Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng

Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài ‘‘Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng” với mục tiêu chế tạo linh kiện quang học thứ cấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Hà Nội – Tháng 9 năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Tống Quang Công

Hà Nội – Tháng 9 năm 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào Các

số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm

Người làm luận văn

Kiều Ngọc Minh

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Vũ Ngọc Hải, NCS Vũ Hoàng cùng các cán bộ nhân viên Phòng Laser bán dẫn – Viện Khoa học vật liệu đã tận tình chỉ bảo và hỗ trợ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong hơn một năm qua cùng ban Lãnh đạo, phòng Đào tạo, các phòng chức năng của Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong thời gian tôi học tập tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân

đã hỗtrợ 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, tháng 9 năm 2021

Kiều Ngọc Minh

MỤC LỤC

DANH MỤC VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 8

1.1 Nguồn sáng LED cho chiếu sáng cây trồng 8

1.1.1 Nguồn sáng dải 8

1.1.2 Nguồn sáng điểm (LED Spotlight) 9

1.2 Các thông số cơ bản của nguồn đèn điểm trong chiếu sáng cây trồng 10

1.2.1 Cường độ chiếu sáng 10

1.2.2 Bước sóng ánh sáng 11

1.2.3 Phân bố ánh sáng 13

1.2.4 Cường độ bức xạ 14

1.3 Tối ưu phân bố quang của nguồn sáng điểm sử dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh 15

1.3.1 Khái niệm quang học không tạo ảnh 15

1.3.2 Linh kiện quang học trong quang học không tạo ảnh 17

1.3.3 Ứng dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh 18

1.3.4 Công cụ tính toán mô phỏng (Mathlab, Light tools) 19

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 24

2.1 Tính toán, mô phỏng nguồn sáng, linh kiện quang học 24

2.1.1 Tính toán, thiết kế biên dạng của thấu kính 24

2.1.2 Mô phỏng hình dạng và quang trình của thấu kính biên dạng tự do 30

2.2 Chế tạo mẫu thấu kính biên dạng tự do 32

2.2.1 Phương pháp chế tạo thấu kính 32

2.2.2 Gia công và hoàn thiện mẫu thấu kính biên dạng tự do 36

2.3 Kỹ thuật đo đạc 37

2.3.1 Xây dựng hệ đo phân bố ánh sáng 37

2.3.3 Xây dựng hệ đo thông số truyền qua của thấu kính biên dạng tự do 40

2.4 Lắp ráp đèn LED điểm hoàn chỉnh 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 Kết quả đo thông số nguồn sáng điểm (chip LED) 44

3.1.1 Kết quả đo thông số quang điện của chip LED 44

3.1.2 Kết quả đo phổ chip LED 44

3.2 Kết quả chế tạo và mô phỏng phân bố quang lối ra của hệ thấu kính biên dạng tự do 45

3.2.1 Kết quả mô phỏng, chế tạo thấu kính dạng kép 45

3.2.2 Kết quả mô phỏng, chế tạo thấu kính dạng ma trận 47

3.2.3 Kết quả mô phỏng khác 48

3.3 Kết quả đo thông số thấu kính 50

3.3.1 Kết quả đo độ truyền qua của thấu kính 50

3.3.2 Kết quả đo phân bố ánh sáng tạo bởi nguồn sáng và hệ thấu kính biên dạng tự do 51

3.3.3 Phân bố ánh sáng phụ thuộc vào góc nghiêng giữa thấu kính biên dạng tự do và thấu kính chuẩn trực 54

3.3.4 Phân bố ánh sáng phụ thuộc vào vị trí đặt chip LED 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 61

DANH MỤC VIẾT TẮT COB: Chips On Board

CNC: Computer Numerical Control

CRI: Color Rendering Index

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LCD: Liquid-crystal Display

LED: Light-Emitting Diode

PAR: Photosynthetically Active Radiation

PE: Photon Efficacy

PMMA: Poly Methyl Methacrylate

PPF: Photosynthetic Photon Flux

PPFD: Photosynthetic Photon Flux Density

SMD: Surface-Mount Device

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số thiết kế thấu kính dạng kép

Bảng 2.2: Thông số thiết kế thấu kính dạng ma trận

Bảng 2.3: Thông số phép đo phân bố ánh sáng

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1: Đèn LED dạng thanh ứng dụng chiếu sáng cây trồng 9

Hình 1.2: Đèn LED sử dụng trong chiếu sáng điều khiển sự ra hoa

của cây hoa cúc

10

Hình 1.4: Hình ảnh thể hiện định nghĩa của bước sóng 12

Hình 1.5: Sự khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không

tạo ảnh

17

Hình 1.6: Tính toán, mô phỏng và vẽ đồ thị trên phần mềm matlab 20

Hình 1.7: Mô hình được thiết kế trên phần mềm Light Tools 22

Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết kế đèn LED tăng độ đồng đều phân bố 24

