TWI411865B - 色彩輪 - Google Patents

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Description

色彩輪
本發明係一種投影機用的色輪，其作用是使投影機產生的照明能夠連續變換顏色。
習知的色輪通常是應用在需要周期性地以很快的順序換色的場合。例如應用在圖像產生器或顯示器等光學系統中。電視機的背後投影系統及正面投影系統是這種色輪的典型應用範圍。
為了快速變換顏色，需要以快速順序將不同的濾色鏡放到光程(optical path)上。為了執行這個工作，通常是使用一種帶有支承座的構件，在這個構件上設有排列成圓環狀的濾色鏡區段。這個構件構成一個色轉子，同時濾色鏡區段的部分區域突出於支承座外。突出於支承座外之濾色鏡區段的部分區域構成一個用來設置在光程上的色環。在使用時，色轉子會繞其中心軸旋轉。經由色轉子的快速旋轉，濾色鏡區段會不斷交替的進入及離開光程，並產生快速的換色。為了使色轉子繞中心軸轉動，故將色環固定在一個馬達的驅動軸上。色環與這個馬達就構成一個色輪。
由於圖像產生設備必須能夠產生高品質的圖像，因此必須以非常快的順序進行換色。這表示濾色鏡區段必須以很快的速度通過一道光束的光程，也就是說色轉子必須以很快的速度旋轉。由於色轉子以很快的速度旋轉，使色轉子必須承受比重力加速度g大上數百倍的加速度產生的作 用力，尤其是必須由敏感的濾色鏡區段承受這個作用力。如果要產生品質特別好的圖像，這個加速度甚至會超過1000g。此外，色轉子也必須具有非常好的徑向平衡，才能使色使色輪具有很長的使用壽命。圖像產生設備也必須產生的圖像亮度也必須達到很高的要求，因此必須配備高功率的光源。由於使用高功率的光源，使圖像產生設備必須承受最高達100℃的高溫。
另外一方面，色輪又經常必須能夠忍受低達-20℃或甚至更低的溫度。例如在運送投影機(及裝設在投影機內的色輪)的過程中，經常會出現必須忍受低溫的情況。這種必須忍受低溫的情況也可能發生在投影機被賣出去之前的庫存階段。
因此濾色鏡區段固定在支承座上的強度及濾色鏡的穩定性都必須符合非常高的要求。因此必須以低成本製造出高品質的色輪，才能夠將色輪廣泛的應用在各式各樣的低價顯示器上。
歐洲專利EP 0 615 142 A2提出一種應用在圖像產生裝置上的具有圓形配置的濾色鏡區段的色轉子。在這種色轉子中，濾色鏡區段是安裝在一片玻璃環上。這種色轉子的一個缺點是，當色轉子被放到光程上時，光強度很大的光線必須通過色輪上的一個帶有黏著劑的部位。大部分的黏著劑都無法忍受強度這麼大的光線。另外一個缺點是玻璃環會造成額外的光線損失，因而降低整個裝置的經濟效益。
美國專利US 5,868,482提出的方法是將平坦的濾色鏡黏著在一個支承座上，以使濾色鏡區段之間的區域在旋轉方向上不會被不透明的材料阻斷。濾色鏡區段的表面黏著在位於朝向旋轉軸方向的條帶狀區域內的支承座上。表面黏著的範圍只在一個很窄的環狀區域內朝旋轉中心的方向延伸，因此從旋轉軸往外面看過去，濾色鏡區段的大部分表面都是可以被利用的環形透明區域。因此完全不需要另外使用其他的固定元件。
美國專利US 6,705,733也提出同樣的設計方法，不過另外在濾色鏡區段上加了一片圓片。這個圓片的表面帶有一個可以用來使色輪保持平衡的溝槽。但是這個專利完全沒有考慮到色輪會碰到不同溫度的情況，也完全沒有提及要如何解決溫度差異的問題。此外，這個專利也沒有提及色輪的材料特性。
