KR101306561B1

KR101306561B1 - 컬러 휠

Info

Publication number: KR101306561B1
Application number: KR1020087027443A
Authority: KR
Inventors: 마이클 존 밀보른; 오트마르 주게르
Original assignee: 오를리콘 트레이딩 아크티엔게젤샤프트, 트뤼프바흐
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2013-09-09
Also published as: US20070279779A1; DE102006020648A1; WO2007124829A1; KR20090017511A; CN101443685B; EP2013652B1; CN101443685A; TW200745720A; EP2013652A1; DE102006020648B4; TWI422950B; ATE539369T1

Abstract

본 발명은, 모터(motor)와 컬러 링(color ring)을 포함하고 있는 컬러 휠(color wheel)에 관한 것이며, 컬러 링은 허브(hub)(23), 다수의 필터 엘리먼트들(filter elements)(15, 15', 15") 및 상기 필터 엘리먼트들을 위한 환상의 지지부(annular support)를 가지고 있다. 상기 필터 엘리먼트들은, 링의 중심을 향해 안쪽으로 마주하면서 환상의 투명한 면(annular transparent surface)을 형성하는 방식으로 지지부에 단단히 고정되어 있다. 컬러 휠이 회전하게 되면, 필터 세그먼트들에는 압축력이 걸려서, 세그먼트들이 파손되는 위험이 줄어들게 된다.

영상, 디스플레이, 광학시스템, 프로젝터, 컬러 링, 컬러 휠, 필터 세그먼트, 허브, 캐리어, 크랙.

Description

컬러 휠 {COLOUR WHEEL}

본 발명은, 프로젝터(projector)용으로 사용되며 연속적인 컬러 조명을 제공하는 컬러 휠에 관한 것이다.

앞에서 언급된 형태의 도구들(devices)은, 컬러의 주기적인 변화가 빠르고 연속적으로 일어날 필요가 있는 분야에 사용된다. 이러한 도구들이 사용되는 광학 시스템의 예로는, 영상 생성 도구들(picture generation devices) 또는 디스플레이 장치들(display arrangements)을 들 수 있다. 텔레비전 시스템을 위한 후방(rear) 또는 전방(front) 프로젝션(projection) 시스템은 전형적인 적용 분야이다.

요구되는 컬러의 변경이 빠르게 일어날 수 있도록, 컬러 필터들(colour filters)은 광학적 빛의 경로(optical light path)에 빠르고 연속적으로 삽입된다. 이러한 목적으로 대개 디스크 형태의 허브(disc-shaped hub)가 사용되는데, 이 허브에는, 원주상에 원형으로 배치되어 하나의 링(ring)을 형성하는 필터 세그먼트들(filter segments)이 갖추어져 있다.

기하학적으로, (원형) 세그먼트((circular) segment)는 비공식적으로, 할 선(secant) 또는 현(chord)에 의해 원으로부터 잘려 진 부위를 말한다. 이 원형 세그먼트는 원의 중심부를 제외한 할선과 원호(arc) 사이의 부분으로 구성된다.

이에 반해, 본 명세서의 '세그먼트'란 단어는, 외측 원호(outer circular arc)와 내측 원호(inner circular arc), 및 두 개의 반경 방향 에지들(radial edges)로 된 링(ring)의 한 섹터(sector)를 의미한다. 본 명세서에 따르면, 상기 세그먼트의 "내측 원호"는 변형될 수 있으며, 따라서 그 형상이 원래 링의 내측 원호와, 심지어 원호의 형태와 크게 달라질 수 있다.

컬러 링은 그의 중심축 주위를 회전하게 된다. 상기 컬러 링이 빠르게 회전하면서, 필터 세그먼트들이 교대로 광 경로(optical path) 내에 삽입되고 빠져나오게 되며, 이로 인해, 요구되는 신속한 컬러 변경이 이루어진다. 이러한 회전이 일어나도록, 컬러 링은 모터에 고정되어 있으며, 컬러 링과 모터는 하나의 컬러 휠을 형성한다.

영상 생성 도구가 고품질의 영상을 생성할 수 있어야 하므로, 컬러 변경은 매우 신속하게 실행되어야 한다. 이는, 필터 세그먼트들이 빛의 빔(light beam)을 통과하여 매우 빠른 속도로 움직여야 함을 의미하고, 링의 고속 회전은 필수 사항이 된다. 결과적으로, 중력가속도 G보다 수 백배 큰 가속도에 의한 큰 힘이 컬러 링 특히 민감한 필터 세그먼트에 작용하게 되며, 특별히 높은 품질의 영상을 위해서는 상기 가속도가 1000 G를 초과할 수도 있다. 게다가 도구의 사용 수명을 길게 하기 위해서, 도구의 반경 방향 동심성(radial concentricity)이 매우 정확해야 한다. 또한 이러한 영상 생성 도구들은 매우 높은 휘도(brightness) 조건도 만족해야 하는데, 이는 강력한 광원(light source)에 의해서 성취될 수 있을 뿐이다. 이런 강력한 광원으로 인하여, 컬러 링은 섭씨 100도에 달하는 고온의 영향을 받게 된다.

