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 kiệnquang hình tự do freeform optics device và phương pháp quang học không tạo ảnhnon imaging optics là phương pháp được sử dụng chủ yếu để thiết kế thành phầnquang học thứ cấp cho

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

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

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 dẫncủa TS Trần Quốc Tiến và sự hỗ trợ của nhóm nghiên cứu Các kết quả đưa ra trong luậnvăn 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 trựctiếp hướng dẫn, đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thànhkhóa luận này

Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến TS Tống Quang Công, KTV Phạm VănTrường cùng các anh chị tại phòng Laser bán dẫn- Viện Khoa học Vật liệu đã luônđộng 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 tronghơn một năm qua, những người đã truyền đạt kiến thức cần thiết cho tôi trong thờigian 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 khóaluận 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 lĩnhvực khác nhau Với những lợi ích vượt trội về tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, antoàn 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 LEDtrong các yêu cầu khác nhau đòi hỏi cần phải phân bố lại chùm tia phát xạ Linh kiệnquang 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 phầnquang học thứ cấp cho đèn LED do các đặc trưng phân bố của loại đèn này Luận ánnày giải quyết một khía cạnh cụ thể là thiết kế chế tạo hệ thống quang học nhằm táiphân 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

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Nguyên lý hoạt động của LED

1.1.1.Các vùng năng lượng

1.1.2.Chuyển tiếp p-n

1.1.3.Cấu trúc của LED

1.2 Các đặc trưng cơ bản của LED

1.2.1.Đặc trưng quang điện

1.2.2.Đặc trưng phổ của LED

1.2.3.Phân bố quang theo góc của LED

1.2.4.Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính của LED

1.3 Các linh kiện quang học

1.3.1.Thấu kính quang học

1.3.2.Quang học không tạo ảnh và linh kiện quang hình tự do

1.3.3.Thấu kính Fresnel

1.4 LED chiếu sáng nông nghiệp

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

2.1.2.Hệ đo phổ của LED công suất cao

2.2 Xây dựng hệ đo phân bố quang

2.3 Chế tạo linh kiện nguyên mẫu bằng thiết bị CNC

2.3.1.Nguyên lý hoạt động của máy CNC

2.3.2.Các thông số cơ bản của máy CNC micro-nano

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH .

3.1 Thiết kế mô phỏng thấu kính

3.1.1.Thiết kế tổng thể hệ thống phân bố đồng đều cho đèn LED

3.1.2.LED luxeon 3W

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 đãtrở nên phổ biến hơn vì tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, kích thước và khối lượngnhỏ, chỉ số hoàn màu cao và thân thiện với môi trường Mặc dù các nhà sản xuất vànghiên cứu LED đã chỉ ra những ưu điểm của LED trong những nghiên cứu cũng nhưtrong 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 đãđược bổ sung vào mô hình chiếu sáng để phân bố lại ánh sáng từ nguồn LED đến vị trímục tiêu một cách hiệu quả và thống nhất

Đèn LED cũng bắt đầu được sử dụng trong nông nghệp như chiếu sáng pháđêm, kích thích tăng trưởng, nuôi cấy mô và rất nhiều ứng dụng khác Nhóm nghiêncứu của chúng tôi cũng đã có nghiên cứu trong việc sử dụng LED vào chiếu sáng pháđêm điều khiển sự ra hoa của cây hoa cúc, bước đầu đã đạt được một số kết quả rấtkhả quan Tuy nhiên khi chiếu sáng cho cây hoa cúc, chúng tôi đã gặp một vấn đề liênquan 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 sángmạnh hơn sẽ gây ức chế ra hoa tốt hơn, phần rìa của luống hoa nhận được ít ánh sánghơn 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 phảitìm ra giải pháp để nâng cao tính đồng đều chiếu sáng của đèn LED giúp nâng caohiệu 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 thịtrường để phân bố lại ánh sáng Giúp việc chiếu sáng trên luống cây đồng đều hơn Chúngtôi 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 hìnhđèn của chúng tôi là rất khó, cách sắp xếp đèn để tạo phân bố đều khá phức tạp, khôngphù 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 sángcũng như thông tin trên internet Chúng tôi quyết định nghiên cứu chế tạo thấu kínhcho LED công suất cao bằng phương pháp CNC micro-nano Với cấu trúc dựa trênquang học không tạo ảnh để tạo ra sản phẩm gọn nhẹ, thời gian tạo mẫu nhanh, chi phíthấp và dễ dàng để ứng dụng trên quy mô rộng

Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang nănglượng, 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 màđiện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, cónghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn Tính dẫnđiện 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 bándẫn 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, haynăng lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất cóthể 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 vùngdẫn, 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 cấmnhỏ 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 vàloại n

1.1.2 Chuyển tiếp p-n

Các nguồn phát quang trên cơ sở vật liệu bán dẫn hầu hết dựa trên chuyển tiếpp-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 giớilớp tiếp xúc được gọi là lớp tiếp xúc công nghệ

Lớp tiếp xúcHình 1.1 Sơ đồ chuyển tiếp p-nMiền 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 nănglượng trong vùng hóa trị

Miền n là miền có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V (pha tạp dono) dưđiện tử, phần tử dẫn điện chủ yếu là điện tử và chiếm giữ các trạng thái năng lượngtrong vùng dẫn

Xác suất chiếm trạng thái năng lượng của điện tử và lỗ trống được xác địnhtheo 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 khipha tạp thì mức femi có xu hướng chuyển dịch ra ngoài vùng cấm cụ thể là mức femichuyển 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 vàmiền n trùng nhau

(Efv = Efc)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) cókhả năng xích lại gần lớp tiếp xúc công nghệ và hàng rào thế năng giảm đi Lúc nàyphần lớn các hạt tải cơ bản có năng lượng đủ lớn để vượt qua hàng rào thế năng Dòngđiện bắt đầu được sinh ra do sự khuếch tán của hạt tải dòng điện I tăng theo hàm mũcùng 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 cưỡngbức 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 ởphía mặt của LED Hình 1.2 minh hoạ một loại SLED, được gọi là LED Burrus do cấutrúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson Trong cấu trúc này vùngphát xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằngcách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P Do đó, tạivùng 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 SLEDLED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh củaLED (hình 1.3) Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặttrên và đáy của LED Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rất mỏng Lớptích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa bởi hai lớpbán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng trongELED Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyền dọc theotrong 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 phátsáng hẹp và góc phát quang nhỏ Thích hợp sử dụng trong thông tin quang[2]

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một ELEDHiện 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 đượcgiam giữ tốt hơn trong vùng tích cực nằm giữa hai lớp chuyển tiếp nên hiệu suất phát

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 phátquang 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 hạttải I/q vì hiệu suất lượng tử nội ηint (ηint = Nph/Ne) xác định phần các cặp điện tử lỗtrống tái hợp thông qua bức xạ tự phát nên tốc độ sinh photon sẽ là ηintI/q Vì vậy côngsuất quang nội sẽ là:

Pint = ηint(ħω/q)IVới ħω là năng lượng photon q là điện tích điện tử nếu ηext là phần các photonthoát ra khỏi linh kiện khi đó công suất phát quang sẽ là:

Pe = ηext ηint (ħω/q)I

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 xuấtlượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc của nguồnquang 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 lýtưởng, 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 chấtbán dẫn khác nhau sẽ cho một thế chuyển tiếp khác nhau Thế này là đặc trưng cho vậtliệu Khi được thiên áp thuận bằng điện thế bên ngoài hàng rào thế năng của lớpchuyển tiếp giảm đi Sự giảm này dẫn đến việc khuếch tán điện tử và lỗ trống qua lớpchuyển tiếp Dòng điện bắt đầu được sinh ra và tăng theo hàm mũ với sự tăng thế đặtlên 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 mộtthế 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 nănglượng chứ không phải ở một mức năng lượng

+ Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫnxuống 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 nhiềubước 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 nguồnquang 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]

Với  là bước sóng danh định của LED, k- hằng số Bolzman và T là nhiệt độchuyển tiếp, h - hằng số Plank, c - tốc độ ánh sáng.