Hình 2.2: Thấu kính chuẩn trực sử dụng trong chế tạo bộ đèn 25

Hình 2.3: Nguyên tắc thiết kế thấu kính dựa trên quang hình tự do [3] 25

Hình 2.4: Quy trình tính toán thấu kính biên dạng tự do dạng kép 27

Hình 2.5: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng kép 28

Hình 2.6: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận 30

Hình 2.7: Cấu hình chiếu sáng của đèn LED với hệ thấu kính 31

Hình 2.8: Cấu trúc phân tích mất mát và phân tích tia 32

Hình 2.9: Máy CNC 3004001000mm dùng chế tạo biên dạng

thấu kính

33

Hình 2.10: Mũi V-bit và mũi phay 3mm sử dụng chế tạo thấu kính 33

Hình 2.11: Thiết kế thấu kính trên phần mềm Auto CAD 34

Hình 2.12: Mô phỏng đường đi của mũi khoan trong công đoạn tạo

Hình 2.16: Sơ đồ hệ đo phân bố quang cho thấu kính 37

Hình 2.17: Hình ảnh của hệ dịch chuyển hai chiều 38

Hình 2.19: Arduino R3 và photodiode sử dụng trong phép đo 39

Hình 2.20: Sơ đồ hệ đo độ truyền qua của thấu kính 40

Hình 2.21: Thiết bị đo công suất quang MELLES GRIOT 41

Hình 2.23: Thấu kính biên dạng tự do và thấu kính chuẩn trực

sau khi được ghép nối

42

Hình 3.1: Đồ thị sự đáp ứng công suất phụ thuộc vào dòng nuôi của

Hình 3.6: Thấu kính biên dạng tự do a) trước và b) sau khi xử lý bề

Hình 3.8: Phân bố ánh sáng trên mặt thu có (a) d = 2 °; (b) d =

3 °; (c) d = 4 °; (d) Hiệu suất và độ đồng đều phụ thuộc vào góc lệch

chuẩn trực

49

Hình 3.9: Đồ thị đo hiệu suất truyền qua của 2 dạng thấu kính

trước khi được xử lý bề mặt

50

Hình 3.10: Đồ thị đo hiệu suất truyền qua của 2 dạng thấu kính

sau khi được xử lý bề mặt

Hình 3.13: Phân bố ánh sáng tại các góc lệch khác nhau giữa thấu

kính chuẩn trực và thấu kính biên dạng tự do

55

Hình 3.14: Phân bố ánh sáng tại các giá trị góc mở của thấu kính

chuẩn trực.a) 14 O ; b) 30 O ; c) 43 O ; d) 54 O

56

MỞ ĐẦU

Từ xưa đến nay, ánh sáng là một yếu tố quan trọng đối với sự sống, đặc biệt đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật Tuy nhiên, đối với mỗi loại thực vật khác nhau và từng giai đoạn phát triển khác nhau, nhu cầu về ánh sáng là khác nhau Việc kiểm soát độ sáng đối với các giai đoạn phát triển của thực vật được cho là bước tiến rất quan trọng trong ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp

Trong những năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng trong nông nghiệp đã trở nên phổ biến hơn vì tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ dài, khối lượng nhỏ gọn, chỉ số hoàn màu cao và lợi ích môi trường [1,2] Mặc dù các nhà sản xuất LED và các nhà cung cấp hàng đầu đã đề cao những lợi thế của đèn LED trong các ấn phẩm công nghiệp và danh mục của họ[3], nhưng phân bố dạng Lambert của đèn LED là một nhược điểm khiến chúng hiếm khi được sử dụng trực tiếp cho mục đích chiếu sáng đòi hỏi tính đồng nhất cao Ánh sáng phát ra từ đèn LED có tính định hướng cao nhưng phân bố dạng Lambert gây ra sự chênh lệch lớn về độ sáng giữa các vùng được chiếu sáng Vậy nên, nếu như thuần tuý sử dụng đèn LED trong việc chiếu sáng phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật, lượng ánh sáng thực nhận được giữa các vùng chiếu sáng là khác nhau, dẫn đến kết quả thực vật phát triển không đồng đều Hiện nay, đèn LED tuýp cũng đã được ứng dụng trong chiết sáng cây trồng, độ đồng đều chiếu sáng cao hơn đèn LED thường, tuy nhiên, đèn LED tuýp bị giới hạn trong lĩnh vực chiếu sáng cây trồng trong nhà, không thể đưa ra ngoài trời do gặp vấn đề về kỹ thuật lắp đặt

Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài ‘‘Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng” với mục tiêu chế tạo linh kiện quang học thứ cấp cho đèn LED nhằm đạt phân bố có dạng hình vuông và độ đồng đều chiếu sáng cao tại bề mặt chiếu sáng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nguồn sáng LED cho chiếu sáng cây trồng

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của chiếu sáng LED trong cuộc sống, chiếu sáng bằng đèn LED cũng dần được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp Các hãng sản suất nổi tiếng về đèn chiếu sáng như Philips, Panasonic, Rạng Đông,… cũng bắt đầu sản suất những loại đèn đặc biệt cho mục đích này Đèn LED cho ứng dụng nông nghiệp hiện nay gồm hai loại chính là đèn LED dạng thanh và đèn LED dạng điểm, mỗi loại có đặc điểm, thông số kỹ thuật khác nhau phù hợp với mục đích chiếu sáng nông nghiệp khác nhau

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[1]

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 450-470 nm và 630-

sáng không thể chiếu đến cây Hình 1.1 đưa ra một loại đèn nông nghiệp dạng thanh trong lĩnh vực chiếu sáng nông nghiệp trong nhà

Hình 1.1: Đèn LED dạng thanh ứng dụng chiếu sáng cây trồng

1.1.2 Nguồn sáng điểm (LED Spotlight)

Nguồn sáng LED chiếu sáng điểm (LED spotlight) hay còn được biết đến với cái tên khác là led buld, là một loại đèn có hình dạng tương đối giống với những loại đèn sợi tóc cổ điển Điều đặc biệt ở đèn LED Spotlight là ở góc

mở của chùm ánh sáng, cấu tạo của đèn LED Spotlight thường bao gồm nguồn nuôi và các chip LED được hàn trên bảng mạch (có thể là chip luxeon, chip dán SMD, hoặc chip dạng COB) Tùy vào mục đích chiếu sáng mà nhà sản xuất có thể thay đổi góc chiếu của đèn từ 5o cho đến 120o Hiện nay, trong sản xuất nông nghiệp, ví dụ ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng phá đêm kiểm soát sự

ra hoa hoặc nhằm mục đích cho cây tăng trưởng tốt hơn tại các nhà vườn, trang trại người ta thường sử dụng đèn LED buld với góc chiếu khoảng 120o kết hợp với các loại chụp đèn để giảm góc chiếu Vùng diện tích được chiếu sáng tập trung hơn so với sử dụng đèn LED dạng thanh Tuy nhiên, đèn LED buld có phân bố cường độ ánh sáng dạng Lambert dẫn đến hiện tượng cây trồng không nhận được lượng ánh sáng đồng nhất tại các vị trí khác nhau So với đèn LED

trồng ngoài trời Cụ thể cây càng gần hình chiếu vuông góc của đèn trên mặt phẳng chiếu, cường độ ánh sáng càng lớn và ngược lại, càng xa thì cường độ sáng càng nhỏ Hình 1.2 đưa ra đèn LED Spotlight dùng trong chiếu sáng cây hoa cúc và sự phát triển không đồng đều giữa các vùng cây được chiếu sáng

