컬러 휠 document_id A220623108905

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, 할선(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.