投影器用短弧超高压汞灯的原理.pdf

文军维修文军维修投影器用短弧超高压汞灯的原理（1）摘要：多媒体投影器技术向小型、轻便、高亮度方向快速发展配套需要的高亮度短弧光源已进入第三代——短弧超 高压汞灯（UHP）时代，该灯近年来由于工艺改进又有较大的进展发光电弧缩短至1mm，寿命可望达到1000小时以上，可 组成更紧凑的光学系统，为大屏幕液晶背投电视进入市场创造了必备条件 1 概述多媒体液晶投影器的核心为液晶片、光机及投影灯近三十年来这三部分都有了快速的发展（如图1）高清晰的液晶片，由10年前对角线3″缩小到现在的0.5″（见图2）这就为提高光效、减少投影灯反光镜的体积、减 少投影灯泡功率创造了有利条件使投影器得以不断小型化、轻便化第一代多媒体投影器采用的液晶片对角线R是3″，接受光的圆锥角为7°～10°,光学系统中的光源，采用极间距离6～ 7mm的120～250W交流灯的短弧金卤灯抛物面反光镜的口径>Φ120mm,才能得到大于3″的均匀光斑该投影器体积大，重 量重（10kg以上），银幕光通量500lm左右1995年以后，高清晰度液晶片对角线减少到0.9～1.3″, 光的接受圆锥减少为 5°～7°，光学系统需要电弧更短、亮度更高的光源。

极间距离1.8～3.7mm，功率125～400W的直流短弧金卤灯取代交流 灯，反光镜的口径缩小为Φ100mm以下开发出了第二代投影器，该投影器重量减为5～10kg，银幕光通量提高到1000lm以 上近几年，随对角线0.4～0.7″的高清晰度液晶片问世，对光学系统进一步小型化提出了要求小型化的光学系统，要 求光源进一步紧凑化，并能在更小的投影面积上，提供更亮的光束，这就需要短弧光源的电弧更短，亮度更高随之开发 出极间距离1～1.5mm的100～200W直流和交流UHP灯口径为Φ60，随光机透光、聚光效率的提高，200W UHP等理想的银幕光 通量达3000lm图3给出了UHP灯电弧亮度和250W DC金卤灯电弧亮度的对比从图3看出UHP灯电弧的亮度是DC金卤灯电弧亮度的3～4 倍，显然100～150W的UHP灯只要光学系统设计合理，银幕光通量就很容易达到1000lm以上图3上部的两图是极间距离1.3mm和1mm的100W UHP灯电弧亮度；下部为极间距离2.5mm的DC250W金卤灯的电弧亮度亮 度的测量单位为Mcd/m 超高压汞灯是利用超高压汞蒸气（1Mpa以上）放电获得可见光的光源汞蒸气放电在紫外到可见光范围内都有很强的 辐射。

汞放电的蒸汽压愈高，可见光部分愈丰富，电弧的亮度愈高图4给出了不同汞蒸气压下的放电光谱能量分布 从图4看出，随汞蒸汽压强增加，汞放电的光谱中缺少的红光增加较多当压强超 过10MPa（约100个大气压）时，595nm以上的红光已占有一定比例；当压强超过15MPa 时，红光在可见光谱中的比列已接近金卤灯经液晶片的调制及光学系统的设计，可 以达到合格的彩色还原效果超高压汞灯有长弧和短弧两种结构，长弧灯称为毛细管汞灯，灯壳用内径1.8～ 2mm的壁厚石英管制成，该等工作气压5～20MPa，已用于彩色现实器件的荧光屏制版和 其他照相制版工艺原有的短弧超高压汞灯，极间距离0.2～8mm，功率50～4000W，主 要用于荧光显微镜、全息照相、集成电路光刻制版等这种灯管压较低，电流较大， 汞蒸汽压不够高，红光不够，不适用投影器适用于投影器的UHP灯，汞蒸汽压超过 15MPa，灯管压降60～80V对100～150W的灯，灯工作电流1.5～2.2A，按此电流设计 的电子开关电路的交流或支流供电电源体积较小，重量较轻实验证明，要达到上述 参数，灯内的汞放电等离子体的电位梯度应大于500V/cm，对应灯的极间距离应小于或 等于1.3mm。

