NIR-Glühlampe

Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Glühlampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Derartige Glühlampen finden, beispielsweise im Bereich der Fahrzeugtechnik als NIR (nahinfrarot)-Lichtquelle von aktiven Nachtsichtgeräten Verwendung.

Bei derartigen, beispielsweise an Fahrzeugen angeordneten Nachtsichtgeräten sendet ein an der Fahrzeugfront angebrachter NIR-Scheinwerfer nahinfrarote Strahlung aus, die von Gegenständen auf der Fahrbahn oder am Fahrbahnrand reflektiert und durch eine mit CCD- oder CMOS-Sensoren bestückte digitale Kamera erfasst wird. Das von der Kamera empfangene Bild wird auf einem Flachbildschirm im Fahrzeuginneren dargestellt oder mittels eines Head-up Displays im Sichtfeld des Fahrers gegen die Windschutzscheibe projiziert. Durch den Einsatz von aktiven Nachtsichtgeräten werden für den Fahrzeuglenker Objekte sichtbar, bevor sie mit herkömmlichen Autoscheinwerfern erkennbar sind. Damit der NIR-Scheinwerfer vom Gegenverkehr nicht mit Heck- oder Bremsleuchten verwechselt wird, ist es er- forderlich, alles Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich durch ein optisches Filtersystem komplett zu unterdrücken. Der übergangsbereich vom unterdrückten sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS-Bereich) zum bildwirksamen NIR- Wellenlängenbereich muss dabei durch eine steile Filterkante sehr schmal sein. Aufgrund der steilen Filterkante wird einerseits verhindert, dass der übergangsbereich im VIS-Wellenlängenbereich liegt und ungewünschtes rotes Restlicht abgestrahlt wird und andererseits verhindert, dass der übergangsbereich zu weit in den NIR-Bereich verläuft und die Strahlungsintensität in diesem Bereich abnimmt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 23 936 Al ist eine Glühlampe zur Erzeugung von Licht im sichtbaren roten Farbspektrum bekannt, deren Lampen- gefäß eine hitzebeständige oxidische Interferenzfilterbeschichtung bestehend aus fünf

Schichtstapeln aufweist. Der erste Schichtstapel des Interferenzfilters bildet eine Ab-

sorptionsschicht mit zwei integrierten dünnen Absorberschichten zur Absorption von ungewünschten blauen und violetten Lichtspektren aus. Die in den nachfolgenden vier Schichtstapeln aufgebrachte Interferenzbeschichtung besteht aus optisch niedrigbrechenden und optisch hochbrechenden Schichten und dient zur weiteren Unterdrü- ckung von Licht aus dem violetten und blauen Spektralbereich und zur Einstellung der Filterkante des Interferenzfilters im sichtbaren roten Spektralbereich. Derartige Glühlampen erzeugen aufgrund ihrer steilen Filterkante bei einer Wellenlänge von ca. 590 nm sichtbares- rotes Licht. Um die Filterkante in den NIR-- Wellenlängenbereich zu verschieben, müssen für das Interferenzfilter dickere Schich- ten verwendet werden, die allerdings eine Durchlässigkeit im kurzwelligen VIS- Bereich bewirken und dadurch für NIR-Anwendungen ungewünschtes Restlicht abgestrahlt wird.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühlampe zu schaffen, die gegenüber herkömmlichen Lösungen eine verbesserte Unterdrückung von sichtbarem Licht bei gleichzeitig maximaler Durchlässigkeit im NIR-WeI lenlängenbereich ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen An- Sprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Glühlampe zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung in einem nahinfraroten Wellenlängenbereich (NIR-Wellenlängenbereich) hat ein lichtdurchlässiges Lampengefäß, das ein Leuchtmittel umgibt und ein auf dem Lampengefäß angeordnetes Interferenzfilter, das mehrere Schichtstapel mit einer Vielzahl optisch niedrigbrechender und optisch hochbrechender Schichten aufweist.