한편, 이들 제품들은 매우 종종 섭씨 -20도 및 심지어 그 이하의 저온에도 견뎌야 하는데, 이런 경우는 제품이 판매되기 전 저장 상태의 경우에서 자주 발생한다. 또한, 예컨대 컬러 휠이 이들 제품들과 함께 전세계에 걸쳐 이들이 판매될 지역으로 운송되는 동안에도 이러한 저온의 상태를 견디어내야 하는데, 이 경우, 온도는 섭씨 -40도 또는 그 이하가 되는 경우가 종종 있다.

이러한 이유들로 인해, 필터 세그먼트들에 대한 파지력(holding power) 및 필터의 안정성은 매우 까다로운 요구조건들을 만족하여야 한다. 소위 저가의 디스플레이 분야에 널리 사용되기 위해선, 컬러 휠을 고품질 조건에도 불구하고 저 비용으로 생산할 수 있어야 가능하다.

영상 생성 도구에 사용되기 위하여 필터 세그먼트들이 원형으로 배치된 컬러 휠이 유럽 특허번호 EP 제 0 615 146 A2에 기재되어 있는데, 이 도구에는 필터 세그먼트들이 유리 링 위에 장착되어 있다. 이 광학 엘리먼트(optical element)의 단점의 하나는, 이것이 광 경로에 삽입되었을 때, 높은 강도의 빛이 접착제가 포함된 부위를 통과해야 한다는 사실이며, 대부분의 접착제는 이러한 높은 강도에 견디지 못한다는 것이다. 이러한 장치의 또 다른 단점은, 유리 링은 값이 비싸고, 게다가 반경 방향의 정교한 동심성을 성취하기가 어렵다는 것이다. 또한 유리 링은 부가적인 빛의 손실을 가져와서, 전체적인 경제성을 해치게 된다.

게다가, 컬러 휠 장치상에는 프레임(frames) 또는 스포크(spokes)와 같은 고정 엘리먼트들이 세그먼트들 사이에 있어서, 이들이 컬러 필터 링의 전체적 전달능력(overall transmission value)을 저하시키고 경제성을 제한하게 된다. 대안의 접근 방안으로서, 세그먼트들 사이의 스포크 또는 스포크 같은 엘리먼트들이, 광 경로에 놓이게 될 세그먼트 부위 까지 연장되지 않는 것인데, 이렇게 함으로써 전체적 전달에 있어서는 영향이 없게 된다.

그러나 이런 스포크 엘리먼트들 또는 스포크 같은 엘리먼트들은 필터 세그먼트들의 수량 및 각도 크기에 적합한 방식으로 디스크 형상의 캐리어(carrier) 상에 배치될 필요가 있는데, 이들 세그먼트들의 수량 및 크기는 종종 주문에 따라 달라지며, 이는 각각의 새로운 프로젝션 유닛(projection unit) 모델에 따라 상기 디스크 형상의 캐리어들이 조정될 필요가 있음을 의미한다. 이로 인해, 레이아웃(layout)의 변경이 초래되어, 가격 측면에서 불리하게 된다. 이러한 사항은 필터 세그먼트를 위해 프레임들이 적용된 장치에서도 마찬가지이다.

미국 특허번호 제 5,868,482에서, 회전 방향의 필터 세그먼트들 사이에 링 형상의(ring-shaped) 투명한 부위가 광학적으로 투명하지 않은 재질에 의해 방해받지 않는 방식으로, 평면의 컬러 필터 세그먼트들이 원형 캐리어의 주위에 접착되어 있다. 상기 컬러 필터 세그먼트들은 회전축을 향하면서, 띠 형상의 구역(strip-shaped zone)에서 캐리어(carrier)에 면 접착되어(surface bonded) 있다. 면 접착이 회전 중심을 향한 작은 링 구역 부위에만 되어 있어서, 회전 축에서 반경 방향 바깥쪽으로, 필터 세그먼트 면의 대부분은 투명하고 링 형상의 유용한 구역으로서 자유로운 상태로 되어 있으며, 필터 세그먼트에 구멍과 같은 개구부를 필요로 하는 부가적인 고정 엘리먼트는 완전히 없어질 수 있다.

저속의 작동 속도는 400 RPM에서 10000 RPM 미만의 범주에 있으며, 대개 약 7200 RPM 정도이다. 고속의 작동 속도는 1000 RPM에서 25000 RPM까지의 범주에 있으며, 대개 약 14400 RPM 정도이다. 작동 속도에 따라, 컬러 필터 세그먼트를 캐리어에 접착하는데 사용하는 접착제의 선택은 특별한 관심사이다. 연한 접착제는 작동 속도가 고속인 경우에 갈라지는 경향이 있으며, 응력 해석에 의하면, 강한 접착제로 인해, 저온 저장의 모의실험에서 유리에 크랙(crack)이 발생하여 실패할 수도 있다. 한 가지 가설로, 이러한 크랙이 발생하는 현상은, 세그먼트 재질과 캐리어 재질의 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE)의 차이와 관련된다는 것이다.

미국 특허 공개번호 제 2004/0006495에는 외측 링을 지닌 장치가 제시되었는데, 개시된 바에 의하면, 필터들은 환상의 디스크(annular disc)를 둘러싸는 방식으로, 접착 재료에 의해 서로 인접하여 부착되어 있다. 불행하게도 이는, 필터 세그먼트의 내측 반경이 환상의 디스크 외측 반경을 따라야 할 필요가 있음을 의미한다. 또한 상기 공보에 개시된 바에 의하면, 1 단계로 먼저 필터들을 환상의 디스크에 부착함으로써 환상의 컬러 휠을 형성하고, 2 단계에서 상기 컬러 휠을 외측 링의 결합 그루브(engaging groove)에 배치한다. 따라서 상기 외측 링은 약간의 여유가 있게 제작되어야 하며, 필터 세그먼트의 외측 에지(outer edge)와 링 사이에는 간극(gap)이 발생하게 된다.

