Farbrad und Bilderzeugungsvorrichtung mit einem £arb*rad
Die Erfindung betrifft ein Farbrad nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Bilderzeugungsvorrichtung
nach Patentanspruch 11.
Vorrichtungen eingangs erwähnter Art werden dort eingesetzt, wo in rascher Folge periodische Farbänderungen in
einem optischen System erzeugt werden müssen, wie beispielsweise in neuartigen Bilderzeugungsvorrichtungen oder
Displayanordnungen. Um solche periodische Farbänderungen zu erzeugen werden in rascher Folge Farbfilter in den optischen
Lichtweg eingeschwenkt. Dazu wird ein sogenanntes Farbrad verwendet, welches scheibenförmig aufgebaut ist
und an der Peripherie kreisförmig angeordnete Filtersegmente aufweist, die einen Ring bilden und um die Zentralachse
des Rades rotiert werden. Durch die Rotation des Farbrades werden die Filtersegmente abwechselnd in den optischen
Weg eingeschwenkt, womit die gewünschte periodisehe Farbänderung erzeugt wird (The Eduard Rhein Foundation
/ Texas Instruments Inc., Digital Micromirror Device DMD) . Durch die hohen geforderten Bildqualitäten der Bilderzeugungsvorrichtung
müssen die Änderungen der Farben sehr rasch vor sich gehen. Dies bedeutet, dass die Filtersegmente
mit hoher Geschwindigkeit durch den Lichtstrahl bewegt werden müssen. Es treten hierbei für das Farbrad
und insbesondere für die empfindlichen Filtersegmente grosse Krafteinwirkungen von über einigen 100 g auf und
bei besonders guten Bildqualitäten bis über 1000 g.
Ausserdem muss die Vorrichtung sehr hohen Rundlaufanforderungen genügen, um entsprechend hohe Standzeiten der Vorrichtung
erreichen zu können. An solche Bilderzeugungsvorrichtungen werden auch sehr hohe Helligkeitsanforderungen
gestellt, welche Leistungsstarke Lichtquellen voraussetzen. Durch diese leistungsstarken Lichtquellen wird die
Vorrichtung entsprechend hohen Temperaturbelastungen bis
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zu 10O0C ausgesetzt. An die Hai'tekr'äft** und* äfi die
Farbstabilität der Filtersegitiente werden aus vorerwähnten
Gründen sehr hohe Anforderungen gestellt. Ein breiter Einsatz in sogenannten Low-Cost Display Anwendungen ist
ausserdem nur möglich, wenn es gelingt das Farbrad bei den hohen Qualitätsanforderungen äusserst wirtschaftlich herstellen
zu können.
Ein Farbrad mit kreisförmig angeordneten Filtersegmenten für den Einsatz in Bilderzeugungsvorrichtungen ist in der
EP 0 615 156 A2 beschrieben. In dieser Vorrichtung sind die Filtersegmente auf einem Glasring befestigt. Nachteilig
an dieser Anordnung ist, dass der Glasring teuer ist. Ferner sind hohe Rundlaufanforderungen nur sehr aufwendig
zu realisieren. Schliesslich entstehen durch den Glasring zusätzliche Lichtverluste, was die Wirtschaftlichkeit der
Gesamtanordnung erniedrigt. Weiter sind Farbradanordnungen bekannt geworden, welche zwischen den Segmenten Befestigungselemente
wie Speichen aufweisen, welche die Gesamttransmissionswerte des Farbfilterringes ebenfalls erniedrigen
und die Wirtschaftlichkeit begrenzen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile des Stand der Technik
beseitigen. Insbesondere soll das Farbrad die hohen optischen und mechanischen Eigenschaften über lange Betriebszeiten
reproduzierbar erfüllen können und wirtschaftlich herstellbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch Vorgehen nach Anspruch
1 gelöst.
