LEDs an der Schwelle zum Einsatz in Projektionssystemen...

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LEDs an der Schwelle zum Einsatz in Projektionssystemen: Herausforderungen, Grenzen und Anwendungen Dr. Anton Moffat Carl Zeiss Corporate Research Carl Zeiss AG, Jena, Germany [email protected]

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LEDs an der Schwelle zum Einsatz in Projektionssystemen: Herausforderungen, Grenzen und Anwendungen

Dr. Anton MoffatCarl Zeiss Corporate ResearchCarl Zeiss AG, Jena, Germany

[email protected]

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Contents

– Introduction– System Design Methodology– Applications– Conclusions

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IntroductionMotivation for using LEDs: Colours, Lifetime,

Lifetime• Conventional Lamp:

50% preserve 50% brightness in x h,1/2 can failGuarantee for a few 100 h

• Semiconductor LampMTTF with confidence > 9x%Intensity degradation < 30%in 10.000 h

Guarantee is given for years

Colour Saturation• > 100% NTSC achievable

for saturated colours• Colour space can be made to

match video standards exactly• Selectable white point

Many More:• Cost• More suppliers• Simple electronics• Instant on/off• Low voltage• Low pressure• Colour Break-Up reduction• No Colour Wheel: noise reduction

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IntroductionTimeline Starts Now for LED-Based Projection Systems

Critical threshold is screen brightness

LED Roadmap

Customer ThresholdHighly optimized electro-optical system

Standard OpticalSystem with LEDs

2006 2008 2010

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IntroductionDMD Microdisplays for High Light Throughput at High Contrast

LCD

LCOS

DMD

• 120 W Lamp : 6000-7000 Lumens– 4000 – 5000 in Aperture– 500-1000 out of projector– ~10% light throughput standard

• Goal: reach same screen brightness (Nits) with only ~1000 Lumens from LEDs

• High light throughput– Large area microdisplays: 0.7", 0.85",

0.9" diagonal– Wide opening angle optics (Low F/#)

• Liquid Crystal Imagers (LCD, LCOS)– Three panels with colour combiner for

polarized light– Required low F/# limits constrast ratio

• Digital Micromirror Device (DMD)– Single panel requires sequential colour

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Geometrical Optical RequirementsDMD is the key component

• Etendue is the geometric extent of the optical system– E = π n² A sin²θ– Component with the smallest etendue limits the brightness of the system

(usually the DMD)

LED – small area, large angleDMD – large area, small angle

xx

Geometrical match:etendue, aspect ratio, overfill

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Geometrical Optical RequirementsUseable System Etendue Practical Limit on Light Source Area

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

30

Emitting Area (mm²)

Rel

ativ

e In

tens

ityN max

0

Itotal A( )

Iuseable A( )

N max0 A

+/-60°xHD4F/2.0

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Geometrical Optical RequirementsAvailable DMDs Determine Useable System Etendue

DMD Diagonal Area F/2.0 Etendue Max Area (mm²)(mm²) (mm² sr) (Surface Emitter)

xHD5 0.67" 1920 x 1080 14.74 x 8.29 122.2 24.1 7.7HD2+ 0.78" 1280 x 720 17.51 x 9.85 172.5 34.0 10.8xHD4 0.85" 1920 x 1080 18.67 x 10.51 196.2 38.6 12.3sxHD5 0.88" 2560 x 1440 19.58 x 11.02 215.8 42.5 13.5

DMD SizeResolution(pixels) (mm²)

Larger DMD More Light ~ DMD area

But: System is larger and more expensive:Larger optics ~ DMD diagonalLarger LED area ~ DMD area

+ Overfill 10..20%

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Geometrical Optical RequirementsLow F-number for Higher Light Throughput

Projection Lens Projection Lens

Illumination

DMD DMDF/2.4 (standard) F/2.0 (wider opening)

larger optics~30% more light throughput

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System Design Methodology

• Goals:– Maximum Screen Brightness– Good Image Quality– Competitive Cost

Optimize combination of parameters:– Optical (light throughput, image quality)– Electrical (driving conditions, power consumption)– Thermal (heat dissipation, operating temperature)

• Upstream design:– from the screen– through the lens– to the LED (surface emitter) – instead of to the lamp (volume emitter)

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Basic Projection System DesignDMD Lamp-based System

• White light source with rotating colour wheel• DMD – Digital Micromirror Device• F/2.4 – Standard opening optics

OpticalIris

DMD

Field Lens

Mirror

Projection LensF/2.4

Integrating RodUHPLamp UV, IR

Filter

Colour Wheel

Relay Optics

Screen

Video ElectronicsSync

Colour WheelRotation Sensor

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Basic Projection System DesignDMD LED-based System

• 3 coloured light sources, electronically controlled• DMD – Digital Micromirror Device• F/2.0 – Wider opening optics

DMD

Field Lens

Mirror

Projection LensF/2.0

MicrolensArray

RedLED

GreenLED

Relay Optics

Screen

CollectionOptics

BlueLED

DichroicMirrors

Video ElectronicsTrigger, Dimming

HeatSink

LED Driver

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LED Module Configuration

• Since LEDs are brightness-limited, make full use of available etendue– NB. Additional constraints imposed by power consumption, heat dissipation,

manufacturing tolerances, cost, ...

