CH627301A5

CH627301A5 -

Info

Publication number: CH627301A5
Application number: CH784779A
Authority: CH
Inventors: Peter Walsh
Original assignee: Duro Test Corp
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1981-12-31
Also published as: SE7906932L; AU4285878A; CA1131688A; FR2412941A1; FR2412941B1; GB2036422B; JPS55500031A; AU526737B2; IT1106846B; GB2036422A; IT7852426A0; WO1979000424A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Glühlampe.

Aus den US-PS Nr. 3 188 513 und Nr. 4 017 758 sind mit Filtern versehene Glühlampen vorbekannt. Aus der US-PS Nr. 3 682 528 ist im weiteren ein Infrarot-Interferenzfilter bekannt.

Im weiteren ist bereits vorgeschlagen worden, transparente Wärmespiegel-Beschichtungen aus drei diskreten Filmen aus Titandioxid-Silber-Titandioxid (TiCWAg/TiCh) auf der Wand des Glaskolbens einer Glühlampe zu verwenden, um das von dem Glühfaden erzeugte sichtbare Licht durchzulassen und die von dem Faden erzeugte Infrarotenergie 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 TiOz/Ag/TiOï-Beschichtung, die bei einer solchen Glühlampe eingesetzt wird, hat mehrere neue Merkmale und Vorteile. Zunächst zeichnet sich Silber unter den üblichen Nichtal-kali-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 TÌO2, 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 585 nm für einen Wolframfaden mit einer Temperatur von 3000 °K) maximal wird. Diese Anforderung legt die optimale Dicke der Filme aus Silber und dem Isolator für jedes gegebene Isolatormaterial eindeutig fest.

Einer der Nachteile der Kombination Ti02/Ag/Ti02 liegt darin, dass das Reflexionsvermögen für die Energie im nahen Infrarotbereich nicht so hoch ist, wie es für bestimmte Anwendungen, beispielsweise bei einer Glühlampe, angestrebt wird, um optimale Ergebnisse zu erhalten. Darüber hinaus ist TÌO2 eine ziemlich hitzebeständige Substanz, so dass es sich bei der Filmherstellung nur sehr langsam zerstäuben lässt, wenn dieses Material durch Zerstäuben bzw. Bedampfen auf einem Substrat abgelagert werden soll (die Zerstäubungs- bzw. Spritz- bzw. Bedampfungs-Geschwindigkeit von TÌO2 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 ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

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Beschichtung zu schaffen, die Silber mit einem anderen, weniger hitzebeständigen Isolatormaterial verwendet und ein höheres IR-Reflexionsvermögen als die Beschichtung TiCh/Ag/TiCh 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.

Dies wird erfindungsgemäss erzielt durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1.

Die Erfindung schafft also eine Glühlampe, bei der ein nach dem Etalon-Prinzip aufgebauter, transparenter Wärmespiegel 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 Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Schnitt eine Seitenansicht eines transparenten Wärmespiegels, bei dem gemäss der vorliegenden Erfindung ein Etalon-Film verwendet wird,

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

Fig. 3 ein Diagramm des Verhaltens eines bevorzugten Eta-lon-Films bei verschiedenen Frequenzen, wie er bei einer elektrischen Lampe eingesetzt werden soll, wobei die Empfindlichkeitskurve des Auges und die abgestrahlte Lichtenergie eines typischen Glühfadens als Funktion der Wellenlänge 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 eine Detailansicht eines Bereiches des Lampenkolbens und der Beschichtung, bei dem eine zusätzliche Beschichtung als weiterer Schutz verwendet wird.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Substrates, beispielsweise aus Kalk-Glas 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 und das Zerstäuben genannt werden. Die drei filmförmigen Schichten werden nach einer bevorzugten Ausführungsform getrennt hergestellt. D. h. es sollte dafür gesorgt werden, dass es keine wechselseitige Diffusion zwischen diesen Materialschichten gibt. Die Filmschichten wirken jedoch zusammen, um die gewünschte Durchlässigkeits- 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 enthält Bestandteile sowohl im sichtbaren Bereich des Spektrums als auch im Infrarotbereich des Spektrums. 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 5 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 io 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 15 Durchlassband bei der längsten Wellenlänge auf, das als drittes Band von links 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 20 Lichtes durchzulassen und die IR-Energie 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. 25 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 Über-30 gang vom transparenten Bereich zum reflektierenden Bereich 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 35 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 4o erfordert einen dünnen Metallfilm, während für eine starke Reflexion im IR-Bereich ein dicker Metallfilm benötigt wird. Darüber hinaus bedingt die Lage der Dürchlässigkeits-Spitze im Bereich des sichtbaren Lichtes und ein rascher Anstieg der Reflexion bei der Annäherung an den IR-Bereich, dass der di-45 elektrische 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 so Erfindung verwendet wird, die herkömmliche Viertelwellen-Theorie nicht verwendet werden kann. Die herkömmliche Vier-telwellen-Theorie berücksichtigt von einem metallischen Film hervorgerufene Phasenänderungen als solche Phasenänderungen, die auf eine sehr dicke Schicht zurückzuführen sind. Bei-55 spielsweise wird die Phasenänderung bei der Reflexion an einer Metallschicht des Etalon-Elementes bei der herkömmlichen Viertelwellen-Theorie als —180° angenommen. Bei dünnen Metallfilmen, wie sie für die vorliegende Erfindung verwendet werden, weichen jedoch die Phasenänderungen bei der Refle-60 xion und Transmission vollständig von der herkömmlichen Viertelwellen-Technik ab, so dass Entwicklungen nach dieser Technik zusammengesetzte Filter ergeben, die den Filtern nach der vorliegenden Erfindung weit unterlegen sind. Der rasche Anstieg des Reflexionsvermögens für Strahlung im IR-65 Bereich, wie ihn die hier verwendeten Filter zeigen, kann mit der herkömmlichen Viertelwellen-Theorie nicht vorhergesagt werden. Darüber hinaus benötigt die herkömmliche Viertelwellentheorie eine Dicke der dielektrischen Schicht, die bei der