Die planen Farbfiltersegmente werden dazu an der Peripherie eines scheibenförmigen Trägers durch Kleben so befestigt,
dass zwischen den Filtersegmenten in Rotationsrichtung der ringförmige transparente Bereich nicht durch op-
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tisch nicht transparente Materialien unterbrochen ist. Die
Farbfiltersegmente sind an einer streifenförmigen gegen die Rotationsachse gerichteten Zone mit dem Träger flächig
verklebt, wobei die flächige Verklebung nur in einem schmalen ringzonenartigen Bereich gegen das Rotationszentrum
gerichtet erfolgt, so dass ein wesentlicher Teil der Filtersegmentfläche, radial von der Rotationsachse gesehen
nach aussen, als transparente ringförmige Nutzzone frei bleibt. Zusätzliche Halteelemente, welche Durchbrüche wie
beispielsweise Löcher in den Filtersegmenten erfordern würden, können vollständig vermieden werden. Löcher in den
Filtersegmenten würden nämlich Spannungszonen in Kantenbereichen erzeugen, welche bei den hohen geforderten
mechanischen Kräften zu Bruchproblemen führen können und somit nicht tolerierbar sind.
Der scheibenförmige Träger weist im Zentrum Mittel auf, beispielsweise eine Bohrung, zur Befestigung einer Antriebsachse,
welche motorgetrieben ist und das Farbrad mit hohen Drehzahlen von bis zu einigen 1000 Umdrehungen pro
Minute rotieren lässt. Bei Bilderzeugungsvorrichtungen sind für gute Bildqualitäten so hohe Rotationsgeschwindigkeiten
notwendig, dass Zentrifugalbeschleunigung von über 300 g auftreten, bei sehr guten Bildqualitäten aber
Beschleunigungen die im Bereich von 800 g bis 2000 g liegen. Dies erfordert eine besondere Sorgfalt bei der
Dimensionierung des Farbrades mit den entsprechenden Klebezonen. Um einen guten Gleichlauf bei geringer
Lärmentwicklung und hoher Lebensdauer erzielen zu können, muss das Farbrad genauestens ausgewuchtet werden können.
Bei den bevorzugten Anwendungen werden vorzugsweise Betriebszeiten von > 40T000 Std. MTBF angestrebt. Die
Auswuchtqualität, die dazu erforderlich ist, muss der Norm G 6.3 der ISO 1940 bis 1973 genügen. Die Werte müssen in
zusammengebautem Zustand des Farbrades erzielt werden. Dies bedeutet, dass die Konstruktion des Rades so
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ausgeführt sein muss, dass ein"einfaclies "Ausw'uch*Üen im
Montageendzustand möglich ist. Die vorliegende Ausführung ermöglicht dies, in dem am fertigen Rad für den
Auswuchtvorgang am scheibenförmigen Träger Material
entfernt wird, vorzugsweise in Form einer Ausnehmung von Material, wobei diese Ausnehmung bevorzugterweise als
Bohrung ausgebildet ist. Diese Ausnehmung beziehungsweise die Bohrung soll an der Trägerscheibe als Sackloch
ausgebildet sein und den Träger nicht durchbrechen. Als Materialien für die Trägerscheibe kommen Kunststoffe wie
auch Metalle in Frage. Besonders geeignet ist aber ein Leichtmetall, wie beispielsweise Aluminium oder
Aluminiumlegierungen. Als Antrieb für das Farbrad werden Elektromotore verwendet, insbesondere aber Antriebsmotor,
wie sie für Harddisks verwendet werden.
Als Farbfilter werden Interferenzschichtfilter verwendet. Diese sind in bekannter Art aus Wechselschichten aufgebaut,
wie aus TiO2/SiO2, welche entsprechend der geforderten
Filtercharakteristik dimensioniert sind. Wegen der geforderten hohen optischen Stabilität gegenüber Temperaturänderungen
und der Luftfeuchtigkeit sind dichte Schichten anzustreben. Solche können wie bevorzugterweise mit sogenannten
Zerstäubungsbeschichtungsverfahren erzielt werden.
