色轮的制作方法

专利名称：色轮的制作方法
色轮
本发明涉及色轮和4OT色轮以便产生色彩顿序的(farbsequentiell)照明的投 影仪。本发明还涉及这种色轮的制造。
上述种类的色轮通常被使用在要求决衝顿序色彩变化的情况下。使用这种 构件的应用实例还有其他的图像发生器或显示装置。电视机的背投影系统或前 投影系统就是典型的应用。
为了产生决邀顿序的色彩变化，于是决速交替地把不同的滤色镜置入光路。 为了实现该目的，典型地将fOT—个片状元件，在其圆周上配置有圆周形安装 的滤色扇形件，从而形成一个圆环。
在该数学几何结构中， 一个圆弓可以被描述为借助于一个割线从一个圆面 上切下的一块面积。该圆弓是不包括圆心且位于该割线和由该割线所决定的圆
弓;nt间的一块面积。
而扇形件与本说明有关地用于描述一种几何形状，该几何形状在数学意义 上更可能被描述为一个圆环的区段，该圆环具有一个外圆弧、 一个内圆弧以及 两条径向的边。扇形件的内圆弧在本发明的意义上可以改变并因此显著地与原 本的圆环的内圆弧不同。甚至会出现内圆弧完全不是圆弧形盼膚况。
色环绕着中轴线旋转。通过色环的快^I旋转滤色扇形件周期性地iSA和离 开光路并形成快速的色彩变换。为了实现这样的旋转，色环被固定在一个电动 机上。于是色环和电动机构成了色轮。
如果要求成像體能够高质量地投影图片和电影，色彩变换就必须以很快 的顺序进行。这意味着滤色扇形件必须很快地运动通过光路，也就是圆环的快
速旋转是必须的。因此，由于存在M:重力加速度几百倍的加速度，会在色环
上并尤其在敏感的滤色镜上施加很大的力。对于非常好的图像投影质量，该加 皿甚至可以超过1000g。此外，构件的径向平衡必须非常好，以便获得较长的 工作寿命。另外在图像亮度方面对图像投影也提出了很高的要求，这只需通过 大功率的光源便可以实现。由于^f顿了强光源，色环会相应iM受高达10(TC的驗。另一方面，该产品必须经常承受低至零下2(TC甚至更低的温度。当产品在 销售之前被储存起来时就经常会是这种情况。此外，例如在投影仪和色轮被运 输到销售国的途中，它们必须承受低温。在这种情况下温度常常低至零下40°C 或者更低。
出于这种原因，用于固定滤色扇形件的力以及滤色镜稳定性必须满足非常 高的要求。
只有当可以以非制氐的成本但仍然很高的质量要求制造色轮时，它在所谓 的低价格区域内在显示应用上更广范围的使用才有可能。
在EP0 615 134A2中说明了应用在一个带有圆形安装的滤色扇形件的图像 投影仪中的一个色轮。在该构件中滤色扇形件安装在一个玻璃环上。这种光学 元件的一个缺点以该事实为基础，即当它进入光路时，光线必须以高强度3W 过具有粘合剂的区域。大多数的粘合齐杯能忍受这样的高强度。这种结构的另 一个缺点是玻璃环比较贵。此外，精确的径向平衡很难实现。玻璃环导致附加 的光损失，由此，构件的效率变得更低。
此外具有例如框架或扇形之间的辐条的固定元件的色轮结构是已知的。当 然这减小了色环的娜总值并同时限制了效率。在一种替换的安装形式中，辐 条或者辐状元件不伸入扇形应该置入光路的区域，由此不影响总邀寸量。当然 这样的辐条或辐状元件必须适应于滤色扇形件的数目和角度地安装到一个圆盘 形的支架上。但是扇形的数目和大小常常是根据客户要求而定的，逸就意歸， 这个圆盘形的支架必须适应于每种新的投影仪模型。因此一个从成本角度考虑 不利的设计变化是必需的。这也适用于具有滤色扇形件框架的要求。
