ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CÓ CẤU TRÚC MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ HOÀNG Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUỐC TIẾN HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Quốc Tiến và sự hỗ trợ của nhóm nghiên cứu. Các kết quả đưa ra trong luận văn này là do tôi thực hiện. Các thông tin, tài liệu tham khảo từ các nguồn sách, tạp chí, bài báo sử dụng trong luận văn đều được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường về lời cam đoan này. Học viên thực hiện Vũ Hoàng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, tôi đã nhận được sự quan tâm, hỗ trợ và giúp đỡ từ nhiều cá nhân và đơn vị. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Quốc Tiến, người đã trực tiếp hướng dẫn, đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến TS. Tống Quang Công, KTV. Phạm Văn Trường cùng các anh chị tại phòng Laser bán dẫn- Viện Khoa học Vật liệu đã luôn động viên giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện khóa luận này Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong hơn một năm qua, những người đã truyền đạt kiến thức cần thiết cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trường Đại Học Công Nghệ- ĐH Quốc Gia Hà Nội. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân đã hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 4 năm 2019 Học viên Vũ Hoàng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CÓ CẤU TRÚC MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO Vũ Hoàng Khóa 24, ngành Vật liệu công nghệ nano Tóm tắt luận văn tốt nghiệp LED trong những năm gần đây đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Với những lợi ích vượt trội về tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, an toàn với người sử dụng, LED dần thay thế các loại đèn truyền thống khác. Tuy nhiên, LED có nhược điểm là có phân bố lambertian không đồng đều nên muốn sử dụng LED trong các yêu cầu khác nhau đòi hỏi cần phải phân bố lại chùm tia phát xạ. Linh kiện quang hình tự do (freeform optics device) và phương pháp quang học không tạo ảnh (non imaging optics) là phương pháp được sử dụng chủ yếu để thiết kế thành phần quang học thứ cấp cho đèn LED do các đặc trưng phân bố của loại đèn này. Luận án này giải quyết một khía cạnh cụ thể là thiết kế chế tạo hệ thống quang học nhằm tái phân bố lại bức xạ của LED. Tạo mật độ chiếu sáng đồng đều trên bề mặt chiếu sáng. Từ khóa: phân bố chiếu sáng LED, quang học không tạo ảnh, thấu kính LED MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ...................................................................................... 3 1.1. Nguyên lý hoạt động của LED ........................................................................ 3 1.1.1. Các vùng năng lượng ................................................................................ 3 1.1.2. Chuyển tiếp p-n ........................................................................................ 4 1.1.3. Cấu trúc của LED ..................................................................................... 5 1.2. Các đặc trưng cơ bản của LED ........................................................................ 7 1.2.1. Đặc trưng quang điện ................................................................................ 7 1.2.2. Đặc trưng phổ của LED ............................................................................ 8 1.2.3. Phân bố quang theo góc của LED ............................................................. 9 1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính của LED .................................. 10 1.3. Các linh kiện quang học ................................................................................ 12 1.3.1. Thấu kính quang học .............................................................................. 12 1.3.2. Quang học không tạo ảnh và linh kiện quang hình tự do ......................... 14 1.3.3. Thấu kính Fresnel ................................................................................... 15 1.4. LED chiếu sáng nông nghiệp ........................................................................ 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM.................................................................. 20 2.1. Các hệ đo đặc trưng của LED ........................................................................ 20 2.1.1. Hệ đo đặc trưng quang điện của LED công suất cao. .............................. 20 2.1.2. Hệ đo phổ của LED công suất cao .......................................................... 22 2.2. Xây dựng hệ đo phân bố quang ..................................................................... 23 2.3. Chế tạo linh kiện nguyên mẫu bằng thiết bị CNC .......................................... 24 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của máy CNC ........................................................ 25 2.3.2. Các thông số cơ bản của máy CNC micro-nano ...................................... 25 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH.............................................. 28 3.1. Thiết kế mô phỏng thấu kính ......................................................................... 28 3.1.1. Thiết kế tổng thể hệ thống phân bố đồng đều cho đèn LED .................... 29 3.1.2. LED luxeon 3W ...................................................................................... 29 3.1.3. Thấu kính chuẩn trực .............................................................................. 30 3.1.4. Thiết kế hệ thấu kính Fresnel tuyến tính ................................................. 32 3.2. Chế tạo hệ thấu kính fresnel bằng phương pháp CNC ................................... 35 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 39 4.1. Các đặc trưng của LED công suất cao ........................................................... 39 4.1.1. Đặc trưng công suất phụ thuộc vào dòng bơm P-I của LED 630nm ........ 39 4.1.2. Đặc trưng dòng thế I-V của LED 630nm ................................................ 39 4.1.3. Đặc trưng phổ LED 630nm ..................................................................... 40 4.2. Kết quả đo phân bố quang của hệ thấu kính Fresnel ...................................... 41 4.2.1. Hình thái thấu kính ................................................................................. 42 4.2.2. Kết quả đo phân bố quang của LED khi chưa có thấu kính ..................... 43 4.2.3. Kết quả đo phân bố quang của đèn LED khi đi qua thấu kính hội tụ ....... 44 4.2.4. Kết quả đo phân bố quang của đèn LED khi đi qua hệ thấu kính Fresnel 44 4.3. So sánh kết quả độ đồng đều với thấu kính thương mại ................................. 46 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 49 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng đã trở nên phổ biến hơn vì tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, kích thước và khối lượng nhỏ, chỉ số hoàn màu cao và thân thiện với môi trường. Mặc dù các nhà sản xuất và nghiên cứu LED đã chỉ ra những ưu điểm của LED trong những nghiên cứu cũng như trong catalog của họ tuy nhiên LED vẫn tồn tại những nhược điểm. Do tính chất bức xạ bán cầu nên chúng ít được sử dụng trực tiếp trong các mục đích chiếu sáng đòi hỏi sự thống nhất cao. Để giải quyết vấn đề này, một số thành phần quang học thứ cấp đã được bổ sung vào mô hình chiếu sáng để phân bố lại ánh sáng từ nguồn LED đến vị trí mục tiêu một cách hiệu quả và thống nhất Đèn LED cũng bắt đầu được sử dụng trong nông nghệp như chiếu sáng phá đêm, kích thích tăng trưởng, nuôi cấy mô và rất nhiều ứng dụng khác. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi cũng đã có nghiên cứu trong việc sử dụng LED vào chiếu sáng phá đêm điều khiển sự ra hoa của cây hoa cúc, bước đầu đã đạt được một số kết quả rất khả quan. Tuy nhiên khi chiếu sáng cho cây hoa cúc, chúng tôi đã gặp một vấn đề liên quan tới phân bố quang của đèn LED. Do phân bố quang của đèn LED là không đều, năng lượng quang tập trung chủ yếu ở giữa diện tích chiếu và giảm dần khi ra xa. Chính vì thế, sự điều khiển ra hoa là không đồng đều. Phần diện tích được chiếu sáng mạnh hơn sẽ gây ức chế ra hoa tốt hơn, phần rìa của luống hoa nhận được ít ánh sáng hơn nên bị ra hoa sớm, không tốt cho việc tăng sản lượng cũng như chất lượng hoa. Dựa trên những vấn đề còn tồn tại đã thúc đẩy nhóm nghiên cứu của chúng tôi phải tìm ra giải pháp để nâng cao tính đồng đều chiếu sáng của đèn LED giúp nâng cao hiệu quả việc ứng dụng của đèn LED trong nông nghiệp. Phương án đầu tiên chúng tôi nghĩ đến là sử dụng các thấu kính có sẵn trên thị trường để phân bố lại ánh sáng. Giúp việc chiếu sáng trên luống cây đồng đều hơn. Chúng tôi đã thử nghiệm một số thấu kính như thấu kính cầu, thấu kính củ lạc hay chụp tán xạ. Mặc dù kết quả có khả quan hơn nhưng việc lắp ráp các loại thấu kính này với cấu hình đèn của chúng tôi là rất khó, cách sắp xếp đèn để tạo phân bố đều khá phức tạp, không phù hợp để ứng dụng hàng loạt. Chính vì thế chúng tôi tiến hành nghiên cứu 1 một loại thấu kính mới cho phép phân bố lại ánh sáng phát ra từ đèn LED cho ra phân bố đồng đều trên diện tích chiếu, dễ dàng lắp đặt và chi phí thấp. Nắm bắt những tiến bộ về cơ khí chế tạo, các công cụ về mô phỏng ánh sáng cũng như thông tin trên internet. Chúng tôi quyết định nghiên cứu chế tạo thấu kính cho LED công suất cao bằng phương pháp CNC micro-nano. Với cấu trúc dựa trên quang học không tạo ảnh để tạo ra sản phẩm gọn nhẹ, thời gian tạo mẫu nhanh, chi phí thấp và dễ dàng để ứng dụng trên quy mô rộng. 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Nguyên lý hoạt động của LED 1.1.1. Các vùng năng lượng Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Như ta đã biết thì tính dẫn điện của vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn khác nhau( trạng thái kích thich, trạng thái cơ bản hay trạng thái dừng). Nhưng trong vật rắn khi các nguyên tử hay phân tử sắp xếp với nhau trở thành tinh thể thì các mức năng lượng này phủ lên nhau trở thành vùng năng lượng: Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Như vậy tính chất dẫn điện của chất rắn được giải thích như sau: Kim loại: là chất luôn tồn tại điện tử tự do trong vùng dẫn Điện môi: là chất có vùng dẫn trống hoàn toàn hay không có điện tử trong vùng dẫn, vùng hóa trị được lấp đầy hoàn toàn và độ rộng vùng cấm lớn hơn 3eV Chất bán dẫn: là chất có cấu trúc tương tự như điện môi nhưng độ rộng vùng cấm nhỏ hơn 3eV. ở điều kiện thường, chất bán dẫn không dẫn điện. Khi chất bán dẫn bị kích 3 thích ( nhiệt, quang,….) do độ rộng vùng cấm hẹp. các điện tử nhận năng lượng chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Lúc này chất bán dẫn có thể dẫn điện. Chuyển tiếp p-n được hình thành khi ghép nối 2 loại bán dẫn pha tạp loại p và loại n 1.1.2. Chuyển tiếp p-n Các nguồn phát quang trên cơ sở vật liệu bán dẫn hầu hết dựa trên chuyển tiếp pn, để tạo được bán dẫn loại p hay loại n người ta sé pha tạp những tạp chất phù hợp. sau khi ghép hai chất bán dẫn trên với nhau ta sẽ nhận được chuyển tiếp p-n. ranh giới lớp tiếp xúc được gọi là lớp tiếp xúc công nghệ. N P Lớp tiếp xúc Hình 1.1 Sơ đồ chuyển tiếp p-n Miền p là miền có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III (pha tạp axepto) thiếu điện tử, phần tử dẫn điện chủ yếu là lỗ trống và chiếm giữ các trạng thái năng lượng trong vùng hóa trị. Miền n là miền có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V (pha tạp dono) dư điện tử, phần tử dẫn điện chủ yếu là điện tử và chiếm giữ các trạng thái năng lượng trong vùng dẫn Xác suất chiếm trạng thái năng lượng của điện tử và lỗ trống được xác định theo hàm phân bố fermi-dirac f(E)={1+exp[(E-Ef)/KT]}-1 (1) trong đó: Ef là mức fecmi, K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối. 4 Đối với chất bán dẫn khi không pha tạp thì mức femi nằm trong vùng cấm. khi pha tạp thì mức femi có xu hướng chuyển dịch ra ngoài vùng cấm. cụ thể là mức femi chuyển dịch vào vùng dẫn đối với bán dẫn loại n và vùng hóa trị đối với bán dẫn loại p. trong điều kiện bình thường ở trạng thái cân bằng nhiệt thì mức fecmi của miền p và miền n trùng nhau (Efv = Efc) (2) Khi một thiên áp thuận đặt lên chuyển tiếp p-n, sự cân bằng bị phá vỡ và Efv ≠ Efc . Đồng thời các hạt tải cơ bản (điện tử trong miền n và lỗ trống trong miền p) có khả năng xích lại gần lớp tiếp xúc công nghệ và hàng rào thế năng giảm đi. Lúc này phần lớn các hạt tải cơ bản có năng lượng đủ lớn để vượt qua hàng rào thế năng. Dòng điện bắt đầu được sinh ra do sự khuếch tán của hạt tải. dòng điện I tăng theo hàm mũ cùng với sự tăng thế V đặt lên lớp chuyển tiếp: I=Is[exp(qV/kBT)-1] (3) Với Is là dòng bão hòa, phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Trong quá trình này điện tử và lỗ trống hiện diện đồng thời trên lớp chuyển tiếp. những điện tử và lỗ trống đó có thể tái hợp thông qua bức xạ tự do hoặc bức xạ cưỡng bức và phát ra ánh sáng. Đây chính là nguồn phát quang bán dẫn 1.1.3. Cấu trúc của LED Về cấu trúc, LED có thể được chia làm 2 loại: - LED phát xạ mặt SLED (surface LED) - LED phát xạ cạnh ELED (edge LED) LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) là loại LED có ánh sáng được phát ra ở phía mặt của LED. Hình 1.2 minh hoạ một loại SLED, được gọi là LED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson Trong cấu trúc này vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằng cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P. Do đó, tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn[2]. 5 Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một SLED LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của LED (hình 1.3). Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặt trên và đáy của LED. Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rất mỏng. Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng trong ELED. Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyền dọc theo trong ống dẫn sóng này. Kết quả là, ánh sáng được phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED. Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp và góc phát quang nhỏ. Thích hợp sử dụng trong thông tin quang[2]. Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một ELED Hiện nay để tăng hiệu suất phát quang của LED thì cấu trúc chủ yếu là cấu trúc dị thể khép với cấu trúc giếng lượng tử. Trong cấu trúc này điện tử và lỗ trống được giam giữ tốt hơn trong vùng tích cực nằm giữa hai lớp chuyển tiếp nên hiệu suất phát quang cao hơn. 6 1.2. Các đặc trưng cơ bản của LED 1.2.1. Đặc trưng quang điện Công suất quang lối ra là tính chất quan trọng của LED và các nguồn phát quang khác. Có thể tính được công suất nội sinh của bức xạ tự phát. Tại một dòng bơm I nào đó tốc độ tiêm hạt tải sẽ là I/q. Ở trạng thái dừng , tốc độ tái hợp của các cặp điện tử - lỗ trống thông qua quá trình tái hợp bức xạ và không bức xạ bằng tốc độ tiêm hạt tải I/q. vì hiệu suất lượng tử nội ηint (ηint = Nph/Ne) xác định phần các cặp điện tử lỗ trống tái hợp thông qua bức xạ tự phát nên tốc độ sinh photon sẽ là ηintI/q. Vì vậy công suất quang nội sẽ là: Pint = ηint(ħω/q)I (4) Với ħω là năng lượng photon. q là điện tích điện tử. nếu ηext là phần các photon thoát ra khỏi linh kiện khi đó công suất phát quang sẽ là: Pe = ηext ηint (ħω/q)I (5) ηext được gọi là hiệu suất lượng tử ngoại. ηext có thể tính toán trên cơ sở xem xét sự hấp thụ nội và sự phản xạ trên các mặt phân cách bán dẫn- không khí. Hiệu xuất lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc của nguồn quang. Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác nhau. Công xuất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý tưởng, đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình 1.5: Hình 1.5 Đồ thị công suất quang phụ thuộc vào dòng bơm điều kiện lý tưởng 7 Đặc trưng quang điện còn được thể hiện qua đặc trưng dòng thế I-V. Mỗi chất bán dẫn khác nhau sẽ cho một thế chuyển tiếp khác nhau. Thế này là đặc trưng cho vật liệu. Khi được thiên áp thuận bằng điện thế bên ngoài hàng rào thế năng của lớp chuyển tiếp giảm đi. Sự giảm này dẫn đến việc khuếch tán điện tử và lỗ trống qua lớp chuyển tiếp. Dòng điện bắt đầu được sinh ra và tăng theo hàm mũ với sự tăng thế đặt lên chuyển tiếp: I=Is[exp(qV/kBT)-1] (6) Với Is là dòng bão hòa, phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống. Do hệ số khuếch tán của các chất bán dẫn là khác nhau nên mỗi chất bán dẫn sẽ có một thế chuyển tiếp đặc trưng. 1.2.2. Đặc trưng phổ của LED LED được chế tạo từ chất bán dẫn. Do đó, các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức năng lượng. + Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vùng hóa trị sẽ tạo ra photon có bước sóng. Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra. + Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị không đều nhau, dẫn đến công suất phát quang tại các bước song không đều nhau. Độ bán rộng của phổ quang được định nghĩa là khoảng bước sóng do nguồn LED phát ra có công xuất bằng 0,5 lần công xuất đỉnh (hay giảm 3dB). + Độ bán rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang. Ánh sáng có bước sóng 1,3µm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-60nm. LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs phát ra ánh sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần sao với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP. Phổ quang của LED có độ bán rộng phổ  có thể tính gần đúng theo công thức  [m]  2 [m] (3kT/hc) [eV] 8 (7) Với  là bước sóng danh định của LED, k- hằng số Bolzman và T là nhiệt độ chuyển tiếp, h - hằng số Plank, c - tốc độ ánh sáng. Hình 1.6 Phổ phát xạ của một số LED màu 1.2.3. Phân bố quang theo góc của LED Tất cả các LED đều có một phân bố quang nhất định gọi là phân bố trường xa. Phân bố này phụ thuộc vào góc chiếu của LED và khoảng cách của LED đến mặt thu. Tổng công suất quang được tính bằng cách lấy tích phân trên một diện tích của một hình cầu: (8) Với I(λ) là cường độ ánh sáng quang phổ(W/cm2) và A là diện tích bề mặt hình cầu thu ánh sáng. Phân bố quang của mỗi LED khác nhau sẽ khác nhau tùy vào cấu trúc của LED cũng như cửa sổ phát sáng hay quy cách đóng vỏ. Thông thường góc chiếu của LED vào khoảng 120o đến 140o. 9 (a) (b) Hình 1.7 Phân bố quang theo góc của LED (a) LED 3W do hãng Nichia chế tạo (b) Bridgelux LED của hãng Digikey 1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính của LED LED cũng như vật liệu bán dẫn khác luôn bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ. Biết được sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính của LED sẽ giúp ta ứng dụng thuận tiện và đảm bảo cho LED hoạt động tốt. - Ảnh hưởng của nhiệt độ vào đặc trưng quang điện LED Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất phát quang của LED. Điều này liên quan đến sự giảm hiệu suất lượng tử nội của LED. Khi nhiệt độ tăng các điện tử nhận thêm được năng lượng sẽ nhảy lên các mức năng lượng cao hơn trong vùng dẫn. Khi điện tử và lỗ trống bơm vào thì điện tử ở sát vùng cấm sẽ có xác suất tái hợp cao hơn. Khi nhiệt độ tăng các điện tử nhận thêm năng lượng sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, ở trạng thái này xác suất tái hợp sẽ giảm làm công suất giảm theo. -Ảnh hưởng của nhiệt độ vào bước sóng Năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn có giảm khi nhiệt độ tăng lên. Điều này có thể được hiểu tốt hơn nếu ta xem xét rằng khoảng cách giữa các nguyên tử tăng khi biên độ của dao động nguyên tử tăng do năng lượng nhiệt tăng lên. Hiệu ứng này được định lượng bằng hệ số mở rộng tuyến tính của vật liệu. Một khoảng cách giữa các nguyên tử tăng làm giảm khả năng nhìn thấy các electron trong vật liệu, do đó làm giảm kích thước của năng lượng. Một điều chế trực tiếp của khoảng cách giữa các nguyên tử, chẳng hạn như bằng cách áp dụng nén cao (kéo) căng thẳng, cũng làm tăng (giảm) của vùng cấm. 10 Sự phụ thuộc nhiệt độ của năng lượng vùng cấm đã được thực nghiệm xác định bằng biểu thức sau: (9) Với α và β là các hằng số ứng với mỗi chất bán dẫn khác nhau Hình 1.8 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ một số chất bán dẫn -Ảnh hưởng của nhiệt độ vào thời gian sống Tuổi thọ của đèn LED thường rất cao thường được công bố khoảng 20.000 đến 100.000 giờ tùy theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất tuy nhiên tuổi thọ sẽ bị giảm mạnh khi LED được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ vào thời gian sống của LED 11 Như hình 1.9 thì mặc dù LED có thể hoạt động ở nhiệt độ cao nhưng thời gian sống của LED sẽ giảm mạnh khi tăng nhiệt độ. Khi nhiệt độ chuyển tiếp vào khoảng 90oC đến 120oC với dòng 1,5A thời gian sống có thể lên đến 60000 giờ. Khi lên 150oC thời gian sống chỉ còn 10000 giờ. Như vậy LED bị ảnh hưởng khá lớn bởi nhiệt độ. Nhiệt độ càng thấp thì càng ổn định và tuổi thọ lớn. do đó đảm bảo nhiệt độ làm việc cho LED là yếu tố quan trọng trong module LED. 1.3. Các linh kiện quang học 1.3.1. Thấu kính quang học Thấu kính là một khối vật chất trong suốt. Được giới hạn bởi hai mặt cong hoặc một mặt phẳng và một mặt cong. Trong quang học, một thấu kính là một dụng cụ quang học dùng để hội tụ hay phân kỳ chùm ánh sáng, nhờ vào hiện tượng khúc xạ, thường được cấu tạo bởi các mảnh thủy tinh được chế tạo với hình dạng và chiết suất phù hợp. Khái niệm thấu kính cũng được mở rộng cho các bức xạ điện từ khác, ví dụ, thấu kính cho vi sóng được làm bằng chất nến. Trong ngữ cảnh mở rộng, các thấu kính làm việc với ánh sáng và bằng kỹ thuật truyền thống được gọi là thấu kính quang học. Các loại thấu kính khác nhau sẽ cho đường đi của ánh sáng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc của thấu kính nhưng chủ yếu đc chia làm hai dạng như sau: a, Thấu kính hội tụ + Đặc điểm của thấu kính hội tụ Thấu kính hội tụ thường dùng có phần rìa mỏng hơn phần giữa Hình 1.10 Mặt cắt các loại thấu kính hội tụ 12 Một chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính hội tụ cho chùm tia ló hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính. + Các đại lượng và đường truyền của ba tia sáng đặc biệt Hình 1.11 Các đại lượng của thấu kính hội tụ Ta có: - Δ là trục chính - O là quang tâm - F là tiêu điểm vật của thấu kính, F′ là tiêu điểm ảnh - Khoảng cách OF=OF′= f là tiêu cự của thấu kính + Đường truyền của ba tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ: - Tia tới đến quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng theo phương của tia tới. - Tia tới song song với trục chính thì tia ló đi qua tiêu điểm. - Tia tới qua tiêu điểm thì tia ló song song với trục chính. b, Thấu kính phân kỳ + Đặc điểm của thấu kính phân kì Thấu kính phân kì thường dùng có phần rìa dày hơn phần giữa Hình 1.12 Mặt cắt của một số loại thấu kính phân kỳ 13 Chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính cho chùm tia ló phân kì + Các đại lượng và đường truyền của tia sáng đặc biệt Đường truyền của hai tia sáng đặc biệt qua thấu kính phân kì: -Tia tới song song với trục chính là tia ló kéo dài đi qua tiêu điểm - Tia tới đến quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng theo phương của tia tới. 1.3.2. Quang học không tạo ảnh và linh kiện quang hình tự do Quang học không tạo ảnh (còn gọi là quang học anidolic) là nhánh quang học liên quan đến sự chuyển đổi tối ưu của bức xạ ánh sáng giữa một nguồn và một mục tiêu. Không giống như quang học tạo ảnh truyền thống, các kỹ thuật liên quan không cố gắng tạo lại một ảnh của nguồn. Thay vào đó, một hệ thống quang học được tối ưu hóa để truyền bức xạ quang từ nguồn tới mục tiêu mong muốn. Quang học không tạo ảnh được phát triển chủ yếu trong khuôn khổ quang học hình học. Quang học không tạo ảnh bắt đầu phát triển vào giữa những năm 1960 với ba các nhóm nghiên cứu độc lập khác nhau của V. K. Baranov, M. Ploke, và R. Winston và dẫn đến sự phát triển độc lập của các bộ tập trung dựa trên quang học không tạo ảnh đầu tiên. Nói chung, các hệ thống quang học không tạo ảnh thay thế một đối tượng và một mặt phẳng hình ảnh trong hệ thống quang học hình ảnh bằng một nguồn sáng và một diện tích thu tương ứng. Quang học không tạo ảnh có thể chuyển hiệu quả tổng công suất phát sáng từ nguồn sang diện tích thu mà không cần hình thành hình ảnh. Do đó, quang học không tạo ảnh phù hợp với năng lượng mặt trời các ứng dụng và ứng dụng chiếu sáng. Về mặt ứng dụng năng lượng mặt trời, quang học không tạo ảnh quang học giúp cải thiện một số khía cạnh của thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời như góc giới hạn, tỷ lệ nồng độ, phân phối chiếu xạ, vv, mà không thể giải quyết bằng quang học tạo ảnh. Về mặt thiết kế chiếu sáng như hướng dẫn ánh sáng, đèn pha ô tô, tinh thể lỏng đèn nền hiển thị, màn hình bảng điều khiển được chiếu sáng, vv, không tạo ảnh là sự lựa chọn tối ưu cho phương pháp thiết kế. 14 Hình 1.13 Sự khác nhau giữa quang học không tạo ảnh và quang học tạo ảnh Trong luận án này, chúng tôi sẽ trình bày quy trình nghiên cứu chế tạo hệ thấu kính cho đèn LED đơn dựa trên cơ sở quang học không tạo ảnh. Quang học không tạo ảnh sẽ giúp giảm bớt vật liệu chế tạo, các tính toán thấu kính dựa trên lý thuyết quang tia, chiết suất giúp dễ dàng tính toán và mô phỏng chùm tia sau khi đi qua hệ thống quang học. 1.3.3. Thấu kính Fresnel Thấu kính Fresnel là một loại thấu kính có bề mặt ghép lại từ các phần của mặt cầu, làm giảm độ dày của thấu kính và do đó giảm trọng lượng, và độ tiêu hao ánh sáng do sự hấp thụ của thủy tinh làm kính. Thấu kính này do Augustin-Jean Fresnel chế tạo, với ứng dụng ban đầu dành cho hải đăng. Thấu kính Fresnel giúp giảm lượng vật liệu cần thiết so với thấu kính thông thường bằng cách chia thấu kính thành một bộ các phần hình khuyên đồng tâm. Một thấu kính Fresnel lý tưởng sẽ có vô số phần. Trong mỗi phần, độ dày tổng thể được giảm so với một thấu kính đơn giản tương đương. Điều này có hiệu quả phân chia bề mặt liên tục của một thấu kính tiêu chuẩn thành một tập hợp các bề mặt có cùng độ cong, với sự không liên tục từng bước giữa chúng. 