Für ein Farbrad werden in der Regel mindestens zwei verschiedene Segmente benötigt. Oft werden aber auch dreifarbige
Systeme verwendet, bei welchem der Farbfilterring aus drei hintereinander angeordneten Filtersegmenten besteht,
beispielsweise aus den Farben: rot, grün und blau. Eine für das Farbempfinden der Bilderzeugungsvorrichtung besonders
günstiges Farbrad besteht aus einer Anordnung mit vier Farbsegmenten, wobei zwei gegenüberliegende Segmente
dieselbe Farbe aufweisen, beispielsweise rot und die beiden anderen Segmente unterschiedliche Farben aufweisen,
beispielsweise blau und grün. Die Filtercharakteristik der
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Filtersegmente muss hierbei äusserst**temperatur- und
feuchtigkeitsstabil sein. In einem Temperaturbereich von 100C bis 1000C und in einem Feuchtigkeitsbereich von 0%
bis 90% relativer Luftfeuchtigkeit muss die Gesamtstabilitat der Filtercharakteristik vorzugsweise in einem Bereich
liegen von weniger als 5 nm Verschiebung. Besonders bevorzugt für die Anwendung in Bilderzeugungsvorrichtungen sind
aber Filter mit Verschiebungen von weniger als 1 nm in diesen angegebenen Bereichen. Solch gute Filterqualitäten
können wirtschaftlich vor allem mit dem vorerwähnten Kathodenzerstäubungsverfahren
wie Magnetronzerstäuben erreicht werden. Besonders wirtschaftliche Zerstäubungsverfahren
sind aber Verfahren wie sie unter dem Begriff "Intramode" bekannt geworden sind, entsprechend der US 5
292 417, welche integrierender Bestandteil dieser Anmeldung darstellt sowie mit dem reaktiven Chopperzerstäubungsverfahren
mit Magnetron, wie es beispielsweise aus der EP 0 564 789 bekannt geworden ist. Beim Chopperzerstäubungsverfahren
wird die Magnetronzerstäubungsquelle getaktet betrieben oder es wird eine zusätzliche getaktete
Spannung der Magnetronentladung überlagert im Frequenzbereich von einigen 100 Hz bis einige 100 kHz, wobei ein metallisches
Target unter Zugabe von einem Reaktivgas zerstäubt wird, so dass die entsprechende dielektrische
Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird. Anstelle des Taktens beziehungsweise Chopperns ist auch die Einkopplung
beziehungsweise Überlagerung einer Mittelfrequenz möglich, womit wie beim getakteten Verfahren ein wirtschaftliches
Abscheiden von dielektrischen Schichten mit dem Magnetronzerstäuben möglich ist.
Um eine besonders gute Verklebung der Filtersegmente mit der Trägerscheibe zu bewirken kann an der Trägerscheibe in
der Klebezone eine Ausnehmung vorgesehen werden, welche der zu verklebenden Fläche entsprechen soll und in der
Lage ist, entsprechend den Klebstoff in einer konzentri-
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sehen Kreiszone aufzunehmen. Die Vertiefung sollte vorzugsweise
der optimalen Klebefilmdicke entsprechen, welche
insbesondere für geeignete Kleber im Bereich von 50 bis 200 (im liegt. Als für die hohen Anforderungen geeigneter
Kleber wird ein Epoxykleber verwendet, vorzugsweise vom Typ DP4 60 von der Firma 3M. Die Ausnehmung ist so zu gestalten,
dass am inneren und am äusseren Durchmesser der Ausnehmungen Erhebungen beziehungsweise Abstandhalter vorgesehen
sind, welche präzise Auflageflächen in der Rotationsebene für die Filtersegmente darstellen. Diese Auflageflächen
mit der ringförmigen Ausnehmung sind bevorzugterweise gegenüber der scheibenförmigen Trägeroberfläche
so abgesetzt, dass die Filtersegmente im Querschnitt in etwa zentrisch zum Scheibenquerschnitt angeordnet sind.
Die Absenkung kann mit ihrer radialen Schulter so ausgeführt werden, dass diese ebenfalls als radiale Anschlagschulter
für die Positionierung der Filtersegmente dient. Mit dieser Ausführung wird das Montieren der Filtersegmente
vor dem Kleben stark vereinfacht, das heisst es müssen die Filtersegmente nur bündig aneinanderstossend auf
Anschlag axial und radial an die Trägerscheibe positioniert werden und anschliessend durch härten des Klebers
fixiert werden. Eine zusätzliche Erleichterung dieses Montageschrittes kann erreicht werden, wenn ein Haltering,
der beispielsweise aus Kunststoff wie einem Polymer besteht, auf die Filtersegmente im Bereich der Trägerabsenkung
aufgedrückt wird, womit die Segmente gegenüber der Klebezone fixiert sind. Die ganze Anordnung ist somit mit
wenigen Teilen äussert einfach und präzise zu montieren und kann dank der vorliegenden auswuchtbaren Konstruktion
anschliessend wie beschrieben präzise ausgewuchtet werden. Dies erlaubt die Herstellung der einzelnen Teile mit grösseren
zulässigen Masstoleranzen, was die wirtschaftliche Herstellung unterstützt.