如果按照美國專利US 5,868,482建議的方式將濾色鏡區段黏著在支承座上，則黏著劑類種的選擇就會變得很重要，而且要根據色輪的運轉速度選擇要使用那一種黏著劑。
低運轉速度介於4000 rpm(revolution per minute)至10000 rpm之間，典型的低運轉速度為7200 rpm。所謂rpm是指每分鐘的轉數。高運轉速度介於10000 rpm至25000rpm之間，典型的低運轉速度為14400 rpm。
如果使用的是軟性黏著劑，當運轉速度很快時，濾色鏡區段比較容易脫落。硬性黏著劑的黏著效果雖然比較好 ，但是在模擬低溫存放的情況下進行的應力分析顯示，硬性黏著劑可能會因為玻璃破裂而使色輪受損。
從以上的說明可知，吾人需要的是一種以典型材料製成、適用於高運轉速度的應用場合、以及能夠忍受從-20℃到+80℃之間的溫度變化而不會受損的色輪。
因此本發明的目的是提出一種符合上述要求的色輪，以及製造這種色輪的方法。
一個解釋玻璃之所以會破裂的假說是因為構成濾色鏡區段的材料(玻璃)和支承座材料(例如鋁)的熱膨脹係數(CTE：coefficient of thermql expansion)的差異造成的。
為達到上述目的，本發明對美國專利US 5,858,482提出的色輪進行改良，改良的方式是不要將濾色鏡區段直接黏著在可旋轉的支承座上，而是在濾色鏡區段及可旋轉的支承座之間另外放入一片圓片，而且這片圓片具有和濾色鏡區段相同或十分接近的熱膨脹係數。
本發明的一種色輪具有一個馬達及一個轉子，其中轉子的支承座是由具有第一熱膨脹係數(CTE1)的材料製成，轉子的透明濾色鏡區段則是由具有第二熱膨脹係數(CTE2)的材料製成，而且CTE1與CTE2是不同的。濾色鏡區段經由一片連接在其上的圓片被固定在支承座上，同時濾色鏡區段的部分區域突出於圓片及支承座之外，而且突出於圓片及支承座之外的濾色鏡區段的部分區域共同形成一個環形的透明區域，其中圓片是由具有第三熱膨脹係數(CTE3)的材料製成，而且CTE3係實質上等於CTE2或者是符合：
本發明的一種有利的實施方式是以實質上相同的材料製作圓片及濾色鏡區段。
可以用金屬作為製造圓片的材料，例如鋼鐵，而且最好是不銹鋼。
例如可以用鋁作為製造支承座的材料，以及用玻璃及/或塑膠作為製造濾色鏡區段的材料。
可以用第一黏著劑將濾色鏡區段固定在圓片上，以及用第二黏著劑將圓片固定在支承座上，其中第一黏著劑形成的連接強度最好是明顯大於第二黏著劑形成的連接強度。
本發明的另外一種色輪具有一個馬達及一個轉子，其中轉子的支承座是由具有第一熱膨脹係數(CTE1)的材料製成，轉子的透明濾色鏡區段則是由具有第二熱膨脹係數(CTE2)的材料製成，而且CTE1與CTE2是不同的。濾色鏡區段經由一支承座鍍膜被固定在支承座上，同時濾色鏡區段的部分區域突出於支承座之外，而且突出於支承座之外的濾色鏡區段的部分區域共同形成一個環形的透明區域，其中支承座鍍膜之熱膨脹係數(CTE4)係符合：CTE4=CTE2或是。
例如可以用鈦作為鍍膜材料。
例如可以用鋁作為製造支承座的材料，以及用玻璃及/ 或塑膠作為製造濾色鏡區段的材料。