미국 특허 공개번호 제 2004/0006495에는, 재질 및 그들의 열팽창계수(CTE)에 대한 언급이 없는데, 대체로 환상의 디스크의 CTE가 필터 세그먼트에 비해 크다. 따라서 이 조립체(assembly)가 섭씨 -20도 및 섭씨 100도 사이에서 냉각 및/또는 가열되면, 유리 세그먼트 내에 미세 크랙(microcracks)이 발생할 가능성이 커진다.

컬러 휠이 고속으로 회전하게 되면 세그먼트들은 큰 원심력을 받게 되며, 이들 세그먼트들이 환상의 디스크에 고정되어 있기 때문에 인장력이 크게 걸리게 된다. 대체로 외측 링은 필터 세그먼트 재질의 CTE에 비해 큰 CTE를 갖는 재질로 형성된다. 필터 세그먼트들은 대개 유리로 된 세그먼트들이며, 유리의 CTE와 같거나 그 이하의 CTE를 갖는 링 재질을 찾는 것은 어렵다. 링 재질의 CTE가 필터 세그먼트들의 CTE보다 큰 경우, '495에서 기술된 바와 같이 고온의 환경 속에서 회전함으로 인해, 링이 필터 세그먼트들보다 더 많이 팽창하게 된다. 따라서 필터 세그먼트들에 부착된 외측 링이 세그먼트들에게 부가적으로 인장 응력을 가하게 될 것이며, 필터 세그먼트들의 크랙(crack) 발생 가능성은 한층 더 커지게 된다.

미국 특허번호 제 5,868,482의 마지막 문단에서도, 부가적인 보호 도구로서, 보호 링(protection ring)이 필터 세그먼트들의 외측 에지 상에 배치될 수 있음이 언급되어 있는데, 이 링이 어떤 종류의 보호를 제공하는지에 대해서는 명시되어 있지 않다. 또한 외측 링이 필터 세그먼트들에 부착되는지의 여부 및, 부착된다면 어떻게 부착되는지에 대해 명시되어 있지 않다. 미국 특허 제 5,868,482에서는, 필터들이 필터 세그먼트들 및 캐리어 사이에 죄여져 있는 탄력성의 재질에 의해 고정될 수 있는데, 이는 조건이 덜 까다로운 경우에 대해서만 고려되었다. 여기서 세그먼트들의 캐라어는 모터 허브(motor hub)이다. 속도가 고속인 분야와 같이 조건이 까다로운 경우에는, 독자들이 이 해결책으로부터 멀어지게 된다.

따라서, 전형적인 재료를 기반으로 하고, 고속으로 회전하는 용도에 적합하고, 섭씨 -20도에서 적어도 섭씨 80도까지의 온도에서 불리한 영향을 받지 않고 견딜 수 있는 컬러 휠이 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 이러한 컬러 휠을 제공하고, 이러한 컬러 휠을 제작하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 공지된 외측 링 해결책을 변형함으로써 달성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 공지된 컬러 휠은, 회전시 컬러 휠에 가해지는 인장 응력이 현저하게 줄어들도록 하고, 바람직하게는 심지어 압축 상태가 되도록, 변경되어야 한다.

이는, 필터 세그먼트들을 위한 캐리어를 컬러 링에 제공함으로써 달성될 수 있는데, 상기 캐리어의 기하학적 형상은, 상기 캐리어를 위에서 볼 때 최소 면적을 가지는 원형 링(circular ring)이 되고, 이로써 상기 원형 링에 의해 외측 반경(outer radius) 및 내측 반경(inner radius)이 구분 지어진다.

본 발명에 따르면, 필터 세그먼트들 각각은, 원형 링의 내측 원(inner circle)의 반경 방향 안쪽으로 연장되어져서, 연속적이며 반투명한 부위를 형성하고, 상기 컬러 링이 회전 함에 따라 광 경로(light path) 속에 내밀어져서 광 경로에 대해 반투명한 상태를 이룬다.

컬러 링에는 컬러 링을 회전시키기 위한 허브가 더 포함되어 있다.

상기 허브는 중심축(central axis)을 가지고 있으며, 그 중심축에 대해 회전이 가능하다.

상기 허브는, 컬러 링의 회전시 필터 세그먼트들에 반경 방향의 압축력이 작용하거나 또는 적어도 원심력에 의한 인장력 전량은 작용하지 않는 방식으로 상기 컬러 링에 부착된다.

이를 실현하는 데에는 적어도 3 가지의 가능한 방법들이 있다.