Ein erster Schichtstapel des Interferenzfilters ist als Absorptionsfilter zur Absorption von ungewünschten Lichtspektren mit zumindest zwei Absorptionsschichten und einer, zwischen den Absorptionsschichten angeordneten, optisch niedrigbrechenden Zwischenschicht ausgebildet. Erfindungsgemäß hat das Absorptionsfilter eine gerin- ge Transmission für Licht in einem im Wesentlichen roten Spektralbereich, wobei das Interferenzfilter aufgrund der weiteren Schichtstapel eine Filterkante im NIR- Wellenlängenbereich besitzt. Aufgrund der geringen Transmission des Absorptionsfilters im roten Spektralbereich werden gegenüber dem Stand der Technik weniger Schichtstapel benötigt, da die Schichtdicken der folgenden Schichtstapel auf eine

steile Filterkante und eine hohe Transmission für Licht aus dem NIR-Spektralbereich optimiert werden können. Dadurch wird elektromagnetische Strahlung im gewünschten NIR-Bereich abgestrahlt und die Abstrahlung von ungewünschtem roten Restlicht weitgehend verhindert.

Vorzugsweise sind die Schichtdicken der Absorptionsschichten und der optisch niedrigbrechenden Zwischenschicht derart ausgebildet, dass diese eine geringe Transmission für- Licht aus dem roten Spektralbereich und eine hohe Transmission - für elektromagnetische Strahlung aus dem NIR-Wellenlängenbereich aufweisen. Insbesondere weist das Absorptionsfilter in dem Wellenlängenbereich von 590 nm bis 700 nm eine Transmission von kleiner oder gleich 50% auf. Die Filterkante des erfindungsgemäßen Interferenzfilters ist aufgrund der obigen Erläuterungen vorzugsweise derart steil ausgebildet, dass der übergang der Transmission von 10% auf 80% in einem Wellenlängenbereich von kleiner oder gleich 50 nm erfolgt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die beiden Absorpti- onsschichten aus Eisenoxid Fe2ü3. Die Fe2θ3-Schichten besitzen bei ausreichend dicker Schichtstärke im violetten bis roten Spektralbereich metallische und im NIR- Wellenlängenbereich dielektrische Eigenschaften. Durch Anpassung und Optimierung der Schichtdicken der Fe2θ3-Schichten wird in Kombination mit der optisch niedrigbrechenden Zwischenschicht eine hohe Transmission im NIR- Wellenlängenbereich und eine hohe Absorption Für Licht im sichtbaren violetten bis roten Spektralbereich erreicht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Schichtdicke einer ersten, unmittelbar auf dem Lampengefäß angeordneten Absorptionsschicht, mit der

Schichtdicke einer zweiten, auf die optisch niedrigbrechende Zwischenschicht fol- gende Absorptionsschicht ein Schichtdickenverhältnis im Bereich von etwa 1 :3 bis

1 :9 auf.

Die erste Absorptionsschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 20 nm bis 40 nm und/oder die zweite Absorptionsschicht eine Schichtdicke im Bereich von etwa 180 nm bis 210 nm auf.

Das Interferenzfilter ist vorzugsweise derart optimiert, dass die Filterkante im

NIR-Wellenlängenbereich, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von etwa 760 nm bis 1000 nm, vorzugsweise im Bereich von 780 nm bis 790 nm liegt. Dadurch wird gewährleistet, dass die erfindungsgemäße Glühlampe ein Lichtspektrum

im NIR- Wellenlängenbereich emittiert und die Abstrahlung von ungewünschtem roten Restlicht verhindert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die optisch nied- rigbrechenden Schichten Siθ2-Schichten und die optisch hochbrechenden Schichten Nb2θ5-Schichten. Es können aber auch andere, in der Dünnschichttechnik üblichen Materialien verwendet werden, wie z.B. TiO ₂ , Ta ₂ O ₅ , ZrO ₂ , HfO ₂ , oder Metallnitride. -Die Interferenzfilterbeschichtung kann mittels aus dem allgemeinen-Stand der Tech- . nik bekannten Beschichtungsverfahren, beispielsweise durch einen Sputter- oder CVD-Prozess erfolgen

Die optisch niedrigbrechenden Schichten weisen im Wesentlichen eine Schichtdicke im Bereich von etwa 100 nm bis 130 nm und die optisch hochbrechenden Schichten im Wesentlichen eine Schichtdicke im Bereich von etwa 30 nm bis 80 nm auf und sind alternierend auf dem Lampengefäß angeordnet.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Intcrierenzfilter aus zumin- dest drei Schichtstapeln und/oder 36 Schichten auszubilden.

