Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu nâng cao tính năng sử dụng và chất lượng sản phẩm chiếu sáng rắn trên cơ sở LED; phát triển thế hệ đèn LED mới hiệu suất cao, phân bố đồng đều, loại bỏ ô nhiễm ánh sáng thay thế cho các loại đèn LED hiện hành.
LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................... vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ............................................. 6
1.1. Chiếu sáng rắn và nguồn sáng LED ................................................................... 6
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của LED .................................................................... 6
1.1.2. Vật liệu phosphor ....................................................................................... 10
1.1.3. Gói LED trắng (WLED) ............................................................................ 12
1.1.4. Bộ đèn LED (LED Luminaire) .................................................................. 14
1.1.5. Các đặc trƣng của nguồn sáng LED. ......................................................... 20
1.2. Linh kiện quang học biên dạng tự do FO (Freeform Optics) ........................... 26
1.2.1. Khái niệm về quang học biên dạng tự do FO ............................................ 26
1.2.2. Thiết kế, chế tạo và đo lƣờng linh kiện FO ............................................... 28
1.2.3. Ứng dụng của linh kiện FO ....................................................................... 33
1.3. Chiếu sáng ........................................................................................................ 38
1.3.1. Ô nhiễm ánh sáng ...................................................................................... 39
1.3.2. Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL) ....................................... 40
1.3.3. Những vấn đề cần giải quyết ..................................................................... 43
CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP, KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ............ 45
2.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm trợ giúp ...................... 45
2.1.1. Phần mềm tính toán trợ giúp (Excel, Origin) ................................................ 45
2.1.2. Thiết kế mẫu sử dụng phần mềm trợ giúp Solidworks ................................. 46
2.1.3. Mô phỏng quang học sử dụng phần mềm chuyên dụng Optgeo, Tracepro .. 47
2.2. Kỹ thuật, công nghệ sử dụng ............................................................................... 49
2.2.1. Chế tạo nguyên mẫu linh kiện FO ................................................................. 49
2.2.2. Chế tạo linh kiện FO bằng công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo .................... 51
2.2.3. Công nghệ đùn ép nhôm (Al Extrution Technology) .................................... 56
2.3. Phƣơng pháp đo đạc đánh giá .............................................................................. 58
2.3.1. Phƣơng pháp và thiết bị đo đặc trƣng vật liệu, linh kiện .............................. 58
2.3.2. Các thiết bị đo đặc trƣng đèn LED. ............................................................... 60
2.4. Xây dựng mô hình chiếu sáng. ............................................................................ 62
Mô phỏng môi trƣờng chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo. ....................... 62
CHƢƠNG III. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CẤU HÌNH REMOTE- PHOSPHOR ................................................................................................................... 66
3.1. Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor ..................... 67
3.1.1. Thiết kế đèn LED trắng cấu hình RP ......................................................... 67
3.1.2. Thiết kế, chế tạo tấm dẫn sáng RP ............................................................. 69
3.1.3. Chế tạo đèn LED trắng cấu hình RP .......................................................... 70
3.2. Đo đạc, khảo sát các thông số quang học của bộ đèn LED trắng cấu hình RP 71
CHƢƠNG IV. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO ..................................................................................... 76
4.1. Thiết kế, mô phỏng linh kiện quang biên dạng tự do .......................................... 76
4.1.1. Thiết kế thấu kính FO .................................................................................... 76
4.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng ........................................................................ 77
4.1.3. Mô phỏng độ rọi trên trần nhà ....................................................................... 78
4.1.4. Mô phỏng độ rọi dƣới sàn nhà ...................................................................... 79
4.1.5. Tối ƣu hoá đa đặc trƣng................................................................................. 80
4.2. Tính toán lý thuyết đƣa ra tiêu chí thiết kế thấu kính FO .................................... 82
4.2.1. Mô hình và phân tích lý thuyết ...................................................................... 82
4.2.2. Cách tiếp cận thay thế cho hệ thống chiếu sáng đồng đều ............................ 86
4.3. Chế tạo linh kiện quang biên dạng tự do ............................................................. 92
4.3.1 Thấu kính biên dạng bất đối xứng AL ........................................................... 92
4.3.2 Thấu kính góc chiếu hẹp (NAL narrow angle lens) ..................................... 100
4.3.3. Thấu kính FO cho đèn dụ cá ....................................................................... 102
CHƢƠNG V. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ ĐÈN SKYLED TÍCH HỢP THẤU KÍNH FO VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH THỰC TẾ .................................... 105
5.1. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính biên dạng bất đối xứng ................................... 106
5.1.1. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL gắn tƣờng chiếu trần .................... 106
5.1.2. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL thả trần chiếu sáng gián tiếp ........ 110
5.1.3. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL và NAL thả trần chiếu 3 phía ...... 114
5.1.4. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu bảng .......................................... 117
5.1.5. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu sáng dụ cá ................................. 119
5.2. Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S (5S Human Centric Lighting). ............................... 122
Xác định các thông số đặc trƣng của môi trƣờng ánh sáng .................................. 123
5.3. Xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế ................................................... 125
5.3.1. Chiếu sáng phòng họp, phòng học .............................................................. 125
5.3.2. Chiếu sáng căn hộ, nhà ở. ............................................................................ 126
5.3.3. Chiếu sáng cửa hàng, phòng khám bệnh ..................................................... 128
5.3.4. Chiếu sáng nghệ thuật, tâm linh .................................................................. 128
5.3.5. Bàn học tích hợp hộp sáng chống cận thị .................................................... 130
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 133
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .................................................................... 136
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 137
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ công trình dƣới đây là của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả nêu trong luận án đều trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Tác giả
ii
LỜI CÁM ƠN
Trƣớc tiên, cho phép tôi đƣợc gửi lời cám ơn đặc biệt tới hai giáo viên hƣớng
dẫn khoa học của tôi là PGS.TS. Phạm Hồng Dƣơng và PGS.TS. Trần Quốc Tiến. Hai
Thầy đã luôn tận tình chỉ bảo, truyền dạy kiến thức, dẫn dắt, động viên tôi vƣợt qua
những khó khăn, trở ngại để hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng tác giả trong các công trình công bố liên
quan đến nội dung của luận án đã cho phép tôi đƣợc sử dụng một số kết quả phục vụ
cho luận án.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công
nghệ, Ban Lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu, các Giáo viên trong Học viện đã luôn
động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận án.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các đồng nghiệp của tôi ở phòng
Cooperman, phòng Laser bán dẫn, những ngƣời đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi trong
quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Trung tâm R&D Chiếu sáng, Công ty
CP Bóng đèn Phích nƣớc Rạng Đông đã giúp đỡ tôi trong việc chế tạo và khảo sát một
số tính năng của các bộ đèn SkyLED, đèn LED chiếu bảng, đèn LED dụ cá.
