Una fuente de luz que comprende una guía de ondas configurada para ser conectada a una fuente de energía y para recibir energía electromagnética;

y una ampolla acoplada a la guía de ondas y que contiene un relleno de gas que emite luz cuando recibe la energía electromagnética procedente de la guía de ondas, caracterizada porque:

(a) la guía de ondas (103) comprende un cuerpo (104) que está constituido esencialmente por un material dieléctrico que tiene una constante dieléctrica mayor que 2, una tangente del ángulo de pérdidas menor que 0,01, un umbral de descarga disruptiva de CC mayor que 200 kilovoltios/pulgada, siendo una pulgada 2,54 cm;

(b) el cuerpo de la guía de ondas (104) es de un tamaño y forma capaces de soportar al menos un modo resonante de energía de microondas que tiene al menos un máximo del campo eléctrico dentro del cuerpo de la guía de ondas (104) a al menos una frecuencia de funcionamiento comprendida entre 0,5 y 30 GHz;

(c) una cavidad (105) pende de un primer lado (103A) de la guía de ondas (103);

(d) la ampolla (107) está colocada en la cavidad (105) en una posición donde existe un máximo del campo eléctrico durante el funcionamiento, formando el relleno de gas (108) un plasma emisor de luz cuando recibe energía de microondas procedente del cuerpo de la guía de ondas resonante (104); y

(e) un alimentador de microondas (117) colocado dentro del cuerpo de la guía de ondas (104) está adaptado para recibir energía de microondas procedente de la fuente de energía (115) y está en estrecho contacto con el cuerpo de la guía de ondas (104)

Lámpara de plasma con guía de ondas dieléctrica.

Campo de la invención

Esta solicitud reivindica la prioridad respecto a la solicitud provisional de EE.UU. titulada "Plasma Lamp", que tiene el Nº de serie 60/222.028 y presentada el 31 de julio de 2000, y una solicitud de EE.UU. titulada "Plasma Lamp With Dielectric Waveguide", que tiene el Nº de serie 09/809.718 y presentada el 15 de marzo de 2001.

El campo de la presente invención se refiere a dispositivos y procedimientos para generar luz y, más particularmente, a lámparas de plasma sin electrodos.

Las lámparas de plasma sin electrodos proporcionan fuentes de luz blanca, brillante, puntual. Como no usan electrodos, las lámparas de plasma sin electrodos a menudo tienen vidas de servicio útiles más prolongadas que otras lámparas. Las lámparas de plasma sin electrodos de la técnica antecedente incluyen la solicitud de patente europea EP0035898 de Kodama y col., que describe una fuente de luz que incluye una guía de ondas configurada para ser conectada a una fuente de energía para recibir energía electromagnética; y una ampolla acoplada a la guía de ondas y que contiene un relleno de gas que emite luz cuando recibe energía procedente de la guía de ondas. Las patentes de EE.UU. N^os 4.954.755 de Lynch y col., 4.975.625 de Lynch y col., 4.978.891 de Ury y col., 5.021.704 de Walter y col., 5.448.135 de Simpson, 5.594.303 de Simpson, 5.841.242 de Simpson y col., 5.910.710 de Simpson, y 6.031.333 de Simpson desvelan lámparas de plasma que dirigen energía de microondas dentro de una cavidad de aire que encierra una ampolla que contiene una mezcla de sustancias que pueden encenderse, formar un plasma y emitir luz. La patente de EE.UU. Nº 6.617.806 B2 de Kirkpatrick y col. desvela lámparas de plasma que tienen una cavidad resonante metálica cilíndrica que contiene material dieléctrico sólido que permite una reducción del tamaño de la cavidad cuando soporta un modo resonante deseado.

Las lámparas de plasma descritas en estos antecedentes están pensadas para proporcionar fuentes de luz más brillantes con duración más prolongada y espectro más estable que las lámparas de electrodos. Sin embargo, para muchas aplicaciones, se desean fuentes de luz que sean más brillantes, más pequeñas, menos caras, más fiables, y que tengan vidas de servicio útiles prolongadas, pero hasta ahora no se ha podido disponer de tales fuentes de luz. Tales aplicaciones incluyen, por ejemplo, farolas y vehículos de respuesta de emergencia. Por lo tanto, existe una necesidad de una fuente de luz duradera, muy brillante, a bajo coste.