在US 5， 868， 482中，平面的滤顿形件以这样的方式附着在一个圆盘形 的支架的圆周上，即滤色扇形件之间的环形透明的面积在旋转方向上不被不透 明的材料隔断。滤色扇形件通过表面连接在支架上朝向旋转轴方向的条状区域 里。表面的粘合只延伸于旋转中心方向上的一个狭长的环形区域上，由此在径 向上从旋转轴向外部空间看去，滤色扇形件表面的一大部分保持为透明的圆环 形的可用区域。此外开口的固定元件，例如滤色镜上的 L，可以完全省去。
低的运行3Iit处于4000转/分到<10000转/分范围内并且典型值为7200转 /分左右。高的运行速度在10000转/分到25000转/分范围内并且典型值为14400 转/分。用于将滤色扇形件粘合在支架上的粘合剂的选择取决于运行速度，需要特 别注意。
当速度较髙时，软的粘合齐赐于分层。压力测试显示，当在较低 鹏下模 拟配置时，硬的粘合剂会导致由玻璃破裂弓胞的脱落。假设之一把产生破裂归
因于扇形材料以及支架材料的热膨胀系数(CTE二热膨胀系数)的不同。
US 2004/0006495建议了一禾中带有一个外环的安装形式。如其中戶;fi兑明的那 样，滤色镜以一种环绕一个圆片的方式彼此固定。不幸的是，这意味着滤色扇 形件的内半径必须激盾圆片的外半径。此外，按照这个说明首先通过将滤色镜 固定到圆片上形成一个圆形色轮。第二步色轮被方爐至拼环的紧固槽中。因此 外环必须被制造得具有一定公差，这将形成该环与外棱之间的间隙。
在US 2004/0006495中没有提到材料和热膨胀系数。典型地，圆片与滤色 扇形件相比具有駄的热膨胀系数。因此构件在零下2(TC到10(rC之间的7賴卩 禾口/或加热很可能导致玻璃内部的微 。
当色轮高速旋转时，会有强离心力作用在扇形上。由于它们固定在圆片上， 该离心力作用为拉伸力。外环典型地由热膨胀系数比滤色扇形件材料高的材料 构成。典型的滤色扇形件是扇形玻璃且具有相同或较小热膨胀系数的环材料很 难找到。
但是当环材料的热膨胀系数比滤色扇形件的热膨胀系数大时，如US 2004/0006495中说明的那样，高温下的旋转将会导致环的膨胀大于滤feH形件 的膨胀。因此固定在滤色扇形件上的外环将额外拉长扇形并且滤色扇形件变得 更容易发生鹏。
另夕卜在US5， 868， 482的最后一段中提到，可以在外棱上安装一个保换环 作为附加保护元件。它没有详细说明应该给予环哪种保护。也没有详细说明外 环是否固定在滤色扇形件上并且如果是应该怎样固定。这在US5， 868， 482中 仅仅作为要求不太严格情况下的一种可能性被描述，其中滤色镜与支架和滤色 扇形件之间的弹性材料粘接。在这里扇形的支架是电动机轴。对于高要求的应 用，例如高鹏用的情况，读者更可能放弃这种解决方法。
因此基于典型的材料且要适合于高转速瞎况下的应用，对色轮有一个要求， 即能够忍受零下2(TC至撮低8CTC的^^范围并不受损害。
因lt体发明的任务在于，提供这样的一种色轮并公开其制造方法。按照本发明该任务可以以舰外环来改变已知解决方案的方法来解决。按 照本发明己知的色轮应该进行改动，从而旋转时作用在色轮上的伸展明显减小 并，转变为压縮。
这将通过为滤色扇形{顿供一个带有一个支架的色环来实现，色环的几何 结构是这样的，即它的俯视图与一个圆环面相配。当然这也适用于多个圆环的 情况。通过以最小面积满足此要求的圆环可以定义一个外半径和一个内半径。 按照本发明^^扇形件都应该在径向上伸入圆环的内圆，以便构成一个连续
面，并且在色环旋转时相应:tlWv光路并对于该光路是可透射的。
色环应该附加地包括一个轴用于环的旋转，其中轴具有一个可绕其旋转的
中轴线。轴应该这样安装在色环上，从而滤色扇形件在色环旋转时受到径向压
縮力或至少受到减小的离心力。