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Um die Position des Farbrades mit den entsprechenden Farbfiltern laufend elektronisch überwachen zu können, muss
auf dem Farbrad eine Markierung, beziehungsweise eine Zeitindexmarke angebracht werden. Diese kann einfach auf
der Trägerscheibe befestigt werden, vorzugsweise aber auf dem vorerwähnten Haltering, welcher auch als Montagehilfe
dient. Ein erfindungsgemässes Farbrad wird vorzugsweise in einer Bilderzeugungsvorrichtung eingesetzt mit einer
Lichtquelle, deren Licht durch die Farbsegmente des rotierenden motorgetriebenen Farbrades gelenkt wird und anschliessend
auf ein Bilderzeugungsdevice gerichtet ist, welches aus einer Matrix von gesteuerten oder geschalteten
Lichtsteuerelementen besteht, womit der Bildaufbau über eine Projektionsoptik auf einem Bildschirm stattfindet. Um
gute Bildqualitäten zu erreichen sind für diese Lichtsteuerelemente Schaltzeiten von
< 10 msec, notwendig. Besonders geeignet für das Bilderzeugungsdevice sind Anordnungen,
welche aus vielen kleinen steuerbaren Spiegeln bestehen, das heisst auf Reflexionsbasis beruhen. Bevorzugt
werden hierbei Bilderzeugungsdevice auf Reflexionsbasis vom Typ "Digital Mirror Device". Mit dem erfindungsgemässen
Farbrad, welches die hohen Schaltgeschwindigkeiten der vorerwähnten Bilderzeugungsdevice ausschöpft,
lassen sich Bilderzeugungsvorrichtungen auf wirtschaftliehe Art herstellen, welche grosse Displayabmessungen mit
hoher Leuchtkraft bei hoher Qualität ermöglichen. Im folgenden ist die Erfindung in den Figuren 1 bis 2 anhand von
Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht eines neuartigen Displays mit einer Vorrichtung.
Fig. 2a zeigt eine Teilschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Farbrades.
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• ·
Fig. 2b eine Aufsicht des FarbradesV ** ** ** **
In der Fig. 1 ist eine schematische Gesamtdarstellung eines neuartigen Displays mit einer Vorrichtung dargestellt.
Es ist ein Farbrad 1, das mit einem Motor 2 und einem Positionsmelder 3 gekoppelt ist, vorgesehen. Das Farbrad 1
weist einen Träger 11 auf, an dem die Filtersegmente 12 befestigt sind. Mit der Ziffer 5 ist eine Lichtquelle bezeichnet,
aus der ein Lichtstrahl 6 mit der optischen Achse 60 austritt. Der Lichtstrahl 6 durchquert die Filtersegmente
12 und trifft auf ein Bilderzeugungsdevice 7. Das von dem Bilderzeugungsdevice generierte Bild wird mittels
einer Projektionsoptik 8 auf einen Bildschirm 9 projiziert. Der Motor 2 versetzt das Farbrad 1 in Rotation,
wodurch die Filtersegmente 12 abwechselnd in den Lichtstrahl 6 gefahren werden. Die jeweilige Lage der Filtersegmente
12 ist über den Positionsmelder 3 bestimmbar. Entsprechend der Farbe des sich im Lichtstrahl 6 befindlichen
Filtersegmentes 12a-12c wird in der Bilderzeugungsvorrichtung 7 ein dieser Farbe zugeordnetes Bild erzeugt.
Die Drehzahl des Farbrades entspricht damit der Bildwiederholfrequenz und liegt bei einigen tausend Umdrehungen
pro Minute. Durch diese Rotation wirken Zentripedalkräfte auf die Filtersegmente, die mehr als das Tausendfache der
Erdanziehungskraft betragen können.
