1
TÀI LIỆU CHUYÊN MÔN
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ LED PANEL
PHẦN 1
MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA VẬT LIỆU
Giới thiệu chung:
Khi chùm sáng quang thông Ф0 chiếu tới mặt phân cách giữa 2 môi trường 1 và 2
(hình 1), chúng bị phân tách thành 3 phần:
- Phần phản xạ trở lại môi trường 1 có quang thông Фρ
- Phần bị môi trường 2 hấp thụ có quang thông Фα
- Phần truyền qua môi trường 2 có quang thông Фτ
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
0
Chia biểu thức này cho Ф0 ta được:
1
000
Đặt thừa số
0
,
0
,
0
, thứ tự là hệ số phản
xạ, hệ số hấp thụ và là hệ số truyền qua của môi trường 2, ta
có:
1
(1.8.1)
Với đa số các chất, các hệ số ρ,α,τ không những phụ thuộc vào bản chất của vật
liệu, mà còn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, nghĩa là ρ = ρ(λ), α = α(λ), τ = τ(λ)
Trong kỹ thuật ánh sáng, ánh sáng từ nguồn sáng thường phải qua nhiều lần phản
xạ trên mặt choá và khúc xạ, truyền xạ trong kính đèn mới đi đến các đối tượng được
chiếu sáng. Vì vậy, các chùm sáng thoát ra khỏi bộ đèn đã bị biến đổi về quang thông,
cường độ sáng, phân bố và đôi khi cả thành phần phổ. Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất
quang học của vật liệu có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc điều khiển và sử dụng
ánh sáng
I. SỰ PHẢN XẠ ÁNH SÁNG CỦA VẬT LIỆU
1. Phản xạ định hướng (hay phản xạ gương)
Hiện tượng
Hiện tượng phản xạ định hướng xảy ra khi ánh sáng truyền tới mặt vật liệu phản
xạ tốt ánh sáng như mặt gương, mặt kim loại mài bóng, mặt thuỷ tinh…(Hình 2. a,b)
Đặc điểm của kiểu phản xạ này là: Tia phản xạ IR nằm trong mặt phẳng tới (mặt chứa tia
tới SI và pháp tuyến
n
), góc phản xạ bằng góc tới ( i = i’).
o
Hình 1: Ánh sáng
truyền trong vật liệu
i'
i
I
n
S
R
a) b)
i'
i
I
n
S
R
2
Hệ số phản xạ
Theo quan điểm năng lượng, hệ số phản xạ ρ là tỷ số (tính bằng %), giữa năng lượng
của chùm sáng phản xạ và chùm sáng tới.
()
W
W
E
o
Pd
Pd
(1.8.2)
Ở đây là P(λ) là hàm phân bố phổ của nguồn sáng, cận tích phân được lấy theo tất cả các
sóng khả dĩ mà nguồn có thể phát ra
Trong kỹ thuật ánh sáng, hệ số phản xạ ρ là tỷ số (tính bằng %), giữa quang thông của
chùm sáng phản xạ và chùm sáng tới:
( ) ( ) ( )
( ) ( )
o
V P d
V P d
(1.8.3)
Trong công thức (1.8.3), K = 683lm/W là hệ số chuyển đổi đơn vị lm và W, V(λ) là hàm
phổ độ nhậy của mắt, cận tích phân được lấy theo chiều dài sóng ánh sáng trong vùng
thấy được, λ = 380nm ÷760nm
Đo hệ số phản xạ định hướng
Hệ số phản xạ ánh sáng của các vật liệu cần được xác định chính xác trước khi chúng
được sử dụng trong thiết bị chiếu sáng hoặc thiết kế chiếu sáng
Để đo hệ số phản xạ gương của vật
liệu người ta dùng một thiết bị gọi là
phản xạ kế, sơ đồ nguyên lý của phản
xạ kế được trình bày trong hình 3: Ánh
sáng từ nguồn S truyền tới G1, phản xạ
trên mẫu đo M cho tia phản xạ tới
gương G2, gương G2 cho tia sáng tới
cơ cấu đo D. Cơ cấu đo D có chức
năng biến đổi quang thông mà nó nhận
được thành dòng điện.
Hệ số phản xạ của mẫu được so
sánh với hệ số phản xạ của mẫu chuẩn.