Hình 1.2: Đèn LED sử dụng trong chiếu sáng điều khiển sự ra hoa

của cây hoa cúc

1.2 Các thông số cơ bản của nguồn đèn điểm trong chiếu sáng cây trồng 1.2.1 Cường độ chiếu sáng

Cường độ ánh sáng:

Cường độ ánh sáng của đèn LED là năng lượng của đèn được phát ra theo một hướng nhất định[5] Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd) Đèn led có cường độ ánh sáng 1 cd sẽ phát ra 1 lm trên diện tích 1 m2 theo một hướng Dựa vào cường độ ánh sáng để chọn đèn led phù hợp với mục đích chiếu sáng, diện tích không gian cần chiếu sáng

Độ rọi:

Độ rọi hay còn được biết đến là độ tập trung ánh sáng tại một điểm Là đại lượng đặc trưng cho thông lượng ánh sáng phát ra đo được trên một đơn vị diện tích[5] Đơn vị đo độ rọi được ký hiệu là Lux Công thức tính độ rọi: 1lx=1lm/m2

Độ rọi được biết đến là mức độ của ánh sáng khi chiếu trên bề mặt mà người dùng cảm nhận được theo độ mạnh hay yếu Vì vậy giá trị của độ rọi có thể thay đổi theo khoảng cách, không gian, thành phần bước sóng và nhiệt độ màu của ánh sáng Độ rọi là tổng lượng quang thông trên một đơn vị diện tích Để tính được độ rọi, ta cần biết quang thông của nguồn sáng Hình 1.3 thể hiện sự khác nhau giữa Lux và lumen, Lux đặc trưng cho thông lượng ánh sáng theo khoảng cách còn lumen đặc trưng cho thông lượng ánh sáng theo góc khối

Hình 1.3: Sự khác nhau giữa Lux và lumen

Độ rọi quyết định mức độ ánh sáng mạnh hay yếu theo cảm nhận của con người Khi khu vực làm việc có độ rọi cao hoặc thấp sẽ gây khó chịu cho mắt người sử dụng, ngược lại với độ rọi hợp lý sẽ giúp tăng khả năng tập trung Độ rọi và diện tích cần chiếu sáng chính là tiêu chí để xác định số lượng bóng đèn cần sử dụng, tiết kiệm tối đa chi phí cho người sử dụng

1.2.2 Bước sóng ánh sáng

Để giải thích nguồn gốc của màu sắc, Robert Hooke (1635–1703) đã phát triển một "lý thuyết xung" và so sánh sự lan truyền của ánh sáng với sự lan truyền của sóng trong nước trong tác phẩm năm 1665 của ông

là Micrographia ("Quan sát IX") Năm 1672, Hooke cho rằng dao động của

ánh sáng có thể vuông góc với hướng truyền Christiaan Huygens (1629–1695)

đã đưa ra lý thuyết sóng toán học của ánh sáng vào năm 1678, và xuất bản nó

được phát ra theo mọi hướng dưới dạng một chuỗi sóng trong một môi trường

được gọi là Luminiferous ether Vì sóng không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn,

nên người ta cho rằng chúng chậm lại khi đi vào một môi trường dày đặc hơn.[13]

Hình 1.4: Hình ảnh thể hiện định nghĩa của bước sóng

Sóng ánh sáng (hoặc một số loại sóng điện từ khác) khi đi vào các môi trường khác môi trường chân không bước sóng của chúng bị giảm do vận tốc giảm trong khi tần số sóng không đổi

Trong môi trường truyền ánh sáng, vận tốc giảm đi n lần với n là chiết suất của môi trường

𝑣 = 𝑐

𝑛 (1)

Với c là bước sóng ánh sáng truyền trong môi trường chân không, n là

chiết suất của môi trường

LED được chế tạo từ vật liệu 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 Eitrong 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 sóng 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 sáng Ví dụ: ánh sáng

có bước sóng 1,3 µm do LED chế tạo bằng vật liệu bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-60 nm còn LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs phát ra ánh

sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần so với LED được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn InGaAsP

Thực vật có nhu cầu về quang phổ chọn lọc trong quá trình tăng trưởng của chúng Trong quá trình quang hợp, cây có thể hấp thụ khoảng 60% các bước sóng trong phạm vi quang phổ nhìn thấy (380-760 nm) Hai khu vực đỉnh hấp thụ, đèn đỏ và cam với bước sóng từ 610-720 nm (đỉnh = 660 nm) và đèn xanh và tím trong khoảng 400-510 nm (đỉnh = 450 nm), đã trở thành nhu cầu không thể thiếu của thực vật Cây hấp thụ ít hơn ở cùng phổ ánh sáng 510-610nm (đèn vàng và xanh lá cây) Các nguồn sáng nhân tạo có thể được phát triển cho 2 dải bức xạ này (400-510 nm và 610-720 nm) làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong chiếu sáng cây trồng

Ngoài ra, thực vật có nhu cầu về bức xạ ánh sáng khác nhau ở các giai đoạn tăng trưởng khác nhau Ví dụ, ánh sáng xanh với bước sóng khoảng 450nm có thể giúp nảy mầm và ánh sáng đỏ khoảng 630nm có thể tạo điều kiện cho quá trình quang hợp, nảy mầm, ra hoa và đậu quả Dựa trên đặc điểm này, các loại thực vật khác nhau có nhu cầu về bức xạ ánh sáng khác nhau Ví dụ, thực vật mọng nước và thân rễ có nhu cầu cao hơn về ánh sáng xanh trong khi thực vật mà hoa và quả thích ánh sáng đỏ Các loại cây cân bằng khác đòi hỏi

cả bức xạ đỏ và xanh

1.2.3 Phân bố ánh sáng

Góc chiếu sáng là góc nằm giữa hai mặt phẳng có cường độ sáng tối thiểu bằng 50% cường độ sáng mạnh nhất ở vùng sáng trung tâm Phương pháp nhận diện góc chiếu đơn giản nhất bằng việc dùng bộ đèn chiếu sáng lên tường, sẽ nhìn thấy các vùng chiếu sáng lớn, nhỏ, mạnh yếu khác nhau Các nguồn sáng tuy giống nhau những khi góc chiếu khác nhau, sẽ cho kết quả khác nhau Góc chiếu sáng càng lớn cường độ sáng vùng trung tâm càng nhỏ và vùng sáng càng rộng[3]