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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 5 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 mm im Bereich der gelben Farbe dar. Die Kurve 32 zeigt die von einer Glühlampe mit einem Wolframfaden abgestrahlte Lichtenergie. Wenn der Wolframfaden auf io 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 ein idealisierte Durchlässig- 15 keitsband-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 20 nm, reflektieren. Eine solche Kurve, wie sie bei 50 dargestellt ist, mit einer vertikalen Grenzlinie Iässt 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 25 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 b> die Wellenlänge dar, bei der die maximal mögliche Energie durchgelassen wird, 30 während die beiden Punkte, die auf jeder Seite der Kurve mit Xo,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 Erfin- 35 dung, 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, Kalk-Glas oder aus einem anderen, geeigneten, hitzebeständigen Material. An dem 40 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 dem Grundteil 42 einem Faden 46, der an elektrischen leitenden Drähten 47, 48 angebracht ist, elektrischen Strom zuzuführen. Die Drähte 45 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. 50

Beim Anlegen eines Stroms an den Faden 46 beginnt er zu glühen und erzeugt Strahlungsenergie sowohl im Bereich 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 2300 °K bis ungefähr 55 3300 °K. Wenn die Temperatur des Fadens abnimmt, verringert sich das Maximum Xo der Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes (die Strahlung verschiebt sich zum roten Licht hin); wenn die Betriebstemperatur des Fadens zunimmt, erhöht sich das Maximum des abgestrahlten Lichtes (die Strahlung verschiebt 60 sich zu grünem 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 65 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 Xo der maximalen Lichtabstrahlung (sichtbare Abstrah-lung 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 590 nm bei einem Temperaturbereich von ungefähr 3300 °K bis herab zu 2300 °K. 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 der maximale Betrag der von dem Faden 46 erzeugten IR-Energie, die auf die innere Wand des Kolbens fällt, zu dem Faden zurückreflektiert wird. Ein Weg, dies zu erreichen, liegt in der Auswahl einer geeigneten Beziehung für Form und Auslegung des Fadens und des Kolbens. Diese Beziehungen werden im Detail in der US-Patentanmeldung, Serial Nr. 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, Hochfrequenz-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 der dielektrischen Schicht 12 kann es sich um irgendein geeignetes, dielektrisches Material handeln, das mit Silber verträglich ist. Bevorzugte Dielektrika sind Silberchlorid (AgCl) und Magnesiumfluorid (MgFî). 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) bezeichnet, um es von dem I-S-I-System vomTiOî/Ag/TiCh-Typ zu unterscheiden.