첫 번째 방법으로는, 세그먼트들과 허브 사이의 강성보다 훨씬 큰 힘으로, 외측 링과 필터 세그먼트 사이에 접촉이 이루어지게 하는 것이다. 만일 허브와 세그먼트 사이의 접촉이 유연하다면, 회전 중에 세그먼트들이 캐리어 쪽으로 밀려질 것이다. 여기서 상기 캐리어는 허브가 아닌 외측 링임을 주지하길 바란다. 회전 속도가 크면 클수록 외측 링에 가해지는 압력이 높아질 것이다. 이때 세그먼트들에는 압축력이 가해질 것이며, 필터 세그먼트들에서 크랙 발생은 일어나지 않을 것이다. 극단적인 실시예에서, 세그먼트들이 외측 링에만 고정되는데, 에지부가 링에 밀착 접촉되고 허브와는 느슨하게 끼워지는 형태가 된다. 이러한 컬러 휠을 조립하기 위한 발명의 일 양상에 의하면, 허브를 링에 조립하기 전에, 필터 세그먼트들을 외측 링에 고정하여 컬러 링을 형성한다.

필터 세그먼트들에 가해지는 인장력을 줄이거나, 없애거나, 또는 압축상태로 바뀌게 하기 위한 두 번째 방법으로는, 컬러 휠이 회전하지 않는 상태에서 필터 세그먼트들에 압축력이 가해지도록 컬러 휠을 조립하는 것이다. 예컨대, 실온에서 링의 내경이 이미 허브에 조립된 세그먼트들의 외경보다 약간 작도록 선정하고, 그 다음에 외측 링만을 작동 범주 이상의 온도로 가열함으로써 이를 달성할 수 있다. 이러면 열팽창에 의해 외측 링이 늘어나게 되어, 컬러 링에 부착될 수 있게 된다. 그 후 냉각이 되면, 외측 링은 크기가 줄어들어서 필터 세그먼트들에 압축력을 가하게 된다.

온도가 영하로, 예컨대 섭씨 -20도 또는 심지어 섭씨 -40도까지 내려가면, 외측 링의 크기가 더 줄어들게 되므로, 세그먼트들 사이에 간격을 두거나, 또는 섭씨 -20도나 그 아래의 온도에서 조립하는 것이 바람직할 수 있다.

세 번째 방법의 초점은, 외측 링과 모터 허브용으로 열팽창계수(CTE)가 서로 다른 재질을 사용하는 것이다. 예를 들어, 실온(섭씨 20도로 가정)에서 경화되는 UV 접착제를 이용하여, 스테인리스-스틸 링과 알루미늄 허브를 사용할 수 있다. 작동 중에 조립체가 가열되면, 스테인리스-스틸 링의 팽창 비율은 알루미늄 허브의 팽창 비율보다 훨씬 작지만, 스테인리스-스틸 링의 팽창량은 알루미늄 허브 팽창량보다 약간 작아서, 필터 세그먼트들이 압축력을 받을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 컬러 휠용의 컬러 링을 절단한 아이소메트릭(isometric) 도면인데, 부가적으로 이러한 컬러 링의 조립을 위한 고정구(fixture)이 표시되어 있다(점선으로 표시됨).

도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컬러 휠용 컬러 링의 평면도이다.

도 2b는 도 2a에서의 라인(line) A-A'에 따른 단면도이다.

도 2c는 도 2a에서의 라인(line) B-B'에 따른 단면도이다.

도 3은 도 2a에 따른 실시예의 중앙부분의 횡단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 독창적인 컬러 휠을 사용한 프로젝터(projector)의 개략적인 구성도이다.

도면들과 여러 예들을 통해, 본 발명에 대해 좀더 상세히 기술하고자 한다.

먼저 본 발명에 따른 컬러 휠이 어떻게 제작되는지를 기술하고, 그 다음, 본 발명에 따른 여러 실시예들에 대해 기술하고자 한다.

대체로, 본 발명에 따른 컬러 휠의 제작 프로세스(process)는 필요한 여러 부품들(parts)의 제작으로부터 시작되는데, 필요한 부품들에는 필터 세그먼트들, 모터, 허브 및 링 형상의 캐리어가 있다.

필터 세그먼트들의 제작

필터 세그먼트들의 기판(substrate)으로는, 예컨대 착색된 유리 시트(sheet)또는 코팅된 유리 시트들이 될 수 있다. 필터 세그먼트들의 기하학적 형상은, 기계가공, 레이저 절단(laser cutting) 또는 금그어 절단하는(scribe and break) 프로세스를 포함하는 다양한 프로세스에 의해 얻어질 수 있는데, 이에 국한되지는 않는 다. 이들 프로세스에 의해, 세그먼트들은 세그먼트의 상면 및 하면에 수직한 에지부를 갖는다. 대개 세그먼트들은 외측 원호(outer circular arc)에 있어 공통의 곡률을 공유한다. 그러나 세그먼트들의 "내측 원호(inner circular arc)"는 가변적이며, 심지어 원호 형태가 아닐 수도 있다. 내측 원호의 기하학적 형상은 컬러 링을 회전시키는 데 활용되기 위하여, 허브에 맞게 개조될 수도 있다. 필터 세그먼트들은 종종 반경 방향의 에지부에 의해 규정되는 상이한 각도들을 지니게 된다.

허브의 제작

허브는 예컨대 기계가공된 금속일 수 있으며, 또한 성형된 자재(molded material)일 수도 있다. 허브는 세그먼트들과 접촉하는 부위를 가지고 있으며, 모터에 부착되는 형상(features)을 지니고 있다. 본 발명의 일부 실시예에 의하면, 허브는 모터 축의 부분이 될 수도 있다.

캐리어의 제작

캐리어의 실제 기하학적 형상은 위에서 보아 링 형상과는 크게 차이가 날 수 있음에도 불구하고, 앞으로 캐리어를 외측 링(outer ring)이라고 칭한다.