至少存在三种可能性来实Uth目的。
第一种可能性在于设置外环和滤色扇形件之间的接触，该接触的刚度明显 大于滤色扇形件和轴之间的接触。
Mil轴与扇形件之间的柔性接触可以实现，扇形件在旋转时被压入支架。 在这里需要说明的是，在这种情况下支架是一个外环而不是轴。
车f^高，作用在外环上的压力越大。M旋转扇形件当然会有压缩力作 用并且滤色扇形件的^^几乎是不可能的。
在本解决方案极端的实施形式中，滤色扇形件只固定在外环上且扇形件的 棱与该环紧密接触，而只是松动地特征之间装入轴。按照本发明的一个方面， 为了装配一个这样的色轮，色环这样被制造，即在轴安装到环上之前，将滤色 扇形件固定在外环上。
第二种可能性，即减小、消除滤色扇形件内的拉伸力或者将其转变为压縮 力，在于这样装配色轮，从而环不旋转时已有压縮力作用在滤色扇形件上。这 可以ffil例如这样的方式来实现，即外环的内直径在室温下比已安装在轴上的 扇形件的外直径小。然后外环且只有外环被加热至搞于色轮工作温度的一个温 度。现在外环由于其热膨胀可以安装到扇形件上了。冷却时外环有体积縮小的 ^^并因此会有压缩力作用在扇形件上。
由于通常外环在^jg降低时体积的縮小比滤色扇形件决，有利的是，尤其 是当 驢可以低于(TC达到零下2CrC、零下4(TC或者更低时，扇形件之间存在间距或者在低温时进行组装。
第三种可能性针对不同的外环材料及轴材料的使用，其中差别尤其表现在 热膨胀系数上。
例如可以使用不自作为外环材料，使用铝作为轴材料。所有零件都在室 温下组装成一轮环，例如使用可在室温下发生硬化的紫外硬化粘合剂，于是 构件的加热对工作温度产生以下影响，即钢环的膨胀比铝环小得多，从而滤色 扇形件被压缩。
附图展示如下


图1展示了通过按照本发明的一^fe轮的一个色环的横截面的等轴视图。
附加:tM用虚线展示了用于组装一个这样的色环的支架。
图2a展示了按照本发明的第二种实施形式的一*轮的一个色环的俯视图。
图2b展示了沿图2a中的A—A'线的一个横截面。
图2c展示了沿图2a中的B—B'线的一个横截面。
图3展示了按照图2a的实施形式的一个横截面的中心部分。
图4展示了按照本发明使用一个按照本发明的色轮的一个投影仪的简图。
现在借助于附图并基于不同的例子详细说明本发明。
首先给出一个如何制造按照本发明的色轮的例子。然后介绍按照本发明的 色轮的不同的实施形式。
典型地，色轮按照本发明的制造方法由预备好不同的零件开始。需要滤色 扇形件、 一个电动机、一W由和一个环形支架。
滤色扇形件的制造
滤色扇形件的基层可以是例如上色的或涂膜的玻璃片。滤色扇形件所需要 的几何结构可以通过截然不同的方法来获得，其中有切削、激光切割以及划痕 折断方法，但不仅仅是这几种方法。由这些方法所生产出的扇形件常常具有垂 直于平面扇形件的正面和反面的棱边。扇形件的外圆弧常常具有相同的曲率。 当然'内圆弧"是可变的，甚至可以根本不是圆弧形。"内圆弧"的几何结构可以与 用于色环旋转的轴相配合。滤色扇形件常常具有不同的由径向棱所决定的角度。
轴的制造
轴可以例如由金属成形或浇铸制成。轴具有一个与扇形件接触的区域和用于安装到电动机上的部分。
按照本发明的一种实施形式，该轴甚至可以是电动机轴的组成部分。 支架的制造
以下一直将支架称为外环，以对照于该事实，即该支架以上的实际几何结 构可以形成一个与一个圆环的俯视图明显不同的俯视图。
外环可以具有很多不同的横截面。其中有平滑剖面、L形剖面，带有或不 带平滑的同心辅助环或辅助扇形件。例如U形、不连续U形以及V形剖面也是 可行的。 ■
ite组成至少部分外环的材料比滤色扇形件的材料脆。金属是一种很好的