En la técnica antecedente, la cavidad rellena de aire de la lámpara de plasma sin electrodos está construida típicamente en parte por una malla metálica. Se usa malla metálica porque contiene la energía de microondas dentro de la cavidad mientras que al mismo tiempo permite que escape la máxima cantidad de luz visible. La energía de microondas es generada típicamente por un magnetrón o electrónica de estado sólido y es guiada dentro de la cavidad a través de una o más guías de ondas. Una vez en la cavidad rellena de aire, la energía de microondas de las frecuencias seleccionadas resuena, donde las frecuencias reales que resuenan dependen de la forma y el tamaño de la cavidad. Aunque existe tolerancia en las frecuencias que pueden usarse para alimentar las lámparas, en la práctica, las fuentes de alimentación están limitadas a frecuencias de microondas comprendidas entre 1 y 10 GHz.

Debido a la necesidad de establecer una condición de resonancia en la cavidad rellena de aire, generalmente la cavidad no puede ser menor que la mitad de la longitud de onda de la energía de microondas usada para alimentar la lámpara. La cavidad rellena de aire y, de ese modo, la propia lámpara de plasma, tiene un límite inferior en su tamaño. Sin embargo, para muchas aplicaciones, como para monitores de alta resolución, lámparas brillantes, y televisiones de proyección, estos tamaños siguen siendo prohibitivamente grandes. Por lo tanto, existe una necesidad de una lámpara de plasma que no esté restringida a los tamaños mínimos de cavidad ilustrados por la técnica anterior.

En la técnica antecedente, las ampollas están colocadas típicamente en un punto de la cavidad donde el campo eléctrico creado por la energía de microondas está en un máximo. La estructura de soporte para la ampolla es preferentemente de un tamaño y composición que no interfiere con las microondas resonantes, ya que cualquier interferencia con las microondas reduce la eficiencia de la lámpara. Las ampollas, por lo tanto, están hechas típicamente de cuarzo. Las ampollas de cuarzo, sin embargo, son propensas a fallo porque la temperatura del plasma puede ser de varios miles de grados centígrados, lo que puede llevar la temperatura de la pared de cuarzo a cerca de 1000ºC. Además, las ampollas de cuarzo son inestables en cuanto a estabilidad mecánica y propiedades ópticas y eléctricas durante periodos prolongados. Por lo tanto, existe una necesidad de una fuente de luz que supere los problemas descritos anteriormente, pero que también sea estable en sus características espectrales durante periodos prolongados.

En las lámparas de plasma de la técnica antecedente, la ampolla típicamente contiene un gas noble combinado con un emisor de luz, un segundo elemento o compuesto que comprende típicamente azufre, selenio, un compuesto que contiene azufre o selenio, o uno cualquiera de varios halogenuros metálicos. Exponer el contenido de la ampolla a energía de microondas de alta intensidad hace que el gas noble se convierta en plasma. Los electrones libres dentro del plasma excitan el emisor de luz dentro de la ampolla. Cuando el emisor de luz vuelve a un estado electrónico inferior, se emite radiación. El espectro de luz emitido depende de las características del emisor de luz que hay dentro de la ampolla. Típicamente, se escoge el emisor de luz que causa emisión de luz visible.

Las lámparas de plasma del tipo antes descrito frecuentemente requieren microondas de alta intensidad para encender inicialmente el gas noble en plasma. Sin embargo, más de la mitad de la energía usada para generar y mantener el plasma típicamente se pierde como calor, convirtiendo en un problema la disipación de calor. Pueden formarse puntos calientes sobre la ampolla que causan moteado sobre la ampolla y reducen así la eficiencia de la lámpara. Se han propuesto procedimientos para reducir los puntos calientes girando la lámpara para distribuir mejor el plasma dentro de la lámpara e inyectando corrientes de aire constantes en la lámpara. Sin embargo, estas soluciones añaden estructura a la lámpara, aumentando así su tamaño y coste. Por lo tanto, existe una necesidad de una lámpara de plasma que requiera menos energía para encender y mantener el plasma, e incluya una cantidad mínima de estructura adicional para disipación eficiente de calor.