Hình 1.6 Phổ phát xạ của một số LED màu1.2.3 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 mộthình cầu:

(8)Với I(λ) là cường độ ánh sáng quang phổ(W/cm2) và A là diện tích bề mặt hìnhcầu thu ánh sáng

Phân bố quang của mỗi LED khác nhau sẽ khác nhau tùy vào cấu trúc của LEDcũng như cửa sổ phát sáng hay quy cách đóng vỏ Thông thường góc chiếu của LEDvào 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 dụngthuận 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 liênquan đến sự giảm hiệu suất lượng tử nội của LED Khi nhiệt độ tăng các điện tử nhậnthêm được năng lượng sẽ nhảy lên các mức năng lượng cao hơn trong vùng dẫn Khiđiện 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 lượngcao 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 khibiên độ của dao động nguyên tử tăng do năng lượng nhiệt tăng lên Hiệu ứng này đượcđịnh lượng bằng hệ số mở rộng tuyến tính của vật liệu Một khoảng cách giữa cácnguyên tử tăng làm giảm khả năng nhìn thấy các electron trong vật liệu, do đó làmgiảm kích thước của năng lượng Một điều chế trực tiếp của khoảng cách giữa cácnguyên 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 địnhbằng 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 đến100.000 giờ tùy theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất tuy nhiên tuổi thọ sẽ bị giảm mạnhkhi 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 giansống 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 150oCthời 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 trọngtrong module LED

1.3 Các linh kiện quang học

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 thuộcvào 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:

- 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 họcliên quan đến sự chuyển đổi tối ưu của bức xạ ánh sáng giữa một nguồn và một mụctiêu 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 ưuhóa để truyền bức xạ quang từ nguồn tới mục tiêu mong muốn Quang học không tạoảnh được phát triển chủ yếu trong khuôn khổ quang học hình học Quang học khôngtạo ảnh bắt đầu phát triển vào giữa những năm 1960 với ba các nhóm nghiên cứu độclập khác nhau của V K Baranov, M Ploke, và R Winston và dẫn đến sự phát triểnđộc 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 hìnhảnh trong hệ thống quang học hình ảnh bằng một nguồn sáng và một diện tích thutương 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 họckhông 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 cảithiện 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 đènnền hiển thị, màn hình bảng điều khiển được chiếu sáng, vv, không tạo ảnh là sự lựachọn tối ưu cho phương pháp thiết kế

Hình 1.13 Sự khác nhau giữa quang học không tạo ảnh và quang học tạo ảnhTrong luận án này, chúng tôi sẽ trình bày quy trình nghiên cứu chế tạo hệ thấukính cho đèn LED đơn dựa trên cơ sở quang học không tạo ảnh Quang học không tạoảnh sẽ giúp giảm bớt vật liệu chế tạo, các tính toán thấu kính dựa trên lý thuyết quangtia, chiết suất giúp dễ dàng tính toán và mô phỏng chùm tia sau khi đi qua hệ thốngquang học.

1.3.3 Thấu kính Fresnel

Thấu kính Fresnel là một loại thấu kính có bề mặt ghép lại từ các phần của mặtcầu, làm giảm độ dày của thấu kính và do đó giảm trọng lượng, và độ tiêu hao ánhsáng do sự hấp thụ của thủy tinh làm kính Thấu kính này do Augustin-Jean Fresnelchế tạo, với ứng dụng ban đầu dành cho hải đăng

Thấu kính Fresnel giúp giảm lượng vật liệu cần thiết so với thấu kính thôngthường bằng cách chia thấu kính thành một bộ các phần hình khuyên đồng tâm Mộtthấu kính Fresnel lý tưởng sẽ có vô số phần Trong mỗi phần, độ dày tổng thể đượcgiảm so với một thấu kính đơn giản tương đương Điều này có hiệu quả phân chia bềmặt liên tục của một thấu kính tiêu chuẩn thành một tập hợp các bề mặt có cùng độcong, 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 mộtloạt các lăng kính được sắp xếp theo kiểu vòng tròn, với các lăng kính dốc hơn ở cáccạnh và một tâm phẳng hoặc hơi lồi Trong các thấu kính Fresnel đầu tiên, mỗi phầnthực sự là một lăng kính riêng biệt Thấu kính Fresnel sau khi phát triển thành công đãđược 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 sảnxuất các thấu kính phức tạp hơn.

