3M pixel LED beamer

Realization of a compact LED-based beamer with 3-megapixel LCOS panels.

Problem Definition:

LEDs are rapidly gaining importance as light sources for many 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 hazard). The major shortcoming is the relatively limited luminance (cd/m2) of LEDs compared to the traditional gas discharge lamps . Using novel light collection optics, it is possible to get enough light out of the presently available LEDs for small-area projection. In the mean time, the first commercial products appeared. At CMST, a proof of concept of a 2-lightvalve projector was built and characterised. This setup uses 1 LCOS (liquid crystal on silicon) microdisplay panel for the green information and 1 panel for red and blue alternatingly. Furthermore, a patented technique is used to combine the light of 2 green LEDs in the green channel.

Although the proof of concept was useful tool to demonstrate the feasibility of the innovative concepts, it was not designed with longevity, portability or electrical efficiency in mind. The result is a large, heavy, fragile, energetically inefficient system with oversized heatsinks and too many noisy fans.
Inefficient LED drivers / onefficiënte LED drivers

Objectives:

The objective of this thesis is to build a more compact, robust and electrically efficient projector starting from the existing optical building blocks. This comprises:

  • Redesigning the LED driver electronics using state-of-the-art driver chips. A driver efficiency > 90% should be possible. A number of succesful basic designs that were used for other applications are available as a starting point
  • The timing circuit that takes care of the red/green swapping, synchronous with the video data, must be redesigned and preferably integrated with the LED drivers. The video boards are available and do not have to be redesigned or modified.
  • 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.
  • Depending on the number of students working on this thesis, a more compact optical setup is targeted. Besides the existing 2-panel (R/B,G/G) architecture, alternative architectures such as 2-panel (R/B, G) and 3-panel (R,G,B) can be studied. Zemax simulations will be used to support this. The electronic design has to be suitable for all the mentioned optical architectures.

Keywords:

analoog ontwerp, digitaal ontwerp, thermisch ontwerp; ook optisch ontwerp indien 2 studenten

Location:

Ardoyen CMST + at home.

Note:

If 2 students choose this topic, it is possible (but not obliged) to separate the electronic and the optical design into two thesises.

Projector optical core

Alternative core (R/B,G)

Bouw van een compacte LED-gebaseerde beamer met 3 megapixel LCOS panelen

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. Door gebruik te maken van nieuwe en efficientere collectie-optiek is het mogelijk om voldoende licht uit de LEDs te halen voor projectie op kleine afmetingen.  Inmiddels zijn de eerste commerciële produkten gerealiseerd. Bij CMST hebben we recent een 'proof of concept' gebouwd en gekarakteriseerd van een 2-lichtklep LED projector. Bij deze opstelling wordt 1 LCOS (liquid crystal on silicon) microdisplay gebruikt voor het groene kanaal en 1 voor afwisselend rood en blauw. Bovendien wordt via een gepatenteerde techniek het licht van 2 groene LEDs gecombineerd in het groene kanaal.

Hoewel deze proof of concept volstaat voor het aantonen van de haalbaarheid van de gebruikte innovatieve principes, was deze niet ontworpen met het oog op een lange levensduur, draagbaarheid of elektrische efficiëntie. Het resultaat is een groot, zwaar, fragiel en energetisch inefficiënt systeem met te grote koelvinnen en te veel (lawaaierige) ventilatoren.
Volledige demo-opstelling / complete projector demo

Doelstelling:

Het doel van dit eindwerk is om uitgaande van de bestaande optische bouwblokken een compactere, robuustere en elektrisch efficiënte projector te maken. Dit houdt in:

  • Herontwerp van de LED driver elektronica met state-of-the-art driverchips. Een driverefficiëntie > 90% moet hierbij haalbaar zijn. Als vertrekpunt beschikt men over enkele succesvol gebleken basisontwerpen die we voor andere toepassingen gemaakt hebben,
  • Het timingcircuit dat voor het rood/blauw swappen instaat, synchroon met de video-date, moet herontworpen worden en bij voorkeur geïntegreerd worden met de LED drivers. De video-driver boards zijn beschikbaar en moeten niet herontworpen of gewijzigd worden.
  • 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.
  • Afhankelijk van het aantal studenten dat aan dit eindwerk werkt, kan ook getracht worden een compactere optische setup te verwezenlijken. Naast de bestaande 2-paneels (R/B,G/G) kunnen ook alternatieve architecturen bekeken worden: 2-paneels (R/B,G) en 3-paneels (R,G,B). Dit betekent ook dat de nieuwe driver- en timingcicuits hievoor geschikt moeten zijn. Het optisch ontwerp zal ondersteund worden met Zemax simulaties.

Trefwoorden:

analog, digital and thermal design; optical design if 2 students

Locatie:

Ardoyen CMST + thuis.

Opmerking:

Indien 2 studenten dit onderwerp kiezen, wordt de mogelijkheid geboden om het elektronisch ontwerp en het optisch ontwerp als een afzonderlijke masterproef te beschouwen.


Original core (R/B,G/G)

Alternative core (R,G,B)

More compact version of (R,G,B)
Comments