Resumen de la invención

Esta invención proporciona en general, en un aspecto, dispositivos y procedimientos de producción de luz brillante espectralmente estable.

Esto se logra mediante una fuente de luz y mediante un procedimiento para producir luz que tienen las características de la reivindicación 1 y la reivindicación 32, respectivamente. En las reivindicaciones subordinadas se describen más realizaciones de la invención.

La guía de ondas acumula y contiene la energía electromagnética. La ampolla, que está acoplada a la guía de ondas, recibe energía electromagnética procedente de la guía de ondas. La energía electromagnética recibida enciende un relleno de gas que forma un plasma y emite luz, preferentemente en el intervalo espectral visible.

En una realización preferida, la ampolla está conformada para reflejar la luz hacia fuera a través de su ventana. La fuente de energía electromagnética es preferentemente una fuente de energía de microondas que está acoplada eficientemente a y preferentemente térmicamente aislada de la guía de ondas. Además, la superficie exterior de la guía de ondas, preferentemente con la excepción de la cavidad de la ampolla, está revestida con un material para contener la energía de microondas dentro de la guía de ondas. El dieléctrico que forma la guía de ondas tiene preferentemente una alta constante dieléctrica, una alta rigidez dieléctrica, y una baja tangente del ángulo de pérdidas. Esto permite elevadas densidades de potencia dentro de la guía de ondas. Preferentemente, está unido un disipador...

1. Una fuente de luz que comprende una guía de ondas configurada para ser conectada a una fuente de energía y para recibir energía electromagnética; y una ampolla acoplada a la guía de ondas y que contiene un relleno de gas que emite luz cuando recibe la energía electromagnética procedente de la guía de ondas, caracterizada porque:

(a) la guía de ondas (103) comprende un cuerpo (104) que está constituido esencialmente por un material dieléctrico que tiene una constante dieléctrica mayor que 2, una tangente del ángulo de pérdidas menor que 0,01, un umbral de descarga disruptiva de CC mayor que 200 kilovoltios/pulgada, siendo una pulgada 2,54 cm;

(b) el cuerpo de la guía de ondas (104) es de un tamaño y forma capaces de soportar al menos un modo resonante de energía de microondas que tiene al menos un máximo del campo eléctrico dentro del cuerpo de la guía de ondas (104) a al menos una frecuencia de funcionamiento comprendida entre 0,5 y 30 GHz;

(c) una cavidad (105) pende de un primer lado (103A) de la guía de ondas (103);

(d) la ampolla (107) está colocada en la cavidad (105) en una posición donde existe un máximo del campo eléctrico durante el funcionamiento, formando el relleno de gas (108) un plasma emisor de luz cuando recibe energía de microondas procedente del cuerpo de la guía de ondas resonante (104); y

(e) un alimentador de microondas (117) colocado dentro del cuerpo de la guía de ondas (104) está adaptado para recibir energía de microondas procedente de la fuente de energía (115) y está en estrecho contacto con el cuerpo de la guía de ondas (104).

2. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que el material dieléctrico del cual está constituido esencialmente dicho cuerpo de la guía de ondas (104) tiene:

(a) una resistencia al choque térmico cuantificada por una temperatura de fallo mayor que 200ºC;

(b) un coeficiente de dilatación térmica menor que 10^-5/ºC; y

(c) estabilidad estequiométrica a lo largo de un intervalo de temperatura de -80ºC a 1000ºC.

3. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que dicha ampolla (107) comprende una pared exterior (109) que tiene una superficie interior (110), y una ventana (111) cubre dicha cavidad (105).

4. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la ventana (111) es sustancialmente transparente a la luz emitida por el plasma.

5. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la ventana (111) comprende zafiro.

6. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que dicha guía de ondas (103) tiene un revestimiento exterior (119) de un material metálico.

7. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la superficie interior (110) de la pared exterior de la ampolla (109) es al menos parcialmente reflectante de la luz emitida por el plasma.

8. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la superficie interior (110) de la pared exterior de la ampolla (109) está contorneada para reflejar la luz hacia la ventana (111).

9. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la pared exterior de la ampolla (109) comprende un material dieléctrico.

10. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la pared exterior de la ampolla (109) aísla térmicamente la ampolla (107) del cuerpo de la guía de ondas (104).

11. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la pared exterior de la ampolla (109) y la ventana (111) tienen coeficientes de dilatación térmica aproximadamente iguales.

12. Una fuente de luz según la reivindicación 6, en la que una pluralidad de aletas disipadoras de calor (125) están unidas al lado de la guía de ondas (103A).

13. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que la forma de dicho cuerpo de la guía de ondas (104) es un prisma rectangular.

14. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que la forma del cuerpo de la guía de ondas (517, 527, 537) es un prisma cilíndrico.

15. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que la forma del cuerpo de la guía de ondas (104) es una esfera.

16. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que dicho alimentador de microondas (117) está en estrecho contacto con dicho cuerpo de la guía de ondas (104) por medio de un mecanismo de contacto positivo (121) que mantiene una presión constante por parte del alimentador de microondas (117) sobre el cuerpo de la guía de ondas (104).

17. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que dicha fuente de energía (1159 está térmicamente aislada de dicho cuerpo de la guía de ondas (104) y dicha ampolla (107).

18. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que dicho relleno de gas (108) comprende un gas noble y un halogenuro metálico.

19. Una fuente de luz según la reivindicación 1, que además comprende un espacio (116) entre dicha fuente de energía (115) y dicha guía de ondas (103) en el que está dispuesto un material térmicamente aislante.

20. Una fuente de luz según la reivindicación 19, en la que el espacio (116) está vaciado.

21. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que dicho cuerpo de la guía de ondas (104) resuena en un modo que tiene al menos un máximo del campo eléctrico, y dicho alimentador de microondas (117) y la ampolla (107) están colocados cada uno cercano a un máximo del campo eléctrico.

22. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en la que dicho cuerpo de la guía de ondas (104) resuena en un modo que tiene al menos dos máximos del campo eléctrico, y dicho alimentador de microondas (117) y la ampolla (107) están colocados cercanos a diferentes máximos del campo eléctrico.

23. Una fuente de luz según la reivindicación 1, que además comprende un alimentador de microondas colocado dentro y en estrecho contacto con el cuerpo de la guía de ondas (437) y adaptado para recibir energía de microondas procedente de la fuente de energía (115), en la que el cuerpo de la guía de ondas (437) resuena en un modo que tiene al menos un máximo del campo eléctrico, y el alimentador de microondas (433) y una cavidad de ampolla (435) están colocados cada uno cercano a un máximo del campo eléctrico.

24. Una fuente de luz según la reivindicación 1, que además comprende la fuente de energía (115).

25. Una fuente de luz según la reivindicación 3, en la que la ventana (111) y la pared exterior de la ampolla (109) determinan una envoltura de ampolla (127) que contiene el relleno de gas (108), la pared exterior de la ampolla (109) está acoplada herméticamente con la ventana (111) y tiene un coeficiente de dilatación térmica aproximadamente igual al coeficiente de dilatación de la ventana (111), y la superficie interior (110) de la pared exterior de la ampolla (109) está contorneada para dirigir la luz emitida por el plasma hacia la ventana (111).

26. Una fuente de luz según la reivindicación 3, que además comprende un alimentador de microondas (434), en la que la ventana (111) y la pared exterior de la ampolla (109) determinan una cavidad de ampolla (435) que contiene el relleno de gas (108), la pared exterior de la ampolla (109) está acoplada herméticamente con la ventana (111) y tiene un coeficiente de dilatación térmica aproximadamente igual al coeficiente de dilatación de la ventana (111), y la superficie interior (110) de la pared exterior de la ampolla (109) está contorneada para dirigir la luz emitida por el plasma hacia la ventana (111).

27. Una fuente de luz según la reivindicación 26, en la que el cuerpo de la guía de ondas (437) resuena en un modo que tiene al menos tres máximos del campo eléctrico, y los alimentadores de microondas (433, 434) y la cavidad de ampolla (435) están colocados cada uno cercano a diferentes máximos del campo eléctrico.

28. Una fuente de luz según la reivindicación 1, que además comprende:

un alimentador de microondas (615) acoplado entre el cuerpo de la guía de ondas (611) y la fuente de energía (617); y

un medio de realimentación (612) acoplado entre el alimentador de microondas (615) y la fuente de energía (617).