UHP灯从图5看出灯腔体内要达到20MPa（200大气压）要求冷端的最低工作 温度不低于900℃，显然灯水平燃点，腔体的上部工作温度已大于1000℃，这样高的工 作温度已接近一般石英管的软化点，所以必须选用SiO2含量大于99.99%以上的高纯石 英管才能达到工艺要求在100～150W功率下，灯壳外径应小于或等于Φ11，内腔为Φ 5～6，壁厚应≥2.5mm，才能维持900℃以上的工作温度，承受内腔200个大气压力的水图1 多媒体液晶投影器的原理 示意图图2 LCD的小型化图3 超高压汞灯的工作原理文军维修文军维修56，壁厚应≥2.5mm，才能维持900℃以上的工作温度，承受内腔200个大气压力的水 蒸气，而不会在寿命期内爆炸从图6UHP灯的光谱能量分布可以看出，灯的色温为8000K，显色指数只有56，光色 偏兰兰、绿光和红光的比例偏高但通过兰、绿光的LCD片及滤光片的调节效应，损 失一部分绿光和兰光红光全部用上，可实现正常显现图像彩色还原所需的红、绿比 和红、兰比 图4 放电光谱能量分布图5 UHP灯泡的结构示意图图6 UHP灯的光谱分布及红、绿、兰三片LCD有效的光谱区域文军维修文军维修投影器用短弧超高压汞灯的原理（2）图7 复杂的化学平衡模型2 延长UHP灯寿命及降低启动电压的措施现在市场上的UHP灯，标称寿命均为2000小时， 少数品种比如飞利浦的100W交流UHP灯的标称寿命可 达4000小时。

作为前投式的投影器已达到和超过原 用的直流金卤灯和交流金卤灯的寿命指标由于UHP 灯光利用率高，光色的一致性和稳定性好，所以在 相同照度的条件下，灯的功率比金卤灯可小2/3以 上，现已成为前投式投影器的换代光源但用于大 屏幕背投式显示系统并进入家庭，UHP灯的寿命至少 应大于10000小时才能为用户接受今年9月中旬在 美国纽约第九届国际电光源研讨会上，飞利浦在会 上宣读的技术报告，称飞利浦公司研制的UHP灯寿命 已达到12000小时，并称最终寿命达到2000小时也是 可能的称LP130型（Palmtop） UHP灯系统的投影 器重量仅1.4Kg，体积仅2升，银幕光通量达 1100lm新的液晶电脑程控高容量大屏幕背投电视 商业价可低于2000美元UHP灯如何从2000小时寿命提高到12000小 时，飞利浦报告主要技术突破是依靠在灯腔体 内加入了复杂的化学循环模式，其循环模式列 于图7上从图7看出小小的灯壳内放电蒸发出 的钨分子通过氧和溴的化学反应最终使钨分子 又循环回到电极上，这就保证灯在工作期间灯 壳的内壁上没有钨沉积发黑而是透明的，光通 维持绿很好图8给出了飞利浦试验室100W UHP灯寿命实验的光通量维持率的曲线。

但是，由于灯腔内渗入溴、氧等复杂的混 合气体使灯的启动性能恶化，一般需20kV脉冲 高压才能可靠启动为此在灯上增加了在一端 旋两圈以上的触发天线（见第一章图5），可 使灯的出发高压由20kV降低至5kV，达到一般 金卤灯的触发性能要求图8 放电光谱能量分布文军维修文军维修投影器用短弧超高压汞灯的原理（3） 3 紧凑型聚光反光镜第一代投影器中，为使投到3″LCD面上的光均匀，要求投影灯的光斑是对角 线为80mm的矩形光斑才能在银幕上得到较均匀的图像因此抛物面的矩形聚光反 光镜的口径均大于φ120mm交流金卤灯灯壳外表面大多为全磨砂，来提高光斑 的均匀性，光的利用性不高第二代投影器的LCD对角线缩小为0.9～1.3″，要 求投影灯的光斑是对角线为25～35mm的矩形光斑因此抛物面矩形聚光反光镜的 口径可减少为φ100mm左右为提高光的利用率，多数第二代投影机采用了直流 金卤灯这类投影机的银幕光通量一般比第一代高一倍以上，达1000lm左右，体 积较小、重量减轻随LCD的减小，比如0.5″ LCD，只需要投影灯的光斑呈对角 线15mm的矩形，反光镜口径可进一步缩小现在常用UHP灯口径为φ84、φ64及 φ54三种。