一種製造本發明之色輪的方法具有以下的步驟：-- 選擇一種製造支承座用的材料，具有第一熱膨脹係數(CTE1)；-- 製作若干濾色鏡區段，最好是以玻璃或塑膠作為製造濾色鏡區段的材料，具有第二熱膨脹係數(CTE2)，而且CTE1及CTE2是不相同的；-- 設置具有第三熱膨脹係數(CTE3)的圓片，其符合CTE3=CTE2或是；-- 將濾色鏡區段固定在圓片上，最好是利用黏著劑固定，濾色鏡區段的部分區域突出於圓片之外，突出於圓片之外的濾色鏡區段的部分區域形成一個環形區域；-- 準備一個帶有可轉動之支承座的馬達，支承座係以前面選擇的支承座材料製作而成，而且支承座的周長小於突出於圓片之外的濾色鏡區段的部分區域形成之環形區域的周長；-- 將支承座對中固定在圓片背對濾色鏡區段的那一個面上。
接著就可以將色輪調整平衡。
以下配合圖式及實施方式對本發明的內容做進一步的說明。
第1A圖顯示本發明之色輪的第一種實施方式的分解圖。第1B圖顯示第1A圖的色輪在組裝完成後的情況。第 1A圖及第1B圖顯示的色輪(1)具有一個可轉動的支承座(3)、濾色鏡區段(5，5’，5”)、以及一片圓片(7)。
可轉動的支承座(3)應該易於製造，而且重量又輕。因此通常是以鋁作為製造支承座(3)的材料。命在20℃時的CTE為23x10-6/K。為了節省篇幅，以下將把“在20℃時的CTE為23x10-6/K”簡寫成“CTE=23”。
濾色鏡區段(5，5’，5”)是以鍍有一層干涉膜的透明玻璃片製成。因此一部分可見光譜會通過濾色鏡區段，另外一部分會被反射回去。先將玻璃片鍍膜，然後再切割成所需要的區段形狀。在玻璃片上可以快速的進行劃線和切割的動作，這也是通常都選擇以玻璃作為製造濾色鏡區段材料的一個原因。玻璃在20℃時的CTE通常在CTE=0.5至CTE=10之間。本實施例使用的是一種BK7玻璃。BK7玻璃為CTE=7.1。
可轉動的鋁製支承座(3)及玻璃製濾色鏡區段(5，5’，5”)的熱膨脹係數(CTE)相差很大。如果用黏著劑直接將玻璃製濾色鏡區段(5，5’，5”)黏著在可轉動的鋁製支承座(3)上，黏著劑就必須具有足夠的柔軟度，以抵銷二者在CTE上的差異。但是在這種情況下黏著劑的強度會直接受到黏著劑硬度的影響。
依據本發明的第一種實施方式，玻璃製濾色鏡區段(5，5’，5”)是被黏著在一片玻璃製的圓片(7)上。由於玻璃製的圓片(7)具有和濾色鏡區段(5，5’，5”)相同的CTE，因此可以使用一種高強度的硬性黏著劑將濾色鏡區段(5，5’，5”)固定在圓片(7)上。圓片(7)可以是一片環形圓片，也可以是 一片圓形的圓片。圓片(7)的直徑小於由濾色鏡區段構成的濾色鏡環。因此濾色鏡區段會形成一個能夠讓光線透過的外圍之透明環。因此光線不必像已知技術(利如歐洲專利EP 0 615 146 A2)一樣，必須穿過兩片玻璃片和一個黏著層。此外，由於使用的是一種強度較大的硬性黏著劑，因此需要的黏著面積也小於美國專利US 5,868,482的黏著面積。
接著就可以將這個組成好的環固定在鋁製支承座(3)上。圓片(7)會將濾色鏡區段(5，5’，5”)固定及穩定住，以抵抗離心力的作用。因此可轉動的支承座(3)及圓片(7)之間的連接只需承受帶動及維持組成好的環旋轉的旋轉力。也就是說這個連接所承受的作用力遠小於濾色鏡區段(5，5’，5”)及圓片(7)之間的連接所承受的作用力。因此即使是在運轉速度很快的應用場合，也可以用強度較小的黏著劑將圓片(7)固定在可轉動的支承座(3)上。也就是說可以使用軟性黏著劑，以抵銷鋁製支承座(3)和玻璃製圓片(7)之間的CTE差異。