选择且在金属中铝尤其适合。当然外环也可以由塑料构成。
图i展示了一^hfe环i，它与一个没有画出的电动机一起组成了本发明的
第一实施形式。在第一实施形式中， 一个L形外环3用于厚0.7mm的滤色扇形 件。它是一个外径为60mm的铝环，在其最宽的位置径向宽1.5mm而轴向厚 2ram。
按照本发明，该金属环具有一个宽度为0.5mm的台阶5。这就形成了直径 为60mm、 58mm和57mm的L形剖面。直径为58mm的圆筒壳面形成了一个 第一粘合区9。台阶5的顶端环形面形成了一个第二粘合区11。可以在由第一 粘合区9和第二粘合区11形成的角的位置设置有一个凹槽13，粘合齐呵以填入 该凹槽。此外这还可以确保，扇形件能形状配合地安装到角中。另外可以避免 粘合剂被挤出。
按照本发明的第一种实施形式，以上所说明的色环将被如下制造
在外环的第一或第二粘合区或两个粘合区上涂上一层薄粘合齐U层，如情况 可能皿涂到凹槽13中。
ttil粘合剂不要涂在凹槽的整^:度上，以便Mil粘合剂将由于扇形件、 粘合齐诉妙卜环的热膨胀而形成的张紧应力减到最小。例如粘合剂可以以虚线甚 至个别点的形式涂敷。
在一种实施形式中，这样的个别点位于扇形件的外圆弧的端点上，两片相 邻的扇形件在该端点接触。在该区域内，为光学应用而计划的区域由于两扇形 件间的过渡而不连续。
另一方面人们猜测，玻璃破裂主要 过棱边的微,向玻璃内部的扩展发生的。
因此按照本发明的另一种实施形式粘合剂只涂在第二粘合面11而不涂在 第一粘合面。由此可以避免粘合齐赃、皿波动的情况下直接向扇形件的棱边施 加剪切应力。在这种情况下有利的是，与扇形件的外圆弧的端点相距合适的距 离涂上粘合剂，例如涂在中间。
外环将被放置到滤色扇形件15、 15'、 15"的支架17里。该支架具有一个通 过例如去除材料获得的凹处19。该凹，合于支承外环，并且在方JL^外环后一 个圆环形表面与第1占合区11高度相同。支架17的圆环形表面的内直径比待 安装的轴23的夕卜直径小。
滤色扇形件15、 15，、 15"被放置到支架的圆环形表面上并推向外环的第一 粘合区。ifc^形件与第一粘合区9之间基本上没有间隙。
扇形件可以相互紧密接触地安装。当然优选它们例如借助于间隔片相互隔 开安装。伏选在室温即2(TC下扇形件之间的间隙为0.01mm到0.3mm，理想的 间隔为0.05mm。
使用调整垫片，以便获得一致的间隙厚度21、 21'。该间隙可以避免，当色 轮被7转卩到零下2(TC甚至零下4(TC并由于轴的热膨胀系数较大而导致轴的收缩 比扇形件的收縮强烈时，扇形件M径向的棱相互施加压力。
为了完成色环的装配，在一M由23上涂上一层粘合层。该轴可以具有一个 用于吸附粘合剂的凹槽25 。该轴从下方插入支架并通过粘合齐U与扇形件15 、 15'、 15"中的至少一个连接。
对于,将粘合齐餘在轴15上哪个位置以使该轴与扇形件15、 15，、 15" 粘接的问题，可以同上面一样考虑与微 有关的想法。
出于这个原因， 不将固定安排在扇形件15、 15'、 15"的棱上，而是距 扇形件15、 15，、 15"的棱较远的底面上。
然后使轴保持位置不动，形成的环将通过紫夕卜辐射固定。也可以连同热密 封胶或其他密封胶一起{顿一^由23的支架。
这样形成的色环由支架支承并被放入加热箱中，以便使该构件在一个相应 于工作^^或者一个更高的温度下硬化。由此可以实现，当环在高温下不旋转 时扇形件中不存在拉伸应力。
由于滤色扇形件15、 15'、 15"与外环的第一粘合区9的无公差接触，滤色扇形件15、 15'、 15"的固定由于离心力自动达到所能具有的最大刚性。
这不适用于扇形件在轴23上的固定。由此可以确保，由于旋转径向压縮力 施加到所有扇形件上。
由于滤色扇形件之间具有间隙21、 2r可以实现，在低温或樹氐温时各滤色 扇形件之间不会相互施加剪切力。
可以安装一个盖状的平坦的同心环(没有画出)或一个或多个同心扇形环
27、 29附加于L形外环，以便附加i也将滤色扇形件固定在外环上。这样的一个 环或这样的扇形环又可以与滤色扇形件粘接。
但是一个扇形环27也可以借助于一个卡锁机构与外环3连接。当如图1 中展示的那样，当壳面7比滤色扇形件15、 15'、 15"的厚度纖高一点并突出 滤色扇形件时，使用该方法是非常可能的。此外可以在外环上设置一个凸缘31 且扇形环27这样形成，即它紧靠外环并咬入由凸缘31形成的棱。
为了使色轮的工作噪声保持最小，tti^不只4OT—个扇形环27，而是一个 完整的卡锁环。
借助于己说明的卡锁机构可以完全不使用粘合剂地实现扇形件在外环上的 固定。为此扇形件被放置到外环内并在上面套上一个卡锁环。此外当然还必须 具有避免扇形件滑落的措施。为此可以在外环内的扇形件之间持久地设置间隔 片。优选间隔片由弹性材料制成。尤其有利的是，间隔片具有一个可以形状配 合地^A这里为环形的外环凹槽13中的头部。凹槽应当制成这样的形状，即间 隔片的头部可以被压到凹槽中并锁入。间隔片以这样的方式固定在环上并可以 沿外环的圆周推动。这符合导轨的原理。
图2a展示了按照本发明的第二种实施形式的一轮轮101的俯视图。外环 103具有不连续U形剖面。为了更清楚地描述，图2b展示了沿线A—A'的一个 截面，而图2c展示了沿线B—B，的一个截面。在这种情况下扇形件105、 105，、 105" 、 105"，^t应于A—A，的L形区域被^A并被推入对应于B—B，的U形 区域。L形区域中的一个至少要与滤色扇形件105、 105，、 105" 、 105"'中最大 的一t样大。滤色扇形件可以被径向推入，因为它们在固定到轴上之前首先 与外环103连接。
图2附加地展示了一个轴与扇形件105、 105，、 105" 、 105，"不必使用粘合 剂的连接的一种可能性。在该例中轴107的一部分为四边形。如以上已说明的那样，扇形件的"内圆弧"可以显著地变化。在本例中该'内圆弧"这样变化，从而 扇形^機配好后与轴107的四边形微配合地外切。因为这不再为旋转对称，
轴的旋转直接导至M形件105、 105，、 105"、 105"，的旋转。
图3展示了出自图2的构件的一个横截面。只展示了色环101的中心部分。 展示了轴107以及滤色扇形件中的两个105'、 105"'。轴具有一个凹处117，滤 色扇形件与其相配。在该例中凹处117的侦幢119为轻微的角锥形，因为作为 侧壁基础的基面为一个四边形。
在轴107的中心设置有一个构成盖109的螺钉111的,件的螺纹。在盖 109的底端具有弹性元件m。它们可以例如由弹性材料组成或者具有一个弹性 结构。当盖109螺旋连接到轴上时，弹性元件113向下挤压滤色扇形件。此外 盖109上设置有弹性楔形115，它们在j顿时沿着凹处117的侧壁119滑动并由 此在径向上向外挤压滤色扇形件。
图4展示了一个S:影仪200。这样的一个系统适合用于前投影器或后投影 器或类似仪器。电视机是一个非常合适的应用实例。
灯202提供光线，光线在积分器204中整合。积分器204可以例如通过一 个带有朝向内部的镜子的通道构成。然后光源102的光线多次由壁面反射，由 此在积分器的出口处形成一个均匀的矩形光场。色轮206是这样的，即当光阀 (SLM二空间光线调节器)218根据该颜色接通时，色轮便提供相应的颜色。此 外还没有标准符号地(ohneReferenzzeichen)展示了色轮206上的外环。在积分 器之后安装的是将稳定的光场从积分器出口经由棱镜210投影到SLM208上的 照明透镜208。然后经过空间调整的光线被送到投影透镜214上。
本说明整体涉及到可邀寸的色轮。当然同样的原理也可以被运用在反射作
用的色轮上。当扇形件的颜色特征例如通过薄膜干涉滤色镜获得时，这将通过
选择性的反射和鄉发生。这样的一^tlt色轮同时也是一个RI寸色轮。 一些
投影仪工作在这样的一种反射模式下。此外还存在不仅具有可透射的扇形件，
还具有例如黑色阻光扇形件的色轮。本发明的原理也可以有利地运用在这些色
轮上，因此应该被视为处于本发明范围内。
附图仅仅展示了平面滤色扇形件。当然需要注意的是，本发明也可以运用 在具有非平面例如透镜或其他结构的扇形的色轮上。本发明的原理也可以有利
ite用在这些色轮上，因此应该被视为处于本发明范围内。
权利要求
1、色轮，其具有电动机以及安装在电动机上的色环(1)，其中色环具有一个轴(23)、一个支架(3)以及一些固定安装在支架(3)上并设置用于进入光路的滤色扇形件(15、15’、15”)；支架(3)的几何结构是这样的，即对于其俯视图存在圆环，该俯视图与这些圆环的面相配，并且相应的圆环通过最小的面积定义一个外半径和一个内半径；每个滤色扇形件(15、15’、15”)都是透明的且每个滤色扇形件(15、15’、15”)以内半径在径向上伸入该圆，以便形成一个适合于被引入光路的透明的环形的面，使得在色环旋转时进入光路的面保持透明；轴(23)安装在电动机上并设置用于色环(3)的旋转，并且具有一个可绕其旋转的中轴线；至少滤色扇形件(15、15’、15”)中的一个安装在轴(23)上；相对于离心力，滤色扇形件(15、15’、15”)在轴(23)上的安装没有在支架(3)上的固定牢固，使得色环的旋转将对所有的滤色扇形件(15、15’、15”)产生压缩作用。
2、 如权利要求1的色轮，其特征在于，在室温下扇形件i!31—个0.01mm 到0.3mm的间隙(21、 21，)相互间隔，其中iM该间隙宽度为0.05mm。
3、 如以上权利要求中任一项的色轮，其特征在于，为了使轴(107)固定 在滤色扇形件(105、 105，)上，轴(107)上设置有在径向上将扇形件向外挤压 的弹性机构(115)。
4、 如权利要求3的色轮，其特征在于，为了轴的固定设置有不带粘合剂 的机构(109、 111、 113)。
5、 如以上权利要求中任一项的色轮，其特征在于，滤色扇形件可以借助 于密封环(27)紧固在外环上。
6、 如权利要求5的色轮，其特征在于，为了扇形件相互间保持隔开，支 架里设置有间隔片。
7、 如权利要求6的色轮，其特征在于，间隔片具有头部并可以S31与设 置在支架上的环形凹槽的配合被移动到扇形件所需要的位置上。
全文摘要
一种色轮，包括一个电动机和一个色环，其中色环(1)包括一个轴(23)、一些过滤元件(15、15’、15”)以及一个环形的过滤元件支架(3)。过滤元件刚性地固定在支架上，从而它们向内朝向该圆环的中心形成一个环形透明的面。色轮的旋转引起滤色扇形件的压缩，从而降低了扇形件断裂的危险。
文档编号G02B7/00GK101443685SQ200780015691
公开日2009年5月27日 申请日期2007年3月30日 优先权日2006年5月2日
发明者M·J·米尔本, O·朱格 申请人:Oc欧瑞康巴尔斯公司