Brevet FR2748126A1 — publié le 19971031

L'invention concerne une roue de couleurs comportant un support en forme de disque, qui peut tourner autour de l'axe central et comporte des segments de filtres colorés, plans, rapportés à la périphérie du support, segments qui sont orientés dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation et qui, dans la direction radiale, forment contre la périphérie du support une zone de forme annulaire qui est disposée d'une manière concentrique par rapport à l'axe central et est transparente, ainsi qu'un dispositif de formation d'images contenant une source de lumière, une roue de couleurs entraînée par un moteur, un dispositif de formation d'image, une optique de projection, et o le dispositif de formation d'image est constitué d'une matrice d'éléments modulateurs de lumière connectés ayant des temps de commutation inférieurs à 10 ms. Les dispositifs du type décrit ci-dessus sont utilisés là o il s'agit de produire, selon une séquence rapide, des changements périodiques de couleur dans un système optique, comme par exemple dans les nouveaux dispositifs de formation d'image ou les installations d'affichage. Pour produire des changements de couleur périodiques de ce type, on insère selon une succession rapide des filtres de couleurs dans le trajet optique. Dans ce but, on utilise ce que l'on appelle une roue de couleurs, qui a la structure d'un disque et présente sur sa périphérie des segments de filtres, disposés circulairement, qui forment un anneau et tournent autour de l'axe central de la roue. Sous l'effet de la rotation de la roue de couleurs, les segments de filtres arrivent en alternance dans le trajet optique, ce qui produit le changement périodique souhaité de couleur (The Eduard Rhein Foundation / Texas Instruments Inc., Digital Micromirror Device DMD). Du fait que la qualité d'image du dispositif de formation d'image doit être très grande, les changements des couleurs doivent se produire très rapidement Cela signifie que les segments de filtres doivent se déplacer à grande vitesse à travers le faisceau lumineux. La roue de couleurs, et en particulier les segments sensibles de filtres, se voient alors appliquer des forces importantes, en raison de l'accélération centripète, qui peut être plusieurs centaines de fois plus intense que l'accélération de la pesanteur g, et qui, pour des qualités d'image particulièrement bonnes, peut dépasser 1000 g. Par ailleurs, le dispositif doit satisfaire à des spécifications très sévères relatives à la rotation, pour arriver à des durées de vie en conséquence longues du dispositif. Les dispositifs de formation d'image de ce type doivent aussi satisfaire à des spécifications très sévères de luminosité, qui présupposent des sources de lumière très intenses. Du fait de ces sources de lumière très intenses, le dispositif est en conséquence exposé à des charges thermiques élevées, allant jusqu'à 100 C. Pour les raisons données ci-dessus, la force de maintien et la stabilité de couleur des segments de filtres doivent satisfaire à des spécifications très sévères. Une large utilisation dans ce que l'on appelle les affichages bon marché (Low-Cost Display) n'est par ailleurs possible que s'il est possible de fabriquer la roue de couleurs d'une manière extrêmement économique, compte tenu des spécifications élevées de qualité. Une roue de couleurs ayant des segments de filtres à disposition circulaire, destinée à une utilisation dans des dispositifs de formation d'image, est décrite dans EP 0 615 156 A2. Dans ce dispositif, les segments de filtres sont fixés à un anneau de verre. Ce montage présente l'inconvénient que l'anneau de verre est cher. En outre, ce n'est que moyennant des frais élevés qu'il est possible de satisfaire aux spécifications sévères de rotation. Enfin, sous l'effet de l'anneau de verre il se crée des pertes de lumière supplémentaires, ce qui diminue la rentabilité du montage dans son ensemble. De plus, on connaît des dispositifs de roue de couleurs qui entre les segments comportent des éléments de fixation, tels que des rayons, qui eux aussi diminuent le facteur de transmission globale de l'anneau portant les filtres colorés, et limitent la rentabilité. La présente invention vise à mettre à disposition un dispositif qui supprime les inconvénients de l'état actuel de la technique. En particulier, la roue de couleurs doit pouvoir satisfaire d'une manière reproductible aux propriétés mécaniques et