15 Trong một số thấu kính, các bề mặt cong được thay thế bằng các bề mặt phẳng, với một góc khác nhau trong mỗi phần. Một thấu kính như vậy có thể được coi là một loạt các lăng kính được sắp xếp theo kiểu vòng tròn, với các lăng kính dốc hơn ở các cạnh và một tâm phẳng hoặc hơi lồi. Trong các thấu kính Fresnel đầu tiên, mỗi phần thực sự là một lăng kính riêng biệt. Thấu kính Fresnel sau khi phát triển thành công đã được sản xuất rất rộng rãi: được sử dụng cho đèn pha ô tô, thấu kính thu tín hiệu, v.v. hiện nay, thiết bị phay điều khiển bằng máy tính (CNC) có thể được sử dụng để sản xuất các thấu kính phức tạp hơn. Hình 1.14 Thấu kính Fresnel sử dụng trong ngọn hải đăng và cấu trúc điển hình Thiết kế thấu kính Fresnel cho phép giảm đáng kể độ dày (và do đó khối lượng và khối lượng vật liệu), tuy nhiên cũng làm giảm chất lượng hình ảnh của thấu kính, đó là lý do tại sao các ứng dụng hình ảnh chính xác như chụp ảnh thường vẫn sử dụng thấu kính thông thường lớn hơn. Thấu kính Fresnel thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa; kích thước của chúng thay đổi từ lớn (ngọn hải đăng) đến trung bình (thiết bị hỗ trợ đọc sách, máy chiếu kính ngắm OHP) đến nhỏ (kính quang học). Trong nhiều trường hợp chúng rất mỏng và phẳng, với độ dày trong phạm vi từ 1 đến 5 mm (0,04 đến 0,2 in). 16 Hình 1.15 Thấu kính Fresnel hội tụ ánh sáng mặt trời 1.4. LED chiếu sáng nông nghiệp Hiện nay, đèn led chiếu sáng không chỉ được dùng trong chiếu sáng trong gia đình mà chúng còn được dùng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp, nông nghiệp hay các ngành khoa học khác. Đèn led chiếu sáng có đặc điểm chiếu sáng rất tốt, đem lại nguồn năng lượng và ánh sáng cao. Do vậy, chúng rất có ích trong việc cải thiện năng suất cây trồng một cách tự nhiên mà không cần phải sử dụng thêm các loại thuốc kích thích hay phân bón hóa học gì. Có rất nhiều ứng dụng của đèn led đã được đưa vào sử dụng trong nông nghiệp. Chẳng hạn như đèn led chiếu sáng được đưa vào để thúc đẩy sản xuất cà chua hay nhiều loại cây khác. Hình 1.16 Đèn LED trong nuôi cấy giống cây trồng 17 Vào mùa đông, khi thời tiết quá lạnh, đèn LED lại tiếp tục phát huy tác dụng khi giúp sưởi ấm các loại hoa, để chúng được nở vào đúng thời điểm như hoa đào, hoa ly, hoa lan,…. Không chỉ dừng lại ở đó, các ánh sáng khác nhau của đèn còn có thể giúp cho quá trình quang hợp của các loại cây diễn ra một cách nhanh hơn, cây sẽ sống và phát triển tốt hơn rất nhiều. Với loại đèn chiếu sáng này, các trang trại sản xuất rau sạch trong nhà kính cũng có thể sử dụng để giúp cho quá trình phát triển của các loại rau trở nên nhanh hơn, đồng thời đem lại nguồn rau sạch ngon hơn, đảm bảo tiến độ phát triển và năng suất của chúng. Bóng đèn led chiếu sáng được dùng trong nhiều ngành nông nghiệp cho thấy được những ưu việt tuyệt vời của nó. Với những đặc điểm nổi trội hơn hẳn các loại đèn chiếu sáng khác về cả hiệu quả, tính năng…, đèn LED hiện nay đã dần thay thế hoàn toàn được các loại đèn chiếu sáng thông thường trước đây. Đây chính là sản phẩm chiếu sáng hàng đầu trong các ngành công nghiệp hay nông nghiệp chiếu sáng hiện đại. Tại thời điểm hiện tại, đèn LED có khá nhiều các loại đèn khác nhau như đèn LED dây, đèn led tuýp hay các loại đèn âm trần, điều này là đặc biệt phù hợp đối với các nhu cầu sử dụng khác nhau của con người trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đèn LED sử dụng trong nông nghiệp có đặc điểm riêng về bước sóng, để có hiệu ứng tốt hơn với cây trồng con người đã tiến hành nghiên cứu và phát hiện ra cây trồng có phản ứng tích cực với vùng bước sóng 450-470nm và 630-670nm. Chính vì thế các loại LED sử dụng trong nông nghiệp chủ yếu sử dụng 2 loại bước sóng này. Tùy thuộc vào từng loại cây và mục đích khác nhau mà tỷ lệ giữa 2 loại bước sóng này cũng khác nhau. 18 Hình 1.17 Bước sóng ánh sáng và sự ảnh hưởng của chúng với thực vật Nếu như vùng bước sóng 450-470nm có tác dụng tốt đến quá trình sinh trưởng, sinh dưỡng thì vùng bước sóng 630-660nm lạ có tác dụng tốt với quá trình phát triển thân, ra hoa và sản xuất chất diệp lục. 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 2.1. Các hệ đo đặc trưng của LED 2.1.1. Hệ đo đặc trưng quang điện của LED công suất cao. Trong chiếu sáng phục vụ nông nghiệp đo công suất quang là rất quan trọng. Công suất quang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phản ứng của các loại cây trồng. Do đó hệ đo phải thiết kế sao cho đạt được kết quả chính xác nhất loại trừ được tối đa các ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài. Nguồn nuôi LED Đồng hồ đo thế Đầu thu công suất quang LED Nguồn nuôi peltier Peltier Sensor nhiệt độ Hình 2.1 Sơ đồ đo đặc trưng công suất quang của đèn LED Để thực hiện phép đo ta sẽ tăng dòng nuôi đi qua LED từ 0 đến 1000mA và đo công suất quang lối ra thay đổi theo dòng bơm. Nhiệt độ của LED được giữ cố định phù hợp với điều kiện làm việc thực tế do thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi đặc trưng công suất quang của LED. Trong sơ đồ trên nguồn nuôi LED được chúng tôi sử dụng là nguồn dòng một chiều cho dòng ra thay đổi từ 0 đến 5A, độ chia nhỏ nhất là 0,01A. Có thể cho dòng từ từ qua LED hoặc đặt một dòng nhất định sau đó mới được cấp cho LED. Đây là nguồn Thorlabs ITC 4005 do Mỹ sản suất. LED trong các nghiên cứu trên là LED của Nichia do Nhật Bản sản xuất, được bọc thấu kính silicon trong suốt, dòng danh định là 1000mA tuy nhiên có thể hoạt động được ở dòng lên đến 2000mA. Ở điều kiện bình thường LED có thể chịu được nhiệt độ chuyển tiếp khá cao 1350C cho những ứng dụng đặc biệt trong thời gian ngắn, tuy nhiên với điều kiện như vậy tuổi thọ của LED không quá 100 giờ. Ở 20 chế độ xung có tp = 10μs và D=0,005 (D được tính bằng thời gian xung cao trên chu kì xung, D=tp /T), chuyển tiếp có thể chịu được dòng 2500mA. Để đo được tín hiệu quang ta sử dụng optical power meter có đầu thu photodiode. Với đầu thu này năng lượng của LED sẽ được chuyển hóa trực tiếp thành điện với hiệu suất cao và dựa và điện thế thu được ta có thể tính ra công suất của chùm sáng. Trong phép đo này chúng tôi sử dụng máy đo công suất quang Newport 842-pe. Máy đo cho phép đo được nhiều bước sóng theo yêu cầu, với độ chính xác 0,1mW và dải đo rộng đến 3W. để xác định nhiệt độ cho LED và hạn chế chịu ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài ta sử dụng peltier. nhiệt độ được điều chỉnh bằng cách điều khiển dòng qua peltier. Tuy nhiên để nhiệt độ được ổn định khi ta tăng hay giảm tải thì ta phải sử dụng sensor nhiệt độ phản hồi và thay đổi dòng tương ứng Hình 2.2 Nguồn THORLABS ITC 4005 Hình 2.3 Máy đo công suất quang Newport 842-PE với đầu thu photodiode 21 2.1.2. Hệ đo phổ của LED công suất cao Phổ là một tham số quan trọng trong thiết kế quang học, mỗi bước sóng khác nhau lại có sự ảnh hưởng khác nhau vào chiết suất vật liệu. Chính vì thế khi có thông số chính xác về phổ của đèn LED sẽ giúp chúng tôi mô phỏng đúng với thực tế nhất. Nguồn nuôi LED Đồng hồ đo thế Phổ kế LED Nguồn nuôi peltier Peltier Sensor nhiệt độ Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ đo phổ của LED công suất cao Cũng tương tự như hệ đo công suất quang. LED được cấp dòng và được đặt nhiệt độ xác định. Ánh sáng lối ra được phân tích thông qua máy phân tích phổ. Máy đo phổ được sử dụng là HR2000+, đi kèm với phần mềm spectra suite. Máy có khả năng phân tích quang phổ dọc theo bước sóng với độ phân giải là 0.2nm. bước sóng đo được nằm chủ yếu trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần (350nm đến 1000nm) Hình 2.5 thiết bị đo phổ ocean optic HR2000+ và phần mềm đo phổ 22 2.2. Xây dựng hệ đo phân bố quang Sau khi chế tạo xong hệ thấu kính phân bố ánh sáng đồng đều cho đèn LED. Bước tiếp theo là đo đạc thông số phân bố ánh sáng của hệ đèn đã chế tạo trên diện tích cần chiếu, đối chiếu và so sánh thấu kính chế tạo với các thông số khác nhau và với các loại thấu kính thương mại khác. Do diện tích chiếu sáng là khá lớn và điểm lấy mẫu cần nhiều số liệu. Vì thế phương pháp đo bằng tay sẽ rất mất thời gian và độ chính xác không cao. Chính vì thế chúng tôi đã tiến hành chế tạo một hệ đo phân bố quang tự động. có thể lấy