Der zweite Schichtstapel des Interferenzfilters wird vorzugsweise von einer optisch hochbrechenden Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 10 nm bis 20 nm begonnen und/oder der dritte Schichtstapel des Interferenzfilters von einer optisch hochbrechenden Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 25 nm bis 45 nm abge- schlössen.

Die erfindungsgemäße Glühlampe kommt vorzugsweise als Infrarotstrahler bei Nachtsichtgeräten, insbesondere in einem NIR-Fahrzeugscheinwerfer zum Einsatz. Sie kann aber auch als Infrarotstrahler für Heizzwecke verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht einer Glühlampe gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Figur 2 Transmissionskurven der drei Schichtstapel des Interferenzfilters. und des Interferenzfilters gemäß dem Stand der Technik

Figur 3 Transmissionskurve des erfindungsgemäßen Interferenzfilters

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Glühlampe 1 zur Erzeugung von Licht in einem NIR-

Wellenlängenbereich, die beispielsweise als Lichtquelle für ein aktives Nachtsichtge- rät in einem NIR-Fahrzeugscheinwerfer verwendet wird. Diese Glühlampe 1 besitzt einen als Quetschdichtung 2 ausgebildeten Lampensockel 4 und ein um eine Lam-

- penachse-- A- A -rotationssymmetrisches über einen -Pumpenstengel 6 abgedichtetes. -

Lampengefäß 8 aus Lampenglas 10, welches ein Leuchtmittel 12 umgibt. Bei dem

Leuchtmittel 12 handelt es sich um eine axial in dem Lampengefäß 8 ausgerichtete Glühwendel 16, deren Wendelabgänge 14 jeweils mit einer in der Quetschdichtung 2 des Lampengefäßes 8 eingebetteten Molybdänfolie 18, 20 verschweißt sind. Die Molybdänfolien 18, 20 sind jeweils mit einem aus der Quetschdichtung 2 herausragenden Stromzuführungsdraht 22, 24 verbunden. Die im Wesentlichen gesamte äußere Oberfläche 26 des Lampengefäßes 8 ist mit einem Interferenzfilter 28 beschichtet, das erfindungsgemäß für elektromagnetische Strahlung im NIR- Wellenlängenbereich eine hohe Transmission besitzt und für elektromagnetische Strahlung anderer Spektralbereiche nahezu undurchlässig ist.

Das Interferenzfilter 28 besteht gemäß Tabelle 1 aus insgesamt 36 Interferenz- und Absorptionsschichten, die im Gegensatz zum Stand der Technik, nicht in fünf sondern in drei Schichtstapeln 30, 32, 34 beginnend mit Schicht Nr. 1 auf der äußeren Oberfläche 26 des Lampengefäßes 8 angeordnet sind.

Der Schichtaufbau des Interferenzfilters 28 besteht aus optisch niedrigbrechenden und optisch hochbrechenden Schichten, die in Sputtertechnik alternierend auf das Lampengefäß 8 aufgebracht werden.

Der erste Schichtstapel 30 des Interferenzfilters 28 ist als Absorptionsfilter ausgebildet und unmittelbar auf dem Lampengefäß 8 aufgebracht. Der Absorptionsfilter besteht aus einer ersten Absorptionsschicht aus Fe2θ3 (Eisenoxid) mit einer physikalischen Schichtdicke von etwa 32 nm und einer zweiten Absorptionsschicht aus Fe2ü3 mit einer wesentlich größeren physikalischen Schichtdicke von etwa 194 nm sowie einer zwischen den beiden Absorptionsschichten angeordneten, optisch niedrigbrechenden Zwischenschicht aus Siθ2 (Siliziumdioxid) mit einer physikalischen Schichtdicke von ungefähr 55 nm. Die Schichtdicke der ersten Absorptionsschicht bildet mit der Schichtdtcke der zweiten Absorptionsschicht ein Schichtdi-

