[0001] Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe mit kompakten Abmessungen und
einer Wandbelastung größer 100 W/cm
2, insbesondere für optische Systeme, bestehend aus einem Entladungsgefäß aus hochtemperaturfestem
lichtdurchlässigem Material als einzigen Kolben, zwei hochtemperaturbeständigen Elektroden
sowie einer Füllung aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas, Metallhalogeniden und
Halogen im Überschuß, wobei als Halogen Jod und/oder Brom vorhanden sind.
[0002] Aus der-DE-OS 28 27 844 ist eine mit Gleichstrom betriebene Kurzbogen-Entladungslampe
mit einem Kolben bekannt, der eine ionisierbare Füllung aus einem inerten Gas wie
Argon und Halogen oder Metallhalogenid, wie beispielsweise Indiumjodid, enthält. Die
Entladungslampe weist eine hohe mittlere Leuchtdichte auf. Allerdings beträgt die
Lebensdauer der Lampe weniger als 100 Stunden und die Farbstabilität der abgegebenen
Strahlung ist für Projektionszwecke nicht ausreichend. Ein weiterer Nachteil ist ihr
großer Leuchtdichterückgang, der durch eine starke Abtragung der Kathodenspitze aufgrund
des Gleichstrombetriebs verursacht wird,
[0003] Andererseits sind in der DE-PS 19 40 539 und der DE-PS 21 14 804 Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampen
beschrieben, die Füllungszusätze von Halogeniden der Seltenen Erden, insbesondere
von Dysprosium
und/oder Holmium und/oder Thulium enthalten. Die Lampen besitzen eine Lichtausbeute
von 90 lm/W oder größer, wobei die Strahlung eine Farbtemperatur von 6000 K und einen
Farbwiedergabeindex Ra von 92 hat. Für_Projektionszwecke und andere optische Systeme,
bei denen es auf hohe Leuchtdichten ankommt, sind diese Lampen ungeeignet, da sie
keine genügend kompakten Abmessungen mit einem kurzen Lichtbogen aufweisen. Bei Verkleinerung
der Abmessungen der Lampe für Projektionszwecke gibt der Kern des Entladungsbogens,
der einzig in der Projektion zur Ausleuchtung verwendet wird, bei diesen Lampen eine
Strahlung ab, deren Farbwiedergabeindex weit unter 92 liegt und deren Farbtemperatur
6000 K bedeutend überschreitet.
[0004] Ziel der Erfindung ist es daher, eine kompakte Hochdruckentladungslampe für den Wechselstrombetrieb
zu schaffen, die Strahlung mit einer hohen mittleren Leuchtdichte und einem sehr guten
Farbwiedergabeindex erzeugt und gleichzeitig eine große mittlere Lebensdauer besitzt.
[0005] .Die Hochdruckentladungslampe mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten
Merkmalen ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer mittleren
Leuchtdichte von größer 30 ksb bei einer spezifischen Bogenleistung zwischen 400 und
5000 W/cm über eine mittlere Lampenlebensdauer von 250 Stunden mit einem Farbwiedergabeindex
Ra von mindestens 85 das Entladungsgefäß als Metall für die Halogenidverbindungen
Cadmium und Lithium enthält.
[0006] Unter einer mittleren Lampenlebensdauer ist hierbei eine Zeitdauer zu verstehen,
während der die Lichtausbeute der Lampe ohne optisches System um höchstens 15 % abnimmt.
Dadurch ist gewährleistet, daß der Lichtausbeute-Rückgang in einem entsprechenden
optischen System nach dieser Zeitdauer zwischen 20 und höchstens 45 % liegt.
[0007] Durch die Metalle Cadmium und Lithium erhält die Lampe einen Entladungsbogen mit
hoher Farbqualität, wobei der gesamte Bogen einschließlich des Saums eine Strahlung
mit "sehr guter" Farbwiedergabe (Ra mindestens 85) erzeugt. Dadurch ist gewährleistet,
daß die für Projektionszwecke verwendete Strahlung des Bogenkerns eine "gute" Farbwiedergabe
mit einem Farbwiedergabeindex Ra zwischen 70 und 80 ermöglicht. Das Element Lithium
dient dabei im wesentlichen zum Auffüllen des Spektrums im langwelligen, d.h. im roten
Wellenlängenbereich der sichtbaren Strahlung.
[0008] Zusätzlich enthält das Entladungsgefäß als Metall für die Halogenidverbindungen Holmium.
Aufgrund der Viel" linienstrahlung des Holmiums wird eine weitere leichte Verbesserung
der farbwiedergabeeigenschaften der Strahlung erzielt. Dadurch wird auch die Anwenr
dung der Lampe bei der Filmaufnahmebeleuchtung ermöglicht.
