投影光源兼容性和驱动技术研讨[1]

　　一、引言

　　极距1mm左右，工作压力高于200atm的投影用短弧超高压汞灯为微显示投影设备提供了一个较为理想的光源系统解决方案，自上世纪八十年代中期由Philips公司首先开发成功以来，迅速成为MD投影仪和大屏幕液晶背投电视光学引擎的首选与标准配置，一直作为主流投影光源而被广泛应用。到目前为止，在商业化应用方面该灯仍占有95%以上的市场份额。

　　主流MD投影设备所应用的投影光源系统主要来自PHILIPS、OSRAM、USHIO等厂商，其产品各成体系，不仅品种和规格繁多，而且相互兼容性差。另一方面，由于投影机产品品牌和种类更为繁多，而且属于专业设备，使得作为耗材的投影灯在客户端存在原装灯供应不及时不充分、价格高以及人为改型串换造成的使用风险。这些因素又限制了MD投影产品和市场的发展。市场迫切需要一种能兼顾灯的技术性能和兼容各种驱动系统的替换灯来解决问题。

　　针对这种需求，江苏森莱浦光电有限公司研发成功了具有高度兼容性投影替换灯，获得了国内外业界一致认可。在此基础上，为了实现投影机光源系统的国产化，开发了与之配套的专用驱动器。目前cnlampTM光源系统已经成功用于国产投影机，并正在实施OEM配套计划。

　　二 、投影光源的基本技术特征和与兼容性相关的问题

　　1、 投影用短弧超高压汞灯电弧管(如图一)是通过超高管壁负荷(>10w/mm2)下的汞放电电弧绳化收缩，在极距1mm左右的空间形成高能量密度光辐射，其亮度可达109lx/mm2。这种具有高亮度点光源特性的电弧管正常工作状态下泡壳需要承受高于200atm压强和约1000℃高温，其电极放电尖端处于熔融状态。建立并维持这种极限的气体放电的稳定需要灯和驱动技术的协调。

　　投影用短弧超高压汞灯是在密封的石英玻璃电弧管内充入汞及卤素，在泡壳内同时设置两个电极尖相对的电极(见图一)。在两个电极接上启动高压电压时，两电极间产生高电位差的同时产生高热，将汞汽化成超高压汞蒸汽，超高压汞蒸汽在高电压位差作用下，受激发而产生放电，完成灯的启动并进入正常放电状态。但这种灯芯泡壳体积很小，自然电离获得初始电子的数量极其有限，故灯的击穿电压极高，需要达到约20KV才能完成电离击穿。飞利浦UHP灯芯采用UV泡和“天线”(启动线圈，见图二)结构，通过增加UV泡及启动线来降低启动电压。但这种结构的复杂性会增加生产工艺难度，而且效果有限，不能满足兼容灯要求。

　　2、 为进一步提高灯的兼容性，我们对各种主流投影灯及其驱动特性进行了深入研究，对影响投影灯启动性能和维持天线的各项因素进行分析与实验，提出了一种高兼容性投影光源的设计思路与方案。

　　2.1 投影仪用超高压汞灯工作于一种极限的工况下，电极放电电弧区温度达到约8000K，电极放电点的工作温度也达到了2700-3000K。所以首先从直接决定投影灯寿命的电极选材上进行研究。采用纯钨材料作为电极芯杆，采用钨合金作为丝圈。在短弧超高压汞灯放电时电极尖的温度在2700-3000K温度下，熔点最高的纯钨材料也有10-8—10-6(g.cm2/s)数量级的蒸发速率，如果采取其它材料，蒸发速率将更高，对电极的损耗将更大，同时与其它材料相比，纯钨材料的抗溅射性更高，能减少启动时辉光放电产生的冷溅射及工作状态下高能粒子的碰撞产生的热溅射对电极的损耗，提高电极的寿命。二是采用钍钨丝作为丝圈。原因之一是因为纯钨杆芯具有较高的逸出功(4.5eV)，会造启动电压过高，电路设计难度较大;原因之二是丝圈处较电极尖而言温度一般不超过2000K，所以对抗溅射性的要求会有所降低，钨合金虽较纯钨材料而言存在熔点较低，抗溅射性相对较差的特点，但相对于其它材料而言也属于可用的高熔点和高抗溅射性材料。最重要的是钨合金在逸出功、热导率、功耗、抗结晶和机械加工方面作为电极材料比纯钨具有更好的性能。在工作阶段，电极丝圈的最高温度低于2000K，对于大多数的钨合金而言并不会产生明显的热耗蚀，同时由于放电并不发生于丝圈之间，因此丝圈并不存在热溅射损耗。而由于钨合金高热导率(20℃，0.31cal / c . s .℃)的特点，丝圈温度上升快，使灯启动时电极预热时间缩短，同时钨合金材料的低逸出功特性使丝圈在电位差的作用下向芯杆馈送电子，弥补纯钨材料芯杆本身电子发射率不足，在芯杆放电尖端产生高密度热电子发射，并迅速形成电子雪崩，使辉光放电在较短时间内过渡到弧光放电。因此能有效提高灯的启动性能并减少电极冷溅射损耗。下表列出了一些合金金属的物理特性及逸出功数据：