Giả sử khi đo với mẫu chuẩn có hệ số
phản xạ ρ0, ta được trị số dòng quang
điện là i0, khi đo với mẫu vật liệu có hệ số phản xạ ρ ta được dòng quang điện là i, khi đó
hệ số phản xạ của vật liệu là:
S
G1
G1
D
M
Hình 3: Nguyên lý máy đo hệ số phản xạ gương
3
0
0
i
i
Trong trường hợp cần xác định phổ phản xạ ρ (λ), cơ cấu đo D là một máy quang
phổ.
2. Phản xạ định hướng trên chất điện môi:
Khi vật liệu phản xạ là chất điện môi (nhựa, thuỷ tinh hay một vài loại chất trong
suốt khác...) và chùm tia gần vuông góc với mặt được chiếu sang, người ta có thể tính
được hệ số phản xạ dựa vào công thức Frexnen, trong đó n1 và n2 là chiết suất của hai môi
trường tiếp xúc nhau.
2
21
21
nn
nn
Cần chú ý rằng, hệ số phản xạ ρ không thay đổi khi thay n2 bằng n1, nghĩa là không phụ
thuộc vào chiều truyền ánh sáng
Hệ số phản xạ của chất điện môi chỉ phụ thuộc vào chiết suất tỷ đối của hai môi
trường tiếp xúc nhau, và càng nhỏ nếu tỷ số ấy càng nhỏ. Ví dụ: Ở mặt tiếp xúc thủy tinh
– không khí ( n1 =1, n2 = 1.5) ta tính được ρ = 0.04. Như vậy, nếu một chùm sáng đi qua
tấm kính cửa sổ sẽ bi phản xạ hai lần ở hai mặt tấm kính, và phần ánh sáng phản xạ là
8%, nghĩa là ngay khi thuỷ tinh không hấp thụ ánh sang thì hệ số truyền qua của nó cũng
chỉ đạt 92%. Bảng 1 cho biết chiết suất và hệ số phản xạ của một số loại vật liệu điện môi
nếu môi trường bên ngoài là không khí
Bảng 1: Chiết suất và hệ số phản xạ của một số vật liệu, tính theo công thức Frexnel
Vật liệu
Chiết suất
Hệ số phản xạ
Nước
1.33
0.020
Thạch anh
1.46
0.035
Thuỷ tinh crown
1.52
0.043
Thuỷ tinh flint
1.75
0.074
Kim cương
2.42
0.172
Silic tinh thể
3.42
0.300
Germany tinh thể
4.01
0.361
3. Phản xạ định hướng trên kim loại:
Khi vật liệu là kim loại, người ta có thể tính toán hệ số phản xạ bằng công thức Frexnen
trong đó n là chiết suất , χ là hệ số hấp thụ của kim loại:
22
4
11
n
n
Cần chú ý rằng, các trị số n, χ và ρ của các kim loại phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
Bảng 2 cho biết các trị số n, χ và ρ của một số kim loại đối với bước sóng λ = 586nm
Bảng 2: Các trị số n, χ và ρ của một số kim loại
4
Kim loại
n
χ
ρ
Nhôm
Đồng
Bạc
Vàng
Niken
1.44
0.64
0.18
0.37
1.58
5.23
2.62
3.67
2.82
3.42
0.83
0.73
0.95
0.85
0.66
Hệ số phản xạ của kim loại phụ thuộc mạnh vào bước sóng. Màu của kim loại mà
chúng ta nhìn thấy chính là màu của chúng trong ánh sáng phản xạ. Thông thường, nhìn
trong ánh sáng trắng, ta thấy đồng có màu vàng-đỏ vì nó hấp thụ mạnh trong vùng sóng
ngắn và phản xạ tốt trong vùng sóng trung bình và dài. Ngược lại nếu ta quan sát dưới
ánh sáng có bước sóng ngắn, màu tím chẳng hạn, ta lại thấy vàng có màu tối. Bạch kim
và nhôm có màu trắng vì chúng phản xạ đều trong toàn bộ dải sóng của ánh sáng nhìn
thấy. Những nhận xét này rất quan trọng khi chọn vật liệu làm choá đèn.