optiques élevées, sur de longues durées d'utilisation, tout en pouvant être fabriquée d'une manière économique. Ce but est atteint selon l'invention en ce que la roue est caractérisée en ce que la zone transparente de forme annulaire n'est pas interrompue par des éléments de support, tels que des traverses, et que les segments de filtres sont collés à plat au support, dans une zone, en forme de bande, dirigée contre l'axe de rotation, les segments de filtres ne comportant pas de traversées. Les segments de filtres colorés plans sont dans ce but fixés à la périphérie d'un support en forme de disque, par collage, de façon que la zone transparente annulaire située entre les segments de filtres dans la direction de la rotation ne soit pas interrompue par des matériaux optiquement non transparents. Les segments de filtres colorés sont collés à plat au support sur une zone en forme de bande et dirigée contre l'axe de rotation, le collage en surface n'étant réalisé avec une orientation vers le centre de rotation que dans une étroite zone annulaire, de sorte qu'une partie importante de la surface des segments de filtres, quand on regarde radialement vers l'extérieur à partir de l'axe de rotation, reste libre, sous forme d'une zone utile annulaire transparente. Des éléments de fixation supplémentaires, qui exigeraient des traversées, comme par exemple des trous dans les segments de filtres, peuvent être entièrement évités. A vrai dire, les trous dans les segments de filtres produiraient des zones de tension au niveau des bords, qui peuvent conduire à des problèmes de rupture en présence des forces mécaniques élevées exigées, et donc ne peuvent être tolérées. Le support en forme de disque présente dans son centre des moyens, par exemple un trou, pour fixation d'un axe d'entrainement, qui est motorisé et qui fait tourner la roue de couleurs à de grandes vitesses de rotation, à partir de quelques milliers de tours par minute. Dans les dispositifs de formation d'image, et pour obtenir une bonne qualité d'image, il faut faire appel à des vitesses de rotation tellement grandes que des accélérations centrifuges apparaissent, supérieures à 300 g, mais qui sont de l'ordre de 800 à 2000 g si l'on veut de très bonnes qualités d'image. Cela exige un soin particulier lors du dimensionnement de la roue de couleurs, avec les zones de collage correspondantes. Pour arriver à un bon synchronisme, avec un faible développement de bruits et une longue durée de vie, la roue de couleurs doit être très rigoureusement équilibrée. Dans les applications préférées, on s'efforce de préférence d'avoir des temps d'utilisation supérieurs à 40 000 heures de MTBF. La qualité de l'équilibrage nécessaire dans ce but doit satisfaire à la norme G 6.3 de ISO 1940 - 1973. Les valeurs doivent être atteintes quand la roue de couleurs est assemblée. Cela signifie que la construction de la roue doit être réalisée de façon à permettre un équilibrage simple après montage final. La forme de réalisation de la présente invention le permet, par élimination de matière au niveau de la roue finie pour l'opération d'équilibrage sur le support en forme de disque, de préférence sous forme d'un évidement de matière, cet évidement étant de préférence réalisé sous forme d'un trou. Cet évidement, ou encore le trou, doit être réalisé sur le disque support sous forme d'un trou borgne et ne pas traverser le support. Mais les évidements peuvent aussi être prévus avant même l'opération d'équilibrage. Pour l'équilibrage, ils sont en conséquence pourvus d'un matériau de remplissage, qui ici peut parfaitement être un adhésif. En tant que matériaux pour le disque support, on peut utiliser des plastiques, tout comme des métaux. Mais un alliage léger, tel par exemple que l'aluminium ou les alliages d'aluminium, sont particulièrement adaptés à cette fin. Pour entraîner la roue de couleurs, on utilise des moteurs électriques, mais en particulier des moteurs d'entraînement tels ceux qui sont utilisés pour les disques durs. En tant que filtres colorés, on utilise des filtres à couche interférentielle. Ces derniers sont constitués d'une manière connue de couches alternées, par exemple en TiO2/SiO2, qui sont dimensionnées en fonction des caractéristiques exigées de filtration. En raison de la haute stabilité optique exigée vis-à-vis des variations de température et de l'humidité de l'air, il faut s'efforcer d'avoir des couches étanches. On peut y arriver de préférence par ce