Tôi xin chân thành cảm ơn đề tài ĐTĐLCN.30/18 đã hỗ trợ cho tôi thực hiện
luận án này.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo, các Nhà khoa
học, các bạn bè, đồng nghiệp công tác trong và ngoài Viện Khoa học vật liệu đã luôn
quan tâm, động viên, chỉ dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những ngƣời thân yêu trong
gia đình, gia đình đã cho tôi động lực và là chỗ dựa vững chắc để tôi có thể tập trung
sức lực hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AFM AL ALED BLED CCT CRI COB CM CMM CGH Atomic force microscopy – Kính hiển vi lực nguyên tử Asymmetric Lens – Thấu kính bất đối xứng Asymmetric LED – LED bất đối xứng Blue LED – LED xanh lam Color correlated temperature – Nhiệt độ màu tƣơng quan Color Rendering Index – Hệ số hoàn trả màu Chip On Boad Contact Measurement – Đo tiếp xúc Coordinate Measurering Machine – Thiết bị đo tọa độ Computer Generated Hologram
DB LED Deep Blue LED
DoF ENCM F FO Depth of Field – Độ sâu trƣờng nhìn Remote Non-Contact Measurement – Đo từ xa, không tiếp xúc Flux – Quang thông Freeform Optics – Quang học biên dạng tự do
FAL LED Fishing Asymmetric Lens LED Giải pháp hữu ích Human Centric Lighting Image Forming – Tạo ảnh Light Emitting Diode – Đi ốt phát quang GPHI HCL IF LED
LED RP LED remote-phosphor
LE LD LP Luminous Efficacy – hiệu suất quang Laser Diode Luminous Power – công suất quang
MO-CVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition – Lắng đọng hóa học cơ
MM MT MH NAL NIF OLED
kim Machining Mechanism – Cơ chế gia công chế tạo Moulding Technology – Công nghệ ép khuôn Metal Halide Narrow Angle Lens – Thấu kính góc chiếu hẹp Non Image Forming – Không tạo ảnh Organic LED – LED hữu cơ Pc-WLED Phosphor conversion WLED
PPM PF QD RP SSL SMT SMS STM Point-to-point mapping – Lập bản đồ điểm-tới-điểm Power factor – hệ số công suất Quantum dot – Chấm lƣợng tử Remote Phosphor – Phosphor đặt xa Solid State Lighting – Chiếu sáng rắn Surface Mounted Technology – Công nghệ dán mặt Simultaneous Multiple Surface – Phƣơng pháp đa diện đồng thời Scanning tunneling microscopy – Kính hiển vị quét xuyên hầm
iv
Sở hữu trí tuệ Sáng chế Standard Deviation Color Matching – Độ lệch màu chuẩn Nhiệt độ tại điểm hàn Nhiệt độ ở vùng tiếp giáp p-n SHTT SC SDCM Ts Tj WLED White LED – LED trắng
v
Bảng 1. 1. Nhiệt độ màu tương quan của một số nguồn sáng .................................................. 23 Bảng 2. 1. Bảng so sánh một số thuộc tính vật liệu chế tạo linh kiện FO 52 73 Bảng 3. 1. CCT và CRI của đèn LED mới theo tỉ lệ trộn bột phosphor và keo EPI. Bảng 5. 1. Kết quả đo thông số quang – điện cho bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần 109 Bảng 5. 2. Kết quả đo thông số quang – điện cho bộ đèn SkyLED thả trần .......................... 113 Bảng 5. 3. Thông số điện – quang của bộ đèn LED dụ cá ..................................................... 121
DANH MỤC CÁC BẢNG
vi
Hình 1. 1. Sơ đồ năng lượng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi không có điện áp [3] ................................................................................................................... 8 Hình 1. 2. Sơ đồ năng lượng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi đặt điện áp thuận [3] .................................................................................................................. 8 Hình 1. 3. Sơ đồ năng lượng trong không gian chuyển tiếp p-n với bán dẫn dị chất khi đặt điện áp thuận [3] ................................................................................................................................ 8 Hình 1. 4. Đặc trưng I-V của gói LED Samsung LM 301B [4] .................................................. 9 Hình 1. 5. Sự phụ thuộc của cường độ sáng vào dòng thuận của gói LED Samsung LM 301B [4] ............................................................................................................................................... 9 Hình 1. 6. Vật liệu phosphor dùng trong chế tạo LED trắng ................................................... 10 Hình 1.7. Phổ phát xạ, phổ kích thích của phosphor YAG: Ce, BLED và YLED [8]............... 10 Hình 1. 8. Gói LED trắng sử dụng chấm lượng tử bán dẫn [48] ............................................. 12 Hình 1. 9. Cấu trúc WLED với các cách phủ phosphor khác nhau [10] ................................. 13 Hình 1. 10. Mô đun WLED COB thương mại ........................................................................... 14 Hình 1. 11 Mô đun WLED SMT hàn trên mạch in nhôm.......................................................... 14 Hình 1. 12. Mô đun tản nhiệt nhôm cho bộ đèn WLED công suất trung bình ......................... 16 Hình 1. 13. Mô đun tản nhiệt sử dụng heat pipe cho bộ đèn WLED công suất cao ................. 16 Hình 1. 14. Sơ đồ vị trí đo nhiệt độ bóng đèn WLED A60 công suất 7W. ................................ 17 Hình 1. 15. Sơ đồ tính toán nhiệt trở sử dụng cho bóng đèn WLED A60 công suất 7W. ......... 17 Hình 1. 16. Sơ đồ khối của nguồn switching điều khiển đèn LED. .......................................... 18 Hình 1. 17. Phổ độ nhạy của mắt V(λ) – ban ngày; V’(λ) – ban đêm ....................................... 20 Hình 1. 18. Đường phân bố cường độ sáng của đèn Downlight trong toạ độ cực và toạ độ 3D .................................................................................................................................................. 22 Hình 1. 19. Giản đồ màu CIE x-y 1931 .................................................................................... 22 Hình 1. 20. Bảng 8 màu chuẩn Munsell sử dụng để đánh giá hệ số trả màu CRI. .................. 24 Hình 1. 21. Màu của điểm G có thể được coi là màu trộn giữa nguồn sáng C với bước sóng 506nm........................................................................................................................................ 24 Hình 1. 22.Linh kiện FO a) phi cầu đối xứng quay có mặt cắt ngoài trục; b) FO đối xứng quay phi tiêu chuẩn; c) FO biên dạng phù hợp với hình dạng hệ thống ........................................... 27 Hình 1. 23. Sơ đồ giao thoa kế Fizeau [32]. ............................................................................ 32 Hình 1. 24. CMM với đầu đo hội tụ [35] .................................................................................. 33 Hình 1. 25. Phân bố cường độ theo góc và hình ảnh của gói LED Samsung LM301B [4] ..... 34 Hình 1. 26. Phân bố góc của gói LED Nichia NSPPW345CS với mặt cắt XX (ϕ=0o) và XY (ϕ=90o)[36]............................................................................................................................... 35 Hình 1. 27. Hệ thống thấu kính chiếu sáng LED gồm thấu kính chuẩn trực và FO vi thấu kính [37] ........................................................................................................................................... 36 Hình 1. 28. Thấu kính FO thủy tinh dùng cho đèn LED chiếu sáng đường giao thông .......... 36 Hình 1. 29. Một số loại linh kiện FO dạng thanh đã thương mại hóa ..................................... 36 Hình 1. 30. Mô phỏng chùm sáng qua thấu kính FO [99] ...................................................... 37 Hình 1. 31. Phân bố cường độ sáng của đèn Fraqtir S301 [99] .............................................. 37
DANH MỤC CÁC HÌNH
vii