本發明的第二種實施方式是以金屬製圓片取代玻璃製圓片(7)，而且這種金屬的CTE比鋁的CTE小很多，但是並不小於濾色鏡區段的CTE。例如鐵(CTE=12.2)、鋼(CTE=13.0)、鎳(CTE=9.0)、鉑(CTE=10.8)、鈦(CTE=10.8)、或是這些金屬的合金。從硬度及在可轉動的支承座上的附著性來看，鈦是一種很好的選擇。但是基於成本考量，通常是選擇以不銹鋼(SST-410)作為製作這金屬製圓片的材料。不銹鋼(SST-410)在20℃時的CTE=9.9。由於不銹鋼的CTE和玻璃的CTE相當接近，因此可以用一種強度很大的黏著劑將玻 璃製濾色鏡區段固定在不銹鋼製圓片上。金屬不像玻璃一樣易碎，而且具有相當好的可塑性。只要鋼製圓片具有足夠的厚度，固定在可轉動的支承座上的鋼製圓片就會具有很大的剛性。由於金屬具有良好的可塑性，因此在溫度變化時所產生的應力比較小。金屬製圓片也可以抵銷可轉動的鋁製支承座和玻璃製濾色鏡區段之間的CTE差異造成的影響。
到目前為止，本說明書僅提及可以用玻璃或金屬為材料製作設置在濾色鏡區段及支承座之間的圓片。但這並不表示不能使用其他的材料，事實上只要是具有適當的CTE，也就是能夠讓濾色鏡可以穩固的被固定住的材料都可以被用來製作圓片。例如各種不同的陶瓷材料或塑膠材料都是可能的材料。如果這些材料還具有足夠的可塑性，就可以和支承座形成非常固且穩定的連接。
第2A圖顯示本發明的第三種實施方式的分解圖。第2A圖顯示的色輪具有一個可轉動的鋁製支承座(203)、兩片圓片(207，209)、以及玻璃製濾色鏡區段(205，205’，205”)。在本說明書中所舉的例子都只有3個濾色鏡區段，但事實上本發明的設計可以應用在所有具有兩個以上的濾色鏡區段的色輪上。玻璃製濾色鏡區段(205，205’，205”)係設置在第一圓片(207)及第二圓片(209)之間。圓片(207，209)是以CTE比鋁製支承座(203)的CTE小很多的玻璃或金屬製成。最好是以不銹鋼(SST-410)作為製作圓片的材料。
如第2A圖所示，圓片(207，209)及鋁製支承座(203)可以具有一個鑰匙-鑰匙孔系統的元件。也就是說圓片(207， 209)具有並非旋轉對稱的中心孔(211，213)，鋁製支承座(203)則具有一個形狀與之對應的鑰匙元件。
第2B圖顯示第2A圖的色輪在組裝完成後的情況。玻璃製濾色鏡區段(205，205’，205”)可以被黏著在第一圓片(207)或第二圓片(209)上，也可以被同時黏著在第一圓片(207)及第二圓片(209)上。此處要指出的是，鑰匙元件(215)及圓片(209)還可以另外具有讓圓片(209)能夠以快速卡鎖的方式固定在鑰匙元件(215)上的構造。使用這種固定方式就不需要另外再用黏著劑固定，當然要另外搭配黏著劑固定也是可以的。另外一種可行的方式是，不論是否有有配備這種快速卡鎖，都可以用焊接方式將圓片(209)固定在鋁製支承座(203)上。
圓片(7，207)的厚度必須大到讓圓片易於被安裝及處理的程度。實務上圓片厚度的下限為20μm。圓片的厚度並不會對色輪的功能造成影響，不過最好是不要超過5mm，以免色輪的尺寸變得太大。
為了測試在特定材料組合的情況下，圓片厚度要多大才算足夠，可以將一個由支承座、玻璃區段、以及圓片構成的測試轉子放到-20℃至+80℃的溫度循環中。然後再使測試轉子以實際使用時的運轉速度旋轉，以確認測試轉子是否能夠承受這樣的荷載。可以對具有不同圓片厚度的測試轉子進行這樣的測試。