29. Una fuente de luz según la reivindicación 28, en la que:

el alimentador de microondas (615) sondea el cuerpo de la guía de ondas (611) para muestrear instantáneamente la amplitud y la fase del campo eléctrico dentro de la misma, y proporciona dicha información de muestreo a la fuente de energía (617) a través del medio de realimentación (612), amplificando la fuente de energía (617) la energía resonante dentro del cuerpo de la guía de ondas (611) y ajustando dinámicamente la frecuencia de funcionamiento para mantener al menos un modo resonante en el cuerpo de la guía de ondas (611), haciendo funcionar así la fuente de luz en un modo de oscilador resonante dieléctrico; y

los alimentadores de microondas (613, 615) y la cavidad de ampolla (619) están colocados cada uno cercano a un máximo del campo eléctrico.

30. Una fuente de luz según la reivindicación 3, que comprende una cavidad de ampolla (445) y una cavidad de ampolla (446), conteniendo cada cavidad de ampolla (445, 446) el relleno de gas (108).

31. Una fuente de luz según la reivindicación 30, en la que el alimentador de microondas (443) y las cavidades de ampolla (445, 446) están colocados cada uno cercano a un máximo del campo eléctrico.

32. Un procedimiento para producir luz procedente de una fuente de luz que comprende una guía de ondas configurada para ser conectada a una fuente de energía y para recibir energía electromagnética, y una ampolla acoplada a la guía de ondas y que contiene un relleno de gas que emite luz cuando recibe la energía electromagnética procedente de la guía de ondas, caracterizado por las etapas de:

(a) acoplar energía de microondas procedente de la fuente de energía (115) dentro de la guía de ondas (103) que tiene un cuerpo (104) que está constituido esencialmente por un material dieléctrico que tiene una constante dieléctrica mayor que aproximadamente 2, una tangente del ángulo de pérdidas menor que 0,01, y un umbral de descarga disruptiva de CC mayor que 200 kilovoltios/pulgada, siendo 1 pulgada 2,54 cm, y que tiene un tamaño y forma capaces de soportar al menos un modo resonante de energía de microondas que tiene al menos un máximo del campo eléctrico dentro del cuerpo de la guía de ondas (104) a al menos una frecuencia de funcionamiento comprendida entre 0,5 y 30 GHz;

(b) dirigir la energía resonante dentro de una cavidad (105), que pende de un primer lado (103A) de la guía de ondas (103) y cubierta por una ventana (111), dentro de la cual está colocada, cercana a un máximo del campo eléctrico, la ampolla (107) que contiene el relleno de gas (108); y

(c) crear un plasma haciendo interactuar la energía resonante con el relleno de gas (108), causando así emisión de luz.

33. El procedimiento según la reivindicación 32, en el que el material dieléctrico del que está constituido esencialmente dicho cuerpo de la guía de ondas (104) tiene:

(a) una resistencia al choque térmico cuantificada por una temperatura de fallo mayor que 200ºC;

(b) un coeficiente de dilatación térmica menor que 10^-5/ºC; y

(c) estabilidad estequiométrica a lo largo de un intervalo de temperatura de -80ºC a 1000ºC.

34. El procedimiento según la reivindicación 32, que además comprende la etapa de dirigir la luz emitida a través de la ventana (111).

35. El procedimiento según la reivindicación 32, que además comprende la etapa de disipar el calor generado por el plasma a través del lado de la guía de ondas (103A).

36. El procedimiento según la reivindicación 32, que además comprende las etapas de:

(d) muestrear la amplitud y la fase del campo eléctrico de microondas dentro del cuerpo de la guía de ondas (104); y

(e) ajustar la frecuencia de funcionamiento de la fuente de energía (115) hasta que el campo eléctrico muestreado esté en un máximo.

37. Una fuente de luz según la reivindicación 1, caracterizada porque:

una ampolla (313) está dispuesta dentro de la cavidad de ampolla (315) en una guía de ondas (311);

un soporte de ampolla (319) está sellado a la guía de ondas (311) y se extiende sobre los bordes de la cavidad de ampolla (315), formando la guía de ondas (311), la ampolla (313) y el soporte de ampolla (319) los límites de una separación al vacío (317); y

la ampolla (313) está sostenida por y sellada herméticamente al soporte de ampolla (319).