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 Có 3 loại góc chiếu sáng cơ bản phù hợp với tùy mục đích sử dụng: Góc chiếu hẹp, góc chiếu trung bình, góc chiếu rộng

+) Góc chiếu hẹp: 3o-8o: Các loại đèn có góc chiếu hẹp như trên thường được thiết kế chuyên dụng cho chiếu sáng cột, tạo điểm nhấn

+) Góc chiếu trung bình: 10o-60o: Các góc chiếu này là các góc chiếu thông dụng đối với các loại đèn rọi (spotlight)

+) Góc chiếu rộng: trên 60o: Góc chiếu này tạo ánh sáng tỏa đều với vùng sáng rộng, vì vậy các loại đèn này phù hợp khi lắp đặt tại các không gian yêu cầu góc chiếu sáng rộng để chiếu sáng cho một vùng không gian lớn

Khi đèn led có góc chiếu càng nhỏ ánh sáng sẽ tập trung tại một khu vực Góc chiếu sáng rộng ánh sáng sẽ phân tán đồng đều rộng ra xung quanh

1.2.4 Cường độ bức xạ

Thực vật và con người có sự cảm nhận đối với ánh sáng khác nhau Con người và nhiều động vật khác sử dụng cảm quan của mắt trong điều kiện ánh sáng tốt để cảm nhận màu sắc và ánh sáng Mắt con người nhạy cảm với ánh sáng màu xanh lá cây hơn ánh sáng xanh hoặc đỏ

Các loại máy đo Lux và cường độ ánh sáng(cd) thường được sử dụng đo

đạc cho các ứng dụng chiếu sáng thương mại với sự khác biệt giữa 2 đại lượng

này là đơn vị diện tích (Lux sử dụng lumen/m2 và cd sử dụng lumen/ft2) Sử

dụng các loại máy đo Lux và cd để đo cường độ ánh sáng của hệ thống chiếu

sáng nông nghiệp sẽ đưa ra kết quả khác nhau tùy thuộc vào phổ của nguồn sáng, ngay cả khi đang đo cùng cường độ

Vấn đề cơ bản với việc sử dụng máy đo Lux và cd khi đo cường độ ánh

sáng của hệ thống chiếu sáng trong nông nghiệp là sự thiếu chính xác khi đo bức xạ vùng ánh sáng màu xanh (400 - 500 nm) và đỏ (600 - 700 nm) trong quang phổ vùng nhìn thấy Con người có thể không nhạy cảm trong việc nhận thức ánh sáng ở những khu vực này, nhưng thực vật rất nhạy cảm trong việc sử dụng ánh sáng đỏ và xanh để thúc đẩy quang hợp Đây là lý do tại sao lumens,

Lux và cd không được sử dụng làm số liệu cho ánh sáng sử dụng trong nông

nghiệp

PAR (Photosynthetically Active Radiation)

PAR còn được biết đến với tên bức xạ hoạt động quang hợp thể hiện phạm

vi dải phổ của bức xạ mặt trời trong vùng 400-700nm mà thực vật có thể sử

những thông số quan trong cần quan tâm PAR được định lượng bởi các cảm biến lượng tử

PPF (Photosynthetic Photon Flux)

PPF được định nghĩa là thông lượng photon quang hợp PPF đo tổng lượng PAR mà nguồn sáng có thể cung cấp được mỗi giây Phép đo này thường được

đo bằng quả cầu tích phân Đơn vị của PPF là micromoles trên giây (μmol/s) đây cũng là một thông số quan trọng cần quan tâm trong chiếu sáng nông nghiệp PPF không thể hiện lượng ánh sáng chiếu vào cây, nhưng đây là một

số liệu cần thiết để đánh giá hiệu quả của hệ thống chiếu sáng cây trồng

PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density)

PPFD là mật độ thông lượng quang hợp PPFD đo lượng PAR thực sự đến

cây trồng, hoặc có thể nói: "số lượng photon hoạt động quang hợp rơi trên một

bề mặt nhất định mỗi giây" PPFD là một phép đo tại một vị trí cụ thể trên tán

cây của và nó được đo bằng micromoles trên một mét vuông mỗi giây (μmol /

m2/s)

PE (Photon Efficacy)

Photon Efficacy đề cập đến mức độ hiệu quả của một hệ thống chiếu sáng nông nghiệp trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành photon của PAR Nhiều nhà sản xuất chiếu sáng trong nông nghiệp sử dụng tổng công suất điện làm số liệu để mô tả, đánh giá cường độ ánh sáng Tuy nhiên, những số liệu này thực sự không cho biết bất cứ điều gì vì watt là một phép đo công suất điện tiêu thụ, không phải đầu ra ánh sáng Nếu PPF của ánh sáng được biết đến cùng với công suất đầu vào, có thể tính toán mức độ hiệu quả của hệ thống chiếu sáng trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành PAR

1.3 Tối ưu phân bố quang của nguồn sáng điểm sử dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh

1.3.1 Khái niệm quang học không tạo ảnh

Hệ thống quang học có thể được chia thành hai loại: quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh Các hệ thống, thiết bị quang học tảo ảnh phổ biến: máy ảnh, kính hiển vi, kính thiên văn,.v.v các hệ thống, thiết bị này truyền hình ảnh rõ ràng của đối tượng tới cảm biến, màn hình hoặc người quan sát Tuy

nhiên nhiều ứng dụng không yêu cầu tạo ra hình ảnh, thay vào đó ánh sáng được truyền với mục đích xác định