mẫu nhiều lần độ chính xác cao và thời gian đo đạc được rút ngắn. Hệ đo được trình bày như trong hình 2.6 . Bao gồm một máy tính giao tiếp với một card ardunio sử dụng đầu đo photodiode có thể di chuyển trên trục tọa độ xy của mặt phẳng được chiếu sáng nhờ hệ cơ khí được điều khiển chính xác bằng motor bước. Hình 2.6 Sơ đồ hệ đo phân bố quang cho thấu kính Hệ đo phân bố quang được chúng tôi trực tiếp chế tạo. LED sẽ được nuôi ổn định bằng nguồn dòng trong suốt quá trình khảo sát. Sau khi ghép với thấu kính, chùm ánh sáng đi qua sẽ được chiếu trên diện tích 1m x 1m với các chiều cao khác nhau. Phần diện tích chiếu sáng sẽ được thu thập công suất quang bằng photodiode, photodiode này được đặt trong một hệ trục xy di chuyển được và được điều khiển bằng máy tính. Dữ 23 liệu công suất quang sẽ được xử lý và vẽ lại bằng hình ảnh phân bố 3D qua phần mềm Matlab. Hình 2.7 Hình ảnh hệ đo phân bố quang thực tế 2.3. Chế tạo linh kiện nguyên mẫu bằng thiết bị CNC CNC là chử viết tắt của Computer Numerical control tạm dịch là điều khiển chương trình số bằng máy tính. Hình 2.8 Thiết bị cnc sử dụng trong công nghiệp Được phát minh từ thập niên 1940-1950 bởi phòng thí nghiệm thuộc học viện M.I.T .Mục đích để gia tăng tự động hóa,thay thế cho con người ở nhửng việc có kỹ thuật và mỹ thuật cao và có tính lặp đi lặp lại. Hiện nay các máy móc có xử dụng hình 24 thức CNC, điều khiển bằng chương trình số rất đa dạng và phong phú có thể kể ra như sau: -Gia công cơ khí: Chế tạo các loại khuôn mẩu cho nghành nhựa, khuôn dập. Chế tạo chi tiết máy v.v... -Gia công vật liệu phi kim loại: gỗ, đá, mica cho nghành quảng cáo. Phù điêu cho nghành mỹ thuật v.v... - Các loại máy vẽ, máy cắt de can, cắt vải, cắt khắc da và simili, máy in 3d v.v... -Trong các loại máy móc công nghiệp khác ví dụ các máy in offset công nghiệp có hệ thống CPC (computer printer control) tự động chỉnh màu mực in v.v.. 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của máy CNC Để điều khiển máy CNC người ta thường xử dụng chương trình được lập bằng ký hiệu chuyên biệt là mã G (G code). Khi máy nhận được dòng lệnh G code đưa vào nó sẽ di chuyển đến vị trí mới mà dòng lệnh quy định. Ví dụ ta có dòng lệnh: G0x10y30 thì khi đó trục x sẽ di chuyển 10 mm và trục y sẽ di chuyển 30 mm. Thoạt nhìn thì thấy đơn giản, nhưng bên trong máy sẽ vận hành như sau: Máy tính của máy CNC sẽ phân tích dòng lệnh và phát ra tín hiệu xung (tín hiệu rời rạc) và motor sẽ chạy theo số xung máy tính phát ra đó. - Phần mềm CAM: Để hoạt động theo các yêu cầu kỹ thuật với vận tốc và gia tốc tối ưu, và các chế độ cắt gọt khác nhau cho các vật liệu khác nhau thì ta có các phần mềm cam, độc lập với máy CNC. Ví dụ với nghành chế tạo cơ khí ta có MASTER CAM, đối với nghành mỹ thuật ta có ART CAM v.v.... Tương ứng với từng chi tiết gia công các phần mềm cam này sẽ quy định chế độ cắt gọt, bước tiến dao, tốc độ quay của trục chính v.v...và xuất ra file G CODE .Sau đó ta đưa file này vào máy CNC để điều khiển gia công chi tiết. 2.3.2. Các thông số cơ bản của máy CNC micro-nano a, Hướng (trục) chuyển động Hướng (trục) chuyển động là những trục có thể lập trình được trên máy CNC. Trục chuyển động được ký hiệu bằng các chữ cái và có thể khác nhau trên các máy. Tuy vậy vẫn có một số quy ước chung, ví dụ X, Y, Z, U, V và W cho các chuyển động thẳng 25 và A, B, C cho các trục quay. Nếu có lệnh X3.5 có nghĩa là chương trình yêu cầu máy chạy trục X tới tọa độ 3.5 đơn vị đo (mm hoặc inch), giả thiết chúng ta đang làm việc ở chế độ tuyệt đối, hoặc chạy trục X thêm 3.5 đơn vị đo, nếu chúng ta đang làm việc ở chế độ gia tăng. Chuyển động quay cũng cần ký hiệu trục và góc quay (tính bằng độ). Ví dụ nếu đang ở chế độ tuyệt đối thì lệnh B45 sẽ quay quanh trục Y tới vị trí góc 45o tính từ điểm 0 của chương trình. b, Điểm tham chiếu cho các trục Hầu hết các máy CNC sử dụng một vị trí xuất phát hay tham chiếu (reference) chung cho các trục. Trong tiếng Anh vị trí này có nhiều tên gọi khác nhau: zero return position, grid zero position, home position. Dù gọi bằng cách nào đi nữa thì vị trí tham chiếu này phải được xác định rất chính xác. Thông thường mỗi khi bật máy, bàn máy sẽ tự động chạy về vị trí cơ sở này và sau đó bộ điều khiển sẽ đồng bộ lại các chuẩn với chuẩn tham chiếu của máy. c, Các hệ thống phụ trợ cho máy Bên cạnh các thành phần chính mà máy CNC nào cũng có, các hãng sản xuất có thể thực hiện các yêu cầu riêng biệt theo đặt hàng như băng tải phoi, bàn xoay NC, hệ thống làm mát bổ sung, hệ thống tự động đo bù dao, thay bàn máy tự động v.v… Các thiết bị hỗ trợ này cần được mô tả đầy đủ trong catalogue của nhà sản xuất máy hoặc của bên thứ ba (nhà sản xuất phụ độc lập). d, Các chức năng lập trình được khác Khi lập trình gia công luôn có những chức năng nào của máy CNC lập trình được và lệnh nào thực hiện nó. Ở những máy CNC rẻ tiền, có nhiều chức năng phải kích hoạt bằng tay qua bộ điều khiển. Còn với các máy CNC cao cấp hầu như toàn bộ các chức năng của máy có thể thực hiện qua chương trình gia công. Người vận hành máy chỉ việc gá phôi và cuối cùng là lấy chi tiết đã gia công xong ra khỏi máy. Một khi chương trình gia công đã chạy, người vận hành có thể chuyển sang làm việc khác. Dưới đây chúng ta sẽ biết thêm một số chức năng và lệnh thường gặp nhất. - Điều khiển trục chính. Ký hiệu “S” được dùng để xác định vòng quay của trục chính với đơn vị là vòng/phút (RPM – Recycle Per Minute). Lệnh M03 điều khiển trục 26 quay cùng chiều kim đồng hồ, còn M04 – quay ngược chiều kim đồng hồ; M05 dừng quay. Với máy tiện, nhiều khi cần sử dụng chức năng điều chỉnh vòng quay sao cho vận tốc dài không đổi. Khi đó tốc độ trục chính được đo bằng m/phút (MPM) hoặc fit mặt/phút (surface feet per minute – SFPM). - Thay dao tự động (Trung tâm gia công). Ký hiệu T kèm theo số chỉ cho máy biết dao ở hộc số mấy được dùng. Hầu hết các máy sử dụng lệnh M06 để thực hiện lệnh thay dao. - Thay dao tự động (Trung tâm tiện). Ký hiệu T kèm theo 4 chữ số để xác định dao tiện. hai chữ số đầu xác định trạm dao và hai số cuối xác định hộc dao trên trạm đó. Ví dụ dao T0101 chỉ dao số 1 ở trạm số 1. - Điều khiển tưới dung dịch. Lệnh M07 phun dung dịch dạng sương, M08 tưới tràn; còn M09 ngừng phun. - Thay bàn tự động. Lệnh M60 thường dùng cho việc thay bàn máy tự động. 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH 3.1. Thiết kế mô phỏng thấu kính Trong phần 3.1, chúng tôi sử dụng phương pháp thiết kế quang học để thiết kế hệ phân bố quang thứ cấp cho một LED đơn. Trong đó hai thấu kính Fresnel tuyến tính được sử dụng để phân bố lại chùm sáng chuẩn trực, dọc theo hai chiều trong vùng chiếu sáng để có được phân bố đồng đều. Trong những năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng đã trở nên rất phổ biến vì những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, khối lượng nhỏ và độ hoàn màu cao. Mặc dù những lợi ích của đèn LED đã được công nhận tuy nhiên mô hình bức xạ bán cầu của đèn LED là một nhược điểm khiến chúng hầu như không được sử dụng trực tiếp cho mục đích chiếu sáng với đòi hỏi tính đồng nhất cao. Để giải quyết vấn đề này, một số các phần tử quang thứ cấp được sử dụng để phân phối lại ánh sáng từ nguồn LED đến mục tiêu để tạo sự hiệu quả và thống nhất. Trong hầu hết các trường hợp, thành phần quang thứ cấp được thiết kế cho một đèn LED đơn. Thiết kế phần tử này có một số phương pháp cơ bản. Như hội tụ ánh sáng, định luật snell… Kết quả là cải thiện độ đồng đều của độ rọi, độ đồng đều màu và thông lượng của đèn LED Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp sử dụng thiết kế quang học thứ cấp đều cần các tính toán phức tạp, dẫn đến thiết kế thấu kính LED phức tạp và tốn kém. Ngoài ra, vì hạn chế đầu ra công suất quang từ một đèn LED, khi chiếu sáng một khu vực rộng lớn ta cần nhiều module LED để đảm bảo đạt được độ sáng cần thiết, điều này làm tăng chi phí cho hệ thống và lắp đặt. Chính vì thế chúng tôi đề xuất một cách tiếp cận khác cho phân bố lại ánh sáng đèn LED bằng cách thiết kế các thành phần quang học thứ cấp đơn giản. Đèn LED tạo chùm song song bằng một thấu kính collimator. sau đó chùm tia song song được phân bố lại đồng đều trên diện tích chiếu bằng hệ quang học bao gồm hai thấu kính Fresnel tuyến tính đặt vuông góc với nhau. 28 3.1.1. Thiết kế tổng thể hệ thống phân bố đồng đều cho đèn LED Mục tiêu của chúng tôi là thiết kế một hệ thống chiếu sáng với hình dạng đơn giản và chi phí chế tạo thấp bằng cách sử dụng một đèn LED. Và quy trình chế tạo thử nghiệm bằng phương pháp CNC Micro-Nano, bằng cách sử dụng một thấu kính phẳng lồi dạng tự do làm ống chuẩn trực ánh sáng và một hệ thấu kính đôi Fresnel tuyến tính để phân bố ánh sáng thống nhất. Thiết kế tổng thể được trình bày trong hình 3.1. Phần đầu là đèn LED công suất cao 3w. Ánh sáng phát ra từ đèn LED được tạo chùm song song bởi thấu kính chuẩn trực là một thấu kính phẳng lồi. Do phần lớn bộ tạo chùm song song cho LED là gương phản xạ hoặc thấu kính, không mang lại hiệu quả phân bố lại chùm tia chuẩn trực tại mục tiêu chiếu sáng. Sau khi ánh sáng được tạo chùm song song sẽ được phân bố lại bằng hệ thấu kính Fresnel tuyến tính tạo ra chùm tia có tính đồng đều cao trên diện tích chiếu. Hình 3.1 Thiết kế tổng thể của hệ đèn LED chiếu sáng đồng đều Các chi tiết của hệ thống như các thành phần quang học và các thông số được trình bày dưới đây. 3.1.2. LED luxeon 3W LED sử dụng làm trong thiết kế là LED công suất cao có đế để tản nhiệt. Bước sóng 630nm. Dòng nuôi danh định 1A. Được chế tạo bởi hãng Nichia (Nhật Bản). 