ckenverhältnis von etwa 1 :6 aus, d.h. die zweite Absorptionsschicht ist wesentlich dicker ausgebildet als die erste Absorptionsschicht. Aufgrund ihrer Schichtstärke von 194 nrn weist die zweite Fe2ü3 -Absorptionsschicht im violetten bis roten Spektralbereich metallische und im NIR- Wellenlängenbereich dielektrische Eigenschaften auf. In Kombination mit der optisch niedrigbrechenden Siθ2-Zwischenschicht wird dadurch eine hohe Transmission im NIR- Wellenlängenbereich und eine hohe Absorption für Licht im sichtbaren violetten bis roten Spektralbereich erreicht. Durch die erfiήdungsgemäß geringe Transmission des Absorptiόnsfllters im roten Spektral- ^" bereich, werden gegenüber dem Stand der Technik nur drei anstatt fünf Schichtstapel benötigt, da die Schichtdicken der auf den ersten Schichtstapel 30 folgenden Schichtstapel 32, 34 auf eine steile Filterkante und eine hohe Transmission für Licht aus dem NIR-Spektralbereich optimiert sind. Dadurch wird Licht im gewünschten NIR-Bereich abgestrahlt und die Abstrahlung von unerwünschtem roten Restlicht verhindert.

Der zweite Schichtstapel 32 wird von einer achtmal wiederholten Schichtenfolge gebildet, der aus optisch hochbrechenden Schichten aus Nb2ü5 (Niobiumpen- toxid) und optisch niedrigbrechenden Schichten aus SiCb besteht. Dieser zweite Schichtstapel 32 besitzt eine geringe Transmission für Licht aus dem violetten und blauen Spektralbereich und dient neben dem von dem ersten Schichtstapel 30 gebil- deten Absorptionsfilter zur weiteren Unterdrückung von grünen und gelben Lichtspektren.

Der dritte Schichtstapel 32 wird ebenfalls von einer achtmal wiederholten Schichtenfolge gebildet, der aus optisch hochbrechenden Schichten aus Nb2θ5 und optisch niedrigbrechenden Schichten aus SiC>2 esteht und dient neben der Unterdrü- ckung von roten Lichtspektren zur Einstellung der Filterkante des Interferenzfilters

28 im NIR- Wellenlängenbereich bei ungefähr 790 nm. Die Schichtdicken der Nb2ü5- und Siθ2-Schichten sind in diesem Stapel derart optimiert, dass das Interferenzfilter 28 bei einer Lichtwellenlänge von etwa 790 nm einen steilen übergang von dem sichtbaren Spektralbereich geringer Transmission zu dem NIR-Bereich hoher Transmission aufweist.

In Figur 2 ist das Transmissionsverhalten des ersten als Absorptionsfilter ausgebildeten Schichtstapels 30 durch eine Kurve 36, das Transmissionsverhalten des zweiten Schichtstapels 32 durch eine punktiert angedeutete Kurve 38 und das Transmissionsverhalten des dritten Schichtstapels 34 durch eine strichpunktiert angedeute-

te Kurve 40 dargestellt. Weiterhin ist das Transmissionsverhalten des ersten Schichtstapels nach dem Stand der Technik gemäß der DE 100 23 936 Al durch eine gestrichelte Kurve 42 angedeutet.