Quang học không tạo ảnh (còn gọi là quang học anidolic) là nhánh quang học liên quan đến sự truyền bức xạ tối ưu giữa nguồn sáng và đầu thu Không giống như quang hình truyền thống, quang học không tạo ảnh không cố tạo thành hình ảnh của nguồn sáng, thay vì đó, một hệ thống quang học được thiết

kế để tối ưu hóa quá trình truyền bức xạ từ nguồn sáng đến mặt phẳng chiếu sáng một cách có chủ ý 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 nhánh khác dựa trên quang học không tạo ảnh đầu tiên[7]

Các hệ thống quang học không tạo ảnh thay thế một đối tượng và một mặt phẳng hình ảnh trong hệ thống quang học tạo 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 các ứng dụng thu năng lượng mặt trời và các ứng dụng chiếu sáng Về mặt ứng dụng trong thu 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, phân bố ánh sáng, v.v., mà không thể giải quyết bằng quang học tạo ảnh Về mặt thiết kế chiếu sáng như định hướng ánh sáng, đèn pha ô tô, chiếu sáng màn hình bảng điều khiển, v.v., Quang học không tạo ảnh là sự lựa chọn tối ưu cho phương pháp thiết kế Hình 1.5 thể hiện một khía cạnh khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh Quang học không tạo ảnh sẽ giúp giảm bớt vật liệu chế tạo, các tính toán tối ưu 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

Hình 1.5: Sự khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh

1.3.2 Linh kiện quang học trong quang học không tạo ảnh

Thấu kính:

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, thấu kính dung trong mkinhs hiển vi được làm chủ yếu bằng thủy tinh 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[6]

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 được chia làm hai dạng như sau:

+ Thấu kính hội tụ: là loại thấu kính thường có phần rìa thấu kính mỏng hơn phần giữa Khi một chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính hội tụ đi tới thấu kính sẽ cho chùm tia ló hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính

Nguồn sáng

+ Thấu kính phân kì: là loại thấu kính thường có phần rìa thấu kính dày hơn phần giữa Khi một chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính phân kì đi tới thấu kính sẽ cho chùm tia ló phân kì

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[6]

Thấu kính Fresnel 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 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 gia công

cơ khí điều khiển bằng máy tính (CNC) có thể được sử dụng để sản xuất các thấu kính phức tạp hơn

1.3.3 Ứng dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh

Các hệ thống ứng dụng công nghệ quang học không tạo ảnh thường được

sử dụng trong lĩnh vực chiếu sáng có chủ đích, hoặc thu ánh sáng mà quang học tạo ảnh không giải quyết được

Tập trung năng lượng mặt trời: công nghệ quang học không tạo ảnh giải

quyết vấn đề tập trung năng lượng được áp dụng cho pin mặt trời Đối với độ tập trung ánh sáng nhất định, linh kiện quang học không tạo ảnh cung cấp các góc chấp nhận rộng nhất có thể và phù hợp nhất để sử dụng cho các tấm pin mặt trời Ví dụ, trong ứng dụng tập trung năng lượng mặt trời cho pin mặt trời hiệu suất cao [7]

Quang học chiếu sáng: các thiết bị, linh kiện quang học không tạo ảnh

bao gồm dẫn sáng quang học, phản xạ không tạo ảnh, thấu kính không tạo ảnh hoặc kết hợp các linh kiện này Các ứng dụng phổ biến của công nghệ quang học không tạo ảnh trong lĩnh vực chiếu sáng: đèn pha ô tô, đèn nền LCD, chiếu sáng bảng điều khiển,.v.v Khi so sánh với kỹ thuật thiết kế truyền thống công nghệ quang học không tạo ảnh có nhiều ưu điểm như: xử lý tốt hơn với loại nguồn sáng có xu hướng mở rộng, hệ thống quang học nhỏ gọn, có khả năng phân bố ánh sáng đến các nơi khác nhau, rất phù hợp để kết hợp với nguồn sáng LED ngày càng phổ biến[7]

1.3.4 Công cụ tính toán mô phỏng (Mathlab, Light tools)

Phần mềm lập trình, tính toán Mathlab

MATLAB (matrix laboratory) là một môi trường tính toán số học đa ngôn ngữ và ngôn ngữ lập trình độc quyền được phát triển bởi MathWorks MATLAB cho phép thao tác ma trận, vẽ các hàm và dữ liệu, thực hiện thuật toán, tạo giao diện người dùng và giao tiếp với các chương trình được viết bằng các ngôn ngữ khác, bao gồm C, C ++, C #, Java, Fortran và Python

MATLAB được sử dụng rộng rãi như công cụ tính toán trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật, bao gồm các lĩnh vực vật lý, hóa học, toán học và công nghệ MATLAB được sử dụng trong một loạt các ứng dụng bao gồm:

- Xử lý tín hiệu và truyền thông

Hình 1.6: Tính toán, mô phỏng và vẽ đồ thị trên phần mềm matlab

Phần mềm mô phỏng ánh sáng Light Tools

Light Tools là một phần mềm thiết kế và kỹ thuật quang học 3D hỗ trợ tạo mẫu ảo, mô phỏng, tối ưu hóa và trích xuất ảnh thực của các ứng dụng chiếu sáng Với khả năng phân tích và thiết kế độc đáo của Light Tools, kết hợp với tính năng dễ sử dụng, hỗ trợ lặp lại thiết kế nhanh chóng và tối ưu hóa hệ thống một cách tự động, giúp đảm bảo cung cấp các thiết kế chiếu sáng theo thông số

kỹ thuật và nhu cầu sử dụng

Light Tools đã đi tiên phong trong việc sử dụng mô hình rắn 3D để phân tích quang học, cùng với công cụ mô phỏng chùm tia có thể mô phỏng chính xác sự truyền hình học của ánh sáng qua mô hình Light Tools ra mắt với tính năng mô phỏng chùm tia “point-and-shoot” cho phép người dùng bắt đầu từ một tia ở bất kỳ đâu trong mô hình (ngay cả bên trong một vật thể) và xem cách phân tán khi truyền qua mô hình

Khi đèn LED ngày càng trở nên quan trọng trở thành một loại nguồn sáng thông dụng, Light Tools đã được cải tiến để hỗ trợ các khía cạnh chính cần thiết cho mô hình LED Điều này bao gồm sự phát triển của mô và khả năng phân tích đo màu

