JP3663223B2 - 無電極放電ランプ用光結合装置及び光分配装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、１か所以上の遠隔位置へ光を配給するために、ランプから光を受け取り、その光を光ガイドに送る結合装置に関する。特に、この発明は、無電極高輝度放電ランプとともに用いるのに適当なランプ−光ガイド間結合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の形式のランプから光を受け取り、その光を光ガイドに送る結合装置は周知である。このような結合装置の１例が米国特許第５，１９９，０９１号に記載されている。別の例が、米国特許出願第０７／８５９，１８０号（特願平５−０６４９０７号）に見られる。しかし、ランプ−光ガイド間結合装置を無電極高輝度放電（ＨＩＤ＝high intensity discharge）ランプとともに用いる場合、このようなランプの性質から特別な問題がもち上がる。
【０００３】
無電極ＨＩＤランプは、アーク室に電離（イオン化）可能な封入物を収容した構成である。電離可能な封入物をアーク室の外から電気的に励起して、封入物内にアーク放電を誘起する。このことは、たとえば、発光管（アーク管）を包囲する励起コイルで達成することができ、励起コイルにより無線周波（ＲＦ）磁界を発生し、これにより電離可能な封入物内にソレノイド状電界を誘起する。このようなソレノイド状電界の結果として封入物に流れる電流が、封入物にアーク放電を誘起する。このようなランプのさらに詳しい説明については米国特許第４，８１０，９３８号を参照されたい。高周波磁界がランプ−光ガイド間結合装置中に短絡電流を発生するのを防止するために、このような装置に誘電材料を用いるのが好ましい。このような短絡電流は、結合デバイスを破壊する可能性があり、また発光管内の電離可能な封入物を励起してそこにアーク放電を生成するプロセスを妨害するおそれがある。
【０００４】
さらに、無電極ＨＩＤランプの発光管は、動作時に代表的には高温たとえば９００°Ｃにもなる。適当な結合装置は、このようなランプの発光管から光を抽出し、この際ランプからの熱エネルギのもれを最小にする。これにより、ランプの熱分布がランプの動作をひどく劣化するおそれのある著しく非対称な熱分布になることが防止される。
【０００５】
【発明の目的】
したがって、この発明の目的は、好ましくは誘電材料を用いる、無電極ＨＩＤランプ用のランプ−光ガイド間結合装置を提供することにある。
この発明の別の目的は、無電極ＨＩＤランプ用のランプ−光ガイド間結合装置において、ランプから光を抽出し、かつランプからの熱エネルギの漏れを最小にして、こうしてランプの熱分布がランプの動作をひどく劣化するおそれのある著しく非対称な熱分布にならないようにし、さらに有意な熱エネルギの流出を避けることにより、光ガイドの破壊につながる加熱を最小限に抑えることにある。
【０００６】
【発明の概要】
この発明の１形態においては、ランプ−光ガイド間結合装置が提供される。この発明の結合装置は、無電極高輝度放電ランプを含む。放電ランプは、電離可能な封入物の入った発光管と、電離可能な封入物を電気的に励起してそこに発光性アーク放電を誘起する励起手段とを備える。結合装置はさらに、アーク放電から光を受け取る入口端と、それより大きい出口端とを有する、だいたい管状の中空体で構成された結合デバイス（ｄｅｖｉｃｅ）を含む。結合デバイスはさらに、中空体の表面上に可視光を反射する内向き反射手段を備える。結合デバイスは、ある立体角で入口端のある面積にわたって光を受け取り、光を前記の立体角より小さい立体角で前記の面積より広い出口端の面積にわたって伝送する形状である。結合デバイスを誘電材料から形成するのが好ましく、こうして短絡電流の発生を回避する。このような装置はランプの光を抽出する際、ランプから最小量の熱しか抽出しない。
【０００７】
上述した無電極ＨＩＤランプ用のランプ−光ガイド間結合装置は、ランプの光の大部分を光ガイドに光学的に効率のよい態様で伝送する。