Gemäß der Kurve 36 ist das Absorptionsfilter des ersten Schichtstapels 30 der- art ausgebildet, dass der für NIR-Anwendungen ungewünschte kurzwellige violette bis rote Spektralbereich (ca. <720 nm) größtenteils absorbiert wird. d.h. die Trans- -missionsschwingungen der K-ur-ven-38-und 40 im Bereich von-ea. 400 -nm-bis 580-nm werden durch die Absorptionswirkung des ersten Schichtstapels 30 überlagert. Aufgrund der gegenüber der Kurve 42 gemäß dem Stand der Technik erfindungsgemäß verringerten Transmission des Absorptionsfilters im roten Spektralbereich, werden nachfolgend weniger Schichtstapel benötigt, da die Schichtdicken der folgenden Schichtstapel 32, 34 auf eine steile Filterkante und eine hohe Transmission für elektromagnetische Strahlung aus dem NIR-Spektralbereich (>780 nm) optimiert sind. Aus diesem Grund kann das Interferenzfilter 28 aus drei anstatt fünf Schichtstapeln bestehen. Die weitere Unterdrückung der Transmission im gelb-roten Spektralbereich und die Ausbildung einer steilen Filterkante des erfindungsgemäßen Interferenzfilters 28 im NIR- Wellenlängenbereich erfolgt durch den zweiten und dritten Schichtstapel 32, 34 des Interferenzfilters 28. Die Filterkante des Schichtstapels 34 bei der die Transmission gemäß der Kurve 40 fünfzig Prozent des einlallenden Lichtes beträgt, liegt gemäß Figur 2 bei ungefähr 790 nm. In Figur 3 ist die Transmissionskurve des erfindungsgemäßen, aus den drei Schichlstapeln 30, 32 und 34 bestehenden kompletten Interferenzfilters 28 dargestellt. Die Filierkante des kompletten Inlerferenzfilters 28 liegt zwischen 780 nm und 790 nm. Der übergang der Transmission von 10% auf 80% erfolgt bei dem Interferenzfilter 28 in einem schmalen Wellenlängenbereich von nur 37 nm. Dadurch wird elektromagnetische Strahlung im gewünschten NIR-

Bereich abgestrahlt und die Abstrahlung von ungewünschtem roten Restlicht verhindert. Die erfindungsgemäße Glühlampe 1 emittiert daher elektromagnetische Strahlung im NIR-Wellenlängenbereich und kann als Infrarotstrahler für aktive Nachtsichtgeräte in NIR-Fahrzeugscheinwerfem verwendet werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausfüh- rungsbeispiel, insbesondere können für die Interferenzschichten andere geeignete Materialien und Beschichtungsprozesse Verwendung finden. Je nach Beschichtungs- verfahren kann als optisch hochbrechendes Material alternativ z. B. auch Tiü2 (Titandioxid) eingesetzt werden. Die physikalischen Schichtdicken von TiCb werden

dann aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindexes um einen Faktor von ungefähr 0,9 angepasst.

Außerdem kann die Erfindung auch mit einer anderen Anzahl von optisch niedrigbrechenden und optisch hochbrechenden Schichten und Schichtstapeln ausgeführt werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben erläuterte Ausführungsbeispiel, insbesondere kann die Erfindung auf Glühlampen mit beliebiger Lampenge- fäßgeometrie angewendet werden. Neben der Anwendung als Strahlungsquelle für Nachtsichtgeräte kann die Erfindung auch für andere Anwendungen z.B. als IR- Heizstrahler ein ¹ gDe"-setzt werden.

Die näher erläuterte, bevorzugte Ausführung ist für minimales sichtbares Restlicht abgestimmt. Durch Modifikationen des Schichtdesigns kann der Restlichtwert, sowie dessen abgestrahlte Farbtemperatur in vielfältiger Weise und Variationen eingestellt werden.

Offenbart ist eine Glühlampe 1, insbesondere Halogenglühlampe zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung in einem nahinfraroten Wellenlängenbereich (NIR- Wellenlängenbereich) mit einem lichtdurchlässigen Lampengefäß 8, einem von dem Lampengefaß 8 umgebenen Leuchtmittel 12 und einem auf dem Lampengefäß 8 angeordneten Interferenzfilter 28, das mehrere Schichtstapel 30, 32. 34 mit einer Vielzahl optisch niedrigbrechender und optisch hochbrechender Schichten aufweist, wobei ein erster Schichtstapel 30 des Interferenzfilters 28 als Absorptionsfilter 30 zur Absorption von ungewünschten Lichtspektren mit zumindest zwei Absorptionsschichten und einer, zwischen den Absorptionsschichten angeordneten, optisch niedrigbrechenden Zwischenschicht ausgebildet ist. Erfindungsgemäß hat das Absorpti- onsfilter 30 eine geringe Transmission für Licht in einem im Wesentlichen roten Spektralbereich, wobei das Interferenzfilter 28 aufgrund der weiteren Schichtstapel 32, 34 eine Filterkante im NIR- Wellenlängenbereich besitzt.

Tabelle 1