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

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 c

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

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

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

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

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

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

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

p-n, 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

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

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]

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

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

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] (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

(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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

Nguồn nuôi LED

thế

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