que l'on appelle le procédé de revêtement par pulvérisation. Pour une roue de couleurs, on a en général besoin d'au moins deux segments différents. Mais on utilise souvent aussi des segments à trois couleurs, dans lesquels l'anneau portant les filtres colorés est constitué de trois segments de filtres disposés les uns derrière les autres, par exemple en les couleurs rouge, verte et bleue. Une roue de couleurs particulièrement adaptée à la perception des couleurs par le dispositif de formation d'image est constitué d'un montage comportant quatre segments colorés, deux segments opposés présentant la même couleur, par exemple rouge, et les deux autres segments présentant des couleurs différentes, par exemple bleu et vert. La caractéristique de filtration des segments filtrants doit alors présenter une stabilité extrême à la température et à l'humidité. Sur une plage de températures de 10 à 100 C, et sur un intervalle d'humidités de 0 à 90 % d'humidité relative de l'air, la stabilité totale de la caractéristique de filtration doit de préférence se trouver dans un intervalle présentant un écart inférieur à 5 nm. Pour une utilisation dans des dispositifs de formation d'image, on préfère cependant tout particulièrement des filtres présentant des décalages inférieurs à 1 nm dans les intervalles indiqués ci-dessus. i est possible de réaliser ces bonnes qualités de filtration d'une manière économique, surtout avec les procédés mentionnés ci-dessus de pulvérisation cathodique, par exemple la pulvérisation au magnétron. Mais des procédés particulièrement économiques de pulvérisation sont les procédés connus sous le nom de "Intramode", selon le brevet US N0 5 292 417, qui représente une partie intégrante de la présente demande, ainsi que le procédé de pulvérisation au hacheur réactif utilisant un magnétron, connu par exemple d'après le brevet EP 0 564 789. Dans le procédé de pulvérisation par hacheur, la source de pulvérisation par magnétron est actionnée d'une manière synchronisée, ou encore on applique une tension synchronisée supplémentaire à la décharge du magnétron, sur l'intervalle de fréquences allant de quelques centaines de Hz à quelques centaines de kHz, auquel cas on pulvérise une cible métallique, par addition d'un gaz réactif, de façon à déposer sur le substrat la couche diélectrique correspondante. Au lieu d'effectuer cette synchronisation ou ce hachage, il est aussi possible de procéder à un couplage ou à un recouvrement d'une fréquence moyenne, auquel cas, tout comme dans le procédé à synchronisation, il est possible d'avoir un dépôt économique de couches diélectriques par le procédé de pulvérisation au magnétron. Pour pouvoir réaliser un collage particulièrement bon des segments de filtres et du disque support, on peut prévoir sur le disque support, dans la zone de collage, un évidement qui doit correspondre à la surface à coller, et qui est à même de recevoir en conséquence l'adhésif dans une zone circulaire concentrique. Le renfoncement doit de préférence correspondre à l'épaisseur optimale du film d'adhésif, qui, en particulier pour les adhésifs appropriés, est comprise entre 50 et 200 gm. En tant qu'adhésif satisfaisant aux spécifications sévères, on utilise un adhésif époxyde, de préférence du type DP460 de la Sté. 3M. L'évidement doit être configuré de façon à prévoir, au niveau du diamètre intérieur et du diamètre extérieur des évidements, des surélévations ou des entretoises, qui représentent des surfaces d'appui précises dans le plan de rotation destiné aux segments filtrants. Ces surfaces d'appui, avec l'évidement annulaire, sont de préférence décalées par rapport à la surface du support en forme de disque, de façon que les segments de filtres soient, en coupe transversale, disposés d'une manière approximativement centrée par rapport à la section transversale du disque. L'abaissement peut être réalisé, avec son épaulement radial, de façon que ce dernier serve aussi d'épaulement d'appui radial pour le positionnement des segments de filtres. Avec cette forme de réalisation, on a une forte simplification du montage des segments de filtres avant le collage, c'est-à- dire que les segments de filtres ne doivent être positionnés qu'en aboutement contigu, avec butée axiale et radiale contre le disque support, pour être ensuite fixés par durcissement de l'adhésif. On peut arriver à une simplification supplémentaire de cette opération en enfonçant sur les segments de filtres, dans la