Hình 1.14 Thấu kính Fresnel sử dụng trong ngọn hải đăng và cấu trúc điển hìnhThiết 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 dụngthấu kính thông thường lớn hơn

Thấu kính Fresnel thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa; kích thước củachúng thay đổi từ lớn (ngọn hải đăng) đến trung bình (thiết bị hỗ trợ đọc sách, máychiếu kính ngắm OHP) đến nhỏ (kính quang học) Trong nhiều trường hợp chúng rấtmỏng 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 trời1.4 LED chiếu sáng nông nghiệp

Hiện nay, đèn led chiếu sáng không chỉ được dùng trong chiếu sáng trong giađình 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 vàánh sáng cao Do vậy, chúng rất có ích trong việc cải thiện năng suất cây trồng mộtcách tự nhiên mà không cần phải sử dụng thêm các loại thuốc kích thích hay phân bónhóa học gì Có rất nhiều ứng dụng của đèn led đã được đưa vào sử dụng trong nôngnghiệp Chẳng hạn như đèn led chiếu sáng được đưa vào để thúc đẩy sản xuất cà chuahay 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 khigiúp sưởi ấm các loại hoa, để chúng được nở vào đúng thời điểm như hoa đào, hoa ly, hoalan,… 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 vàphát triển tốt hơn rất nhiều Với loại đèn chiếu sáng này, các trang trại sản xuất rausạch trong nhà kính cũng có thể sử dụng để giúp cho quá trình phát triển của các loạirau trở nên nhanh hơn, đồng thời đem lại nguồn rau sạch ngon hơn, đảm bảo tiến độphát triển và năng suất của chúng

Bóng đèn led chiếu sáng được dùng trong nhiều ngành nông nghiệp cho thấyđược những ưu việt tuyệt vời của nó Với những đặc điểm nổi trội hơn hẳn các loại đènchiếu sáng khác về cả hiệu quả, tính năng…, đèn LED hiện nay đã dần thay thế hoàntoàn được các loại đèn chiếu sáng thông thường trước đây Đây chính là sản phẩmchiếu sáng hàng đầu trong các ngành công nghiệp hay nông nghiệp chiếu sáng hiệnđại Tại thời điểm hiện tại, đèn LED có khá nhiều các loại đèn khác nhau như đèn LEDdây, đèn led tuýp hay các loại đèn âm trần, điều này là đặc biệt phù hợp đối với cácnhu 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 cóhiệu ứng tốt hơn với cây trồng con người đã tiến hành nghiên cứu và phát hiện ra câytrồng có phản ứng tích cực với vùng bước sóng 450-470nm và 630-670nm Chính vìthế 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 nàycũng 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 triểnthân, 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 cácảnh hưởng của yếu tố bên ngoài

Nguồn nuôi Đồng hồ đo Đầu thu công

LED

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 đocông suất quang lối ra thay đổi theo dòng bơm Nhiệt độ của LED được giữ cố địnhphù hợp với điều kiện làm việc thực tế do thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi đặc trưngcông suất quang của LED

Trong sơ đồ trên nguồn nuôi LED được chúng tôi sử dụng là nguồn dòng mộtchiều cho dòng ra thay đổi từ 0 đến 5A, độ chia nhỏ nhất là 0,01A Có thể cho dòng từ từqua LED hoặc đặt một dòng nhất định sau đó mới được cấp cho LED Đây là nguồnThorlabs ITC 4005 do Mỹ sản suất LED trong các nghiên cứu trên là LED của Nichia doNhật Bản sản xuất, được bọc thấu kính silicon trong suốt, dòng danh định là 1000mA tuynhiên có thể hoạt động được ở dòng lên đến 2000mA Ở điều kiện bình thường LED cóthể chịu được nhiệt độ chuyển tiếp khá cao 1350C cho những ứng dụng đặc biệt trong thời

chế độ xung có tp = 10μs và D=0,005 (D được tính bằng thời gian xung cao trên chu kìxung, D=tp /T), chuyển tiếp có thể chịu được dòng 2500mA Để đo được tín hiệuquang ta sử dụng optical power meter có đầu thu photodiode Với đầu thu này nănglượng của LED sẽ được chuyển hóa trực tiếp thành điện với hiệu suất cao và dựa vàđiện thế thu được ta có thể tính ra công suất của chùm sáng Trong phép đo này chúngtôi sử dụng máy đo công suất quang Newport 842-pe Máy đo cho phép đo được nhiềubước sóng theo yêu cầu, với độ chính xác 0,1mW và dải đo rộng đến 3W để xác địnhnhiệt 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 độđược ổn định khi ta tăng hay giảm tải thì ta phải sử dụng sensor nhiệt độ phản hồi vàthay 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 khácnhau 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

LED

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ đo phổ của LED công suất caoCũng tương tự như hệ đo công suất quang LED được cấp dòng và được đặtnhiệt 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 khảnăng phân tích quang phổ dọc theo bước sóng với độ phân giải là 0.2nm bước sóng đođược 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