29 Hình 3.2 : LED sử dụng trong chế tạo hệ thống phân bố đồng đều a, Hình ảnh thực tế LED 630nm 3W b, Phân bố quang theo góc của LED 3.1.3. Thấu kính chuẩn trực Thấu kính chuẩn trực là một thành phần quang học thu thập các tia từ nguồn LED và làm chệch hướng chúng để trở thành các tia song song. Một thấu kính chuẩn trực điển hình có thể được xây dựng đơn giản bởi một gương parabol hoặc thấu kính, và nguồn sáng được đặt tại tiêu điểm của nó. Những loại thấu kính chuẩn trực thông thường chỉ hoạt động với một nguồn sáng có góc mở nhỏ. Một đèn LED điển hình với một góc mở 1200 không thể được chuẩn trực hiệu quả bởi các thấu kính chuẩn trực thông thường này. Do đó, chúng tôi thiết kế một thấu kính phẳng lồi bằng phương pháp quang hình tự do. Phương pháp thiết kế của thấu kính dạng quang hình tự do được mô tả trong Hình 3.3 Hình 3.3 Nguyên tắc thiết kế thấu kính phẳng lồi dựa trên quang hình tự do 30 Thấu kính phẳng lồi bao gồm hai bề mặt: một mặt phẳng và bề mặt dạng tự do. Thấu kính phẳng lồi trong nghiên cứu của chúng tôi là đối xứng xoay. Trong một hệ thống đối xứng xoay. Giả sử rằng một đèn LED chip là một nguồn điểm. Đèn LED ở trong không khí với chỉ số khúc xạ n0 và thấu kính chuẩn trực làm bằng nhựa có chiết suất n1. Nguồn LED được đặt trong điểm O. OAn là một tia tới, tới bề mặt phẳng với góc tới là αn. OAn bị khúc xạ thành tia AnBn tại điểm An trên bề mặt phẳng của thấu kính. Theo định luật Snell ta có phương trình sau: n0(sin αn) = n1 (sin βn ) (9) Tất cả các tia sáng phát ra từ LED có đường dẫn quang từ nguồn tới mặt sóng. Theo bảo tồn đường quang thu được theo phương trình sau: (10) Trong đó OA0 là tia tới ban đầu dọc theo trục x và A0B0 là tia khúc xạ của bề mặt phẳng. Khi góc tới là 0 độ, nó đi thẳng. OA0 = d0 là khoảng cách từ đèn LED đến bề mặt phẳng và A0 B0 = d1 là chiều dài của thấu kính phẳng. Tất cả các điểm trên đường cong tự do có thể được tính bằng cách giải phương trình (9) và (10). Do đó, toàn bộ đường cong dạng tự do có thể thu được bằng cách thu thập tọa độ của các điểm. Toàn bộ bề mặt thấu kính được xây dựng bằng cách xoay cấu hình cong 2D trong 3D bằng phần mềm mô phỏng quang (LightTools). Hình 3.4 cho thấy một mô hình của thấu kính chuẩn trực dạng tự do này với phương pháp dò tia. Nếu nguồn sáng là một nguồn điểm, thấu kính chuẩn trực được có thể cho ra chùm tia song song một cách hoàn hảo. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chip LED (1 × 1 mm) không thể được coi là nguồn điểm hoàn hảo. Do đó, chùm đầu ra từ thấu kính chuẩn trực không phải là chùm song song; nó có một góc phân kỳ nhỏ. Sự di chuyển của chùm tia được phát ra từ một nguồn nhỏ, đi qua thấu kính thấu kính chuẩn trực rất phức tạp và không thể tính được bằng lý thuyết. Chính vì thế, chúng tôi mô phỏng sử dụng phần mềm LightTools được tiến hành để tính toán độ phân kỳ của chùm đầu ra. Chúng tôi thu được phân kỳ chùm đầu ra là 7,50. Ảnh hưởng của chùm tia chuẩn trực không lý tưởng về hiệu quả và tính đồng nhất của hệ thống chiếu sáng được thảo luận trong Phần 4. 31 Hình3.4 Chùm ánh sáng sau khi đi qua thấu kính chuẩn trực Thông số của thấu kính phẳng lồi sau khi tính toán, mô phỏng Thông số kỹ thuật Giá trị Góc mở của LED (góc thu của thấu kính) 1200 Chỉ số khúc xạ của thấu kính (PPMA) 1,49 Khoảng cách từ nguồn sáng đến thấu kính (d0) 5mm Độ dày của thấu kính phẳng lồi (d1) 100mm Đường kính của thấu kính (d) 100mm 3.1.4. Thiết kế hệ thấu kính Fresnel tuyến tính Chùm đèn LED sau khi đi qua thấu kính tạo song song cần phân bố lại đồng đều trên diện tích chiếu sáng. Sự phân bố đồng đều của ánh sáng là một vấn đề quan trọng trong chiếu sáng rắn. Trong trường hợp của chúng tôi, nguồn sáng có kích thước nhỏ (1 × 1mm) với cường độ cao, sau đó được phân bố lại thành một chùm ánh sáng LED chuẩn trực. Hầu hết các thiết kế phân bố ánh sáng điển hình được sử dụng trong kỹ thuật chiếu sáng LED không hỗ trợ phân bố lại chùm sáng chuẩn trực cho diện tích chiếu sáng 32 đồng đều. Trong nghiên cứu này, chúng tôi thiết kế một hệ thống quang học phân bố lại ánh sáng chuẩn trực tạo sự đồng đều trên diện tích chiếu sáng. Thiết kế này dựa trên sự đặc biệt của thấu kính Fresnel tuyến tính có thể làm rộng chùm tia chuẩn trực. Các thấu kính Fresnel tuyến tính có thể chuyển hướng các tia tới chuẩn trực dọc theo một chiều. Các thấu kính Fresnel tuyến tính được đề xuất bao gồm nhiều phân đoạn và mỗi phân đoạn là một thấu kính lồi nhỏ. Các chùm tia song song đi qua thông qua mỗi phân đoạn được hội tụ ở tiêu cự có độ dài rất ngắn và làm tăng kích thước chùm tia. Hai thấu kính Fresnel tuyến tính được đặt vuông góc có thể chuyển hướng ánh sáng chuẩn trực đồng đều trên vùng chiếu sáng hai chiều. chúng tôi đã áp dụng phương pháp SMS để tính toán đường cong của bề mặt thấu kính Fresnel. Phương pháp thiết kế SMS để tính toán các thành phần quang học không tạo ảnh đã được phát triển vài năm trước và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng năng lượng mặt trời và ánh sáng Quá trình thiết kế cho một phân đoạn được mô tả trong Hình 3.5 (a). một số định nghĩa được mô tả bao gồm AL BL là tia đến phía cạnh trái, ARBR là tia đến phía cạnh phải của một phân khúc, RR’ kích thước chiếu sáng. Tia AL BL bên trái bị làm lệch sang phía bên phải của đường RR’. Tương tự, ARBR tia phải bị lệch về phía ngoài cùng bên trái của đường RR’. Hai tia ALR’ và ARR cắt nhau tại điểm F, là tiêu điểm của một phân khúc thấu. Mọi tia giữa ALBL và ARBR phải được tập trung tại F sau khi chúng bị khúc xạ trên bề mặt của phân khúc. Những tia này đến được mặt phẳng chiếu sáng sau khi đi qua F. Do đó, tất cả các tia được phân bố lại sau khi đi qua phân đoạn. Vì tất cả các tia đều tập trung vào F, chúng phải thỏa mãn định luật về độ dài đường quang (OPL) bảo tồn; xem phương trình (11) (11) trong đó n0, n1 lần lượt là các chỉ số khúc xạ của không khí và vật liệu thấu kính Fresnel. Dựa trên trên các phương trình này, tất cả các tọa độ của đường cong bề mặt thấu kính được tính toán. Tọa độ của tất cả đường cong các phân đoạn khác của thấu kính Fresnel tuyến tính được tính bằng quy trình tương tự. hình 3.5 (b) trình bày một thấu kính Fresnel và phân bố ánh sáng của chùm tia sau khi đi qua. 33 (a) (b) (c) Hình 3.5 Mô phỏng chùm tia sáng sau khi đi qua hệ thấu kính Fresnel Chúng tôi đặt hai thấu kính Fresnel tuyến tính vuông góc để truyền ánh sáng vào các vùng chiếu sáng hai chiều, như trong Hình 3.5(c). Và bên cạnh là hình phóng đại chi tiết của thấu kính Fresnel kép. Trên cơ sở phương pháp thiết kế này, chúng tôi đã 34 xây dựng Phần mềm thiết kế Fresnel có thể chỉ định các đặc điểm của thấu kính Fresnel kép bằng cách kiểm soát một số điều kiện đầu vào, chẳng hạn như vị trí của thấu kính Fresnel, kích thước của thấu kính Fresnel, số lượng phân đoạn trong thấu kính và kích thước của mặt phẳng chiếu sáng. Phương pháp này linh hoạt vì hai thấu kính Fresnel tuyến tính là được sử dụng để phân phối lại ánh sáng dọc theo hướng ngang và dọc. Kích thước (chiều rộng và chiều dài) của mặt phẳng chiếu sáng có thể được thay đổi tự do bằng cách thay đổi các điều kiện ban đầu. Một khía cạnh khác trong thiết kế của chúng tôi là nó có thể chiếu sáng mục tiêu không chỉ khi nguồn sáng nằm trên trục đối xứng, nhưng cũng có khi nó nằm ngoài trục đối xứng của mặt phẳng chiếu sáng, như trong Hình 3.6. (a) (b) Hình 3.6 Cấu hình chiếu sáng của đèn LED với hệ thấu kính Fresnel (a) Nguồn sáng nằm trong trục đối xứng (b) nguồn sáng nằm ngoài trục đối xứng 3.2. Chế tạo hệ thấu kính fresnel bằng phương pháp CNC Sau khi mô phỏng bằng phần mềm LighTools. Kết quả của thấu kính sẽ là file chứa tọa độ của mặt cắt thấu kính. Qua những số liệu đó. Chúng tôi chuyển file số liệu thành hình ảnh 3D bằng phần mềm Auto Cad. Sau đó trích xuất số liệu bản vẽ để xử lý trên phần mềm mô phỏng CNC. Phần Mềm autocad cho phép chúng tôi thu thập các giá trị của bản vẽ như độ cong, kích thước tổng thể, kích thước từng phần, các điểm sai lệch trên mô phỏng cũng được xử lý trên autocad. 