この発明の上記および他の目的および効果をさらに明瞭にするために、以下にこの発明を図面に示す好適な実施例について説明する。
【０００８】
【好適な実施態様の説明】
図面において、同様な符号は同様な部品を示す。図１乃至４に、ランプ−光ガイド間結合装置を１００で総称して示す。結合装置１００は、励起コイル１１２を有する形式の無電極高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ１１０を含む。
励起コイル１１２は、２ターンが示されており、好ましくは、等脚台形を台形と同じ平面内に位置するが、台形と交差しないコイル中心線のまわりに回転することにより形成される容積を持つ図示の形状を有する。コイル形状の詳細や代替コイル形状が、たとえば米国特許第５，０３９，９０３号に記載されている。
【０００９】
コイル１１２は発光管（アーク管）１１４を包囲し、発光管の上半部は、内部に向けられた可視光反射被膜１１６（斜線で示す）で被覆されている。（「上」、「下」などの相対的な方向を示す用語は、便宜的に使用しているだけで、限定の意味はない。）発光管１１４の下半部には、図示の実施例では被膜１１６は施されない。しかし、可視光反射被膜１１６が発光管１１４を覆う面積はもっと多くても少なくてもよい。正確な被覆面積は、ＨＩＤランプ１１０の動作を妨害することなく、発光管１１４から最大の光を抽出する光学的考察により決まり、当業者にとって周知の事項である。
【００１０】
前述したように形成された被膜１１６は、耐火性で、したがってＨＩＤランプ１１０の点灯中に遭遇する高温に耐える。反対に、金属被膜（たとえば、アルミニウムまたは銀）はこのような点灯温度で破損する。前述したように形成された被膜１１６は誘電性でもあり、したがって発光管中の電離可能な封入物を励起してアーク放電を生成する前述した電磁プロセスの間に短絡したり、電磁プロセスを妨害したりすることがない。
【００１１】
被膜１１６は、光干渉フィルタから構成する場合、異なる周波数範囲の光を選択的に透過または反射するように設計することができる。したがって、光干渉フィルタから形成する場合、被膜１１６は、たとえば、可視光の望ましくない色または赤外光を透過するように設計することができる。所定の１組の高屈折率材料および低屈折率材料について層厚と層数を選択することにより、このような設計を実現する。これも当業界で通常の事項である。
【００１２】
別の例では、可視光反射被膜１１６を、たとえば、アルミナ、マグネシアまたはチタニアのいずれかから形成した拡散反射被膜とすることができる。
発光管１１４は、電離（イオン化）可能な封入物（図示せず）を密封された空間内に収容している。無線周波（ＲＦ）電流をコイル１１２に流して電離可能な封入物を電磁的に励起して、発光管内にアーク放電（図示せず）を生成する。電離可能な封入物は、たとえば、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化セリウムおよびキセノンを適当な重量割合で組み合わせて構成するのがよく、これにより可視放射光を発生し、白色の色温度で高い効率と良好な演色性を得る。また、ハロゲン化ランタン、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化セリウムおよびバッファガスとしてキセノンまたはクリプトンの組み合わせからなる封入物も適当である。適当な封入物についての詳細は、米国特許第４，９７２，１２０号に記載されている。
【００１３】
図示の実施例において、コイル１１２は、本質的に変圧器の一次巻線として作用し、一方発光管１１４内のアーク放電がこのような変圧器の１ターン（単巻）の二次巻線となる。コイル１１２に流れるＲＦ電流は時間変動磁界を生成し、一方この磁界は電離可能な封入物に電界を生成し、その電界は完全に自身で閉じてソレノイド状電界を形成する。このようなソレノイド状電界の結果として流れる電流が、発光管にトロイダル、すなわちリング形状のアーク放電を誘起する。