외측 링의 횡단면 형상으로는 기하학적으로 상이한 여러 형상이 있을 수 있으며, 이들 형상들에는, 평평한 프로파일(flat profile), 동심의 링(concentric ring) 또는 링 섹터들(ring sectors)을 구비하거나 구비하지 않은 L 형상의 프로파일(L-shaped profile), U 형상, 단속적인(interrupted) U 형상 또는 V 형상의 프로 파일들이 있다. 외측 링의 재질은 필터 세그먼트의 재질보다 취성이 덜한(less brittle) 것이 바람직하다. 외측 링의 재질로는 금속, 금속 중에서도 알루미늄이 우수한데, 플라스틱으로 만든 외측 링도 사용가능하다.

도 1에는 모터(도시되지 않음)와 함께 본 발명의 제 1 실시예를 형성하고 있는 컬러 링(1)이 도시되어 있다. 이 제 1 실시예에서, 두께 0.7 mm 의 필터 세그먼트를 위한 외측 링이 L 형상으로 제작되어 있다. 외측 링은 알루미늄으로 되어 있고, 외경은 60 mm 이며, 반경 방향으로 제일 두꺼운 곳이 1.5 mm 두께이고 축 방향으로는 2 mm 두께이다.

본 실시예에 의하면, 금속 링에는 두께 0.5 mm 의 단(step)(5)이 있다. 이로써, 60 mm, 58 mm, 57 mm 의 직경들을 지닌 L-형상의 프로파일이 된다. 직경 58 mm 의 원통형 면(cylindrical surface)은 제 1 접착 부위(primary bond area)(9)를 제공하며, 상기 단의 상면인 얇은 링 형상의 면은 제 2 접착 부위(secondary bond area)(11)를 제공한다. 상기 제 1 접착 부위(9)와 제 2 접착 부위(11) 사이의 구석에는 접착제가 채워질 수 있는 리세스(recess)(13)가 있을 수 있다. 이것은 부가적으로, 세그먼트들이 구석에서 평평해지는 것을 도와주며, 또한 접착제가 밀려나오는 것을 줄이는 데 도움이 된다.

제 1 실시예에 따라, 앞에서 서술한 외측 링을 지닌 컬러 링의 조립은 다음과 같은 방법으로 이루어진다.

얇은 층의 접착제를 외측 링의 제 1 접착 부위나 제 2 접착 부위, 또는 양 쪽 접착 부위에 바른다, 만일 리세스(13)가 있다면 리세스 내에 바르는 것이 바람직하다.

세그먼트와 접착제와 외측 링의 열팽창계수가 다름으로 인해 발생하는 접착제 내에서의 응력을 최소화하기 위해, 접착제를 테두리(rim) 전체 부분에 바르지 말고, 예컨대 점선(doted lines) 형태나 단속된 지점들(discret spots)에 바르는 것이 바람직하다.

일 실시예에서, 상기 단속된 지점들은 이웃하는 세그먼트들이 함께 만나는 세그먼트의 외측 원호 끝점(endpoints of the outer circular arc)에 위치한다. 왜냐하면 이들 부위에서는, 광학적 작동 부위(optical active area)가 두 세그먼트 사이의 이행(transition)으로 인해 방해받기 때문이다.

유리의 크랙 발생은 에지부에서 미세 크랙(microcracks)이 유리로 전파되는 것에 의해 일어나는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 온도 변동시 접착제로 인해 세그먼트들의 에지부에 국부적 전단응력(local shear stress)이 직접적으로 가해지는 것을 피하기 위해, 접착제를 제 1 접착 부위에는 바르지 않고 제 2접착 부위에만 바르는 것으로 되어 있다. 이런 경우에는, 접착제를 세그먼트의 외측 원호 끝점에서 충분히 떨어진 지점, 예컨대 중앙 부분에 바르는 것이 바람직하다.

외측 링(3)은 필터 세그먼트들(15, 15', 15")을 위한 하나의 고정구(fixture)에 놓여진다. 상기 고정구(17)에는 외측 링(3)을 끼워 맞추기 위해, 재료를 제거한 리세스(19)가 있다. 상기 고정구(17)의 디스크 면(disc surface)은 링 의 단(step) 부위와 같은 높이로 되고, 디스크 면의 외경은 링의 내경보다 작고, 디스크 면의 내경은 허브의 외경보다 크게 설계되어 있다. 필터 세그먼트들(15, 15', 15")은 상기 디스크 면 위에 놓여져 외측 링의 접착면으로 미끌어져 들어간다. 이 면과 세그먼트들 사이에는 틈새(clearance)가 없는 것이 바람직하다.

세그먼트들을 밀착되게 배치하는 것이 가능하지만, 심들(shims)로써 서로 간격이 떨어지게 하는 것이 바람직하다. 바람직한 간극(gap thickness)의 범주로는 0.01 mm 에서 0.3 mm 까지 인데, 제일 바람직하게는 0.05 mm 이다. 컬러 링 둘레에 균일한 간극(21, 21')을 유지하기 위해 심들이 사용된다. 컬러 휠이 섭씨- 20도 심지어 섭씨- 40도까지 냉각되고, 허브의 CTE가 세그먼트의 CTE보다 더 커서 허브의 수축량이 세그먼트의 수축량보다 더 클 때, 세그먼트들이 반경 방향의 에지부를 통해 서로에게 응력을 가하는 것을 피하는 데 상기 간극들이 도움이 된다.