[0009] Beste Ergebnisse bezüglich Leuchtdichte, Farbwiedergabe und Lebensdauer werden erzielt,
wenn das Entladungsgefäß pro cm
3 seines Volumens zwischen 0,1 und 5,0 mg Cadmium, bis zu 0,05 mg Lithium und zwischen
0,05 und 1,0 mg Holmium enthält. Bei höheren Dosierungen der Metallhalogenide treten
Absorptionseffekte auf, die eine Abnahme der Lichtausbeute bewirken. Mit Hilfe des
Lithiums läßt sich die Farbtemperatur der Lampe variieren und je nach Verwendungszweck
im roten Wellenlängenbereich steuern.
[0010] Zur Aufrechterhaltung des Halogenkreislaufs sowie zur Einstellung des optimalen Dampfdrucks
enthält das Entladungsgefäß Brom und Jod in einem Molverhältnis zwischen 0,5 und 2.
Außerdem weist das Entladungsge-
fä
ß p
ro cm seines Volumens einen das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungen von Halogenen
und Metallen in der Lampe übersteigenden Halogenüberschuß von bis zu 35 µmol auf.
Ein nicht funktionierender Kreislauf verursacht eine erhöhte Schwärzung des Entladungsgefäßes
und eine starke Wolfram-Abtragung an den Elektroden und reduziert somit die mittlere
Lebensdauer der Lampe. Ein nicht optimaler Dampfdruck wiederum ergibt eine zu geringe
Leuchtdichte der Lampe. Beste Ergebnisse bezüglich Lebensdauer und Leuchtdichte werden
mit einem Molverhältnis von 1:1 bei Brom und Jod erzielt.
[0011] Die Lampe enthält als Grundgas nur Argon, das in der kalten Lampe in einem Druck
zwischen 10
4 und 10
5 Pa vorliegt. Dadurch ist eine sichere Handhabung der Hochdruckentladungslampe in
kaltem Zustand gewährleistet. Der Druck ist andererseits aber so hoch, daß beim Zünden
der Lampe ein Abdampfen der Wolfram-Elektroden und damit eine Schwärzung des Entladungsgefäßes
weitgehend unterbunden wird.
[0012] Das Entladungsgefäß enthält außerdem Cäsium zur Bogenstabilisierung.
[0013] Die kompakte Hochdruckentladungslampe wird vorteilhaft mit einem fest mit der Lampe
verbundenen Reflektor in Projektionssystemen eingesetzt. Es ist aber . auch möglich,
die Hochdruckentladungslampe ohne fest verbundenen Reflektor in Sonderbeleuchtungssystemen
wie z.B. in eng bündelnden Scheinwerfern für die Film- und Bühnenbeleuchtung zu verwenden.
[0014] Die Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher veranschaulicht.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe
Figur 2 zeigt ein von einer Lampe gemäß Figur 1 erzeugtes Spektrum
Figur 3 zeigt eine weitere in einen Reflektor fest eingebaute erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe
[0015] In Figur 1 ist eine 400-W-Hochdruckentladungslampe 1 von ca. 5,6 cm Länge dargestellt,
wie sie in ein hier nicht dargestelltes Reflektorsystem eingesetzt wird. Das Entladungsgefäß
2 aus Quarzglas mit 0,22 cm Wandstärke besitzt ein Volumen von 0,76 cm
3. Die stabförmigen Elektroden 3, 4 sind in einem Abstand von 0,42 cm in den Elektrodenschäften
5, 6 des Entladungsgefäßes 2 gehalten, die eine Länge von ca. 2 cm und einen etwa
kreisförmigen Außendurchmesser von ca. 0,8 cm besitzen. Die Elektroden 3, 4 sind über
Molybdän-Folien 7, 8, die vakuumdicht in die Elektrodenschäfte 5, 6 eingeschmolzen
sind, mit den Stromzuführungen 9, 10 verbunden. Am Übergang der Elektroden 3, 4 zu
den Dichtungsfolien 7, 8 sind Freiräume 11, 12 zwischen den Elektroden 3, 4 und 4em
Glasmantel der Elektrodenschäfte 5, 6 angeordnet, in denen sich abgetragenes Wolfram
der Elektroden 3, 4 sowie kondensierte Verunreinigungen aus dem Innern der Lampe sammeln
können, so daß eine Schwärzung der für die Lichtabstrahlung wesentlichen Teile des
Entladungsgefäßes 2 verhindert wird.
[0016] Das Entladungsgefäß 2 enthält eine Füllung aus 0,15 mg Ho, 0,18 mg CsBr, 0,10 mg
CsJ, 0,10 mg LiBr, 0,07 mg LiJ, 1,80 mg CdJ
2, 2,00 mg HgBr
2, 0,60 mg HgJ
2 sowie 13,1 mg metallisches Hg und Ar mit einem Grundgasdruck von 66,6 kPa. Bei einem
Lampenstrom von 7,3 A und einer Lampenspannung von 55 V weist die Hochdruckentladungslampe
1 einen Anfangsnutzlichtstrom von 30 klm mit einer Farbtemperatur von ca. 4500 K auf.
