投影机用短弧超高压汞灯的原理

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
　

图4 放电光谱能量分布
　　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Φ5～6，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