컬러 링을 최종 조립하기 위해, 접착제 층이 허브(23) 위에 발라진다.

허브에는 접착제를 수용하기 위해 리세스(25)가 포함될 수 있다. 허브(23)는 고정구(17)의 밑으로부터 끼워지고, 접착제 층을 통해 적어도 하나 이상의 필터 세그먼트들(15, 15', 15")들과 접촉하게 된다.

허브(23)를 세그먼트들(15, 15', 15")에 부착시키기 위해, 허브(23) 위 어디에 접착제를 바르는 것이 바람직할 지에 대해서는, 세그먼트 에지부의 미세 크랙 문제 및 접착제에 의해 야기되는 응력 문제에 대한 고려 사항이 그대로 적용된다. 따라서, 부착 지점이 필터 세그먼트들(15, 15', 15")의 에지부가 아닌 곳이 바람직하며, 오히려 필터 세그먼트들(15, 15', 15")의 에지부에서 다소 떨어진 바닥면이 되는 것이 바람직하다.

허브(23)가 제 위치에 고정되고, 결과적인 링(resulting ring)이 UV 방사(UV radiation)에 의해 고정되거나, 또는 고정구을 사용하고 열경화 접착제 또는 여타의 접착제를 사용하여 제 위치에 고정될 수도 있다. 결과적인 컬러 링을 고정구에서 분리하여, 컬러 휠의 작동 온도의 상한치 또는 그 이상의 온도에서 경화시키기 위해 오븐(oven) 속에 넣는다. 이로써, 컬러 휠이 회전하지 않는 경우에, 고온에서의 컬러 링의 응력은 제로(zero) 상태가 된다.

필터 세그먼트들(15, 15', 15")과 외측 링(3)의 제 1 접착 면(9) 사이에는 틈새가 없으므로, 외측 링(3)에의 필터 세그먼트들(15, 15', 15")의 부착은 자동적으로, 부착이 최대로 이루어지는 한, 원심력에 대해 강성을 가지게 된다. 세그먼트들이 허브(23)에 부착된 상태는 이렇지 않으므로, 회전을 하게 되면, 세그먼트들에는 반경 방향의 압축력이 작용하게 된다.

세그먼트들 사이에는 간극들(21, 21')이 있기 때문에, 저온 또는 극히 저온 상태에서 세그먼트들이 서로에게 응력을 미치지 않게 된다.

필터 세그먼트들을 외측 링에 부가적으로 고정시키기 위해, L 형상의 외측 링에 부가적으로 하나의 평평한 동심 링(flat concentric ring)(도시되지 않음), 또는 하나 이상의 동심 링 섹터들(sectors)(27, 29)이 적용될 수 있다. 이러한 링 섹터들은 접착제를 사용하여 필터 세그먼트들에 고정될 수 있다.

링 섹터(27)는 외측 링(3)에 스냅 메카니즘(snapmechanism)에 의해서 부착될 수도 있다. 도면에서 보다시피, 원통형 면(cylindrical surface)(7)의 높이가 필터 세그먼트들(15, 15', 15")의 두께보다 약간 높으므로, 외측 링은 노즈(nose)(31)를 제공할 수 있으며, 링 섹터(27)는 외측 링을 감싸서 노즈(31)의 에지부에 물려지는 방식으로 형성된다. 작동시의 소음을 줄이기 위해, 하나의 스냅 링 섹터(27)만을 사용하는 것보다, 전체가 하나의 스냅 링으로 된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 스냅 메카니즘을 바탕으로, 세그먼트들은 접착제 없이 외측 링에 고정될 수 있는데, 이를 실현하기 위해서, 세그먼트들을 외측 링쪽으로 배열하고, 거기에 스냅 링을 부착한다. 하지만 이런 형태에서는 세그먼트들이 서로에 대해 미끌어지지 않게 하는 수단이 필요한데, 이러한 목적으로, 세그먼트들 사이와 외측 링에 심들(shims)이 사용될 수 있다. 이러한 심들은 탄력성의 재질(elastic material)로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 심들에는 머리부(head)가 있어, 이 머리부가 외측 링에 있는 링 형상의 그루브(groove)(13)에 깔끔하게 맞추어지는 것이 바람직하다. 그루브는, 심(shim)의 머리부가 그루브 속으로 눌려지면 그루브 내에 스냅 체결되는 식으로, 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성(configuration)으로써, 심들은 외측 링에 고정된다. 그러나 외측 링을 따라 미끄럼 운동은 가능하다. 이런 원리는 레일(rail)에 상응하는 것이다.

도 2a에는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 컬러 휠(101)에 대한 평면도가 도시되어 있는데, 외측 링(103)은 불연속적인(interrupted) U 형상의 프로파일을 가지고 있다. 이를 보다 명확히 보여주기 위해, 도 2b에는 라인(line) A-A'에 따른 단면이 도시되어 있고, 도 2c에는 라인 B-B'에 따른 단면이 도시되어 있다. 이 경우, 세그먼트들(105, 105', 105", 105"')은 A-A'에 따른 L 형상 부분 속으로 삽입 되어, B-B'에 따른 U 형상 속으로 미끌어진다. L 형상 부분의 하나는 적어도 세그먼트들(105, 105', 105", 105"') 중 가장 큰 것만큼은 커야 한다. 왜냐하면 세그먼트들(105, 105', 105", 105"')은 허브와 조립되기 전에 외측 링(103) 속에 조립되며, 세그먼트들(105, 105', 105", 105"')이 방사형으로 미끌어져 들어갈 수 있어야 하기 때문이다.

