LED projector

Design and realisation of an LED projector

Problem Definition:

LEDs are rapidly gaining in importance as light sources for several applications. In portable projectors, LEDs have the advantage of sturdiness (shock resistance), low weight and increased safety (no high voltages, no explosion danger, no mercury vapour). The major shortcoming is the relatively limited luminance (Cd/m2) of LEDs compared to the traditional gas discharge lamps ('arc lamps'). Using novel light collection optics, it is possible to get just enough light out of the presently available LEDs, and several prototypes and even some commercial products have been constructed. At CMST, a proof of concept of a 2-lightvalve projector was built and characterised. This setup uses 1 LCOS microdisplay panel for the green information and 1 panel for red and blue alternatingly. Furthermore, in the green channel, 2 green LEDs are used that are pulsed in antiphase and with a duty cycle of 50% and a power above the nominal allowed power.

Although the proof of concept has been a useful tool for demonstrating the feasibility of the innovative concepts, it has not been designed with longevity or portability in mind. The result is a large, heavy, fragile, energetically inefficient system with oversized cooling fins and too many noisy fans.

Objectives:

The purpose of this masters' thesis is to redesign the proof of concept to a more compact, lighter, more sturdy and more efficient projector.
This will require optimisations on several fields:
  • the LED driver electronics has to be redesigned and made more efficient. This is feasible using recently marketed new buck-boost driver ICs. However, it is important that the pulsing functionality (red-blue and green-green) remains intact. The complete timing of the projector is handled by a microcontroller board starting from a sync pulse derived from the display controller.
  • the cooling of the driver electronics and the LEDs has to be rationalised and reduced. Temperature sensors can be introduced to control the fan speeds.
  • the mechanical build has to be reviewed in order to come to a much more compact and lighter construction.
  • a removable lid is needed that allows to show the internals of the working projector.
  • the present projection lens is not optimal and a search for a better lens is justified.


Keywords:

projection, LEDs, LCOS, microdisplays, mechanical design, electronics design, microcontroller programming, cooling

Location:

Ardoyen CMST + at home.

Ontwerp en realisatie van een LED projector

Probleemstelling:

LEDs winnen snel aan belang als lichtbronnen voor allerlei toepassingen. In draagbare projectoren zijn LEDs interessant vanwege de robuustheid (ongevoelig voor trillingen en schokken), het lage gewicht en de veiligheid (geen hoge spanningen, geen explosiegevaar, geen kwikdampen). De grootste tekortkoming is de beperkte luminantie (Cd/m2) van LEDs in vergelijking met de traditionele gasontladingslampen ('booglampen'). Door gebruik te maken van nieuwe, efficiente collectie-optiek, is het mogelijk om net genoeg licht uit de LEDs te halen en de eerste demonstratoren en zelfs al enkele commerciële produkten zijn inmiddels gerealiseerd. Bij CMST  hebben we een 'proof of concept' gebouwd en gekarakteriseerd van een 2-lichtklep projector. Bij deze opstelling wordt 1 LCOS microdisplay gebruikt voor het groene kanaal en 1 display voor afwisselend rood en blauw. Bovendien wordt in het groene kanaal afwisselend 2 LEDs gepulst in tegenfase met een duty-cycle van 50% en een vermogen groter dan het nominaal toegelaten vermogen.

Hoewel deze proof of concept zijn nut bewezen heeft voor het aantonen van de haalbaarheid van de gebruikte innovatieve principes, werd het niet ontworpen met het oog op een lange levensduur of draagbaarheid. Het resultaat is een grote, zware, breekbare en energetisch inefficiënt systeem met te grote koelvinnen en te veel (lawaaierige) ventilatoren.

Doelstelling:

Het doel van deze masterproef is om de proof of concept opstelling te herontwerpen tot een compacter, lichter, robuuster en meer efficiënte projector.
Dit zal optimalisaties vereisen op meerdere fronten:
  • De LED aanstuurelektronica moet herontworpen worden en efficiënter gemaakt worden. Dit is mogelijk dankzij recent op de markt gekomen buck-boost driver ICs. Echter moet erover gewaakt worden dat de gepulste werking (rood-blauw en groen-groen) mogelijk blijft. In de huidige opstelling wordt de timing van de belichting volledig geregeld door middel van een microcontroller-bordje dat een sync puls van het displaydriver bord haalt. 
  • De koeling van de LED drivers en de LEDs zelf moet gerationaliseerd en geminimaliseerd worden. Eventueel kunnen temperatuurssensoren gebruikt worden om een variabel toerental van de ventilatoren te realiseren.
  • De mechanische opbouw moet herbekeken worden met het oog op een meer compacte en lichtere constructie
  • Een afneembaar deksel is gewenst, zodat de interne werking van de projector kan getoond worden.
  • De huidige projectielens is verre van ideaal en het is gerechtvaardigd om op zoek te gaan naar een meer geschikte lens.

Trefwoorden:

LEDs, LCOS, microdisplays, microcontroller programmering, projectie, mechanisch ontwerp, elektronisch ontwerp, koeling

Locatie:

Ardoyen CMST + thuis.
Comments