Hình 1. 32. Ánh sáng ô nhiễm đến mức độc hại sử dụng đèn bulk trụ. .................................... 40 Hình 1. 33. Chiếu sáng mất tiện nghi do tương phản quá lớn giữa bộ đèn và tường, trần gỗ màu đen ..................................................................................................................................... 40 Hình 1. 34. Màu ánh sáng tự nhiên thay đổi theo thời gian ..................................................... 41 Hình 1. 35. Cường độ ánh sáng thay đổi theo thời gian .......................................................... 41 Hình 1. 36. Bầu trời ban ngày có góc khối chiếu sáng rộng (~2π sr) ...................................... 42 Hình 1. 37. Phòng làm việc chiếu sáng mô phỏng bầu trời tự nhiên ....................................... 42 Hình 2. 1. Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của nguồn sáng chuẩn CIE D65 các lớp lá non. ……………………………………………………………………………………………..46 Hình 2. 2. So sánh phổ độ nhạy mắt người V(λ) với phổ truyền qua của nguồn chuẩn D65 qua ba lớp lá non ............................................................................................................................. 46 Hình 2. 3. Hình vẽ Part 3D thấu kính FO1 cho đèn chiếu bảng. ............................................. 47 Hình 2. 4. Hình vẽ Assemly 3D đèn chiếu bảng gồm 04 chi tiết: thấu kính, máng, LED và mạch in. ..................................................................................................................................... 47 Hình 2. 5. Mô phỏng các tia sáng truyền qua thấu kính FO (không vẽ tia phản xạ). .............. 48 Hình 2. 6. Biên dạng 3D của thấu kính AL thiết kế bằng phần mềm Solidworks ..................... 49 Hình 2. 7. Đường phân bố cường độ sáng trên mặt phẳng vuông góc trong toạ độ cực. ........ 49 Hình 2. 8. Hình vẽ Solidworks thấu kính bất đối xứng cho đèn chiếu sáng dụ cá. .................. 50 Hình 2. 9. Ảnh chụp nguyên mẫu thấu kính sau khi mài bóng (trái) và phủ màng bóng. ........ 50 Hình 2. 10. Cấu trúc khuôn 2 tấm: Tấm 1 là tấm cố định, tấm 2 là di động ............................ 53 Hình 2. 11. Hình vẽ cấu trúc máy ép phun nhựa cơ bản .......................................................... 54 Hình 2. 12. Quy trình ép phun nhựa ......................................................................................... 54 Hình 2. 13. Thiết bị đùn ép nhôm định hình. ............................................................................ 58 Hình 2. 14. Bố trí mẫu trên hệ đo quang HQ sử dụng phổ kế Acton Research SP-2300i và đầu thu Princeton Instrument làm lạnh. .......................................................................................... 59 Hình 2. 15. Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM tại PTN trọng điểm. ........................................ 59 Hình 2. 16. Hình ảnh bên trong quả cầu tích phân .................................................................. 60 Hình 2. 17. Hệ đo quả cầu tích phân nối quang kế phổ kế và các thiết bị phụ trợ của Viện Khoa học Vật liệu ..................................................................................................................... 60 Hình 2. 18. Sơ đồ cấu tạo của Goniophotometer ..................................................................... 62 Hình 2. 19. Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trên 2 mặt phẳng ................. 63 Hình 2. 20. Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trong mô phỏng 3D. ............ 63 Hình 3. 1. Sơ đồ thiết kế đèn RP phẳng. ……………………………………………………67 Hình 3. 2. Phổ kích thích huỳnh quang của NYAG 4355 ghi tại bước sóng 570 nm. ............... 68 Hình 3. 3. Phổ phát xạ huỳnh quang của NYAG 4355 kích thích bằng vạch 442 nm. ............. 68 Hình 3. 4. Ma trận các chấm chiết – phát sáng ....................................................................... 69 Hình 3. 5. Đèn LED remote – phosphor ................................................................................... 71 Hình 3. 6. Ảnh chụp huỳnh quang (a) và truyền qua (b) của một chấm phát sáng .................. 72 Hình 3. 7. Phổ phát xạ của đèn LED trắng RP chế tạo theo tỉ lệ pha trộn phosphor:EPI là 1:1 .................................................................................................................................................. 72 Hình 3. 8. Sự phụ thuộc nhiệt độ màu CCT vào khối lượng phosphor trộn trong hỗn hợp. .... 73
viii
Hình 3. 9. Hình vẽ phối cảnh đèn LED RP với tấm dẫn sáng gồm bộ huỳnh quang vàng (4) và bột huỳnh quang đỏ (5) ............................................................................................................. 75 Hình 4. 1. Thiết kế biên dạng thấu kính bất đối xứng với độ cong thay đổi……………………76 Hình 4. 2 (a) Phân bố cường độ sáng của gói LED; (b) tia sáng từ LED qua thấu kính; (c) tia sáng chiếu lên trần và (d) các tia phản xạ trên trần và sàn. .................................................... 77 Hình 4. 3. Phân bố ánh sáng trên trần với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trường hợp (b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4. .............................................................. 78 Hình 4. 4. Phân bố ánh sáng dưới sàn với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trường hợp (b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4. .............................................................. 79 Hình 4. 5. Phân bố ánh sáng dưới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách (a) 0,2 m; (b) 0,3 m; (c) 0,4 m; (d) 0,5m. .............................................................................................................. 80 Hình 4. 6. Phân bố ánh sáng dưới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách 0,4 m với các góc chiếu (b) 45O; (c) 50O; (d) 55O (e) 60O. .................................................................................... 81 Hình 4. 7 (a) Sơ đồ lắp đặt hai bộ đèn chiếu lên trần với hình ảnh chùm sáng đi từ hai đèn dài gắn hai bên tường; (b) Mặt cắt ngang hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn phía bên trái. ......... 82 Hình 4. 8. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp HQ với h= 0,3 m và L= 4 m. ................................................................................................................................. 83 Hình 4. 9. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp LED với h= 0,3 m và L= 4 m. (a) Hướng chiếu LED ngang và (b) Hướng chiếu LED vào giữa trần. ............. 84 Hình 4. 10. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn LED dài với (a) h= 0,3 m, L= 4m; (b) h= 0,3m, L= 8m; (c) h= 0,8m, L= 4m và (d) độ rọi giữa trần phụ thuộc và h và L. ....................................................................................................................................... 85 Hình 4. 11 (a) Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 dãy đèn LED kết hợp thấu kính FO lý tưởng và (b) biểu đồ phân bố cường độ sáng theo góc vẽ trong toạ độ cực. ......... 86 Hình 4. 12. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO bên trái (đen) và bên phải (đỏ) ......... 88 Hình 4. 13. Các hàm phân bố Logistic f(x) với giá trị k=1, k=2, k=4 và tốc độ biến đổi của hàm df(x)/dx theo khoảng cách x. ............................................................................................. 89 Hình 4. 14. Phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 nguồn sáng có dạng hàm Logistic với tốc độ k=3; (b ) tốc độ k khác nhau từ 1 đến 5; (c) phân bố cường độ sáng theo góc trong toạ độ vuông góc và (d) phân bố cường độ sáng theo góc trong toạ độ cực. .......................... 90 Hình 4. 15. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO tính toán cho một số thông số: a) h= 0.3 m, L= 4 m; (b) h= 0.8 m, L= 4 m; (c) h= 0.3 m, L= 8 m; and (d) h= 0.8 m, L= 8 m. ....... 91 Hình 4. 16. a/ Mô phỏng quang trình của tia sáng truyền qua thấu kính biên dạng bất đối xứng bằng phần mềm Optgeo; b/ Kết cấu đèn chiếu bảng tích hợp thấu kính AL [GPHI15]. 93 Hình 4. 17. Mẫu hình chiếu sáng thanh LED tích hợp nguyên mẫu thấu kính AL ................... 94 Hình 4. 18. (trái) Biểu đồ cường độ sáng ALED trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; (phải) Biểu đồ cường độ sáng 3D của đèn ALED trong toạ độ cực. ............................. 95 Hình 4. 19. a/ (trái) Biên dạng thấu kính AL phiên bản V1; b/ (phải) Ảnh chụp thấu kính phiên bản V1 chế tạo bằng phương pháp ép phun nhựa GP-PS. ....................................................... 95 Hình 4. 20. (trái) Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; (phải) Biểu đồ cường độ sáng 3D của đèn SkyLED trong toạ độ cực. ............... 96
ix