도 2에는 허브가 세그먼트들(105, 105', 105", 105"')에 접착에 의하지 않고 부착되는 다른 방법이 부가적으로 도시되어 있는데, 이 예에서 허브(107)는 사각형 형상을 하고 있다. 앞에서 언급했다시피, 필터 세그먼트의 "내측 원호(inner circle arc)"는 상당한 변형이 이루어질 수 있는데, 여기서 세그먼트들(105, 105', 105", 105"')의 "내측 원호"는, 세그먼트들이 짜 맞추어졌을 때 "내측 원호"가 허브(107)의 형상을 따르는 방식으로 변형되어 있다. 이 형상은 회전 대칭형이 아니므로, 허브(107)의 회전은 직접적으로 세그먼트들(105, 105', 105", 105"')의 회전을 초래하게 된다.

도 3에는 도 2의 조립체에 대한 측단면도가 도시되어 있는데, 컬러 링(101)의 중앙 부분만 도시되어 있으며, 허브(107)와 두 개의 필터 세그먼트들(105', 105"')이 도시되어 있다. 허브에는 필터 세그먼트들이 끼워지는 리세스(117)가 있으며, 이 예에서, 상기 리세스(117)의 측벽들(side walls)(119)은 기저(basis)가 사각형이기 때문에 약간 피라미드 형상을 띠고 있다. 허브(107)의 중앙에는 나사 산이 나 있으며, 여기에 뚜껑(cap)(109)의 나사(screw)(111)가 체결된다. 상기 뚜껑(109)의 밑면(bottom side)에는 탄력성의 특징부(elastic features)(113)가 있는 데, 이것은 탄력성의 재질 그 자체일 수 있으며 또는 탄력적인 형상으로 된 어떤 것 일 수도 있다. 상기 뚜껑(109)을 허브(107)에 나사로 조이면, 상기 탄력성의 특징부가 필터 세그먼트들을 누르게 된다. 추가적으로, 상기 뚜껑에는 탄력성의 쐐기(elastic wedge)(115)가 제공되어 있으며, 이것은 리세스(117)의 측벽(119)을 따라 미끌어지며, 중심에서 반경 바깥쪽으로 향하는 힘을 필터 세그먼트에 가하게 된다.

도 4에는 프로젝션 디스플레이(projection display)(200)가 도시되어 있는데, 이러한 시스템은 전방 또는 후방 프로젝션 시스템 등에 사용될 수 있다. 적용분야의 적합한 예로는 텔레비젼을 들 수 있다.

램프(lamp)(202)는 빛을 제공하고, 이 빛은 인터그레이터(integrator)(204)에 의해 집적된다. 인터그레이터(204)는 예컨대 내측으로 향하는(inward facing) 4 개의 거울로 형성된 중공의 경로(hollow path)이다. 램프(202)에서 나온 빛은 거울들로부터 여러 번 반사되어, 인터그레이터(204)의 출구에서 사각형의 균일한 광 필드(field of light)가 형성될 수 있다. 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)(218)가 어떤 컬러로 프로그램 지정되면, 컬러 휠(206)은 이에 맞는 컬러의 빛을 제공하도록 설계되어 있다. 외측 링도 참조번호 없이 도시되어 있다. 광 경로(optical path)의 하류측(downstream)에는 조명렌즈들(illumination lenses)(208)이 있어서, 이것이 인터그레이터(204) 출구에서의 균일한 필드를 프리즘(210)을 거쳐 SLM(218)에 투사하는 역활을 한다. 그 후, 공간적으로 변조된 빛(spatially modulated light)은 프로젝션 렌즈(214)로 제공된다.

모든 내용들이 투과식(transmissive) 컬러 휠에 초점을 맞추어 기술되었는데, 그러나 반사(reflection)를 기초로 한 컬러 휠에도 동일한 원리가 적용될 수 있다. 예컨대, 만일 필터 세그먼트들이 얇은 필름의 간섭 필터들(thin film interference filters)의 도움으로 채색되어 있다면, 컬러의 선정은 주로 빛의 선택적인 투과 및 반사를 통해 일어날 것이다. 그러므로 이러한 투과식 컬러 휠(transmissive color wheel)은 동시에 반사식 컬러 휠(reflective color wheel)이며, 어떤 프로젝터들(projectors)에 있어서는, 컬러 휠의 작동 모드(operation mode)가 반사식이다. 또한 전적으로는 아니지만, 반투명한 세그먼트들(translucent segments)을 가지고 있는 컬러 휠들이 있으며, 예컨대 빛을 차단하는 흑색의 세그먼트를 포함하는 컬러 휠들이 있다.

본 발명의 원리는 이러한 컬러 휠들에게도 유익하게 적용될 수 있으며, 이는 본 발명의 권리 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

도면들 상에는 평면의 필터 세그먼트들만 도시되어 있지만, 본 발명의 사상은, 평면이 아니고 예컨대 렌즈나 여타 구조들을 포함하는 세그먼트들을 지닌 컬러 휠에도 적용될 수 있음을 주지하여야 한다.