3. Sự phản xạ khuếch tán
Giới thiệu
Trong thực tế, đa số các vật liệu có mặt nhám. Khi gặp các mặt nhám, các tia
sáng phản xạ không theo một hướng nhất định mà phân bố theo nhiều hướng trong không
gian. Khi đó, người ta gọi là hiện tượng tán xạ hay phản xạ khuếch tán. Mức độ tán xạ
phụ thuộc vào độ nhám của mặt. Tuỳ theo mức độ tán xạ, người ta chia vật liệu thành các
loại phản xạ khuếch tán một phần (hình 4.a), và phản xạ khuếch tán toàn phần hay phản
xạ khuếch tán đều (hình 4.b). Chú ý rằng, trong hiện tượng khuếch tán một phần, hướng
phản xạ gương vẫn là hướng ưu tiên. Các mặt khuếch tán đều được gọi là mặt Lambert
phản xạ
Hình 4: Các kiểu phản xạ khuếch tán
a). Một phần, b).Toàn phần
Đo hệ số phản xạ khuếch tán
Để đo hệ số phản xạ khuếch tán, người ta dùng một thiết bị đặc biệt, gọi là cầu
tích phân (hình 5). Phần chính của thiết bị là một quả cầu rỗng, bán kính R, phía trong
của quả cầu, người ta phủ một lớp sơn màu trắng đặc biệt, thường là Bari Sulfat (BaSO4),
có đặc tính phản xạ khuếch tán hoàn toàn và không chọn lọc đối với toàn bộ vùng áng
sáng nhìn thấy. Trên thành cầu, người ta để các cửa sổ gắn nguồn sáng S, đặt mẫu đo E
và detector quang điện P. Tín hiệu quang điện được đọc trên bộ hiển thị D. Với cấu tạo
b)
a)
Ph
ản
ạ
5
như vậy, mọi tia sáng tán xạ trên mặt mẫu đo
đều bị phản xạ trên thành cầu và cuối cùng đi tới
detector.
Hệ số phản xạ của mẫu được so sánh với
hệ số phản xạ của mẫu chuẩn. Giả sử khi đo với
mẫu chuẩn có hệ số phản xạ ρ0, ta được trị số
dòng quang điện là i0, khi đo với mẫu vật liệu có
hệ số phản xạ ρ ta được dòng quang điện là i, khi
đó hệ số phản xạ của vật liệu là:
0
0
i
i
Chú ý rằng, với nguyên lý trên, ta cũng có thể
dùng cầu tích phân để đo hệ số phản xạ của các
loại vật liệu có đặc tính phản xạ gương
II. SỰ HẤP THỤ CỦA VẬT LIỆU
1. Giới thiệu
Bất kỳ vật liệu nào cũng hấp thụ một phần hoặc toàn bộ năng lượng điện từ hoặc ánh
sáng chiếu vào nó. Năng lượng hấp thụ biến thành nhiệt hoặc làm thay đổi cấu trúc vi mô
của vật liệu. Chúng ta không đi sâu và các vấn đề này mà chỉ quan tâm đến phần quang
thông bị hấp thụ trong vật liệu.
Giả sử có chùm sáng quang thông Ф0 chiếu tới lớp vật liệu có độ dày l ( Hình 6).
Sau khi bị hấp thụ, phần quang thông đi qua vật liệu là Ф. Quan hệ giữa Ф và Ф0 tuân
theo định luật Bourg- Lambert-Beer:
0
l
e
Trong (1.8.7), χ là hệ số hấp thụ của vật liệu, l là độ dày của vật liệu. Trong vùng ánh
sáng trông thấy, hệ số hấp thụ của không khí vào khoảng 10-5cm-1, của thuỷ tinh vào
khoảng 10-2cm-1.
Hình 6: Sự hấp thụ ánh sáng
Đối với đa số vật liệu, hệ số hấp thụ χ phụ thuộc và bước sóng ánh sáng, ta gọi
chúng là những vật liệu hấp thụ chon lọc, hay vật liệu có màu sắc. Chẳng hạn, trong ánh
sáng trắng ta thấy một tấm kính có màu đỏ vì nó hấp thụ hầu hết các bức xạ khác mà chỉ
D
S
E
P
Hình 5: Reflectometter
Ф0
l
Ф
χ