由于UHP灯极间距离减少到1.3～1已接近呈真实的点光源（见第一章 图3），光斑的亮度很高，抛物面反光镜的聚光光束效率高，功率下降，投影机 的体积减少，重量减轻 UHP灯本身的光效约60～65lm/W,比短弧金卤灯还低10%左右UHP灯的辐射能量中约有34%的能量是红外线，6%能量是紫 外线，其余为可见光红外线是热能，若通过反光镜聚焦到光机系统的聚光镜和分光镜上，由于光束温度过高会使聚光镜 的分光镜爆裂紫外线也对光学系统有害因此反光镜面上应镀反射可见光、投射红外线的冷反光膜UHP灯用反光镜的口 径小于90mm，反光镜本身的温升仍较高，底部局部温升区域高达300～400℃，所以只能镀耐高温的多层氧化物（比如： TiO2-SiO2膜系）介质膜，才能有很长的寿命图9列出了UHP灯配套的口径84mm，长宽比为70：65的耐高温冷反光镜的光谱 分布曲线从图9看出，该反光镜在420～720nm可见光范围内反射率大于95%，而750nm以上的红外线和400nm以下的紫外线的反射 率低于30%这种冷反光膜材料是耐高温氧化物（比如：TiO2-SiO2），因此能长期经受600℃以上的高温而不变质，反射率 不会降低。

这种氧化物膜的镀制工艺较麻烦，只能在真空中用大功率电子束轰击将镀膜材料加热至2000℃以上以分子形式 蒸发至耐高温硬质玻璃反光镜的反光面上每层厚度用光学一起精确控制正好达到1/4λ光学厚度，用5个波长控制，一共 需镀40余层镀膜过程，反光镜需行星式旋转，才能达到图9要求为了减少反光镜的装配体积，按矩形银幕和液晶片的形 状，将反光镜也设计成矩形长、宽比与银幕的长宽比接近反光镜的聚光面是一个反射近似平行光的抛物曲线少数单 片机的反光镜为椭圆曲线旋转面为了防止UHP灯因寿终时或以外因素爆炸炸坏投影器内的其他零件，在反光镜的口部加装了一片隔热、防爆玻璃该玻 璃片的厚度应大于2.5mm，并具有隔热、吸收紫外线的功能这支玻璃片使从反光镜内射出的光束温度进一步降低因此这 样的UHP灯系统也称冷光灯为减少玻璃两表面对可见光的各4-5%的反射率（这种反射率造成输出光损失10%），玻璃两面 需镀耐高温的透光膜，这层膜可使玻璃表面的反射率降至1%以下，也就是镀透光膜后的防爆玻璃片，对可见光的透过率大 于99%图9 光谱分布曲线文军维修文军维修投影器用短弧超高压汞灯的原理（4）4 紧凑型UHP灯系统UHP灯系统由一支交流或直流UHP灯泡，精确定焦粘接固定 在一支内镀耐高温膜的反光镜内，口部粘接一片防暴、隔热并 在两面镀有耐高温透光膜的玻璃板构成，其结构见图10 目前市场上的UHP灯主要参数列于表1和表2上。

交流UHP灯的交流电子点灯电源电流波形应如图11形状的方 波才能使灯有可靠的寿命表1 交流UHP灯主要尺寸和参数表2 直流UHP灯主要尺寸和参数5 结束语多媒体投影器朝小型化、轻便化的方向发展开发出的UHP灯系统可在不增加功率的条 件下使投影器输出到银幕上的光通量提高很多，这就是满足了投影器小型化、轻便化、银幕 更亮的效果近年来进一步改进了UHP灯的结构设计和工艺，使灯的寿命延长至10000小时以 上小型投影器技术用于大屏幕背投电视已成现实图11 特殊的灯电流与确保 稳定电弧附着的时间之间的 关系46×46mm图10 UHP灯系统结构示意图反光镜口径 （mm）功率（W） 交流灯电压 （V）灯电流 （V）寿命 （h）极间距离 (mm）备注46×46×54100701.54000-1000012001年投放市场 52×56×54100701.52000-40001抛物面及椭圆面65×70×83120801.520001.2抛物面150801.520001.2 180852.220001.3 200852.220001.5反光镜口径 （mm）功率（W） 交流灯电压 （V）灯电流 （V）寿命 （h）极间距离 (mm）备注45×45×60130602.120001.15抛物面F=5.565×70×84130602.120001.15抛物面F=6.8150702.120001.3 180702.520001.3 200752.720001.5 80×。