zone de l'abaissement du support, une bague de retenue, qui par exemple est constituée d'un plastique, tel qu'un polymère, de façon que les segments soient fixés par rapport à la zone de collage. Le montage dans son ensemble peut ainsi être monté avec peu de pièces, d'une manière extrêmement simple et précise, et, grâce à la construction équilibrable selon l'invention, il peut être ensuite équilibré d'une manière précise, comme décrit ci- dessus. Il est ainsi possible de fabriquer les différentes pièces avec des tolérances dimensionnelles admissibles plus grandes, ce qui permet une fois de plus une fabrication économique. Pour permettre une surveillance électronique constante de la position de la roue de couleurs, avec les filtres colorés correspondants, il faut disposer sur la roue de couleurs une marque, ou un repère d'index des temps. Ce repère peut être fixé simplement au disque support, mais de préférence sur la bague de retenue mentionnée ci-dessus, qui sert aussi d'aide au montage. Une roue de couleurs selon l'invention est utilisée de préférence dans un dispositif de formation d'image comportant une source de lumière, dont la lumière est déviée à travers les segments colorés de la roue de couleurs motorisée en rotation, et est ensuite dirigée vers un dispositif de formation d'image, qui est constitué d'une matrice d'éléments modulateurs de lumière, pilotés ou connectés, de façon que la constitution de l'image se produise sur un écran par l'intermédiaire d'une optique de projection. Pour arriver à de bonnes qualités de l'image, il est nécessaire d'avoir pour ces éléments de modulation de la lumière des temps de commutation inférieurs à 10 ms. On obtient des résultats particulièrement bons, pour le dispositif de formation d'image, avec des dispositifs qui sont constitués d'un grand nombre de petits miroirs orientables, c'est-à-dire qui se fondent sur une réflexion. On préfère ici les dispositifs de formation d'image se fondant sur une réflexion, du type "Digital Mirror Device". Avec la roue de couleurs selon l'invention, qui épuise les grandes vitesses de commutation des dispositifs mentionnés ci- dessus de formation d'image, il est possible de fabriquer des dispositifs de formation d'image d'une manière économique, et qui autorisent de grandes dimensions d'affichage, avec une grande luminosité et une grande qualité. L'invention va être expliquée ci-après sur les Figures 1 et 2 à l'aide d'exemples de réalisation. La Figure 1 présente une vue d'ensemble d'un nouvel affichage comportant un dispositif. La Figure 2a est une vue en coupe partielle d'un exemple de réalisation d'une roue de couleurs. La Figure 2b est une vue de dessus de la roue de couleurs. La Figure 1 présente d'une manière schématique un nouveau système d'affichage comportant un dispositif. On prévoit une roue de couleurs 1, qui est couplée à un moteur 2 et à un indicateur de position 3 sur un support 24. La roue de couleurs comporte un support 11, sur lequel sont fixés des segments de filtres 12. Le repère 5 désigne une source de lumière, de laquelle sort un faisceau lumineux 6 comportant l'axe optique 60. Le faisceau lumineux 6 traverse les segments de filtres 12 et tombe sur un dispositif de formation d'image 7. L'image produite par le dispositif de formation d'image est, à l'aide d'une optique de projection 8, projetée sur un écran 9. Le moteur 2 décale la roue de couleurs I en rotation autour de l'axe de rotation 10, de sorte que les segments de filtres 12 passent en alternance dans le faisceau lumineux 6. La position, à chaque instant, des segments de filtres 12, peut être déterminée par l'indicateur de position 3. Selon la couleur du segment de filtre 12a- 12c se trouvant dans le faisceau lumineux 6, il y aura dans le dispositif de formation d'image 7 production d'une image correspondant à cette couleur. La vitesse de rotation de la roue de couleurs correspond ainsi à la fréquence de répétition de l'image, et est de quelques milliers de tours par minute. Sous l'effet de cette rotation, des forces centripètes agissent sur les segments de filtres, et qui peuvent être plus de mille fois plus intenses que la force de la gravité. Du fait que l'on souhaite une grande solidité de couleur, les exigences portant sur la caractéristique de filtration des segments de filtres 12 sont extrêmement complexes. En outre, la taille de l'écran 9 est considérable. Pour pouvoir arriver à un contraste suffisamment grand en présence