Các tính năng của Light Tools

Light Tools mang lại khả năng thiết kế, phân tích chính xác và các tính năng trực quan hóa sản phẩm được hỗ trợ cao sẽ giúp người dùng đưa hệ thống chiếu sáng ra thị trường nhanh hơn

Tạo mô hình nhanh chóng với Light Tools

Các tính năng thiết kế mạnh mẽ của Light Tools giúp người dùng tạo và sửa đổi thiết kế hệ thống chiếu sáng của mình một cách nhanh chóng và hiệu quả, từ các giai đoạn ý tưởng ban đầu đến các lần lặp lại và cải tiến kỹ thuật tiếp theo:

• Mô hình tinh vi với độ chính xác quang học cao

• Tốc độ mô phỏng chùm tia nhanh chóng, với sự kiểm soát hoàn toàn của người dùng về độ chính xác và yêu cầu độ phân giải

• Tạo nguồn sáng từ bất kỳ mô hình nào, để tạo nguồn tùy chỉnh linh hoạt không giới hạn

• Thư viện nguồn và các tài liệu phong phú, bao gồm cả đèn LED và các phép đo BSDF

• Hỗ trợ trao đổi dữ liệu với phần mềm Auto CAD

• Liên kết, tương tác với SOLIDWORKS

• Các phần linh kiện hoàn toàn có thể tối ưu hóa để tạo ra các bộ phận ghép LED hiệu quả, bộ tập trung năng lượng mặt trời và các bề mặt quang học phức tạp khác

• Kết cấu (2D, 3D và do người dùng xác định) với sự linh hoạt để thay đổi hình dạng, kích thước và khoảng cách của các yếu tố kết cấu

• Tính toán chỉ số hoàn màu (CRI) trên bất kỳ bộ thu nào - lý tưởng cho thiết kế đèn LED

• Thu thập dữ liệu cường độ cho phép trao đổi dữ liệu với phần mềm thiết

kế chiếu sáng khác thông qua các định dạng dữ liệu IES và LD

Hình 1.7: Mô hình được thiết kế trên phần mềm Light Tools

Tiếp cận giải pháp thiết kế tốt nhất với tối ưu hóa sử dụng Light Tools

Light Tools là phần mềm phân tích và thiết kế chiếu sáng cung cấp một công cụ tối ưu hóa hệ thống được tích hợp đầy đủ Mô-đun tối ưu hóa Light Tools cải thiện hiệu suất của hầu hết mọi loại hệ thống chiếu sáng và mang lại cho các nhà thiết kế sự linh hoạt để lựa chọn từ hàng trăm thông số hệ thống nhằm đạt được các mục tiêu phân phối cường độ sáng, độ rọi hoặc cường độ đầu ra cụ thể

Sự hiệu quả và khả năng tùy chỉnh của phần mềm Light Tools

- Hơn 2.500 vật liệu thủy tinh, 1.800 thấu kính và 30 vật liệu nhựa

- Hơn 390 nguồn cho các ứng dụng về đèn LED

- Phim tăng cường hiển thị (DEF), bao gồm phim tăng cường độ sáng (BEF), phim phân cực phản chiếu BEF

- Các mô hình ví dụ chứng minh các tính năng chính của Light Tools, bao gồm việc sử dụng COM/API để chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng khác, nguồn

mô hình hóa và xác định thuộc tính bề mặt, bộ thu, hình học và vật liệu

- Các tiện ích để mô hình hệ thống thu thập năng lượng mặt trời

Giao diện COM cho các lệnh Light Tools và truy cập dữ liệu Giao diện này có thể được áp dụng để mở rộng các khả năng của Light Tools bằng Excel VBA, Visual Basic, MATLAB, Mathematica hoặc các ứng dụng khách hỗ trợ COM khác Một thư viện được cung cấp với hơn 150 chức năng cấp cao cho phép phát triển nhanh chóng các giải pháp

Ngoài ra với phần mêm Light Tools, các thông số đầu vào có thể được điều chỉnh, trong đó có cả giá trị về chiết suất vật liệu, bước sóng và công suất của ánh sáng…

Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nhà sản xuất, chế tạo thấu kính đã sử dụng phần mềm Light Tools để mô phỏng chế tạo linh kiện quang học

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Tính toán, mô phỏng nguồn sáng, linh kiện quang học

2.1.1 Tính toán, thiết kế biên dạng của thấu kính

Với mục tiêu 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 mô phỏng quang, phương pháp chế tạo gia công CNC, bằng cách sử dụng một thấu kính chuẩn trực thương mại và một hệ thấu kính biên dạng tự do để phân bố ánh sáng đồng đều Thiết kế tổng thể được trình bày trong hình 2.1 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, do phần lớn bộ tạo chùm song song cho LED sử dụng gương phản xạ không mang lại hiệu quả tạo chùm tia song song độ chính xác cao Sau khi ánh sáng được tạo chùm song song sẽ được phân bố lại bằng hệ thấu kính biên dạng tự do tạo ra chùm sáng có độ đồng đều cao trên diện tích chiếu sáng

Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết kế đèn LED tăng độ đồng đều phân bố

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

Hình 2.2: Thấu kính chuẩn trực sử dụng trong chế tạo bộ đèn

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 chiết suất n0 và thấu kính chuẩn trực làm bằng nhựa có chiết suất n1 Nguồn LED được đặt tại 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 (Xem hình 2.3) Theo định luật Snell ta có phương trình sau:

𝑛0 (sin 𝛼𝑛 ) = 𝑛1 (sin 𝛽𝑛 ) (2)

Tất cả các tia sáng phát ra từ LED có đường dẫn quang từ nguồn tới mặt sóng Theo nguyên lý bảo tồn đường quang thu được phương trình sau:

𝑛0|𝑂𝐴𝑛| + 𝑛1|𝐴𝑛𝐵𝑛| + 𝑛1|𝐵𝑛𝑃𝑛| = 𝑛0|𝑂𝐴0| + 𝑛1|𝐴0𝐵0| (3)

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 0o, nó đi thẳng OA0 = d0 là khoảng cách từ đèn đến bề mặt phẳng và A0 B0 = d1 là chiều dài của thấu kính phẳng