Hình 4. 21. Biên dạng thấu kính AL với kích thước mặt cong phía bên trái thay đổi có hệ thống và các biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng tương ứng. ....................................... 97 Hình 4. 22. So sánh biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu kính N0 với bộ đèn lý tưởng do CT2 đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ độ cực ........................................................................................................................................ 98 Hình 4. 23. Biên dạng thấu kính AL với mặt cong phía trong khác nhau có hệ thống và các biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng tương ứng. ............................................................ 99 Hình 4. 24. So sánh biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu kính N0 và N8 với bộ đèn do [CT 2] đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ độ cực ........................................................................................................................................ 99 Hình 4. 25. Biên dạng 3D thấu kính góc chiếu hẹp NAL và hình ảnh mô phỏng tia sử dụng phần mềm Tracepro, gói LED 3828. ...................................................................................... 100 Hình 4. 26. Biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ . ............................................................. 101 Hình 4. 27. Biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ . ............................................................. 101 Hình 4. 28. Thấu kính bất đối xứng cho đèn dẫn dụ cá, a-hình vẽ 3D; b-mặt cắt ngang. ..... 102 Hình 4. 29. Mẫu thấu kính FO cho đèn tàu cá sau khi chế tạo .............................................. 103 Hình 5. 1. Cấu trúc 3D của bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần …………………………107 Hình 5. 2. Mặt cắt ngang bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần ........................................... 107 Hình 5. 3. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED một màu gắn tường chiếu trần, CCT= 6500 K (trái) và CCT= 4300 K (phải) kết hợp hai gói LED 6500 K với 3000 K. ............................................. 108 Hình 5. 4. Kết quả đo phân bố cường độ sáng của bộ đèn SkyLED gắn tường biểu diễn trên toạ độ cực (trái) và toạ độ vuông góc. .................................................................................... 110 Hình 5. 5. Cấu trúc 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp. ......................................... 111 Hình 5. 6. Mặt cắt ngang bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp. ............................................ 111 Hình 5. 7. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED thả trần chiếu gián tiếp một màu CCT= 6500 K (trái) và ba màu CCT= 6500 K, 4300 K và 3000K (phải). ................................................................... 112 Hình 5. 8. Biểu đồ phân bố cường độ sáng bộ đèn SkyLED thả trần và ảnh chụp 04 bộ đèn thả trần ghép thành hình vuông. ................................................................................................... 112 Hình 5. 9. Kết cấu 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu sáng góc hẹp và biểu đồ phân bố cường độ sáng [GPHI 6]. .................................................................................................................. 114 Hình 5. 10. Kết cấu 3D của bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu sáng 3 phía. ...................... 115 Hình 5. 11. Mô phỏng biểu đồ phân bố cường độ sáng bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu sáng ba phía trong toạ độ cực và không gian 3D. .................................................................. 116 Hình 5. 12. Thiết kế đèn LED chiếu bảng tích hợp thấu kính AL cho Công ty Rạng Đông. .. 117 Hình 5. 13. Phân bố cường độ sáng đèn LED chiếu bảng trên mô phỏng ba chiều bằng Dialux Evo. ......................................................................................................................................... 117 Hình 5. 14. Kết quả mô phỏng phân bố độ rọi trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo. ................................................................................................................................................ 118 Hình 5. 15. Hình ảnh mô phỏng chiếu sáng trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo. ................................................................................................................................................ 118
x
Hình 5. 16. Hình ảnh thiết kế bộ đèn FAL LED tích hợp thấu kính bất đối xứng dẫn dụ cá . 120 Hình 5. 17. So sánh phân bố cường độ sáng theo góc của đèn FAL LED với đèn LED thông thường. .................................................................................................................................... 122 Hình 5. 18. Mô phỏng tàu cá chiếu sáng bởi 6 đèn LED 250W (trái) và 6 đèn MH 1270W (phải). ...................................................................................................................................... 122 Hình 5. 19. Kịch bản HCL cho công sở, CCT cao nhất lúc 10 giờ; cường độ cao nhất lúc 12 giờ. .......................................................................................................................................... 125 Hình 5. 20. Ảnh chụp phòng làm việc chiếu sáng Dưỡng sinh 5S. ......................................... 125 Hình 5. 21. Mô phỏng chiếu sáng phòng họp Viện Khoa học vật liệu. .................................. 126 Hình 5. 22. Ảnh chụp phòng họp Viện Khoa học Vật liệu chiếu sáng bằng đèn SkyLED ...... 126 Hình 5. 23. Mô phỏng chiếu sáng một căn hộ tiêu biểu, bao gồm phòng khách, bếp và các phòng ngủ. .............................................................................................................................. 127 Hình 5. 24. Ảnh chụp phòng ngủ sử dụng đèn SkyLED CCT 3000 K mắc đầu giường và CCT 6500 K chiếu sáng chung. ....................................................................................................... 127 Hình 5. 25. Ảnh chụp phòng khách sử dụng đèn SkyLED gắn tường đổi màu và bầu trời nhân tạo ........................................................................................................................................... 127 Hình 5. 26. Ảnh chụp phòng bếp sử dụng đèn SkyLED thả trần CCT 5000 K ....................... 127 Hình 5. 27. Ảnh chụp phía bên ngoài phòng chữa răng 45 Tô Hiệu Hà nội, chiếu sáng bằng bộ đèn SkyLED............................................................................................................................. 128 Hình 5. 28. Trần nhà phòng chữa răng chiếu sáng bằng 4 đèn SkyLED ............................... 128 Hình 5. 29. Ảnh chụp Hội trường chùa Quế lâm rộng 700 m2 chiếu sáng bằng đèn SkyLED ................................................................................................................................................ 129 Hình 5. 30. Ảnh chụp nhóm tượng Quán Thế âm chiếu sáng bằng đèn SkyLED ................... 129 Hình 5. 31. Ảnh chụp các bộ đèn Bánh Trưng, Bánh dày trong Đền Hùng Phú Thọ ............ 129 Hình 5. 32. Hình vẽ Bàn chống cận thị thông minh với hàng rào hồng ngoại. ...................... 131 Hình 5. 33. Ảnh chụp nguyên mẫu Bàn học chống cận thị với mô hình bầu trời thu nhỏ. ..... 131
1
MỞ ĐẦU
Ánh sáng có vai trò rất quan trọng đối với sự sống trên trái đất nói chung và con
ngƣời nói riêng. Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng ánh sáng không chỉ các tác
dụng giúp chúng ta có thể nhìn rõ mọi vật, mà còn có nhiều điều khiển toàn bộ hệ
thống sinh học nhƣ nhịp ngày đêm, đáp ứng của đồng tử, sự tỉnh táo, giấc ngủ và tâm
trạng [40-42, 45-46]. Ánh sáng còn đƣợc chứng minh là có tác dụng tích cực trong việc
điều trị cho một số loại bệnh ví dụ nhƣ trầm cảm theo mùa hay bị mất trí [47].
Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, con ngƣời sống và làm việc chủ yếu ở
trong nhà dƣới môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo. Môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo khác
hẳn với ánh sáng tự nhiên về độ dài, cấu trúc phổ, chu kỳ ngày đêm, nhịp sinh học của
cƣ dân sẽ bị đảo lộn và gây nên rất nhiều hậu quả về sức khỏe thể chất, sinh lý và tâm
lý nhƣ mất ngủ, béo phì, sinh lý kém, hiếm muộn, mệt mỏi, thậm chí ung thƣ [39].