35 Hình 3.7 Thấu Kính Fresnel sau khi xử lý bằng phần mềm Auto Cad Sử dụng phần mềm autocad chúng tôi chuyển bản vẽ từ phần mềm lighttool ở dạng 2D sang dạng 3D. Cấu trúc gồm các rãnh Fresnel tuyến tính có kích thước mỗi rãnh 10mm. mỗi thấu kính Fresnel dạng hình vuông có 10 rãnh dài 100mm. Kích thước một thấu kính sẽ là 100mm x100mm. Sau đó bản vẽ được chuyển sang định dạng bitmaps để có thể xử lý số liệu sang code máy CNC micro-nano. Để xử lý số liệu bản vẽ chúng tôi sử dụng phần mềm aspire chuyển số liệu sang code để dùng trên máy CNC. Code dùng cho máy CNC gồm có 3 phần tương ứng với 3 giai đoạn chế tạo khác nhau. - Phần đầu tiên là giai đoạn chạy thô với step 1mm nhằm khắc hình dạng tổng quát của thấu kính. - Phần thứ 2 chúng tôi tiến hành chạy tinh với step 100µm để tạo nên cấu trúc vòng cung của thấu kính - Phần thứ 3 chúng tôi tiến hành chạy tinh với step 5 µm đề đánh bóng cấu trúc thấu kính. 36 Hình 3.8 Thấu Kính trong phần mềm aspire để tạo code chạy máy CNC Sau khi có code để chạy máy CNC. Chúng tôi tiến hành chế tạo thử nghiệm thấu kính đã mô phỏng. Thấu kính sẽ được chế tạo trên vật liệu khối là acrylic. Kích thước tổng thể 10 x 10 x 0,5 cm. Được khắc các rãnh Fresnel tuyến tính. Thiết bị CNC được sử dụng để chế tạo là máy CNC PROXXON của Đức, có kích thước làm việc là 200 x 100 x50 mm. Máy được vận hành bằng step motor có bước chia rất nhỏ 5µm/step. Cấu trúc thấu kính sau khi chế tạo bằng máy cnc sẽ có độ gồ ghề xấp xỉ bằng bước chia của máy cnc là 5µm. Hình 3.9 Tấm acrylic được sử dụng để chế tạo thấu kính Fresnel Lựa chọn acrylic để chế tạo thấu kính có những đặc điểm rất vượt trội so với các vật liệu khác như thủy tinh hay thạch anh ở điểm acrylic có giá thành rất rẻ, dễ dàng mua được ở mọi nơi. Tính chất quang học tốt, gia công đơn giản. Đối với thủy tinh hay 37 thạch anh mặc dù độ bền tốt hơn, tính chất quang học tốt hơn nhưng gia công cần công nghệ đúc hay tạo hình rất khó khăn. Khối lượng của thấu kính bằng thủy tinh cũng cao hơn và giá thành để chế tạo mẫu cao. Không phù hợp với nghiên cứu của chúng tôi. Bên cạnh đó, acrylic có thể gia công bằng phương pháp khắc, thời gian chế tạo mẫu nhanh, chế tạo các mẫu có cấu trúc khác nhau chỉ cần thay đổi code chạy máy, không cần chế tạo khuôn đúc. Điều này là rất quan trọng trong việc chế tạo mẫu thử cần thay đổi thiết kế nhiều lần. Hình 3.10 Thiết bị CNC micro-nano chế tạo thấu kính Thiết bị CNC micro-nao Proxxon MF70 là thiết bị CNC ba trục làm việc với phần mềm Mach3. Cho phép chế tạo những cấu trúc nhỏ với độ chính xác cao. Động cơ trục chính công suất 100W đễ dàng sử dụng với các loại vật liệu mềm nhứ gỗ, acrylic, hợp kim nhôm và một số vật liệu khác. Kích thước làm việc của thiết bị là 15x20x7cm. Hoàn toàn phù hợp cho chế tạo thử nghiệm thấu kính Fresnel vật liệu acrylic. Do độ gồ ghề của thấu kính sau khi khắc bằng máy CNC là khá lớn, vì thế để thấu kính có thể sử dụng được chúng tôi cần phải làm mịn bề mặt và đánh bóng bề mặt đã được khắc của thấu kính. Để làm mịn và đánh bóng bề mặt thấu kính chúng tôi thử nghiệm nhiều phương pháp khác nhau, từ xử lý nhiệt, mài. Dùng hóa chất ăn mòn cho đến phủ bóng. Kết quả sử dụng phương pháp mài bằng bột kim cương có độ mịn cao sau đó đánh bóng bằng dung môi hòa tan cho kết quả xử lý bề mặt tốt nhất mà không gây thay đổi cấu trúc. 38 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Các đặc trưng của LED công suất cao 4.1.1. Đặc trưng công suất phụ thuộc vào dòng bơm P-I của LED 630nm Đèn LED khác với LASER là sẽ ko có ngưỡng phát. Khi tăng dòng điện cường độ quang ra cũng sẽ thay đổi theo. Sau đây là kết quả đo công suất phụ thuộc vào dòng bơm của LED 630nm được sử dụng trong thí nghiệm. 700 600 P(mW) 500 400 300 P(mW) 200 100 0 0 200 400 600 800 1000 I(mA) Hình 4.1 Đồ thị P-I của LED 630nm LED 630nm công suất quang tại 1000mA là 600 mW khi đó thế trên led đạt 2.32V. Hiệu suất quang là 30,6%. Công suất nhiệt khoảng 1700mW. 4.1.2. Đặc trưng dòng thế I-V của LED 630nm Đặc trưng dòng thế cho ta biết sự phụ thuộc của điện thế đặt trên lớp chuyển tiếp LED vào dòng bơm chạy qua nó. Hình dưới thể hiện đặc trưng I-V của các chất bán dẫn khác nhau. Đặc trưng I-V của bất kì chất bán dẫn nào cũng có dạng như vậy. thông qua đó ta xác định được tương đối áp phân cực thuận đặt trên chuyển tiếp p-n 39 2,5 2,0 U(V) 1,5 U(V) 1,0 0,5 0,0 0 200 400 600 800 1000 I(mA) Hình 4.2 Đồ thị đặc trưng I-V của LED 630nm Từ đồ thị về đặc trưng I-V ta thấy rằng với một dòng bơm rất nhỏ thì thế trên LED tăng rất nhanh đến khi đạt điện thế phân cực thuận trên lớp tiếp giáp p-n thì tốc độ tăng của nó theo dòng bơm giảm đi. Điều này chứng tỏ điện trở của LED là phi tuyến và nó phụ thuộc vào điện thế phân cực thuận đặt vào LED. Khi đặt điện áp vào LED nhỏ hơn điện áp phân cực thuận điện trở của Led rất lớn. trong đoạn này tốc đọ tăng điện áp lớn hơn rất nhiều tốc độ tăng dòng bơm. Còn khi điện áp lớn hơn điện áp phân cực thuận của LED thì điện trở của LED giảm xuống chỉ còn rất nhỏ. Tốc độ tăng của dòng lớn hơn tốc độ tăng của thế. Đối với LED 630nm thế phân cực thuận xấp xỉ 1,7 V 4.1.3. Đặc trưng phổ LED 630nm Như đã nói ở trên phổ của LED ảnh hưởng rất nhiều vào quá trình thiết kế quang học. Do đó chúng ta cần khảo sát rất kỹ phổ của LED 630nm để có thể sử dụng hiệu quả. Năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn có xu hướng giảm khi nhiệt độ tăng lên. Điều này có thể được hiểu tốt hơn nếu ta xem xét rằng khoảng cách giữa các nguyên tử tăng khi biên độ của dao động nguyên tử tăng do năng lượng nhiệt tăng lên. Hiệu ứng này được định lượng bằng hệ số mở rộng tuyến tính của vật liệu. Một khoảng cách giữa 40 các nguyên tử tăng làm giảm khả năng nhìn thấy các electron trong vật liệu, do đó làm giảm kích thước của năng lượng. Một điều chế trực tiếp của khoảng cách giữa các nguyên tử, chẳng hạn như bằng cách áp dụng nén cao (kéo) căng thẳng, cũng làm tăng (giảm) của vùng cấm. Vì thế đối với LED cũng vậy. khi tăng nhiệt độ sẽ làm độ rộng vùng cấm thay đổi dẫn đến bước sóng thay đổi theo. Nên chúng tôi cũng tiến hành đo phổ của LED 630nm tại các nhiệt độ khác nhau để xem xét sự sai lệch của phổ khi nhiệt độ thay đổi. Từ đó đưa ra đánh giá sự ảnh hưởng tới quá trình mô phỏng, thiết kế quang học. 15000 o 25 C o 35 C o 45 C o 50 C c-êng ®é 12000 9000 6000 3000 0 600 610 620 630 640 650 660 670 680 b-íc sãng (nm) Hình 4.3 Đặc trưng phổ của LED 630nm khi nhiệt độ thay đổi Đối với đặc trưng phổ của LED 630nm, khi thay đổi nhiệt độ thì độ dịch của đỉnh phổ là không nhiều khoảng 1nm/5oC. Không gây ảnh hưởng quá nhiều vào quá trình thiết kế. Độ xê dịch này sẽ làm các tia bị lệch hướng so với mô phỏng. Tuy nhiên theo tính toán, thấu kính chuẩn trực có thể đáp ứng được ánh sáng có bước sóng 620-650nm. 4.2. Kết quả đo phân bố quang của hệ thấu kính Fresnel Thấu kính Fresnel sau khi được gia công sẽ gồm 2 thấu kính giống nhau kích thước 10x10x0,5cm. Trên thấu kính bao gồm các rãnh Fresnel tuyến tính xếp dọc song song với nhau. Để khảo sát hệ thấu kính này. Chúng tôi tiến hành qua 3 bước: khảo sát 41 hình thái, khảo sát độ gồ ghề sau các lần chế tạo và khảo sát phân bố quang của LED sau khi chuẩn trực và đi qua hệ thấu kính Fresnel. 