【００１４】
発光管１１４内にアーク放電を誘起するのに励起コイル１１２を使用する代わりに、たとえば容量性結合やマイクロ波放射を使用することができる。
図示の実施例において、ＨＩＤランプ１１０は、たとえばガスプローブよりなる始動補助器１１８を含む。ガスプローブ１１８は、クリプトンなどの電離可能な封入物を密封空間に収容した構成である。ガスプローブ１１８は、たとえば容量性結合スリーブ１２０を介して電気エネルギを受け取って、発光管１１４内での主アーク放電の始動を助ける。ガスプローブ始動補助器についての詳細は、米国特許第５，１４０，２２７号に記載されている。
【００１５】
結合装置１００は、ＨＩＤランプ１１０を光ガイド１４０に光学的に結合する中空な結合デバイス１３０を含む。可視光反射被膜１１６が、ランプ１１０から結合デバイス１３０への光の抽出を最大にするのに役立つ。光ガイド１４０は、図示のように、光ガイド部材（１４０Ａ、１４０Ｂなど）の束からなり、各光ガイド部材は、たとえば既知のプラスチックまたはガラス光ガイドからなる。個別の光ガイド部材（１４０Ａ、１４０Ｂなど）は、結合デバイス１３０の下側に示す中空端部内に収容するのが好ましい。光ガイド部材（１４０Ａ、１４０Ｂなど）は、図１乃至４に示すように種々の寸法とするのが好ましく、また図２に示すようにわずかに圧縮するのが好ましい。寸法の異なる光ガイド部材を使用し、その終端部１４０Ｃを圧縮することにより、図２に１４０Ｄで示すような隣接する光ガイド部材間の隙間を最小にする。このような隙間（たとえば１４０Ｄ）はＨＩＤランプ１１０から受け取った光を無駄にする。光ガイド部材（１４０Ａ、１４０Ｂなど）はそれぞれランプから受け取った光を１つ以上の遠い位置に通常の態様で配給する。
【００１６】
中空な結合デバイス１３０は、溶融石英などの中空な誘電部材から構成するのが好ましく、代表的には壁厚を１．５ｍｍとする。結合デバイス１３０の入口端１３０Ａは発光管１１４から光を受け取る。入口端１３０Ａは、代表的には最大直径３１ｍｍであり、発光管１１４から約１ｍｍのクリアランス１３２だけ離れている。このような寸法は、例示の値に過ぎず、この発明の範囲を限定するものではない。結合デバイス１３０はＨＩＤランプ１１０から光を、第１の立体角で入口端１３０Ａの第１の面積にわたって受け取り、その光を第１の立体角より小さい第２の立体角で、第１の面積より広い第２の面積にわたって出口端１３０Ｂに伝送する。この作用は角度−面積変換と称される。結合デバイス１３０は、この角度−面積変換を行うための、いわゆる複合放物面集光器（ＣＰＣ＝compound parabolic concentrator ）を画定する形状とするのが好ましい。ＣＰＣは、たとえばＷ．Ｔ． Ｗｅｌｆｏｒｄ 及び Ｒ． Ｗｉｎｓｔｏｎ著の「ＨｉｇｈＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ」（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．（１９８９））の第４章（ｐｐ．５３−７６）に詳しく説明されている。当業者には明らかなように、円錐形など他の形状の結合デバイスを用いてこのような角度−面積変換を行うこともできる。
【００１７】
光をランプから光ガイドに移送するのに結合デバイス１３０を援助するために、結合デバイス１３０の内面（または外面）を可視光反射被膜１５０で被覆する。反射被膜１５０は光を結合デバイス１３０の内方に反射する作用をなす。反射被膜１５０は、前述した好適な可視光反射被膜１１６と同様に形成したフィルタから構成するのが好ましい。そうすれば、被膜１５０は、被膜１１６について上述した耐火性および誘電性を備える。
【００１８】