Chính vì vậy việc tạo ra một môi trƣờng ánh sáng vì con ngƣời để bảo vệ thị lực mắt và
sức khỏe là rất cần thiết.
Chiếu sáng rắn với trọng tâm là nguồn sáng LED ra đời đã mở ra một cuộc cách
mạng trong chiếu sáng mà những ngƣời đóng góp quan trọng đã đƣợc nhận giải Nobel
về Vật lý năm 2014, và năm 2015 đƣợc Liên hiệp quốc tế tuyên bố là năm ánh sáng.
Với các ƣu thế vƣợt trội nhƣ tiết kiệm năng lƣợng, hiệu suất cao, có khả năng thay đổi
cấu trúc phổ phát xạ, an toàn với môi trƣờng và ngƣời sử dụng, nguồn sáng LED đã trở
thành nguồn sáng chủ đạo thay thế hầu hết các nguồn sáng truyền thống khác. Theo
báo cáo của Bộ Năng lƣợng Mỹ năm 2016, thị trƣờng chiếu sáng LED có thể đạt tới
40% vào năm 2020 và đến 60% vào năm 2022 [93].
Các gói LED trắng thƣơng mại hiện nay có hiệu suất quang lên đến đến
185lm/W [94], tuy nhiên, theo một số kết quả phân tích cho thấy hiệu suất của các gói
LED có thể đạt đến 255lm/W. Để đạt đƣợc mục tiêu này có rất nhiều vấn đề và thách
thức đặt ra cho các nhà khoa học cũng nhƣ sản xuất LED, bao gồm:
- Lấy sáng và nâng cao hiệu suất trộn/tán xạ và hấp thụ;
- Giảm độ rộng dải phổ phát xạ của các vật liệu chuyển đổi hoặc tìm ra loại
vật liệu thay thế mới;
2
Các gói LED trắng hiện nay đƣợc sản xuất chủ yếu theo cấu hình pc-LED
(phosphor-converted LED), tức là phủ phosphor trực tiếp lên chip LED xanh. Với cấu
hình này một phần ánh sáng đi ra từ chip LED xanh sẽ bị phản xạ quay trở lại và mất
mát tại các mối hàn. Để nâng cao hiệu suất lấy sáng nhiều tác giả đã đƣa ra cấu hình
remote-phosphor, đƣa phosphor ra xa chip LED, đã nâng hiệu suất lấy sáng của gói
LED trắng lên đến 70% [10, 12, 95], thậm chí lên tới 95% với một cấu hình phức tạp
hơn [96].
Vật liệu phát quang là thành phần rất quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến chất
lƣợng và hiệu suất của nguồn sáng LED. Các hệ vật liệu phát quang thƣơng mại sử
dụng cho LED trắng hiện nay gồm có: Garnet, Alluminat, Silicate và Nitride. Thách
thức đặt ra cho các nhà khoa học và sản xuất vật liệu là giảm độ rộng phổ phát xạ của
các loại phosphor này hoặc là tìm ra loại vật liệu mới để thay thế. Boosin và nhóm tác
giả đã sử dụng vật liệu phát quang hữu cơ nhằm thay thế cho các loại phosphor truyền
thống trong chế tạo gói LED trắng đạt hiệu suất khoảng 26lm/W [97], thấp hơn nhiều
so với các gói LED trắng thƣơng mại. Một hƣớng phát triển vật liệu phát quang khác
cũng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu là các chấm lƣợng tử bán
dẫn. Nhóm tác giả Sandra đã sử dụng chấm lƣợng tử thay thế cho phosphor truyền
thống chế tạo thành công LED trắng có hiệu suất đạt đến 64lm/W [48]. Ở nƣớc ta
nhiều nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công các chấm lƣợng tử có hiệu suất lƣợng tử
khá cao (85%-90%) [98] có khả năng ứng dụng thay thế cho các loại phosphor truyền
thống. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở vật liệu có tiềm năng ứng
dụng trong chiếu sáng rắn.
Để nâng cao hơn nữa hiệu quả chiếu sáng, đồng thời giải quyết vấn đề ô nhiễm
môi trƣờng, các linh kiện quang học đƣợc tích hợp vào các nguồn sáng. Một thế hệ linh
kiện quang học mới đang đƣợc nghiên cứu và phát triển đƣợc gọi là Quang học biên
dạng tự do FO (Freeform Optics), đƣợc coi là một cuộc cách mạng về quang học. Ngày
nay, rất nhiều loại đèn LED đã đƣợc tích hợp các loại linh kiện FO nhƣ đèn LED chiếu
sáng đƣờng phố, nông nghiệp, ngƣ nghiệp, đem lại các tính năng vƣợt trội hơn các loại
đèn truyền thống [55-56, 74-75, 79]. Trong chiếu sáng nội thất, nhu cầu tạo nên môi
trƣờng chiếu sáng đồng đều với góc chiếu rộng và không chói lóa là rất cần thiết. Để
3
giải quyết vấn đề trên, một số tác giả trên thế giới đã đề xuất các mô hình tích hợp
nguồn sáng LED với thấu kính biên dạng tự do [67-73, 80-93, 99].
Hiện nay, ở nƣớc ta hiện trạng sử dụng các loại đèn LED không đƣợc che chắn,
chiếu thẳng vào mắt gây rất nhiều hậu quả về sức khỏe thị giác cho ngƣời tiêu dùng.
Một số giải pháp chiếu sáng giảm chói lóa, tăng tiện nghi nhƣ chiếu sáng gián tiếp lên
trần nhà hoặc chiếu xuyên qua các vật liệu tán xạ đƣợc sử dụng rất ít do giá thành cao,
hiệu suất thấp và không đảm bảo độ đồng đều.
Từ những phân tích trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài ―Nghiên cứu phát triển
các tổ hợp vật liệu phát quang micro-nano và linh kiện quang biên dạng tự do ứng
dụng trong chiếu sáng rắn‖ nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nguồn
sáng mới trên cơ sở LED, đảm bảo giải quyết các vấn đề chói lóa, mất tiện nghi bảo vệ
thị lực và sức khỏe ngƣời sử dụng.
Mục tiêu của luận án
- Nghiên cứu nâng cao tính năng sử dụng và chất lƣợng sản phẩm chiếu sáng
rắn trên cơ sở LED;
- Phát triển thế hệ đèn LED mới hiệu suất cao, phân bố đồng đều, loại bỏ ô
nhiễm ánh sáng thay thế cho các loại đèn LED hiện hành.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa tính toán, mô phỏng lý
thuyết với thực nghiệm.
Chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp phân tích, tính toán lý thuyết để đƣa ra tiêu
chí thiết kế bộ đèn LED tích hợp linh kiện quang biên dạng tự do có đƣờng cong phân
bố cƣờng độ sáng lý tƣởng. Thấu kính quang biên dạng tự do đƣợc thiết kế và mô
phỏng sử dụng các phần mềm trợ giúp thông dụng nhƣ Excel, Origin, Optgeo,
Tracepro, Zeemax...
Nguyên mẫu thấu kính đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp cắt CNC và in 3D. Thấu
kính FO đƣợc sản xuất bằng công nghệ ép phun nhựa dẻo sử dụng vật liệu PS và PC.
Máng nhôm tản nhiệt cho bộ đèn LED đƣợc sản xuất bằng công nghệ đùn nhôm.