Die Dicke der dielektrischen Schicht 12 wird so ausgewählt, dass der Phasenwinkel, der sich durch das zweimalige Durchlaufen der dielektrischen Schicht 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 Xo des sichtbaren Lichtes vorgesehen, wobei der Gesamtphasenwinkel 5 auf Null eingestellt wird. Die Wellenlänge Xo wird im allgemeinen als Spitze der Lichtab-

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Strahlung des Fadens ausgewählt. Beispielsweise hat ein Faden, I = Dicke der dielektrischen Schicht der bei einer Temperatur von ungefähr 3000 °K betrieben wird, T| = Brechungsindex der dielektrischen Schicht bei der Wel-eine Spitze bei ungefähr 585 nm. Hierbei gelten : lenlänge X

Qij = Reflektivitäts-Phasenänderungen von der dielektri-

1) 8 = Qi2,Glas + Qi2, Luft + 2Q 5 sehen Schicht i, j Film 12 entweder zu dem Metallfilm 11 auf der Glasseite oder zu dem Metallfilm 13 auf der Luftseite.

2) n = 1 r|2 k

K^— Diese Grösse wird aus der folgenden Gleichung bestimmt:

Di2

- [2n* . (K + -=— ) cosha. . sinha. • ]

3) tanQ^ j = i fi JQ i2

[(Hi2 ~ Hi2) cosha^j -(K2-ni2nj2) sinh2ai#j]

K2

Dabei bedeuten: Als zweites wird die Wellenlänge, bei der die Transmission i = 12, j = Glas oder Luft bzw. Durchlässigkeit auf die Hälfte ihres Spitzenwertes fällt, zu

Nj = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 12, 20 0,5 (siehe Fig. 3) ausgewählt, indem

NDj = Dielektrizitätskonstante von Glas oder Luft,

K = imaginärer Teil des komplexen Brechungsindex von . 5 . _

Silber. Der Realteil wird zu Null angenommen. 5) Sl ■ . = 1

4) Q..= Iii K2 71 25 (1-RM>2 2

U j gesetzt wird.

lij = Dicke des Silberfilms zwischen dem Dielektrikum 12 und ™mmen' ^ Rm " R'2' G'aS " Luft

Glas oder Luit.

, , niij 2 2

Cm-Ilj) cosh2 ajLj + CK+-J-Ì) Sinh

CÌ -i 2 2 H • Ti • » 2 . ,2

' x'3 (rii+rii) cosh aLi + (K- '1 ']) smh c^j

J K

Die Grösse a0,5 wird zusammen mit den Werten ay und den Indizes T|j, T|j und K berechnet, wie es oben erwähnt wurde, 40 jedoch bei der Wellenlänge ^5. Bei diesem X0,5 handelt es sich um den höheren Wert, da die Wirkung der Etalon-Beschich-tung in dem Wellenlängen-Bereich vom sichtaren Licht zum IR-Bereich von besonderem Interesse ist. Bei einer Glühlampe nach der vorliegenden Erfindung, die bei der letzten Etalon- 45 Spitze betrieben wird, wird Xq$ 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 Transmissionsbandes 50 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 35 des Etalon-Films, nämlich die Dicken der beiden Silberfilme und die Dicke der dielektrischen Schicht, wenn die Werte für die Parameter t] und K als Funktion der Wellenlänge bekannt sind. Dieses Verfahren kann für jedes geeignete Metall, Metalllegierungen oder Kombinationen von Metallegierungen einge- 60 setzt werden.

Das Reflexionsvermögen im 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 Infrarot- 65 bereiches nimmt die Phasendifferenz in der dielektrischen Schicht 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 Gesamtphasen-winkel 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 Rm/(1 + Rm)2 führen. Dieses Gesamtreflexionsvermögen ist für Rm > 0,5 sehr nahe bei 1, wobei RM das IR-Reflexionsvermögen für einen Silberfilm ist. Damit kann also eine bestimmte Silber-Dielektrikum-Silber-Kombination so ausgelegt werden, dass sich ein hohes IR-Reflexionsvermögen, beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1 Mikron, ergibt. Wenn die Wellenlänge weiter zunimmt, erhöht sich das Reflexionsvermögen gleich-mässig zu 1 hin.

Filme vieler herkömmlicher Dielektrika erzeugen ein höheres IR-Reflexionsvermögen in der S-I-S-Beschichtung als TÌO2 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 Brechnungsindizes 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 dielektrischen Films möglich ist. Zusätzlich zu der Freiheit bei der Auswahl eines Dielektrikums 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 Kombination ergibt, da die I-S-I-Kombination keine Freiheit bei der Auswahl der Vorschrift (2) bietet.

Die folgende Tabelle I vergleicht berechnete Werte für die Durchlässigkeit und die Reflexion von zwei S-I-S-Beschichtun-

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gen mit einer TiCh/Ag/TiCh-Beschichtung, wobei alle Beschich-tungen für einen Sollwert von 100% der Durchlässigkeit für das sichtbare Licht bei 600 nm 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-Beschichtun-gen können dickere oder dünnere Silberfilme verwendet werden. Bei der TiCh/Ag/TiCh-Beschichtung lässt sich die Silberdicke nicht leicht einstellen.