第3圖顯示本發明的第四種實施方式的一個斷面圖。第3圖中的兩個玻璃區段(305，305’)被固定在一個可轉動的鋁製支承座(303)上。鋁製支承座(303)有鍍上一層金屬層 (307)。金屬層(307)的CTE比鋁之CTE小很多。在這個實施方式中，鈦是製作這個金屬層最理想的鍍層材料。除了鈦以外，也可以用其他CTE比鋁之CTE小的材料作為鍍層材料。用一種硬性黏著劑將玻璃區段(305，305’)黏著在金屬層(307)上。由於金屬層(307)具有良好的可塑性，因此可以作為緩衝墊以降低鋁製支承座(303)及玻璃區段(305，305’)之間的應力。為了能夠有效降低應力，金屬層必須具有足夠的厚度。實驗結果顯示，金屬層的厚度至少要有250nm，才能達到降低應力的效果。但是金屬層的厚度如果超過20μm製造成本就會變得太高。
第4A圖至第4C圖顯示本發明的另外一種實施方式。到目前為止，為了簡化圖面起見，所有的圖式都只繪出色轉子，而沒有繪出驅動色轉子的馬達。第4A圖則是顯示一個帶有馬達(421)的色輪的分解圖。馬達(421)具有一個圓柱體狀的可轉動的第一支承座(423)。在第一支承座(423)上有一個環狀的第二支承座(403)。第一支承座(423)具有結構(401)，其作用是作為止檔將環狀的第二支承座(403)固定在正確的位置上。
環狀的第二支承座(403)是由兩個直徑不同並經由連接環(429)連接在一起的空心圓柱體(425，427)所構成。較小的空心圓柱體的內表面緊靠在第一支承座(423)的外殼面上。連接環(429)具有一個上表面(431)及一個下表面(433)。不銹鋼(SST-410)製的圓片(407)設置在下表面(433)上。此處標示的數字“-410”代表的是材料種類，而不是代表圖式中任何元件。玻璃製濾色鏡區段(405，405’)設置在圓片(407) 上。由於不銹鋼(SST-410)的CTE比鋁更接近玻璃的CTE，因此當色輪所處環境的溫度改變時，作用在玻璃製濾色鏡區段(405，405’)的應力會比較小。
因此可以使用強度較大的硬性黏著劑將玻璃製濾色鏡區段(405，405’)固定在圓片(407)上，以及使用軟性黏著劑將圓片(7)固定在第二支承座(403)上。第4B圖顯示色輪在組裝完成後的斷面圖。
從第4C圖可以看出，不需使用任何黏著劑就可以將圓片(7)固定在第二支承座(403)上。同樣的，在將不銹鋼(SST-410)製的第二圓片(435)固定在玻璃製濾色鏡區段(405，405’)背對第一圓片(407)的那一個面上時，只要結構(401)具有適當的幾何形狀，以便第二圓片(435)能夠靠放在結構(401)上，則不需使用任何黏著劑就可以完成這個固定工作。同時第二支承座(403)及結構(401)能夠將圓片(407，435)及玻璃製濾色鏡區段(405，405’)組成的環緊緊地夾住，這樣就可以形成一個非常穩固的構件。
色輪最好還具有可以平衡色轉子的設計。第4A圖至第4C圖顯示的實施方式就具有這種平衡設計。這個設計包括由第二支承座(403)的較大的空心圓柱體(427)和連接環(429)及第一支承座(423)的一部分外殼面共同構成一個能夠容納平衡用材料的環形容器，以及在第一支承座(423)的頂端上設置一道環形溝槽(437)。平衡用的材料也可以填入溝槽(437)。利用這種方式甚至可以讓色輪在兩個平面上都達到平衡。
1‧‧‧色輪
3‧‧‧支承座
5‧‧‧濾色鏡區段
5’‧‧‧濾色鏡區段
5”‧‧‧濾色鏡區段
7‧‧‧圓片
203‧‧‧支承座
205‧‧‧濾色鏡區段
205’‧‧‧濾色鏡區段
205”‧‧‧濾色鏡區段
207‧‧‧圓片
209‧‧‧圓片
211‧‧‧中心孔
213‧‧‧中心孔
215‧‧‧鑰匙元件
303‧‧‧支承座