4.2.1. Hình thái thấu kính Thấu kính sau khi chế tạo và đánh bóng có độ trong suốt cao. Thử nghiệm trên laser 650nm cho thấy độ truyền qua của thấu kính đạt trên 93%. Mất mát do tán xạ và hấp thụ <7%. Tuy nhiên đối với những thấu kính có độ gồ ghề khác nhau thì sự mất mát cũng khác nhau. Cụ thể được phân tích trong đồ thị sau đây: 100 80 H(%) 60 a b 40 20 0 0 200 400 600 800 1000 I(mA) Hình 4.4 Đồ thị hiệu suất truyền qua của thấu kính (a) Thấu kính được chế tạo với step 20µm (b) Thấu kính được chế tạo với step 5µm Dễ dàng nhận thấy từ đồ thị hình 3.6 các thấu kính có cấu trúc khác nhau cho hiệu suất truyền qua là tương đương nhau chỉ sai lệch với nhau 1-2%. Và hiệu suất truyền qua cũng rất cao đạt trên 93% so với công suất đầu vào. Như vậy về độ truyền qua cả hai loại thấu kính đều đạt yêu cầu 42 Hình 4.5 Thấu kính Fresnel sau khi chế tạo bằng phương pháp cnc micro (a) thấu kính trước khi đánh bóng (b) thấu kính sau khi đánh bóng 4.2.2. Kết quả đo phân bố quang của LED khi chưa có thấu kính Trong phép đo này chúng tôi tiến hành khảo sát phân bố ánh sáng của chip LED bước sóng 630nm. LED được cấp dòng ổn định 1A. Khoảng cách từ LED đến mặt phẳng chứa đầu thu là 50cm. Hình 4.6 Phân bố quang của LED luxeon 3W trên diện tích 1m x1m Đối với đèn LED khi không có thấu kính. Phân bố ánh sáng trên diện tích chiếu có hình dạng tròn đối xứng. Năng lượng tập trung chủ yếu vào giữa và giảm dần khi ra xa. Sự chênh lệch của mật độ công suất là tương đối lớn. mật độ công suất của điểm cách tâm diện tích chiếu 10cm giảm 60% so với mật độ công suất tại tâm. Chính vì thế, khi ứng dụng đèn LED không có thành phần quang học thứ cấp vào chiếu sáng nông 43 nghiệp sẽ tạo ra hiệu ứng không đều gây khó khăn cho thiết kế chiếu sáng với chi phí thấp và diện tích lớn. 4.2.3. Kết quả đo phân bố quang của đèn LED khi đi qua thấu kính hội tụ Hình 4.7 Phân bố quang khi đi qua thấu kính chuẩn trực trên diện tích 1m x1m Đối với đèn LED khi có thấu kính chuẩn trực, thấu kính đã tạo được chùm tia song song như được mô phỏng từ trước với góc mở chỉ ~5o. mật độ công suất tại trục chính thấu kính chuẩn trực đạt cực đại và mật độ công suất tại điểm cách tâm trục chính thấu kính chuẩn trực gần như bằng 0. Như vậy. phân bố ánh sáng của đèn LED sau khi đi qua thấu kính chuẩn trực hoàn toàn đạt yêu cầu để ghép vào hệ thấu kính Fresnel tuyến tính. 4.2.4. Kết quả đo phân bố quang của đèn LED khi đi qua hệ thấu kính Fresnel Đối với hệ thấu kính Fresnel chúng tôi tiến hành khảo sát phân bố trên các thấu kính có cấu trúc chế tạo khác nhau để lựa chọn được thấu kính phù hợp nhất. Vấn đề khi chế tạo thấu kính Fresnel nằm ở thời gian chế tạo rất khác nhau với các step khác nhau. Đối với Fresnel cấu trúc bề mặt có độ mịn 5µm, thời gian chế tạo sẽ là 10 giờ với kích thước thấu kính là 100 x100 x5 mm. Trong khi đó thấu kính Fresnel cấu trúc bề mặt có độ mịn 20µm thời gian chế tạo rút ngắn xuống chỉ còn 4 giờ. Vì thế lựa chọn được cấu trúc tối ưu với thời gian chế tạo nhanh sẽ giúp nâng cao năng lực sản xuất mà tính chất quang học của thấu kính vẫn đạt được yêu cầu đặt ra. 44 Hình 4.8 Phân bố quang của LED khi đi qua hệ thấu kính Fresnel 20µm Như kết quả đã thu được thấu kính Fresnel có cấu trúc bề mặt với độ mịn 20µm cho kết quả phân bố chưa đồng đều. Điều này được giải thích do cấu trúc bề mặt của thấu kính chưa đạt độ mịn yêu cầu nên xảy ra hiện tượng tán xạ, các góc tạo bề mặt khúc xạ cũng chưa đạt yêu cầu để phân bố lại chùm tia sáng song song sau khi đi qua thấu kính chuẩn trực. Các điểm lấy mẫu mặc dù là cạnh nhau nhưng lại có sự sai lệch khá lớn về công suất quang thu được. Tuy nhiên phần ánh sáng chuẩn trực sau khi đi qua hệ thấu kính đã được phân bố lại một phần, kết quả thu được sau khi đi qua thấu kính Fresnel cũng không phải là ánh sáng chuẩn trực, do đó đây là tiền đề để chế tạo thấu kính có cấu trúc tốt hơn, phù hợp với yêu cầu đề ra. Hình 4.9 Phân bố quang của LED khi đi qua hệ thấu kính Fresnel 5µm 45 Đối với thấu kính Fresnel có cấu trúc bề mặt với độ mịn 5µm. kết quả phân bố phù hợp với mô phỏng, mật độ công suất tại các điểm trên bề mặt chiếu sáng có sự đồng đều rõ rệt. Điểm cách tâm chiếu sáng 15cm có công suất quang thu được xấp xỉ bằng công suất thu được tại tâm. Diện tích chiếu sáng có phân bố dạng hình vuông với các điểm đo cạnh nhau không có sự khác biệt nhiều do đó sự tán xạ do cấu trúc không đồng đều cũng đã giảm đáng kể so với cấu trúc 20µm. Bên cạnh đó trên toàn bộ diện tích chiếu sáng cũng không có điểm công suất đột biến. Dựa trên kết quả thu được, chúng tôi đánh giá thấu kính có cấu trúc 5µm có kết quả đạt yêu cầu, phù hợp cho chiếu sáng tạo độ đồng đều cao. 4.3. So sánh kết quả độ đồng đều với thấu kính thương mại Thấu kính củ lạc là loại thấu kính được dùng chủ yếu trong chiếu sáng đường phố. Cấu tạo thấu kính tạo ra hai góc mở khác nhau một chiều 70o còn một chiều là 150o. Thấu kính đặc biệt phù hợp diện tích chiếu sáng hình chữ nhật, giúp tiết kiệm số lượng đèn chiếu trên một đơn vị độ dài. Hình 4.9 Thấu kính củ lạc (peanut) Đối với phép đo thấu kính củ lạc. chúng tôi vẫn sử dụng LED luxeon 3W để ghép với thấu kính. LED được cung cấp dòng 1A liên tục và được đặt cách mặt phẳng chưa đầu thu là 50cm. Diện tích chiếu sáng 1m x 1m, độ phân gải của đầu thu là 1cm. 46 (a) (b) Hình 4.10 Phân bố quang của LED sau khi đi qua thấu kính củ lạc và hệ thấu (a) Thấu kính củ lạc (b) hệ thấu kính Fresnel Thấu kính củ lạc là thấu kính chúng tôi đã thử nghiệm cây hoa cúc trong các thí nghiệm trước đây, thấu kính có đặc điểm phân bố theo chiều dọc phù hợp với các luống cây hình chữ nhật. Thấu kính có phân bố tương đối phức tạp do cấu trúc gây ra. Tuy nhiên phân bố của thấu kính vẫn chưa đạt sự đồng đều như mong muốn. mật độ công suất vẫn tập trung ở giữa và giảm dần khi ra xa. Mặc dù lượng công suất tại hai đầu củ lạc đã được phân bố lại và mở rộng ra tuy nhiên phần mở rộng công suất thu được vẫn rất thấp. Do thấu kính củ lạc thu hẹp góc mở ở một chiều nên công suất trên phần diện tích còn lại được đẩy lên khá cao. Phần trung tâm thấu kính tạo ra nhiều cực trị công suất. chưa đạt được độ đồng đều như mong muốn. 47 KẾT LUẬN Từ luận văn này chúng tôi đã thực hiện được một số kết quả cụ thể như sau: 1. Hoàn thiện thiết kế chế tạo linh kiện quang học thứ cấp cho LED tạo độ đồng đều chiếu sáng cao gồm có thấu kính chuẩn trực và thấu kính Fresnel. - Tính toán, mô phỏng chùm tia phát xạ từ đèn LED 630nm khi đi qua hệ thấu kính phân bố ánh sáng đồng đều - Hệ thấu kính chế tạo cho tỷ lệ ánh sáng truyền qua cao >90% - Hệ thấu kính chế tạo có cấu trúc bề mặt không bị nứt vỡ, được đánh bóng và xử lý bề mặt đạt yêu cầu sử dụng làm linh kiện quang học. 2. Chế tạo hoàn thiện LED ghép với hệ thống quang học thứ cấp phân bố lại ánh sáng tạo độ đồng đều trên diện tích chiếu sáng. - Đo phân bố ánh sáng của LED trong trường hợp có thấu kính, không có thấu kính và đi qua toàn bộ hệ thống quang học ở các điều kiện chế tạo khác nhau - So sánh với thấu kính thương mại, thấu kính do chúng tôi chế tạo có tính đồng đều cao hơn. 3. Khảo sát một số thông số của đèn LED bước sóng 630nm, định hướng chiếu sáng trong nông nghiệp 4. Hướng nghiên cứu tiếp theo - Hoàn thiện bộ đèn LED chiếu sáng đồng đều với bước sóng 630nm ứng dụng cho chiếu sáng nông nghiệp. - Đánh giá kết quả thử nghiệm chiếu sáng trên cây hoa cúc. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Global, B. Bp statistical review of world energy 2017. https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-ofworldenergy.html [2] Hai, V.N; Tuan, P.T; Shin.S; LED Uniform Illumination Using Double Linear Fresnel Lenses for Energy Saving, Energies 2017, 10, 2091; doi:10.3390/en10122091 [3] Sawin, J.L.; Sverrisson, F.; Seyboth, K.; Adib, R.; Murdock, H.E.; Lins, C.; Edwards, I.; Hullin, M.; Nguyen, L.H.; Prillianto, S.S. Renewables 2017 global status report. 2013. [4] Kalogirou, S.A. Solar energy engineering: Processes and systems. Academic Press: 2013. [5] Horowitz, K.A.; Woodhouse, M.; Lee, H.; Smestad, G.P. In A bottom-up cost analysis of a high concentration pv module, AIP Conference Proceedings, 2015; AIP Publishing: p 100001. [6] Fraunhofer, I. New world record for solar cell efficiency at 46% french-german cooperation confirms competitive advantage of european photovoltaic industry. Press release 2014, 26. [7] Yamada, N.; Hirai, D. Maximization of conversion efficiency based on global normal irradiance using hybrid concentrator photovoltaic architecture. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2016, 24, 846-854. [8] instruments, N. Photovoltaic cell overview. http://www.ni.com/whitepaper/7229/en/ [9] Energy, C.G. Solar optic module. http://crystalgreenenergy.com/how- itworks/#prettyPhoto [10] Tien, N.X.; Shin, S. A novel concentrator photovoltaic (cpv) system with the improvement of irradiance uniformity and the capturing of diffuse solar radiation. Applied Sciences 2016, 6, 251. 164 49 [11] Kost, C.; Mayer, J.N.; Thomsen, J.; Hartmann, N.; Senkpiel, C.; Philipps, S.P.; Nold, S.; Lude, S.; Saad, N.; Schmid, J. Levelized cost of electricity: Pv and cpv in comparison to other technologies. Fraunhofer ISE 2013. [12] Buljan, M.; Mendes-Lopes, J.; Benítez, P.; Miñano, J.C. Recent trends in concentrated photovoltaics concentrators’ architecture. Journal of Photonics for Energy 2014, 4, 040995. [13] Consortium, C. Listing projects. http://cpvconsortium.org/projects [14] Sayigh, A. Solar energy engineering. Elsevier: 2012. 50