中空な結合デバイス１３０は、たとえば２０ｃｍを越える長さを持つ様に形成して、発光管１１４から光ガイド１４０への熱伝達を最小にすることができる。この値は例示に過ぎず、他の値を用いてもよい。空間的な分離は発光管の寸法およびその内部で生成する放電にしたがって決定し、結合デバイス１３０の長さを発光管１１４の直径の４倍程度以上とする必要があることだけを理解しておけばよい。このような熱的分離により、特に光ガイド１４０をプラスチック材料から形成する場合に、光ガイド１４０の終端１４０Ｃを熱的ダメージから保護する。このような熱的分離によりさらに、光ガイド１４０がランプ１１０から有意な量の熱を抽出するのを防止する。このような熱の抽出があると、発光管１１４の熱分布が著しく非対称になり、ランプ性能がひどく劣化するおそれがある。結合デバイス１３０上の光反射被膜１５０は、光干渉フィルタから構成する場合、赤外光のスペクトルの大部分に対して透過性であり、熱が結合デバイス１３０の壁を通して逃げるのを許すので有利である。これにより結合デバイス１３０の長さを最小にすることができる。
【００１９】
図３に示すＨＩＤランプ１１０では、図１の発光管１１４上の光反射被膜１１６の代わりにだいたい球面状のミラー１１７を使用する。ミラー１１７は発光管１１４から光を受け取り、その光を下向きに結合デバイス１３０（図１）に向かって反射する。図示のように、ガスプローブ１１８をミラー１１７の孔１１９に貫通させるのがよい。所望に応じて、ミラー１１７をガスプローブ１１８に装着することができる。後述するこの発明の他の実施例でも、ミラー１１７を、発光管上の光反射被膜の代替品として使用することができる。
【００２０】
図４に線図的に示すように、ランプ−光ガイド間結合装置１００およびその関連回路（図示せず）を導電性エンクロージャ１６０に収容するのが有利である。このような導電性エンクロージャ１６０は、ランプ−光ガイド間結合装置１００およびその関連回路が発生する、電磁干渉（ＥＭＩ）の原因となるＲＦ放射を、エンクロージャ内に実質的に閉じ込める。エンクロージャ１６０には孔１６２があり、そこを光ガイド１４０が通過し、光の分配が可能になる。孔１６２の寸法は、孔１６２から逃げ出すＥＭＩを無視できる程度に抑えるのに十分な小さな寸法とするのが好ましい。このような孔の寸法を、励起手段（たとえばコイル１１２）の電磁エネルギの波長の約１／１０以下とするのが好ましい。
【００２１】
図５は、別のランプ−光ガイド間結合装置２００を示す。結合装置２００と図１の結合装置１００との同様の部材は、最初の数字以外は同じ数の参照番号で示す。図５のＨＩＤランプ２１０は、図１のＨＩＤランプ１１０の上述した説明の通りである。
図５の結合装置２００は、赤外線および紫外線の片方または両方を除去するかＨＩＤランプ２１０の方へ反射して戻すフィルタ手段２７０を設けた点で、図１の結合装置１００とは異なる。フィルタ手段２７０は、発光管２１４を光ガイド２４０から熱的に分離するのを助け、これがなければＵＶまたはＩＲ放射線への露出からもたらされるであろう光ガイドの端部へのダメージを防止する。
【００２２】
フィルタ手段２７０は、たとえば、光学的干渉被膜で被覆された平坦な石英ディスクからなる。干渉被膜をディスクの両面に設けてもよく、好ましくは前述した光反射被膜１１６とほぼ同じ方法で形成する。図６から明らかなように、フィルタ手段２７０は、結合デバイスの上側部分２３１と結合デバイスの下側部分２３１Ｂの棚部２７１との間に配置するのがよい。同じく図６に示すように、結合デバイスの上側部分２３１Ａが結合デバイスの下側部分２３１Ｂ内に収容されており、これはこれら両部分を連結する好都合な方法の一つである。
【００２３】
図７は、発光管３１４の底部３１５がほぼ平坦である別のランプ−光ガイド間結合装置３００を示す。平坦な底部により、発光管３１４からの光分配が改良される。
図８は、平坦な底部４１５を有する発光管４１４を用いた他の実施例のランプ−光ガイド間結合装置４００を示す。結合装置４００はさらに、たとえば溶融石英から形成した耐火性の中間ロッドまたは柱状体４８０を含む。耐火性の中間ロッド４８０の下端は結合デバイスの入口端４３０Ａに収容されている。耐火性の中間ロッドの上端は平坦な窓すなわち底部４１５に近接して配置されており、好ましくは底部４１５から熱的分離ギャップ４９０だけ離されている。