305‧‧‧玻璃區段
305’‧‧‧玻璃區段
307‧‧‧金屬層
401‧‧‧結構
403‧‧‧第二支承座
405‧‧‧濾色鏡區段
405’‧‧‧濾色鏡區段
407‧‧‧第一圓片
423‧‧‧第一支承座
425‧‧‧空心圓柱體
427‧‧‧空心圓柱體
429‧‧‧連接環
431‧‧‧上表面
433‧‧‧下表面
435‧‧‧第二圓片
第1A圖顯示本發明之色輪的第一種實施方式的分解圖；第1B圖顯示第1A圖的色輪在組裝完成後的情況；第2A圖顯示本發明的第三種實施方式的分解圖；第2B圖顯示第2A圖的色輪在組裝完成後的情況；第3圖顯示本發明的第四種實施方式的一個斷面圖；及第4A圖至第4C圖顯示本發明的另外一種實施方式。
1‧‧‧色輪
3‧‧‧支承座
5‧‧‧濾色鏡區段
5’‧‧‧濾色鏡區段
5”‧‧‧濾色鏡區段
7‧‧‧圓片

Claims (9)

  1. 一種色輪，具有一個馬達及一個轉子，其中轉子的支承座是由具有第一熱膨脹係數CTE1之材料製成，轉子的區段是由具有與第一熱膨脹係數不同的第二熱膨脹係數CTE2之材料製成，區段經由一片連接在其上的圓片被固定在支承座上，同時區段的部分區域突出於圓片及支承座之外，突出於圓片及支承座之外的區段的部分區域共同形成一個環形區域，其中圓片之材料係具有第三熱膨脹係數CTE3，而且CTE3實質上等於CTE2或者是符合：
  2. 如申請專利範圍第1項的色輪，其中，該圓片之材料實質上與該區段之材料相同。
  3. 如申請專利範圍第1項的色輪，其中，該圓片之材料是一種金屬，尤以鋼鐵為佳，而且最好是不銹鋼。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項的色輪，其中，該支承座實質上為鋁製支承座，且該區段之材料實質上為玻璃及/或塑膠。
  5. 一種色輪，具有一個馬達及一個轉子，其中轉子的支承座是由具有第一熱膨脹係數CTE1的材料製成，轉子的透明區段則是由具有與第一熱膨脹係數不同的第二熱膨脹係數CTE2的材料製成，區段經由支承座鍍膜被固定在支承座上，同時濾色鏡區段的部分區域突出於支承座之外，而且突出於支承座之外的區段的部分區域共同形成一個環形的透明區域，其中支承座鍍膜之熱膨脹係數CTE4 係符合：CTE4=CTE2或是。
  6. 如申請專利範圍第5項的色輪，其中，該鍍膜之材料為鈦。
  7. 如申請專利範圍第6項的色輪，其中，該支承座之材料實質上為鋁，且該區段之材料實質上為玻璃及/或塑膠。
  8. 一種製造色輪的方法，具有以下的步驟：-- 選擇一種支承座之材料，其具有第一熱膨脹係數CTE1；-- 設置若干區段，最好是以具有與第一熱膨脹CTE1係數不同之第二熱膨脹係數CTE2的玻璃或塑膠作來製造該等區段；-- 設置具有熱膨脹係數CTE3的圓片，其中CTE3=CTE2或是；-- 將區段固定在圓片上，最好是利用黏著劑固定，區段的部分區域突出於圓片之外，突出於圓片之外的區段的部分區域形成一個環形區域；-- 準備一個帶有可轉動之支承座的馬達，支承座係以前面選擇的支承座材料製作而成，而且支承座的周長小於突出於圓片之外的區段的部分區域形成之環形區域的周長；-- 將支承座實質上置中地固定在圓片背對區段的那一個 面上。
  9. 如申請專利範圍第8項的色輪，其中，在完成申請專利範圍第8項的製造步驟後，將該色輪調整平衡。
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