Tính chất quang của bột huỳnh quang và các tấm remote-phosphor đƣợc khảo
sát trên hệ đo huỳnh quang phân giải cao và kính hiển vi huỳnh quang tại Viện Khoa
4
học vật liệu và Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thông số quang điện của bộ đèn đƣợc
tiến hành đo đạc, khảo sát trên hệ đo quả cầu tích phân Everfine tại Viện Khoa học vật
liệu. Phổ phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn đƣợc khảo sát tại hệ đo PhotoGoniometer
tại Công ty Rạng Đông và Trung tâm đo lƣờng tiêu chuẩn (Quatest I).
Các kết quả chính, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Các kết quả chính đã thu đƣợc của luận án gồm có:
+ Đã đƣa ra đƣợc mô hình lý thuyết là tiêu chí để thiết kế, mô phỏng các nguồn
chiếu sáng rắn có phân bố đồng đều trên cơ sở bộ đèn LED và linh kiện FO;
+ Đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo 03 loại thấu kính (thấu kính bất đối xứng AL,
thấu kính thu hẹp góc chiếu sáng NAL, thấu kính cho đèn LED dụ cá AL), tạo ra các
tính năng phân bố cƣờng độ sáng ƣu việt. Các loại thấu kính FO này đã tái phân bố
cƣờng độ sáng, tạo ra các tính năng ƣu việt và khác biệt cho các nguồn sáng LED;
+ Đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đo đạc, đánh giá 06 loại nguồn sáng
SkyLED và đèn LED dụ cá, chiếu sảng với các tính năng quang điện khác nhau. Các
loại đèn SkyLED đƣợc sử dụng để chiếu sáng đồng đều trần, trƣờng loại bỏ chói lóa,
nâng cao hiệu quả và tiện nghi chiếu sáng
Luận án có ý nghĩa khoa học công nghệ cao, các sản phẩm của đề tài đã đƣợc
đƣa vào ứng dụng thực tế và nhận đƣợc phản hồi rất tốt từ phía ngƣời sử dụng.
Tính mới và tính thời sự của luận án
Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL) đang trở thành xu hƣớng nghiên
cứu và ứng dụng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm trên thế giới. Việc đƣa ra đƣợc giải
pháp chiếu sáng tổng thể thân thiện với con ngƣời trên cơ sở nguồn sáng LED tích hợp
với thấu kính FO là điểm mới có tính đột phá của luận án. Luận án đã đƣa ra đƣợc tiêu
chí thiết kế các nguồn sáng có tính năng phân bố đồng đều, làm cơ sở để thiết kế và
chế tạo các bộ đèn SkyLED có nhiều tính năng ƣu việt giải quyết các vấn đề về chói
lóa và mất tiện nghi trong chiếu sáng chung hiện nay.
Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc chia thành 5 chƣơng với nội dung
nhƣ sau:
5
Chƣơng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các vấn đề liên quan đến
chiếu sáng rắn trên cơ sở LED.
Chƣơng 2: Giới thiệu về các phƣơng pháp, kỹ thuật và công nghệ sử dụng
Chƣơng 3: Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor
Chƣơng 4: Tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo linh kiện quang biên dạng
tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn
Chƣơng 5: Thiết kế, chế tạo các bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính FO và ứng
dụng xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế.
6
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1. Chiếu sáng rắn và nguồn sáng LED
Chiếu sáng nói chung và chiếu sáng rắn SSL nói riêng là một lĩnh vực rất rộng
và khó phân loại. Trong chiếu sáng dân dụng, ngƣời ta phải phối hợp chiếu sáng tự
nhiên và chiếu sáng nhân tạo, sử dụng nguồn sáng truyền thống và/hoặc nguồn sáng
rắn. Tƣơng tự nhƣ vậy, lĩnh vực chiếu sáng rắn SSL cũng phải đƣợc phân loại theo
mục đích ứng dụng (chiếu sáng nhà ở, chiếu sáng đƣờng phố, chiếu sáng ô tô, chiếu
sáng màn hình, chiếu sáng chữa bệnh, chiếu sáng nông nghiệp...) hay phân loại theo
công nghệ chế tạo nguồn sáng nhƣ LED, OLED (Organic LED) hay laser bán dẫn.
Trong công trình này, chúng tôi chỉ đề cập đến công nghệ chế tạo LED trắng,
ứng dụng trong chiếu sáng dân dụng và chiếu sáng nông nghiệp.
Một bộ đèn LED trắng công suất cao tích hợp nhiều cấu phần khác nhau, bao
gồm các gói LED trắng, nguồn nuôi và điều khiển, linh kiện quang học, tản nhiệt và
kết cấu cơ khí. Mỗi cấu phần tạo nên sản phẩm tích hợp lại đòi hỏi một cấu trúc và
công nghệ chế tạo khác nhau, phù hợp với nhau để đạt đƣợc các tính năng và chất
lƣợng mong muốn. Chúng tôi sẽ chỉ tập trung vào phân tích hai công nghệ cốt lõi tạo
nên giá trị cho sản phẩm của chúng tôi, đó là công nghệ LED và công nghệ FO.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của LED
LED là tên viết tắt của từ tiếng Anh Light Emitting Diode (đi-ốt phát quang).
LED đƣợc chế tạo từ chất bán dẫn, tức là một loại vật liệu mà tính chất điện của nó
thay đổi theo nhiệt độ và nồng độ pha tạp. Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn hầu nhƣ cách
điện do vùng dẫn của nó không có hạt tải. Khi nhiệt độ tăng, các hạt tải đƣợc tạo ra do
điện tử nhảy từ vùng dẫn lên vùng hóa trị, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị. Cả điện tử
lẫn lỗ trống đều tham gia vào quá trình dẫn điện khi đặt một điện thế phân cực vào
phiến bán dẫn.
Vật liệu dùng để chế tạo điôt phát quang thƣờng có đỉnh của vùng hóa trị trùng
với đáy của vùng dẫn (trong không gian vectơ sóng k) cho nên đƣợc gọi là bán dẫn
vùng cấm thẳng. Hạt tải không cân bằng trong bán dẫn vùng cấm thẳng có thời gian
7
sống phát quang rất ngắn (cỡ nano giây, do trong quá trình tái hợp, định luật bảo toàn
động lƣợng đƣợc tự động thỏa mãn) nên rất thích hợp với việc sử dụng để chế tạo
LED. Bán dẫn nhóm III-V nhƣ GaAs, GaP là những bán dẫn truyền thống trong công
nghệ chế tạo LED hồng ngoại và LED đỏ. Các bán dẫn vùng cấm rộng nhƣ SiC, ZnO,
ZnS, GaN có thể phát ra ánh sáng xanh hoặc tử ngoại, đủ để kích thích huỳnh quang
các màu lục, vàng, đỏ, tạo ra nguồn sáng trắng. GaN là vật liệu thích hợp nhất để chế
tạo LED sử dụng cho chiếu sáng vì có độ rộng vùng cấm vào khoảng 3,4 eV tại nhiệt
độ phòng [1] với khả năng phát ra ánh sáng có bƣớc sóng khoảng 400 nm, tuỳ thuộc
vào mức năng lƣợng của hai loại tạp chất (donor và acceptor). Tuy nhiên, khó khăn
lớn nhất của việc tạo ra điốt phát quang là tạo ra đƣợc chuyển tiếp p-n, vì vậy chỉ từ
sau phát minh của Nakamura liên quan đến phƣơng pháp pha tạp loại p cho GaN [2],
công nghệ chế tạo LED trên cơ sở GaN mới phát triển thành quy mô công nghiệp. Mặc
dù LED phát quang bƣớc sóng ~400 nm có một số ứng dụng nhất định, nhƣng trong
công nghiệp chiếu sáng, ngƣời ta quan tâm hơn đến các loại LED phát ánh sáng xanh
BLED (Blue LED) vì BLED nằm trong dải độ nhạy của mắt ngƣời. Để tạo ra BLED,
ngƣời ta pha thêm In vào GaN, tạo thành bán dẫn 3 thành phần GaInN, có độ rộng
vùng cấm nhỏ hơn so với GaN. Thông thƣờng ngƣời ta chế tạo hai loại BLED gọi là
BLED (460-470 nm) và DB (Deep Blue) LED (440 nm). Để chế tạo LED trắng, BLED
đƣợc sử dụng nhiều hơn, vì hiệu suất sáng của BLED cao hơn so với hiệu suất của DB
LED (độ nhạy sáng của mắt ngƣời ở bƣớc sóng 470 nm cao hơn ở 440 nm).