Tính toán thấu kính biên dạng tự do dạng kép

Chùm tia đi ra từ thấu kính chuẩn trực cần được phân phối lại để tạo phân bố chiếu sáng đồng đều Chúng tôi đã sử dụng các thấu kính biên dạng tự

do tuyến tính làm mô-đun phân phối lại Một thấu kính biên dạng tự do tuyến tính đơn có thể phân phối lại chùm tia song song theo một hướng Thấu kính này bao gồm nhiều rãnh nhỏ, mỗi rãnh là một thấu kính có biên dạng phi cầu Khi chùm tia chuẩn trực đi qua từng rãnh nhỏ này, chúng sẽ được tập trung tại một đường tiêu cự và trở nên lan rộng trên mặt thu theo một hướng Khi hai thấu kính đặt vuông góc với nhau, chúng sẽ hướng chùm tia chuẩn trực được truyền qua mặt thu theo hai hướng

Chúng tôi đã áp dụng "nguyên lý tia sáng cạnh và bảo toàn độ dài đường quang” để tính toán biên dạng của thấu kính dạng kép Tính toán được thể hiện trong Hình 2.4 Quy trình tính toán bao gồm 3 bước:

+ Bước 1: Một số điều kiện ban đầu của nguồn sáng (chùm sáng chuẩn) như cạnh trái 𝐴𝐿𝐵𝐿, cạnh phải 𝐴𝑅𝐵𝑅 của thấu kính biên dạng tự do dạng kép tuyến tính đơn, vị trí của thấu kính Fresnel và kích thước mặt thu (không gian chiếu sáng: RR ') yêu cầu

+ Bước 2: Tia tới cạnh trái của 𝐴𝐿𝐵𝐿 đi qua một rãnh của thấu kính Fresnel tuyến tính và bị khúc xạ sang phía bên phải của mặt thu (điểm R ') Tia tới cạnh phải của 𝐴𝑅𝐵𝑅 đi qua một rãnh và bị khúc xạ sang phía bên trái của mặt thu (điểm R) Hai tia này giao nhau tại đường tiêu cự Tương tự, các tia 𝐴𝑛𝐵𝑛 nằm giữa các tia 𝐴𝐿𝐵𝐿 và 𝐴𝑅𝐵𝑅 cũng phải giao nhau tại điểm tiêu cự Dựa trên định luật bảo toàn độ dài đường quang (OPL), chúng ta có phương trình (1):

𝑛1|𝐴𝐿𝐵𝐿| + 𝑛0|𝐵𝐿𝐹| = 𝑛1|𝐴𝑅𝐵𝑅| + 𝑛0|𝐵𝑅𝐹| = 𝑛1|𝐴𝑛𝐵𝑛| + 𝑛0|𝐵𝑛𝐹| (4) Trong đó 𝑛0, 𝑛1 là các chỉ số khúc xạ của không khí và vật liệu chế tạo thấu kính Dựa trên phương trình trên, tất cả các tọa độ của các đường cong bề mặt phân khúc được tính toán

+ Bước 3: Lặp lại quy trình tính toán, tất cả các rãnh khác của thấu kính tuyến tính đều thu được theo cùng một quy trình

Hình 2.4: Quy trình tính toán thấu kính biên dạng tự do dạng kép

Do một thấu kính biên dạng tự do tuyến tính chỉ phân phối ánh sáng theo một hướng, chúng tôi đặt hai thấu kính biên dạng tự do vuông góc để truyền ánh sáng theo hai hướng trên khu vực chiếu sáng như trong Hình 2.5 Vì vậy, phân phối lại hai chiều sẽ có hình vuông trên mặt thu Trong thiết kế này, đường tiêu cự rất quan trọng, ánh sáng được tập trung vào đường tiêu cự và được trải đều trên RR' Hình 2.4 cho thấy quá trình thiết kế của thấu kính mới trong chương trình Matlab Một số điều kiện ban đầu của nguồn sáng như: kích thước

của thấu kính và mặt thu, khoảng cách giữa thấu kính biên dạng tự do và mặt thu, số lượng rãnh, v.v Dựa trên các điều kiện ban đầu này sẽ đưa ra được

toạ độ của bề mặt thấu kính theo 01 hướng

Hình 2.5: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng kép

Dựa trên phương pháp thiết kế này, chúng tôi đã thiết kế một hệ thống thấu kính biên dạng tự do tuyến tính cho đèn LED Luxeon 3W, có bước sóng

là 635nm và thấu kính chuẩn trực có đường kính 75mm Khoảng cách chiếu sáng là 2m và diện tích chiếu sáng là 2m  2m Số lượng rãnh của thấu kính biên dạng tự do tuyến tính ảnh hưởng đến độ đồng đều và hiệu quả chiếu sáng

Chùm sáng chuẩn trực

Thấu kính biên dạng tự do

Thấu kính biên dạng tự do

Thấu kính biên dạng tự do dạng kép Mặt phẳng thu

Mặt phẳng thu theo hai chiều

Thông số thiết kế của thấu kính biên dạng tự do dạng kép được nêu trong bảng 2.1:

Bảng 2.1: Thông số thiết kế thấu kính dạng kép

Kích thước thấu kính Fresnel 75 mm

Thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận

Với thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận, chúng tôi tiến hành thiết kế một thấu kính nhỏ có đường kính 1cm theo nguyên lý tia cạnh dựa trên công thức (1), sau khi thiết kế được một thấu kính với đường kính 1cm, tiến hành sắp xếp thành các ma trận ô vuông trên một đường tròn đường kính 75mm Thông số thiết kế của thấu kính biên dạng tự do dạng kép được thể hiện ở trong bảng 2.2 Hình 2.6 mô tả quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận

Hình 2.6: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận

Bảng 2.2: Thông số thiết kế thấu kính dạng ma trận

2.1.2 Mô phỏng hình dạng và quang trình của thấu kính biên dạng tự do

Chúng tôi đặt hai thấu kính biên dạng tự do dạng kép vuông góc để truyền ánh sáng vào các vùng chiếu sáng hai chiều Và bên cạnh là hình phóng đại chi tiết của thấu kính biên dạng tự do dạng kép Trên cơ sở phương pháp thiết kế này, chúng tôi đã xây dựng mô hình trên Phần mềm thiết kế chiếu sáng Light Tools có thể chỉ định các đặc điểm của thấu kính biên dạng tự do bằng cách kiểm soát một số điều kiện đầu vào, chẳng hạn như vị trí của thấu kính, kích thước của thấu kính, số lượng phân đoạn trong thấu kính và kích thước của mặt phẳng chiếu sáng

(a) (b)

Hình 2.7: Cấu hình chiếu sáng của đèn LED với hệ thấu kính

a) Nguồn sáng nằm trong trục đối xứng;

b) Nguồn sáng nằm ngoài trục đối xứng

Phương pháp này linh hoạt vì hai thấu kính biên dạng tự do 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 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, ngay cả khi nguồn sáng nằm ngoài trục đối xứng của mặt phẳng chiếu sáng, như trong Hình 2.7

Để đánh giá suy hao quang của hệ, trong quá trình mô phỏng, chúng tôi

đã chèn hai mặt thu quang học như trong Hình 2.8 Các mất mát của hệ thống

là do mất mát tại thấu kính chuẩn trực và tại thấu kính biên dạng tự do Mất mát tại thấu kính chuẩn trực, thấu kính biên dạng tự do là do sự hấp thụ vật liệu

và đèn LED được sử dụng trong mô phỏng không phải là nguồn sáng điểm, khiến cho thấu kính collimator không thể khúc xạ hoàn toàn ánh sáng từ đèn LED Như thể hiện trong hình 2.8 tổn thất qua thấu kính collimator được ký hiệu là 𝐿1 Sử dụng phần mềm LighTools, 𝐿1 có thể được tính theo công thức (3):

các thấu kính được thiết kế cho chùm sáng chuẩn trực Tuy nhiên, thấu kính chuẩn trực cho chùm tia ra không hoàn toàn là chùm song song mà là chumg tia có góc mở 10o, vậy nên có một lượng tia sáng không tuân theo thiết kế để đến được mặt thu phía sau thấu kính biên dạng tự do Tổn thất qua thấu kính biên dạng tự do được ký hiệu là L2 Sử dụng phần mềm Ligh Tools, L2 có thể được tính theo Công thức (4):

𝐿2 = 𝐹𝑅1 − 𝐹𝑅2

𝐹𝑅1 (6) Trong đó 𝐹𝑅2 là thông lượng ánh sáng tại mặt thu thứ 2

Hình 2.8: Cấu trúc phân tích mất mát và phân tích tia

2.2 Chế tạo mẫu thấu kính biên dạng tự do

2.2.1 Phương pháp chế tạo thấu kính

Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu theo phương pháp phay CNC (CNC là tên viết tắt của Computer Numerical Control tạm dịch là điều khiển chương trình số bằng máy tính) tốc độ cao trên nền vật liệu Poly methyl methacrylate (PMMA) hay còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như: mica, nhựa acrylic, thủy tinh hữu cơ,… Với chiết suất 1.49 tại bước sóng 635nm, nhiệt độ hoạt động lên đến 160oC, độ truyền qua đối với ánh sáng vùng khả kiến khoảng 99%, nhóm nghiên cứu chọn đây là vật liệu chế tạo thấu kính biên dạng tự do

Thiết bị CNC được chúng tôi sử dụng là thiết bị CNC công nghiệp có kích thước làm việc 300×400×100mm với độ chính xác lên đến 20m Thiết bị

Mặt thu số 1

Mặt thu số 2 Nguồn sáng

CNC này được đặt tại phòng Laser bán dẫn-Viện Khoa học vật liệu (Xem hình 2.9)

Hình 2.9: Máy CNC 3004001000mm dùng

chế tạo biên dạng thấu kính

Chúng tôi sử dụng mũi phay dạng V-bit có góc là 30o và đường kính 0.1mm trong quá trình chế tạo Sau khi mũi V-bit được sử dụng tạo biên dạng cho thấu kính, mũi phay có đường kính 3mm sẽ được sử dụng để cắt phần thấu kính đã chế tạo thành một đường tròn có đường kính 75mm Hai loại mũi V-

bit và mũi phay 3mm sử dụng chế tạo thấu kính được thể hiện trong hình 2.10

Hình 2.10: Mũi V-bit và mũi phay 3mm sử dụng chế tạo thấu kính

Chuyển đổi thiết kế thấu kính sang mã G-code

Từ tập hợp các điểm là các tọa độ của biên dạng thấu kính đã được tính toán ở phần trên, chúng tôi tiến hành đưa các tọa độ này vào phần mềm AutoCAD để tạo nên mô hình của thấu kính ở dạng 3D (Xem hình 2.11) Trong quá trình này, thấu kính sẽ được điều chỉnh và xuất ra file 3D dưới định dạng

“.stl” (đây là định dạng mà phần mềm tạo code cho máy CNC có thể đọc được)

Hình 2.11: Thiết kế thấu kính trên phần mềm Auto CAD

Khi đã có file 3D của thấu kính, chúng tôi đưa file này vào phần mềm Aspire để mô phỏng lại các bước chế tạo thấu kính và tạo code cho máy CNC Trong quá trình thực hiện, chúng tôi đặt độ tinh của máy CNC ở mức 20m, bằng với độ chính xác cao nhất mà máy CNC có thể thực hiện được

Hình 2.12: Mô phỏng đường đi của mũi khoan trong công đoạn tạo

biên dạng bề mặt thấu kính

Hình 2.12 mô phỏng đường đi của mũi khoan khi chế tạo thấu kính trên

G-code dưới định dạng “.txt” được tạo ra cho phần mềm điều khiển máy CNC

có thể đọc và thực thi

Chế tạo mẫu thấu kính biên dạng tự do dạng kép

Máy CNC thực hiện thao tác chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng kép với mũi V-bit và đường đi của mũi là tổ hợp của các đường thẳng (Xem hình 2.13)

Hình 2.13: Máy CNC đang chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng kép

Chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận

Hình 2.14: Máy CNC đang chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận