CN101443685B - 色轮 - Google Patents

Abstract

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。

Description

色轮

本发明涉及色轮和使用色轮以便产生色彩顺序的(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快速顺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。

为了产生快速顺序的色彩变化，于是快速交替地把不同的滤色镜置入光路。为了实现该目的，典型地将使用一个片状元件，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弧之间的一块面积。

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的情况。

色环绕着中轴线旋转。通过色环的快速旋转滤色扇形件周期性地进入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。

如果要求成像装置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，由于存在超过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，该加速度甚至可以超过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。由于使用了强光源，色环会相应地遭受高达100℃的温度。

另一方面，该产品必须经常承受低至零下20℃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℃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。

只有当可以以非常低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EP0615 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，光线必须以高强度透射过具有粘合剂的区域。大多数的粘合剂不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，由此整个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透射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，由此不影响总透射量。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，这就意味着，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，平面的滤色扇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，例如滤色镜上的孔，可以完全省去。

低的运行速度处于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。

当速度较高时，软的粘合剂易于分层。压力测试显示，当在较低温度下模拟配置时，硬的粘合剂会导致由玻璃破裂引起的脱落。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＝热膨胀系数)的不同。

US 2004/0006495建议了一种带有一个外环的安装形式。如其中所说明的那样，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遵循圆片的外半径。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。第二步色轮被放置到外环的紧固槽中。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较大的热膨胀系数。因此构件在零下20℃到100℃之间的冷却和/或加热很可能导致玻璃内部的微破裂。

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US2004/0006495中说明的那样，高温下的旋转将会导致环的膨胀大于滤色扇形件的膨胀。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破裂。

另外在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，例如高速应用的情况，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情况下的应用，对色轮有一个要求，即能够忍受零下20℃到最低80℃的温度范围并不受损害。

因此本发明的任务在于，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通过外环来改变已知解决方案的方法来解决。按照本发明已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优选转变为压缩。

这将通过为滤色扇形件提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。

按照本发明每个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地进入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缩力或至少受到减小的离心力。

至少存在三种可能性来实现此目的。

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。

通过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。

转速越高，作用在外环上的压力越大。通过旋转扇形件当然会有压缩力作用并且滤色扇形件的破裂几乎是不可能的。

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缩力，在于这样装配色轮，从而环不旋转时已有压缩力作用在滤色扇形件上。这可以通过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到高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。冷却时外环有体积缩小的趋势并因此会有压缩力作用在扇形件上。

由于通常外环在温度降低时体积的缩小比滤色扇形件快，有利的是，尤其是当温度可以低于0℃达到零下20℃、零下40℃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。

例如可以使用不锈钢作为外环材料，使用铝作为轴材料。所有零件都在室温下组装成一个色环，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个色轮的一个色环的横截面的等轴视图。附加地还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个色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、一个轴和一个环形支架。

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。

优选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1展示了一个色环1，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2mm。

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，粘合剂可以填入该凹槽。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剂层，如情况可能优选涂到凹槽13中。

优选粘合剂不要涂在凹槽的整个长度上，以便通过粘合剂将由于扇形件、粘合剂和外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，玻璃破裂主要是通过棱边的微破裂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。由此可以避免粘合剂在温度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。该凹处适合于支承外环，并且在放入外环后一个圆环形表面与第二粘合区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的外直径小。

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。优选扇形件与第一粘合区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。优选在室温即20℃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，当色轮被冷却到零下20℃甚至零下40℃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缩强烈时，扇形件通过径向的棱相互施加压力。

为了完成色环的装配，在一个轴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剂与扇形件15、15’、15”中的至少一个连接。

对于优选将粘合剂涂在轴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破裂有关的想法。

出于这个原因，优选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，形成的环将通过紫外辐射固定。也可以连同热密封胶或其他密封胶一起使用一个轴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温度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，由于旋转径向压缩力施加到所有扇形件上。

由于滤色扇形件之间具有间隙21、21’可以实现，在低温或极低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，以便附加地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”的厚度略微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，优选不只使用一个扇形环27，而是一个完整的卡锁环。

借助于已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装入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个色轮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”’在对应于A—A’的L形区域被装入并被推入对应于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”’中最大的一个一样大。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，从而扇形件装配好后与轴107的四边形形状配合地外切。因为这不再为旋转对称，轴的旋转直接导致扇形件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的侧壁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的配对件的螺纹。在盖109的底端具有弹性元件113。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，它们在使用时沿着凹处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展示了一个投影仪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＝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(ohne Referenzzeichen)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透射的色轮。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透射发生。这样的一个透射色轮同时也是一个反射色轮。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地运用在这些色轮上，因此应该被视为处于本发明范围内。

Claims (5)

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，并且相应的具有最小面积的圆环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（107）安装在电动机上并设置用于色环（3）的旋转；滤色扇形件（15、15’、15”）中的至少一个安装在轴（107）上；相对于离心力，滤色扇形件（15、15’、15”）在轴（107）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, 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滤色扇形件向外挤压的弹性机构（115），在室温下滤色扇形件通过一个0.01mm到0.3mm的间隙（21、21’）相互间隔。

2.如权利要求1所述的色轮，其特征在于，为了轴的固定，在轴（107）的中心设置有构成盖（109）的螺钉（111）的配对件的螺纹，所述盖（109）在其底端具有弹性元件（113）。

3.如权利要求1或2所述的色轮，其特征在于，滤色扇形件能借助于密封环（27）紧固在支架上。

4.如权利要求3所述的色轮，其特征在于，为了滤色扇形件相互间保持隔开，支架里设置有间隔片。

5.如权利要求4所述的色轮，其特征在于，间隔片具有头部并能通过与设置在支架上的环形凹槽的配合被移动到滤色扇形件所需要的位置上。