이러한 컬러 휠에도 본 발명의 원리는 유익하게 적용될 수 있으며, 이는 본 발명의 권리범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims

모터(motor) 그리고 상기 모터 상에 부착된 컬러 링(colour ring)(1)을 구비한 컬러 휠(colour wheel)로서,

상기 컬러 링(1)은 허브(hub)(23), 캐리어(carrier)(3) 및 다수의 필터 세그먼트들(filter segments)(15, 15', 15")을 포함하고, 상기 필터 세그먼트들은 광 경로(light path) 안에 삽입될 목적으로 상기 캐리어(3) 상에 단단히 부착되어 있으며;

상기 캐리어(3)의 기하학적 형상은, 상기 캐리어를 위에서 볼 때 최소 면적을 가지는 원형 링(circular ring)이 되고, 이로써 상기 원형 링에 의해 외측 반경(outer radius) 및 내측 반경(inner radius)이 구분 지어지며;

상기 각각의 필터 세그먼트들(15, 15', 15")은 반투명하며(translucent);

상기 각각의 필터 세그먼트들(15, 15', 15")은, 내측 반경을 지닌 원(circle with inner radius) 안쪽에 반경 방향으로(radially) 연장되어, 연속적이며 반투명한 링 형상의 영역(ring shaped area)을 형성하는 데 기여하고, 상기 컬러 링이 회전함에 따라 광 경로(light path) 안에 내밀어져서 광 경로에 대해 반투명하게 되어 있으며;

상기 허브(23)는 모터에 부착되어, 상기 컬러 링의 회전을 위해 제공되어 있으며;

상기 허브(23)는 중심축을 지니고 있어 상기 중심축을 중심으로 회전할 수 있으며;

상기 적어도 하나의 필터 세그먼트는 상기 허브(23)에 부착되어 있으며;

상기 필터 세그먼트들이 상기 허브(23)에 부착된 상태는, 상기 필터 세그먼트들이 캐리어(3)에 고정된 상태보다 원심력에 대해 덜 튼튼하게 부착되어 있어서, 상기 컬러 링이 회전할 때 모든 필터 세그먼트들에게 압축력이 작용하도록 되어 있는 것;을

특징으로 하는 컬러 휠.
제 1 항에 있어서,

실온에서, 상기 세그먼트들은 0.01 mm 내지 0.3 mm의 간극(21, 21')으로 이격 되어 있는 것을 특징으로 하는 컬러 휠.
제 1 항에 있어서,

실온에서, 상기 세그먼트들이 0.05 mm의 간극으로 이격 되어 있는 것을 특징으로 하는 컬러 휠.
모터(motor) 그리고 상기 모터 상에 부착된 컬러 링(colour ring)(101)을 구비한 컬러 휠(colour wheel)로서,

상기 컬러 링(101)은 허브(hub)(107), 캐리어(carrier)(103) 및 다수의 필터 세그먼트들(filter segments)(105, 105', 105" 105"')을 포함하고, 상기 필터 세그먼트들은 광 경로(light path) 안에 삽입될 목적으로 상기 캐리어(103) 상에 단단히 부착되어 있으며;

상기 캐리어(103)는 단속적인(interrupted) U-형상의 프로파일(U-shaped profile) 및 단속적인(interrupted) L-형상의 프로파일(L-shaped profile)의 단면을 지니고 있으며;

상기 각각의 필터 세그먼트들(105, 105', 105" 105"')은 반투명하며;

상기 각각의 필터 세그먼트들(105, 105', 105" 105"')은 내측 반경을 지닌 원(circle with inner radius) 안쪽에 반경 방향으로(radially) 연장되어, 연속적이며 반투명한 링 형상의 영역(ring shaped area)을 형성하는 데 기여하고, 상기 컬러 링이 회전함에 따라 광 경로(light path) 안에 내밀어져서 광 경로에 대해 반투명하게 되어 있으며;

상기 허브(107)는 모터에 부착되어, 상기 컬러 링의 회전을 위해 제공되어 있으며;

상기 허브(107)는 중심축을 지니고 있어 상기 중심축을 중심으로 회전할 수 있으며;

상기 적어도 하나의 필터 세그먼트는 상기 허브(107)에 부착되어 있으며;

상기 허브(107)는, 상기 허브를 상기 필터 세그먼트들에 고정시키기 위해, 탄성체 수단(elastic means)(115)을 포함하고 있고, 상기 탄성체 수단(115)은 상기 필터 세그먼트들에게 반경 방향 바깥쪽으로 압력을 가해주는 것;을

특징으로 하는 컬러 휠.
제 4 항에 있어서,

상기 허브가 접착제 없이 기계적인 수단(mechanical means)(109, 111, 113)에 의해 상기 필터 세그먼트들에 고정되는 것을 특징으로 하는 컬러 휠.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 필터 세그먼트들이 스냅 링(snap ring)(27)에 의해서 상기 캐리어에 고정되는 것을 특징으로 하는 컬러 휠.
제 6 항에 있어서,

상기 캐리어는, 상기 필터 세그먼트들을 서로 떨어진 상태로 유지하기 위하여, 탄력성의 심들(elastic shims)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 컬러 휠.
제 7 항에 있어서,

상기 심들은, 상기 캐리어에 포함되어 있는 링 형태의 그루브(ring shaped groove)와 서로 상호 작용(interact)을 하는 머리부(head)를 포함하고 있고, 상기 필터 세그먼트들이 필요한 장소로 이동될 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 컬러 휠.