In einem Projektionssystem ohne Umlaufblende mit einem 16 mm-Bildfenster und einem
1,2/50 mm-Objektiv lassen sich mit dieser Lampe bis zu 3600 Schirmlumen erreichen,
wobei die Gleichmäßigkeit der Schirmausleuchtun
g E
min/E
mittel nach DI-N 15748 bei 0,65 und darüber liegt.
[0017] In Figur 2 ist die spektrale Strahlstärke einer 400-W-Hochdruckentladungslampe, wie
sie in Figur 1 dargestellt ist, in Abhängigkeit von der Wellenlänge im Bereich zwischen
250 und 1000 nm aufgetragen. 100 % entsprechen dabei 0,69 W pro sr und 10 nm.
[0018] Figur-3 zeigt eine in einem Reflektor 13 fest eingebaute Hochdruckentladungslampe
14 mit einer Leistungsaufnahme von 270 W. Die Lampe 14 liegt dabei mit ihrer Achse
in der Achse des Reflektors 13. Während ein Elektrodenschaft 15 mittels Kitt 16 im
Keramiksockel 17 befestigt ist, wird der.andere Elektrodenschaft 18 durch gleichzeitig
als Stromzuführung dienende Kupferbänder 19 am Keramikabschlußring 20 des Reflektors
13 gehalten. Die Hochdruckentladungslampe 14 besitzt eine Länge von ca, 4,8 cm und
ein Entladungsgefäßvolumen von 0,28 cm
3. Die Elektroden 21, 22 sind wie bei der oben aufgeführten 400-W-Lampe in einem Abstand
von 0,25 cm über vakuumdicht eingeschmolzene Molybdänfolien 23, 24 mit den Stromzuführungen
25, 26 verbunden. Ein Stromanschluß 27 ist am Sockel 17, der andere (hier nicht sichtbar)
am Abschlußring 20 des Reflektors 13 angebracht.
[0019] Die Füllung des Entladungsgefäßes 28 setzt sich aus 0,05 mg Ho, 0,13 mg CsBr, 0,07
mg CsJ, 0,04 mg LiBr, 0,03 mg LiJ, 1,10 mg CdJ
2, 1,18 mg HgBr
2, 0,25 mg HgJ
2 sowie 7,5 mg metallisches Hg und Ar mit einem Grundgasdruck von 66,6 kPa zusammen.
Bei einem Lampenstrom von 6 A und einer Lampenspannung von 45 V weist die Hochdruckentladungslampe
14 einen Anfangsnutzlichtstrom von 18 klm mit einer Farbtemperatur von 4500 bis 5000
K auf.
[0020] Die hohen Nutzlichtströme bei diesen Hochdruckentlar dungslampen lassen sich insbesondere
mit Rechteckbetrieb bei ca. 300 Hz erhalten. Ein solcher Betrieb stellt auch sicher,
daß bei Aufnahme- oder Projektionssystemen, die mit einer Umlaufblende arbeiten, keine
Flimmereffekte auftreten.
1. Hochdruckentladungslampe (1, 14) mit kompakten Abmessungen und einer Wandbelastung
größer 100 W/cm2, insbesondere für optische Systeme, bestehend aus einem Entladungsgefäß (2, 28) aus
hochtemperaturfestem lichtdurchlässigem Material als einzigen Kolben, zwei hochtemperaturbeständigen
Elektroden (3, 4; 21, 22) sowie einer Füllung aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas,
Metallhalogeniden und Halogen im Überschuß, wobei als Halogen Jod und/oder Brom vorhanden
sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer mittleren Leuchtdichte von größer
30 ksb bei einer spezifischen Bogenleistung zwischen 400 und 5000 W/cm über eine mittlere
Lampenlebensdauer von 250 Stunden mit einem Farbwiedergabeindex Ra von mindestens
85 das Entladungsgefäß (2, 28) als Metall für die Halogenidverbindungen Cadmium und
Lithium enthält.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß
(2, 28) außerdem als Metall für die Halogenidverbindungen Holmium enthält.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß
(2, 28) pro cm seines Volumens zwischen 0,1 und 5,0 mg Cadmium und bis zu 0,05 mg
Lithium enthält.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß
(2, 28) pro cm3 seines Volumens zwischen 0,05 und 1,0 mg Holmium enthält.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogene
Brom und Jod in einem Molverhältnis von 0,5 bis 2 im Entladungsgefäß (2, 28) enthalten
sind.
6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Entladungsgefäß (2, 28) pro cm seines Volumens einen das stöchiometrische Verhältnis
der Verbindungen von Halogenen und Metallen in der Lampe (1, 14) übersteigenden Halogenüberschuß
von bis zu 35 µmol enthält.
7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe
(1, 14) als Grundgas nur Argon enthält, das in der kalten Lampe (1, 14) in einem Druck
zwischen 104 und 105 Pa vorliegt.