d'une clarté ambiante, on utilise dans la source de lumière 5 une lampe très intense, ayant en conséquence un rayonnement thermique élevé. De ce fait, il peut se produire dans la zone du dispositif des températures allant jusqu'à 100 C. La charge thermique des segments de filtres 12 est encore plus élevée, en raison de la chaleur rayonnée par la source de lumière 5. Pour tenir compte d'une part de ces sollicitations, et d'autre part de l'exigence d'une stabilité extrême de couleur pendant toute la durée de vie du produit, les segments de filtres comportent des couches filtrantes 17, qui de préférence sont réalisées sous forme de couches diélectriques stables, sans structures columnaires. Ces couches n'ont pas seulement une longue durée de vie et une bonne résistance aux hautes températures, mais encore ont une très grande stabilité aux hautes températures. On peut arriver à des déplacements indésirables de la courbe spectrale inférieurs à 1 nm dans l'intervalle de 10 à 100 C. Enfin, ces couches présentent un pouvoir adhésif exceptionnel vis-à-vis du subjectile. Ce pouvoir présente une grande importance, en particulier lors de l'utilisation d'adhésifs sur la couche. La Figure 2 présente un exemple de réalisation du dispositif, en coupe partielle sur la Figure 2a et en vue de dessus sur la Figure 2b. Au niveau du rotor 23 du moteur 2, le support 11 est assemblé par liaison active au rotor 23 à l'aide d'un dispositif de retenue 21 et par l'intermédiaire d'un raccord cannelé 22. Les segments de filtres 12 sont, à l'aide d'une couche adhésive 13, fixés sur le support 11 en étant décalés par rapport à sa surface. Le décalage dans la zone des bords du support est réalisé de façon que les segments de filtres puissent être positionnés d'une manière précise, en butée radiale 25 et axiale 26 contre le support. L'épaisseur de la couche adhésive 13 est définie par une entretoise 14. L'entretoise 14 peut être par exemple un renfoncement aménagé dans la surface dans la zone du point de collage. Le point de collage est recouvert à l'aide d'un anneau 15. L'anneau 15 sert aussi de support pour un marquage de position 16 destiné à l'indicateur de position 3. En raison des tolérances lors de la fabrication de la roue de couleurs, et sous l'effet de la fixation du support 11 au rotor 23, il se crée des balourds dans le dispositif. Ces balourds sont compensés par un dispositif d'équilibrage 18. Le dispositif d'équilibrage 18 est par exemple et de préférence un renfoncement, tel qu'un trou aménagé dans le support 11. Quand le support est en aluminium ou en alliage d'aluminium, un trou 18, permettant l'équilibrage, est habituellement rapporté dans la zone marginale extérieure du support 11, avec un diamètre habituellement de 5 à 10 mm pour des profondeurs allant jusqu'à 3 mm. Le diamètre global préféré de la roue de couleurs dans les dispositifs de formation d'image est de 75 à 130 mm. Le présent exemple a un diamètre total de 108 mm, le diamètre du support étant de 81 mm. La largeur de la zone annulaire de collage est de préférence comprise entre 3 et 10 mm. Comme l'assemblage entre le rotor 23 et le support 11 a une forte influence sur l'équilibrage du dispositif, l'équilibrage du dispositif est réalisé quand le support 11 est monté sur le rotor 23. Pour maintenir les balourds entre certaines limites, le support est réalisé comme un constituant du rotor 23. Quand ainsi le support 11 et le rotor 23 ou le raccord 22 sont réalisés en une seule pièce, la fabrication est particulièrement économique. Dans ce cas, les segments 12 sont de préférence montés sur le côté du support 11, 22, 23, opposé au moteur. Dans les applications présentant des spécifications moins critiques, les segments de filtres 12 peuvent être maintenus à l'aide d'un matériau élastique, qui est serré entre la bague 15 et le segment de filtre 12. En tant que dispositif de protection supplémentaire, on peut en outre disposer une bague de protection 19 contre le bord extérieur des segments de filtres 12. REVENDICATIONS 1. Roue de couleurs (1) comportant un support (11) en forme de disque, qui peut tourner autour de l'axe central (10) et comporte des segments de filtres colorés (12), plans, rapportés à la périphérie du support, segments qui sont orientés dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation (10), et qui, dans la direction radiale, forment contre la périphérie du support une zone de forme annulaire, qui est disposée d'une manière concentrique par rapport à l'axe central et est transparente, caractérisée en ce que la zone transparente de forme annulaire n'est pas interrompue par des éléments de support, tels que des traverses, et que les segments de filtres (12) sont collés à plat au support (11), dans une zone (13), en forme de bande, dirigée contre l'axe de rotation, les segments de filtres (12) ne comportant pas de traversées. 