Tabelle I

Beispiel: TiCh/Ag/TiCh Beispiel: Ag/MgF2/Ag

325 A -240 À - 325 Â 120 Â - 1770 Â - 120 A

so ausgelegt, dass die Durchlässigkeit für sichtbares Licht bei 600 nm 100% ist.

IR-Reflexionsvermögen

System

600 nm

1100 nm

1700 nm

IShTiCh/Ag/TiCh

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 SUberfilm im Bereich von ungefähr 105 Â bis ungefähr 135 Â liegen, während die Dicke des Magnesiumfluorid-Films im Bereich von 1605 Â bis ungefähr 1935 Â liegt.

Andere, zur Verfügung stehende Dielektrika, die in Verbindung mit Silber eingesetzt werden können, sind Aluminiumoxid, Titandioxid und Chromoxid. Eine typische Beschichtung aus Ag/TiC>2/Ag würde zwei Silberfilme aufweisen, die jeweils im Bereich von ungefähr 105 Ä bis ungefähr 135 À liegen; der ^ dielektrische Film aus TÌO2 liegt im Bereich von ungefähr 600 A bis ungefähr 830 À, wobei e|ne bevorzugte Beschichtung Silberfilme von ungefähr 120 Â 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 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.

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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1) 4 = Qi-2 ( GLas + 01!^ LUFT + 2Q .

2) - Q = -Imî

À

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3) tanQ. . = 1 2ni 'H + k 1 COEhai H s^nh°H ] )

~~Ë (ri.2 - 11.2 cosha.. (K2-n . 2ri. 2) sinhia. .,

J- ì * 3 J

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I. . K2TT 4) a. . = il

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(n.+n.)2 cosh2 a.. + (K—2 sinh2a. .

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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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 eine gekrümmte Fläche aufweist, welche Energie zurück zum Glühfaden reflektiert, und durch eine auf einem beträchtlichen Teil des gekrümmten Flächenbereichs 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 75% der Energie im Infrarotbereich bei über 1,0 Mikron zurück zum Glühfaden reflektiert, um dessen Betriebstemperatur 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, Magne-siumfluorid, Aluminiumoxid, Titandioxid und Magnesiumoxid umfassenden Gruppe gewählt ist.
5. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Etalonbeschichtung so beschaffen ist, dass das letzte Durchlassband verwendet wird und dass das Maximum des Durchlassbands so gewählt ist, dass es bei einer Wellenlänge liegt, welche im wesentlichen der Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit des Auges entspricht.
6. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühfaden für einen Temperaturbereich von 2300 °K bis 3000 °K genügend ist.
7. Glühlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge, bei welcher der Durchlässigkeitswert im wesentlichen die Hälfte der Spitzendurchlässigkeit des letzten Durchlassbandes der Interferenzbe'schichtung beträgt, im Übergangsbereich zwischen dem Bereich des sichtbaren Lichts und dem Infrarotbereich liegt.
8. Glühlampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Halbwertspunkts 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 105 Angström bis 135 Angström haben und dass die Magnesium-fluoridschicht eine Dicke im Bereich von 1605 Angström bis 1935 Angström hat.
11. Glühlampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Spitzendurchlässigkeit der Beschich-tung bei ca. 585 nm liegt und dass die Dicken der Silberschichten jeweils ca. 120 Angström und die Dicke der dielektrischen Schicht ca. 1770 Angström betragen.
12. Glühlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Metallschichten Silber enthalten, wobei jede Schicht eine Dicke im Bereich von 105 Â bis 135 Ä aufweist und dielektrisches Material von der Gruppe ausgewählt wird, welche Silberchlorid, Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid, Titandioxid und Magnesiumoxid umfasst.
13. Glühlampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschichten jeweils aus Silber und die Schicht dielektrischen Materials aus Silberchlorid besteht.
14. Glühlampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschichten aus Silber sind und jeweils eine Dicke im Bereich von 105 Angström bis 135 Angström haben und dass die Schicht dielektrischen Materials aus Titandioxid ist und eine Dicke im Bereich von 600 Angström bis 830 Angström hat.
15. Glühlampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Spitzen-Durchlässigkeit der Beschichtung bei ungefähr 585 nm liegt, und dass die Dicke der Silberschichten (11,13) ungefähr 120 A und die Dicke des dielektrischen Films ungefähr 120À betragen.
16. Glühlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Bereich der Beschichtung (11,12,13) nur aus den drei Schichten (11,12,13) besteht.