- Từ khóa: phân bố chiếu sáng LED, quang học không tạo ảnh, thấu kính LED MỤC LỤC MỞ ĐẦU. - Thấu kính quang học. - Thấu kính Fresnel. - 25 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH. - Thiết kế mô phỏng thấu kính. - Thấu kính chuẩn trực. - Thiết kế hệ thấu kính Fresnel tuyến tính. - Chế tạo hệ thấu kính fresnel bằng phương pháp CNC. - Kết quả đo phân bố quang của hệ thấu kính Fresnel. - Hình thái thấu kính. - Kết quả đo phân bố quang của LED khi chưa có thấu kính. - Kết quả đo phân bố quang của đèn LED khi đi qua thấu kính hội tụ. - 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. - 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. - Chúng tôi đã thử nghiệm một số thấu kính như thấu kính cầu, thấu kính củ lạc hay chụp tán xạ. - 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. - Chúng tôi quyết định nghiên cứu chế tạo thấu kính cho LED công suất cao bằng phương pháp CNC micro-nano. - Thấu kính quang học Thấu kính là một khối vật chất trong suốt. - 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 đại lượng và đường truyền của ba tia sáng đặc biệt Hình 1.11 Các đại lượng của thấu kính hội tụ Ta có. - 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. - 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. - 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. - Thấu kính Fresnel thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa. - 16 Hình 1.15 Thấu kính Fresnel hội tụ ánh sáng mặt trời 1.4. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - Ánh sáng phát ra từ đèn LED được tạo chùm song song bởi thấu kính chuẩn trực là một thấu kính phẳng lồi. - 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. - 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. - Đèn LED ở trong không khí với chỉ số khúc xạ n0 và thấu kính chuẩn trực làm bằng nhựa có chiết suất n1. - OAn bị khúc xạ thành tia AnBn tại điểm An trên bề mặt phẳng của thấu kính. - OA0 = d0 là khoảng cách từ đèn LED đến bề mặt phẳng và A0 B0 = d1 là chiều dài của thấu kính phẳng. - 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. - Do đó, chùm đầu ra từ thấu kính chuẩn trực không phải là chùm song song. - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - (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. - 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. - mỗi thấu kính Fresnel dạng hình vuông có 10 rãnh dài 100mm. - Kích thước một thấu kính sẽ là 100mm x100mm. - Phần đầu tiên là giai đoạn chạy thô với step 1mm nhằm khắc hình dạng tổng quát của 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. - 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. - Khối lượng của thấu kính bằng thủy tinh cũng cao hơn và giá thành để chế tạo mẫu cao. - 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. - 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. - Tuy nhiên theo tính toán, thấu kính chuẩn trực có thể đáp ứng được ánh sáng có bước sóng 620-650nm. - 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. - 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%. - 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. - 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