Để tạo nên linh kiện phát quang, ngƣời ta sử dụng bán dẫn pha hai loại tạp chất
là donor (loại n) và acceptor (loại p), tạo nên một vùng tiếp giáp gọi là chuyển tiếp p-n,
còn linh kiện này đƣợc gọi là điôt (Hình 1.1). Trong trạng thái cân bằng, mật độ điện tử trong bán dẫn loại n tƣơng đối cao (1018- 1019 cm-3) và phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ
nồng độ donor, nhiệt độ, ánh sáng, còn mật độ lỗ trống hầu nhƣ không đáng kể. Ngƣợc
lại trong bán dẫn loại p, chỉ có lỗ trống, còn điện tử hầu nhƣ không tồn tại. Khi bán dẫn
loại n và loại p tiếp xúc với nhau, do hiệu ứng khuếch tán điện tử và lỗ trống sang phía
đối diện, vùng tiếp giáp với một hàng rào thế năng đƣợc hình thành. Trong điều kiện
cân bằng, hàng rào thế năng này sẽ ngăn cản quá trình tiếp tục khuếch tán và tạo thành
một vùng nơi mà cả điện tử lẫn lỗ trống đều có mật độ rất thấp gọi là vùng nghèo.
8
Hình 1. 1. Sơ đồ năng lƣợng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi không có điện áp [3]
Khi đặt điện thế phân cực thuận vào điôt thì độ cao hàng rào thế năng giảm đi.
Kết quả là các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p, và ngƣợc lại
các lỗ trống sẽ tràn từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n. Tại vùng nghèo các điện tử
và lỗ trống sẽ gặp nhau, tái hợp và bức xạ (Hình 1.2).
Nhằm mục đích tăng hiệu suất lƣợng tử của linh kiện, thay vì sử dụng các bán
dẫn đồng chất ngƣời ta sử dụng các loại vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm Eg khác
nhau để tạo ra tiếp giáp p-n gọi là tiếp giáp dị chất. Khi tiếp giáp p-n sử dụng vật liệu
bán dẫn có Eg thấp hơn nằm kẹp giữa hai vật liệu có Eg cao hơn, các hạt tải tự do sẽ bị
nhốt bên trong (Hình 1.3) vùng có Eg thấp, gọi là giếng lƣợng tử nếu độ rộng của giếng
đủ nhỏ để tạo ra hiệu ứng lƣợng tử. Cấu trúc giếng lƣợng tử làm tăng xác xuất tái hợp
của các hạt tải, tức làm tăng hiệu suất phát quang của linh kiện.
Hình 1. 3. Sơ đồ năng lƣợng trong không gian chuyển tiếp p-n với bán dẫn dị chất khi đặt điện áp thuận [3]
Một thông số quan trọng của LED là đặc trƣng I-V, là sự phụ thuộc của dòng
vào điện thế phân cực. Khác với sự phụ thuộc tuyến tính của điện trở, sự phụ thuộc của
dòng điện khi đặt điện áp thuận vào có dạng hàm mũ trong gần đúng bậc một
9
, ở đây I là dòng điện, V là điện thế phân cực thuận. Trên Hình 1.4 là đặc trƣng I-V của gói LED LM301B, với điện thế ngƣỡng hoạt động khoảng 2,6 V. Còn Hình 1.5
thể hiện sự phụ thuộc của của cƣờng độ sáng vào dòng thuận của gói LED, theo đó
cƣờng độ sáng tƣơng đối giảm khi dòng tăng do các hạt tải bị nhiệt hoá, giảm xác xuất
tái hợp phát quang.
Hình 1. 4. Đặc trƣng I-V của gói LED Samsung LM 301B [4] Hình 1. 5. Sự phụ thuộc của cƣờng độ sáng vào dòng thuận của gói LED Samsung LM 301B [4]
Công nghệ chế tạo BLED thƣờng dùng là Lắng đọng Hóa học Cơ Kim (Metal
Organic Chemical Vapor Deposition- MO CVD), cho phép chế tạo các wafer có đƣờng kính lên tới 200 mm, tức là hoảng 30 000 chip LED kích thƣớc 1 mm2. Do có nhiều
tiến bộ trong việc chế tạo ra các màng epitaxy tƣơng đối hoàn hảo, hiệu suất lƣợng tử
trong chip BLED xanh đã đạt đến trên 88% vào năm 2016 và dự kiến sẽ đạt 94% vào
năm 2020. Mặc dù hiệu suất lƣợng tử của chip BLED đạt đƣợc khá cao nhƣng hiệu
suất lƣợng tử ngoài lại thấp hơn (~75% cho chip BLED thƣơng mại) do bị giam hãm
bên trong do hiệu ứng phản xạ toàn phần trong chip LED. Để tăng hiệu suất lƣợng tử
ngoài, nhiều giải pháp thay đổi cấu trúc bề mặt của chip LED nhƣ phủ lớp chống phản
xạ hay làm gồ ghề bề mặt đƣợc ứng dụng, nhƣng cũng làm tăng chi phí sản xuất.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng của chip BLED, cần nâng cao mật độ dòng tối đa
và nhiệt độ hoạt động tới hạn. Hiện nay mật độ dòng tối đa Imax của chip BLED thƣơng mại vào khoảng 35A/cm2. Việc nâng cao mật độ dòng tối đa cho phép nâng cao tổng
quang thông mà không cần thay đổi kết cấu của chip LED. Tuy nhiên do ảnh hƣởng
10
của hiện tƣợng giảm hiệu suất khi tăng dòng (current droop) gây ra bởi hiệu ứng Auger
do các hạt tải va chạm trong chip LED tạo ra hạt tải nóng và sinh nhiệt khi hồi phục.
Tƣơng tự nhƣ vậy, hiệu suất quang điện của các gói LED cũng bị giảm khi nhiệt độ
hoạt động của LED tăng lên (hiện tƣợng ―thermal droop‖). Giải pháp nâng cao nhiệt độ
hoạt động là giảm nhiệt trở Rsj từ vỏ (s-soldering point) đến chuyển tiếp p-n (j-junction
location). Nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành để nâng cao mật độ dòng của chip LED và
giảm nhiệt trở Rjs để giảm nhiệt độ Tj khi hoạt động [5]. Cho đến nay, hiệu suất phát
quang của BLED đạt tới hơn 70%, đối với WLED khoảng 210 lm/W và phổ biến ở
mức 160 lm/W với WLED thƣơng mại [6]. Thị trƣờng tiêu thụ LED trên thế giới đƣợc
tổng kết khoảng 15 tỷ USD vào năm 2018.