　　2.2 投影仪用超高压汞灯的质量与寿命不止取决于电极的材料，不同材料、不同构型、不同加工工艺，都会影响到灯的启动特性与寿命。实践中我们发现灯启动瞬间的电极冷溅射与正常工作时的热溅射很难做到兼顾，但通过对电极构型进行合理设计，我们能实现用最低的电压来实现低电压启动;也能确保正常工作状态下的最低热溅射。一种优化的电极构型(见图三)，包括纯钨的杆芯3，缠绕在钨杆的端的钨丝内层1、钨丝内层为单向螺缠绕;缠绕在钨丝外内层外侧的钨丝外层2，钨丝外层的缠绕方向和钨丝内层相反，设置在钨杆上且和钨丝同一端的子弹型状的电极头。具有金相组织密实的子弹头形状的电极头和高比表面积的钨丝圈散热体，通过整体比例的匹配，恰当协调了短弧超高压汞灯的电极热负荷承载性和热迟滞问题的尖锐矛盾。在这种电极构型坯体制成后，可采用电火花或激光加工工艺进行电极头端部熔制成型，加工后的电极头具有形似“子弹头”的端部外形(见图四)，熔制后密实的纯钨金相结构和与端部紧密连接的丝圈，且丝圈的尾端圆整，无残留丝头。

　　2.3在投影仪用超高压汞灯中，卤钨循环是灯性能的基本保障。工作在极限状态下灯泡壁的清洁，电极形状和极间距的稳定要求卤钨循环具有较卤钨灯更高的效能。另一方面，极小的内腔容积，超高压高温下灯内高速紊流，特别是灯内组分的复杂性使得这个体系非常脆弱。图五是这个体系的化学模型，可见这是一个Br-O-W平衡体系，更高的反转温度和多元化是区别于现代卤钨灯中Br-W平衡体系的根本所在。

　　在实际应用中，循环剂和填充工艺是制灯关键技术之一，剂型和量的选择、控制需要与包括灯规格、材料和封装等诸多要素相协调。

　　2.4 短弧超高压投影汞灯的电极和管壁负荷在设计上基本达到HID的极限，这对于缩短启动时间，减轻电极溅射危害是有利的。但另一方面，由于循环剂的电负性和短极距下相对更高的电场强度，使得启动阶段电极溅射造成的危害实际上远大于其他HID灯，所以有必要尽可能提升灯的启动性能。实践中除了前述采用更低逸出功电极材料外和形制外，启动气体配置也至关重要。

　　需要指出的是，灯驱动器在灯启动控制阶段与灯的启动性能的配合非常重要，匹配不良的危害甚至大于灯本身启动性能不良的结果。这一点对于替换灯尤其重要，也是替换灯兼容性的关键所在。

　　3 通过对实验的分析，进行了各种数据优化及工艺上的改进，成功开发出高兼容性投影光源。通过对市场信息的广泛收集，验证了森莱浦光电有限公司研发的高兼容性投影光源在市场上具有最广泛的兼容性，基本能适应于市场上已知型号的投影灯的替换，并与各种不同型号的驱动器具有良好的适配性。通过实际的寿命实验，我们在替换灯市场森莱浦高兼容性投影光源的寿命达到并部分超过了国外同类产品。