Bereich von ungefähr 1605 A bis ungefähr 1935 A hat.
13. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilme (11, 13) jeweils aus Silber und der Isolator-Film (12). aus Silberchlorid bestehen.
14. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilme (11, 13) jeweils aus Silber mit einer Dicke im Bereich von 105 A bis ungefähr

135 A bestehen, und daß der Isolatorfilm (12) aus Titan-

dioxid mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 600 A bis

ungefähr 830 A besteht.

15. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch

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-/13-

gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Spitzen-Durchlässigkeit der Beschichtung bei ungefähr 585 mn liegt, und daß die Dicke der Silberfilme (11, 13) ungefähr 120 Ä und

die Dicke des dielektrischen-Films ungefähr 120 A betragen.

16. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Metallfilrae (11, 13) der Beschichtung direkt auf eine Oberfläche des Kolbens (40) aufgelegt wird.

17. Glühlampe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Filme (11, 12, 13) direkt übereinander angeordnet werden.

18. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Bereich der Beschichtung (11, 12, 13) nur aus den drei Filmen (11, 12, 13) besteht.

19. Glühlampe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

daß einer der Metallfilme (11, 13) der Beschichtung (11, 12, 13) direkt auf eine Oberfläche des Kolbens (40) aufgelegt wird.

20. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Filme (11, 12, 13) direkt übereinander angeordnet werden.

21. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsvermögen der Beschichtung (11, 12, 13) bei der Spitze der Leuchtstärken-Verteilungskurve für die Energie des sichtbaren Lichtes gleich oder weniger als ungefähr 7 % beträgt.

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Patentansprüche:

1. Glühlampe, gekennzeichnet durch einen abgedichteten Kolben aus einem für Licht im sichtbaren Bereich durchlässigen Material, durch einen im Kolben angeordneten Glühfaden, welcher bei einer Temperatur glüht, bei welcher er Lichtenergie in wenigstens einem Teil des sichtbaren Bereichs sowie Energie im Infrarotbereich emittiert, wobei der größte Teil des Kolbens optisch geformt ist und eine gekrümmte Fläche aufweist, welche Energie zurück zum Glühfaden reflektiert, und durch eine auf einem beträchtlichen Teil des gekrümmten Hächenbereichs des Kolbens angeordnete Etalonbeschichtung, welche eine zwischen zwei Schichten aus einem elektrisch hoch leitfähigen Metall angeordnete Schicht aus dielektrischem Material aufweist und derart auf die Charakteristiken der vom Glühfaden emittierten Energie abgestimmt ist, daß sie an der Spitze der Leuchtstärkenkurve wenigstens 80% der vom Glühfaden emittierten Energie im Bereich des sichtbaren Lichts durchläßt und wenigstens ca. 75% der Energie im Infrarotbereich bei über 1,0 Mikron zurück zum Glühfaden reflektiert, so daß sie darauf auftrifft, um die Betriebstemperatur des Glühfadens zu erhöhen.

2. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallschichten aus Silber bestehen.

3. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten aus einer Gold, Silber und Kupfer umfassenden Gruppe gewählt sind.

4-. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material aus einer Silberchlorid, Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid, Titandioxid und Magnesiumoxid umfassenden Gruppe gewählt ist.

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2,S-

5· Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Etalonbeschichtung bei der Kennlinie des letzten Durchlaßbands arbeitet und daß die Spitze des Durchlaßbands so gewählt ist, daß sie bei einer Wellenlänge liegt, welche im wesentlichen der Wellenlänge der maximalen abgegebenen Helligkeit des Glühfadens entspricht.

6. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühfaden in einem Temperaturbereich von ca. 2 300 ⁰Z bis ca. 3000 ⁰K betrieben wird.

7. Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge, bei welcher das letzte Durchlaßband der Etalonbeschichtung im wesentlichen ca. die Ilälfte der Spitze der maximalen abgestrahlten Helligkeit hat, im Übergangsbereich zwischen dem Bereich des sichtbaren Lichts und dem Infrarotbereich liegt.

8. Glühlampe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Halbenergie-Punkts bei ca. 800 nm liegt.

9. Glühlampe nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten aus Silber und die Schicht dielektrischen Materials aus Magnesiumfluorid bestehen.

10. Glühlampe nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Silberschichten jeweils eine Dicke im Bereich von ca. 105 A bis ca. 135 A haben und daß die Magnesiumfluoridschicht eine Dicke im Bereich von ca. 1605 A bis ca. 1935 Ä hat.

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11. Glühlampe nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η ζ e ichnet, daß die Wellenlänge der Spitzendurchlässigkeit der Beschichtung bei ca. 585 nm liegt und daß die Dicken der Silberschichten jeweils ca. 120 £ und die Dicke der dielektrischen Schicht ca. 1770 £ betragen.

12. Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberschichten jeweils eine

£o
bis ca. 135 A haben und

daß die Magnesiumfluoridschicht eine Dicke im Bereich
von ca. 1605 A bis ca. 1935 £ hat.

13- Glühlampe nach Anspruch 5» dadurch g e k e η η zeichne t, daß die Metallschichten jeweils aus
Silber und die Schicht dieleketrischen Materials aus
Silberchlorid bestehen.

14. Glühlampe nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten aus Silber sind und jeweils eine Dicke im Bereich von ca. 105 A bis ca.
135 £ haben und daß die Schicht dielektrischen Materials aus Titandioxid ist und eine Dicke im Bereich von
ca. 600 £ bis ca. 830 £ hat.

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