Pro: Efficient – matched geometry

Con: Costs for yield and custom sizeSpec. uniformity across chip areaThermal stress in pulsed operationLarge drive currents

Monolithic Solution:

Pro: Standard LED chips as building blocksLow Current, Voltage for LED-Strings

Con: Less efficient – gaps, approx. geometrySpec. uniformity across chips on a module2xN arrays (favoured due to bond wires)

Tiled Solution:

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Available LED Light Sources

• Osram Ostar: 12 chips (two 2x3 arrays) with primary optics

• Luminus PhlatLight™:PT85 (1-chip), PT180 (4-chips)

• Input power 10 – 60 Watts• Peak output power approx.:

– 200mW/mm² Green– 400mW/mm² Red, Blue

• Here: Experimental results based on Osram Ostar– Method applies to other LED architectures

PhlatLight

Ostar

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Physical Optical RequirementsColour primaries and white point

(4000K..15000K)

Green

Red

Blue

• Potential to display oversaturated colours

• Can dynamically adjust illumination source to video standards

• Need an initial setup, specific to each set of LED subassembly

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Electro-Optic Transfer Function (EOT)Basic System Performance Data to Optimize Driving Conditions

• Vary driving conditions one at a time• Measure system output• EOT data to optimize driving conditions and establish correlation with testing conditions

Driving Conditions

OpticalSystemLEDs EOTs

RedGreenBlue

Dichroic mirrorsLens coatingsDMD

Integrating sphereSpectrometer

CurrentTemperatureDuty Cycle

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Driving ConditionsApproximately Equal Radiant Power for RGB at the White Point

Green determines the Luminous OutputRed and Blue need ~ equal Radiant Flux!

Optimize driving conditions– current density– temperature– duty cycle Watts Lumens

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Electro-Optic Transfer Function (EOT)Red LED Most Sensitive to Overdrive Current

Red Green Blue

25°C

45°C

30°C

60°C

30°C

60°C

Nominal750mA

Nominal500mA

Nominal500mA

Temperature Coefficients:

-0.25% / K-0.8% / K -0.14% / K

(thermal rollover)

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LED Light Output VariationsAdjust Duty Cycles to Maintain White Point

• LEDs manufactured in brightness bins– Bin width of +/-20% typical for high-brightness LEDs– Full distribution typically 2:1 in luminous flux (4-5 bins) !

~20% Minimum to ensure image bit depth

What happens to projector‘s output?

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LED Light Output VariationsProjector Manufacturability with Matched Sets of Three LEDs

• Projector output shows less variability than LEDs– But: total projector output variability should be +/-10% over all components!

• Avoid arbitrary combinations of LEDs– Specify and obtain matched sets of three LEDs

Applications

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Mainstream ApplicationRear Projection Television

Samsung

• Recent results from CES in Las Vegas– Samsung (xHD4 DMD) 56”– Akai (xHD4 DMD) 46”, 52”– HP (xHD4 DMD) 52”– Sanyo (3-Chip LCD) 55”– JVC (3-Chip D-ILA LCOS) 46”

(All 1080p HDTV resolution)

Sanyo AkaiLED

PDP

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Mainstream ApplicationFront Projection

• Today’s front projectors– 500 - 1000 Lumens– Noisy, heavy and bulky– Brightness versus colour saturation– High lamp replacement cost

New approach: Mobile “Pocket Projector” for controlled ambient lighting conditions

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Mobile ApplicationPocket Projector

• Small size paramount: 100x70x40 mm³• Robust and mobile, battery operated• 25 Lumen from 8 W (LEDs)• Illumination path length 30% shorter

– field lens shared in illumination path– use of two LED Modules: RB, G

Core optical moduleassembled withtwo LED modules, heat sink,and DMD on interface board

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Mobile ApplicationPocket Projector

Prototype

ProductSamsung

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Conclusions

• LEDs provide significant advantages over lamps• System EOTs crucial data for optimizing brightness• Matched set of three colours needed• LEDs have crossed the threshold for use in projection systems

– A highly optimized system is required– LED-based RPTV and the Pocket Projector are ready for the market now

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Acknowledgements:• Osram Opto Semiconductors in Regensburg, Germany • Fraunhofer IOF in Jena, Germany• Bundesministerium fuer Bildung und Forschung (BMBF): Grants 01BD150 and 13N8270