Bedingt durch den Wunsch nach einer hohen Farbechtheit sind die Anforderungen an die Filtercharakteristik der
Filtersegmente 12 äusserst komplex. Die Grosse des BiIdschirms
9 ist weiters beträchtlich. Um bei heller Umgebung ausreichend grossen Kontrast erzielen zu können, wird in
der Lichtquelle 5 eine leistungsstarke Lampe mit entsprechend hoher Wärmeabstrahlung verwendet. Es können dadurch
Temperaturen von bis zu 1000C im Bereich der Vorrichtung
entstehen. Die Temperaturbelastung der Filtersegmente 12 ist bedingt durch die Strahlungswärme der Lichtquelle 5
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noch höher. Um diese Beanspruchung*e*n einerseits ü*nd der
Forderung nach höchster Farbstabilität über die gesamte Produktlebenszeit gerecht zu werden, weisen die Filtersegmente
Filterschichten 17 auf, welche vorzugsweise als stabile dielektrische Schichten ohne säulenartigen Strukturen
ausgeführt sind. Solche Schichten sind nicht nur langlebig und temperaturbeständig, sondern auch äusserst temperaturstabil.
Unerwünschte Verschiebungen der Spektralkurve von weniger als 1 nm in einem Bereich von 10-1000C sind erzielbar.
Schliesslich weisen solche Schichten eine ausgezeichnetes Haftvermögen auf dem Untergrund auf. Letzteres
ist besonders bei der Verwendung von Klebern auf der Schicht von grosser Bedeutung.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung in einem Teilschnitt in Fig. 2a und als Aufsicht in Fig.
2b. Der Träger 11 ist an einem Rotor 23 des Motors 2 mittels einer Haltevorrichtung 21 befestigt. Die Filtersegmente
12 sind mittels einer Klebeschicht 13 an dem Träger 11 gegenüber dessen Oberfläche abgesetzt befestigt. Die
Absetzung im Trägerrandbereich ist so ausgebildet, dass die Filtersegmente radial 25 und axial 26 am Träger auf
Anschlag präzise positioniert werden können. Die Schichtstärke der Kleberschicht 13 ist durch einen Abstandhalter
14 bestimmt. Der Abstandhalter 14 kann beispielsweise eine Vertiefung in der Oberfläche im Bereich der Klebestelle
sein. Die Klebestelle ist mittels eines Rings 15 abgedeckt. Der Ring 15 dient gleichzeitig als Träger für
eine Positionsmarkierung 16 für den Positionsmelder 3. Bedingt durch die Toleranzen im Aufbau des Farbrades und
durch die Befestigung des Trägers 11 an dem Rotor 23, treten Unwuchten in der Vorrichtung auf. Diese Unwuchten werden
durch eine Wuchtvorrichtung 18 kompensiert. Die Wuchtvorrichtung 18 ist beispielsweise und vorzugsweise eine
Vertiefung wie eine Bohrung im Träger 11. Wenn der Träger aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen besteht, wird ty-
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pischerweise für die Auswuchtung ein Bohrloch 18 im äusseren Randbereich des Trägers 11 angebracht mit einem
Durchmesser von typisch 5-10 mm bei Tiefen bis zu 3 mm. Für die in Bilderzeugungsvorrichtungen bevorzugte Gesamtdurchmesser
des Farbrades liegen im Bereich von 75-130 mm. Das vorliegende Beispiel weist einen Gesamtdurchmesser von
108 mm auf, wobei der Trägerdurchmesser 81 mm ist. Die Breite der Kleberingzone liegt vorteilhafterweise im Bereich
von 3 bis 10 mm Da die Verbindung zwischen Rotor 23 und Träger 11 einen erheblichen Einfluss auf die Wuchtung
. der Vorrichtung hat, wird die Vorrichtung mit montiertem Träger 11 auf dem Rotor 23 durchgeführt. Um Unwuchten in
Grenzen zu halten ist der Träger als Bestandteil des Rotor 23 aufgebaut.
Für Anwendungen mit weniger kritischen Anforderungen können die Filtersegmente 12 mittels eines elastischen Materials,
das zwischen Ring 15 und dem Filtersegment 12 geklemmt ist, gehalten werden. Als zusätzliche Schutzvorrichtung
kann ferner ein Schutzring 19 am äusseren Rand der Filtersegraente 12 angeordnet sein.
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