投影器用短弧超高壓汞燈的原理

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1、投影器用短弧超高壓汞燈的原理（1）　　摘要：多媒體投影器技術(shù)向小型、輕便、高亮度方向快速發(fā)展。配套需要的高亮度短弧光源已進(jìn)入第三代——短弧超高壓汞燈（UHP）時(shí)代，該燈近年來(lái)由于工藝改進(jìn)又有較大的進(jìn)展。發(fā)光電弧縮短至1mm，壽命可望達(dá)到1000小時(shí)以上，可組成更緊湊的光學(xué)系統(tǒng)，為大屏幕液晶背投電視進(jìn)入市場(chǎng)創(chuàng)造了必備條件。1概述　　多媒體液晶投影器的核心為液晶片、光機(jī)及投影燈。近三十年來(lái)這三部分都有了快速的發(fā)展（如圖1）。　　高清晰的液晶片，由10年前對(duì)角線3″縮小到現(xiàn)在的0.5″（見(jiàn)圖2）。這就為提高光效、減少投影燈反光鏡的體積、減少投影燈泡功率創(chuàng)造了有利條件。使投影器

2、得以不斷小型化、輕便化。　　第一代多媒體投影器采用的液晶片對(duì)角線R是3″，接受光的圓錐角為7°～10°,光學(xué)系統(tǒng)中的光源，采用極間距離6～ 7mm的120～250W交流燈的短弧金鹵燈。拋物面反光鏡的口徑>Φ120mm,才能得到大于3″的均勻光斑。該投影器體積大，重 量重（10kg以上），銀幕光通量500lm左右。1995年以后，高清晰度液晶片對(duì)角線減少到0.9～1.3″,光的接受圓錐減少為 5°～7°，光學(xué)系統(tǒng)需要電弧更短、亮度更高的光源。極間距離1.8～3.7mm，功率125～400W的直流短弧金鹵燈取代交流 燈，反光鏡的口徑縮小為Φ100mm以下。開(kāi)發(fā)出了第二代投影

3、器，該投影器重量減為5～10kg，銀幕光通量提高到1000lm以 上。　　近幾年，隨對(duì)角線0.4～0.7″的高清晰度液晶片問(wèn)世，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步小型化提出了要求。小型化的光學(xué)系統(tǒng)，要求光源進(jìn)一步緊湊化，并能在更小的投影面積上，提供更亮的光束，這就需要短弧光源的電弧更短，亮度更高。隨之開(kāi)發(fā)出極間距離1～1.5mm的100～200W直流和交流UHP燈口徑為Φ60，隨光機(jī)透光、聚光效率的提高，200WUHP等理想的銀幕光 通量達(dá)3000lm。　　圖3給出了UHP燈電弧亮度和250WDC金鹵燈電弧亮度的對(duì)比。從圖3看出UHP燈電弧的亮度是DC金鹵燈電弧亮度的3～4 倍，顯然10

4、0～150W的UHP燈只要光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，銀幕光通量就很容易達(dá)到1000lm以上?！　D3上部的兩圖是極間距離1.3mm和1mm的100WUHP燈電弧亮度；下部為極間距離2.5mm的DC250W金鹵燈的電弧亮度。亮 度的測(cè)量單位為Mcd/m?！　〕邏汗療羰抢贸邏汗魵猓?Mpa以上）放電獲得可見(jiàn)光的光源。汞蒸氣放電在紫外到可見(jiàn)光范圍內(nèi)都有很強(qiáng)的輻射。汞放電的蒸汽壓愈高，可見(jiàn)光部分愈豐富，電弧的亮度愈高。圖1多媒體液晶投影器的原理示意圖圖2LCD的小型化圖3超高壓汞燈的工作原理　　圖4給出了不同汞蒸氣壓下的放電光譜能量分布?！　膱D4看出，隨汞蒸汽壓強(qiáng)增加，汞放電

5、的光譜中缺少的紅光增加較多。當(dāng)壓強(qiáng)超 過(guò)10MPa（約100個(gè)大氣壓）時(shí)，595nm以上的紅光已占有一定比例；當(dāng)壓強(qiáng)超過(guò)15MPa 時(shí)，紅光在可見(jiàn)光譜中的比列已接近金鹵燈。經(jīng)液晶片的調(diào)制及光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可 以達(dá)到合格的彩色還原效果。　　超高壓汞燈有長(zhǎng)弧和短弧兩種結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)弧燈稱(chēng)為毛細(xì)管汞燈，燈殼用內(nèi)徑1.8～ 2mm的壁厚石英管制成，該等工作氣壓5～20MPa，已用于彩色現(xiàn)實(shí)器件的熒光屏制版和 其他照相制版工藝。原有的短弧超高壓汞燈，極間距離0.2～8mm，功率50～4000W，主 要用于熒光顯微鏡、全息照相、集成電路光刻制版等。這種燈管壓較低，電流較大，汞蒸汽壓不夠高

6、，紅光不夠，不適用投影器。適用于投影器的UHP燈，汞蒸汽壓超過(guò) 15MPa，燈管壓降60～80V。對(duì)100～150W的燈，燈工作電流1.5～2.2A，按此電流設(shè)計(jì) 的電子開(kāi)關(guān)電路的交流或支流供電電源體積較小，重量較輕。實(shí)驗(yàn)證明，要達(dá)到上述參數(shù)，燈內(nèi)的汞放電等離子體的電位梯度應(yīng)大于500V/cm，對(duì)應(yīng)燈的極間距離應(yīng)小于或 等于1.3mm。UHP燈從圖5看出燈腔體內(nèi)要達(dá)到20MPa（200大氣壓）要求冷端的最低工作 溫度不低于900℃，顯然燈水平燃點(diǎn)，腔體的上部工作溫度已大于1000℃，這樣高的工 作溫度已接近一般石英管的軟化點(diǎn)，所以必須選用SiO2含量大于99.99%以上

7、的高純石 英管才能達(dá)到工藝要求。在100～150W功率下，燈殼外徑應(yīng)小于或等于Φ11，內(nèi)腔為Φ 5～6，壁厚應(yīng)≥2.5mm，才能維持900℃以上的工作溫度，承受內(nèi)腔200個(gè)大氣壓力的水蒸氣，而不會(huì)在壽命期內(nèi)爆炸。　　從圖6UHP燈的光譜能量分布可以看出，燈的色溫為8000K，顯色指數(shù)只有56，光色 偏蘭。蘭、綠光和紅光的比例偏高。但通過(guò)蘭、綠光的LCD片及濾光片的調(diào)節(jié)效應(yīng)，損 失一部分綠光和蘭光。紅光全部用上，可實(shí)現(xiàn)正常顯現(xiàn)圖像彩色還原所需的紅、綠比 和紅、蘭比。圖4放電光譜能量分布圖5UHP燈泡的結(jié)構(gòu)示意圖圖6UHP燈的光譜分布及紅、綠