【００２４】
中間ロッド４８０は、ＨＩＤランプ４１０を光ガイド（図８には図示せず）から熱的にさらに分離する役目を果たす。これにより、「下流側」の光分配要素、たとえば結合デバイス４３０の熱的設計条件が緩和される。
上述したところから明らかなように、この発明は、ランプの光の大部分を光ガイドに光学的に効率のよい態様で伝送する無電極ＨＩＤランプ用ランプ−光ガイド間結合装置を提供する。結合装置には誘電材料を用いるのが好ましく、これにより、結合装置を破壊したり、ランプ動作を妨害したりするおそれのある短絡電流が防止される。ランプからの熱エネルギのもれを最小限に抑えて、ランプから光が抽出され、このためランプの熱分布が著しく非対称になる（ランプ動作を損なう恐れがある）のが防止される。光ガイドの加熱が、種々の方法で最小にされる。たとえば、中空な結合デバイスを用いることにより、またこのような結合デバイスの長さを調節することにより、あるいは希望に応じて、結合デバイス上に赤外線に対して透明な可視光反射被膜を設けることにより、光ガイドの加熱が最小にされる。
【００２５】
以上、この発明を例示のために特定の実施例に関して説明したが、当業者には種々の変形や変更が明らかである。したがって、特許請求の範囲は、このような変更例や変形例のすべてがこの発明の範囲に包含されると解すべきである。
たとえば、反射被膜１１６を発光管１１４から取り除き、１３０と同様な第２の光カップラ（結合デバイス）を発光管１１４の反対側に配置することが可能である。この第２の結合デバイスを設ける場合、始動用プローブ１１８を該結合デバイスの中心に貫通させるか、または該結合デバイスの軸線からはずれるが、コイル１１２を邪魔しない傾斜した位置に移動することができる。このような例では、始動用プローブが結合デバイスの側面に形成した開口を貫通する様にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例によるＨＩＤランプ用のランプ−光ガイド間結合装置を一部破断して示す斜視図である。
【図２】図１のＨＩＤランプから光を受け取る光ガイド部材の束からなる光ガイドの端部を縮小して示す断面図である。
【図３】図１のランプ−光ガイド間結合装置に用いることができる、ランプの発光管から上向きに出てくる光を下向きに向けなおす球面状ミラーを用いるＨＩＤランプの別例を一部破断して示す斜視図である。
【図４】無電極ＨＩＤランプ用のランプ−光ガイド間結合装置を収容する導電性エンクロージャの線図的斜視図である。
【図５】赤外線や紫外線などの非可視光を反射してＨＩＤランプの方へ戻す手段を含むランプ−光ガイド間結合装置を一部破断して示す斜視図である。
【図６】図５の非可視光反射手段を結合デバイスの上側部分と下側部分との間に配置する仕方を示す、結合装置の一部の断面図である。
【図７】ＨＩＤランプに光抽出用の平坦な表面を有する発光管を用いたランプ−光ガイド間結合装置の実施例を一部破断して示す斜視図である。
【図８】図７と同様な、光抽出用に平坦な窓を有する発光管を用い、このような平坦な窓から結合装置の中空な結合デバイスへ光を伝送するのに耐火性の中間ロッドを用いたランプ−光ガイド間結合装置の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１００ ランプ−光ガイド間結合装置
１１０ ＨＩＤランプ
１１２ コイル
１１４ 発光管
１１６ 可視光反射被膜
１１７ ミラー
１１８ ガスプローブ
１３０ 結合デバイス
１４０ 光ガイド
１５０ 可視光反射被膜
１６０ 導電性エンクロージャ
２７０ フィルタ手段

Claims (15)

1. 発光性アーク放電を生成するように励起できる電離可能な封入物を封入した発光管を持ち、かつ所定の熱的および電気的動作特性を有する無電極放電ランプ用光結合装置において、
   （ａ）前記無電極放電ランプとほぼ同じ断面積を有し、前記放電ランプに近接して配置され、前記アーク放電から光を受け取る入口端と該入口端より大きい出口端を有する略管状の中空の構成の結合デバイスと、
   （ｂ）前記中空の結合デバイスの表面の少なくとも一部に配置され、光を前記結合デバイスの内部に反射する反射手段と、
   （ｃ）前記中空の結合デバイスの出口端に連結された少なくとも１つの光ガイドとを含み、
   （ｄ）前記結合デバイスの形状は、前記入口端において第１の立体角で光を受け取り、光を前記第１の立体角より小さい第２の立体角で前記出口端に伝送するように成形された形状であり、
   （ｅ）前記放電ランプに近接して配置される前記結合デバイスは、前記放電ランプの熱的および電気的作動特性に実質的な影響を及ぼさず、
   （ｆ）前記ランプの発光管の光透過側が前記中空の結合デバイスの入口端内に収容されていることを特徴とする、光結合装置。
2. 前記結合デバイスが誘電材料から形成されている請求項１に記載の光結合装置。
3. 前記結合デバイスが複合放物面集光器を形成するように成形されている請求項１に記載の光結合装置。
4. 前記少なくとも１つの光ガイドが前記結合デバイスの出口端内に配置されている請求項１に記載の光結合装置。
5. 前記反射手段が赤外光のスペクトルの大部分に対して透過性の光干渉非導電性フィルタを含み、前記ランプからの熱が前記結合デバイスを通して逃げるのを許す請求項１に記載の光結合装置。
6. さらに、前記光結合装置を包囲する導電性エンクロージャをそなえ、これにより前記ランプの動作から生じる電磁干渉を前記エンクロージャ内に実質的に閉じ込める請求項１に記載の光結合装置。
7. 前記結合デバイス内に配置される反射部材であって、前記ランプと前記少なくとも１つの光ガイドとの間に配置され、赤外線および紫外線の少なくとも一方を前記ランプに向かって戻す反射部材をさらに含む請求項１に記載の光結合装置。
8. 前記発光管の光透過側が平坦な表面である請求項１に記載の光結合装置。
9. さらに、前記ランプの発光管と前記結合デバイスとの間に配置され、前記少なくとも１つの光ガイドを前記ランプから熱的に分離する作用をなす光透過性耐火性の中間ロッドを含む請求項１に記載の光結合装置。
10. さらに、前記アーク放電からの光を、前記結合デバイスの出口端と逆の方向に配置された前記発光管の第１表面を通して受け取り、その光を反射して前記第１の表面を通して、前記結合デバイスの出口端の方向に配置された前記発光管の別の表面に向けて戻すミラーを含む請求項１に記載の光結合装置。
11. 無電極高輝度放電ランプからの光出力を少なくとも１つの遠隔位置に伝送する光分配装置において、
    （ａ）電離可能な封入物を入れた発光管を含む無電極高輝度放電ランプと、
    （ｂ）前記発光管を包囲し、前記電離可能な封入物を電磁的に励起して前記発光管内に発光性アーク放電を誘起する励起コイルと、
    （ｃ）（ｉ）前記アーク放電から光を受け取る入口端、および入口端より大きい出口端を持つだいたい管状の本体を有し、（ｉｉ）非導電性かつ、全内部反射特性を有し、（ｉｉｉ）光を前記入口端において第１の立体角で受け取り、その光を前記第１の立体角より小さい第２の立体角で前記出口端に伝送する様に成形されている結合デバイスと、
    （ｄ）前記結合デバイスの出口端に連結された少なくとも１つの光ガイドとを含み、
    （ｅ）前記発光管の光透過側が前記結合デバイスの入口端内に収容されている光分配装置。
12. 前記結合デバイスが誘電材料から形成されている請求項１１に記載の光分配装置。
13. 前記結合デバイスが複合放物面集光器を形成するように成形されている請求項１１に記載の光分配装置。
14. さらに、前記ランプの発光管と前記結合デバイスとの間に配置され、前記少なくとも１つの光ガイドを前記ランプから熱的に分離する作用をなす光透過性耐火性の中間ロッドを含む請求項１１に記載の光分配装置。
15. 前記発光管の光透過側が、前記耐火性のロッドの端部に近接して配置された平坦表面を有する請求項１４に記載の光分配装置。

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