2. Roue de couleurs selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone de collage (13) est disposée contre la périphérie du support (11) selon une forme annulaire, plane et concentrique par rapport à l'axe de rotation (10), la zone de collage (13) étant de préférence constituée sous forme d'un évidement peu profond, pour recevoir l'adhésif, le renfoncement (14) correspondant de préférence à l'épaisseur du film adhésif, mais en particulier ayant une profondeur de 50 à 200 gm. 3. Roue de couleurs selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'adhésif est un adhésif époxyde, de préférence du type DP460 de 3M. 4. Roue de couleurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la zone de collage est abaissée contre le support (11), et est réalisée sous forme d'une butée radiale et axiale pour permettre le positionnement des segments colorés (12). 5. Roue de couleurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une bague de retenue (15) est, sous forme d'une aide au montage, rapportée sur la face des segments colorés opposée à la couche adhésive, cette bague de retenue portant de préférence un repère d'indexage des temps (16), et étant de préférence constituée d'un plastique, tel que le polyamide. 6. Roue de couleurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'on prévoit au moins deux segments colorés (12), de préférence trois segments colorés, en particulier quatre segments, auquel cas deux segments ont la même couleur et sont disposés dans la zone annulaire en rotation d'une manière décalée par rapport aux autres segments colorés. 7. Roue de couleurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la roue de couleurs (1) est équilibrée avec une symétrie de rotation, de préférence mieux qu'avec le degré d'équilibrage correspondant à la qualité G6.3 selon ISO 1940-1973. 8. Roue de couleurs selon la revendication 7, caractérisée en ce que des enlèvements de matière de support (18), excentriques par rapport au support (11), sont présents pour permettre l'équilibrage, auquel cas ils sont de préférence réalisés sous forme d'au moins un évidement (18) et ne traversent le disque support (11) en aucun point, l'évidement (18) étant de préférence réalisé sous forme d'un trou, et en ce que l'évidement est de préférence rempli d'un matériau d'équilibrage, tel par exemple qu'un adhésif. 9. Roue de couleurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les segments de filtres colorés (12) sont constitués de petites plaques de verre, qui sont revêtues d'un filtre interférentiel, la caractéristique de filtration du filtre étant stable à la température entre 10 et 100 C, et étant stable à l'humidité entre 0 et 90 % d'humidité relative de l'air, la stabilité totale de la caractéristique de filtration présentant un décalage de préférence inférieur à 5 nm, mais en particulier inférieur à I nm. 10. Roue de couleurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dimensionnement de la roue de couleurs (1) et du dispositif de collage autorisent au niveau des segments de filtres (12) des accélérations centrifuges supérieures à 300 g, en particulier des accélérations centrifuges de 800 à 2000 g. 11. Roue de couleurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support (11) comporte en son centre des moyens (21) pour fixation à un arbre d'entraînement (22), ou de préférence est fabriqué en une seule pièce avec l'arbre d'entraînement (22), en particulier le rotor d'entraînement (23). 12. Dispositif de formation d'image contenant une source de lumière (5), une roue de couleurs (1) entraînée par un moteur selon l'une des revendications précédentes, un dispositif de formation d'image (7), une optique de projection (8), o le dispositif de formation d'image (7) est constitué d'une matrice d'éléments modulateurs de lumière connectés ayant des temps de commutation inférieurs à 10 ms. 13. Dispositif de formation d'image selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif de formation d'image (7) se fonde sur une réflexion, et est de préférence un "Digital Mirror Device".