1.1.2. Vật liệu phosphor
Vật liệu phosphor (hay vật liệu chuyển đổi bƣớc sóng) chiếm vai trò rất quan trọng
trong quá trình đóng gói và sản xuất LED trắng. Đối với các LED trắng thƣơng mại
phổ biến hiện nay, ngƣời ta thƣờng sử dụng các hệ vật liệu nền pha tạp các tâm huỳnh
quang nhƣ Garnet, Aluminate có màu vàng, Silicate có màu cam và Nitride có màu đỏ
(Hình 1.6) [7].
Hình 1. 6. Vật liệu phosphor dùng trong chế tạo LED trắng Hình 1.7. Phổ phát xạ, phổ kích thích của phosphor YAG: Ce, BLED và YLED [8] Các đặc trƣng quan trọng của phosphor bao gồm phổ phát xạ, phổ kích thích
huỳnh quang, hiệu suất quang, kích thƣớc hạt và độ bền. Đối với nguồn sáng trắng, độ
rộng phổ phát xạ càng lớn thì chỉ số trả màu CRI càng cao, nhƣng hiệu suất quang có
thể giảm nếu bức xạ nằm ngoài vùng độ nhạy của mắt ngƣời, ví dụ tia hồng ngoại hoặc
11
tia UV. Loại phosphor đang đƣợc dùng phổ biến trong công nghiệp chế tạo LED trắng là Garnet (YAG:Ce3+). Ƣu điểm của phosphor Garnet là công nghệ chế tạo khá ổn
định, hiệu suất phát quang cao (95%), dễ kích thích bằng BLED trên cơ sở InGaN. Trên Hình 1.7 là phổ phát xạ của vật liệu YAG: Ce+, có đỉnh tại 560 nm, độ bán rộng
khoảng 120 nm [8], đủ rộng để có thể đạt đƣợc hệ số trả màu CRI~80. Phổ kích thích
huỳnh quang cũng có độ bán rộng khoảng 100 nm, có đỉnh tại 460 nm, vì vậy có thể sử
dụng BLED có bƣớc sóng phát xạ từ 450 nm đến 470 nm để làm nguồn kích thích.
Các loại phosphor khác nhƣ hệ Nitride cũng đƣợc thƣơng mại hóa và sử dụng để
tăng thành phần đỏ, tăng hệ số trả màu CRI trong tổ hợp BLED phủ phosphor để tạo
LED trắng. Hệ Silicate cho nhiều bƣớc sóng phát xạ và có độ chói cao, nhƣng chỉ thích
hợp với việc chế tạo bóng LED có ánh sáng lạnh, nhiệt độ màu CCT cao. Hệ
Aluminate có giá thành cao hơn Garnet, nhƣng có độ ổn định cao với nhiệt độ và môi
trƣờng, vì vậy thƣờng đƣợc sử dụng trong LED trắng công suất cao và hoạt động ngoài
trời. Với hiện trạng sản xuất hiện nay thì các công nghệ sản xuất garnet, aluminate, và
silicate đều đã đi vào ổn định với hiệu suất khá cao, riêng đối với vật liệu nitride thì
chƣa ổn định và cần phải cải tiến [9].
Tất cả các loại phosphor trên đều có hiệu suất lƣợng tử khá cao (>90%), tuy
nhiên hiệu suất này suy giảm nhanh chóng khi LED hoạt động tại nhiệt độ và mật độ
dòng cao. Yêu cầu đặt ra là tìm ra loại vật liệu mới có hiệu suất cao và ổn định trong
các điều kiện hoạt động khắc nghiệt nhƣ nhiệt độ cao, mật độ sáng cao. Bên cạnh đó
loại vật liệu mới này cần đảm bảo độ bán rộng phổ phát xạ đƣợc thu hẹp lại, đặc biệt
đối với phosphor đỏ (~30nm).
Chấm lƣợng tử bán dẫn (QDs) đã đƣợc rất nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc
nghiên cứu làm vật liệu thay thế cho các loại phosphor thƣơng mại đang đƣợc sử dụng.
Sandra và các cộng sự đã chế tạo thành công gói LED trắng sử dụng chấm lƣợng tử
CdSe/CdS/ZnS [48]. Kết quả chế tạo cho thấy với các cấu hình phủ QDs lên chip LED
xanh khác nhau sẽ cho hiệu suất phát quang khác nhau, trong đó cấu hình sử dụng
dung dịch QDs bơm vào thấu kính silicone cho hiệu suất cao nhất đạt 64lm/W (Hình
1.9).
12
Hình 1. 8. Gói LED trắng sử dụng chấm lƣợng tử bán dẫn [48]
Vật lƣợng phát quang hữu cơ cũng thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều tác giả
do ƣu thế về độ an toàn và thân thiện với môi trƣờng. Boonsin đã sử dụng các hạt nano
silica pha tạp Fluorescine (FC@SiO2) phân tán vào Silicone rồi phủ lên chip LED xanh
để chế tạo LED trắng [97]. Kết quả thu đƣợc gói LED trắng có hiệu suất đạt khoảng
26lm/W, tuy nhiên tuổi thọ của gói LED rất thấp và các tác giả chƣa giải thích đƣợc
nguyên nhân gây nên hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang khi chế tạo LED trắng.
1.1.3. Gói LED trắng (WLED)
Để tạo thành các gói WLED từ chip LED đơn sắc, có 3 giải pháp công nghệ phổ
biến hiện nay là:
1/ Dùng 4 loại chip LED màu Blue – Amber – Green – Red kết hợp với nhau
tạo thành mô đun LED trắng (RGBA-WLED). Ƣu điểm của mô đun RGBA-WLED là
có thể tạo ra dải màu sắc rộng, và do không sử dụng bất kỳ vật liệu chuyển đổi nào nên
cấu hình này không phải đối mặt với các vấn đề mất mát Stokes, nên hiệu suất tối đa
mà cấu hình này có thể đạt đến 330lm/W. Tuy nhiên cấu trúc của bộ đèn sẽ phức tạp
do phải dùng 4 loại nguồn điện điều khiển độc lập.
Hai loại gói WLED kết hợp chip LED với các loại phosphor chuyển đổi bƣớc
sóng Pc-WLED (Phosphor conversion WLED), đó là:
2/ Chip UV LED kết hợp với phosphor 3 màu Blue Green Red. Ƣu điểm của gói
WLED sử dụng chip UV LED là có chỉ số trả màu CRI cao, nhƣng hiệu suất điện
13
quang tƣơng đối thấp do năng lƣợng bị mất mát bởi năng lƣợng dịch chuyển Stokes
cao.
3/ Chip BLED kết hợp với phosphor vàng 560 nm.
Cấu hình Pc-WLED là cấu hình chiếm vai trò chủ đạo trên thị trƣờng đóng gói
LED hiện nay với các ƣu thế: đơn giản, chịu đƣợc nhiệt độ cao và chất lƣợng màu ổn
định. Hiệu suất của chip BLED thƣơng mại đã đạt đến 75%, còn các gói WLED có
hiệu suất ánh sáng (luminous efficacy) khoảng 185lm/W tuỳ theo nhiệt độ màu CCT. Hiệu suất công bố của các gói WLED thƣờng đƣợc quy ƣớc tại 25oC, nhƣng trong thực
tế các gói WLED thƣờng hoạt động với mật độ dòng tƣơng đối cao nên các nhà sản xuất thƣờng kiểm tra sản phẩm tại nhiệt độ Ts= 85oC.
Hình 1. 9. Cấu trúc WLED với các cách phủ phosphor khác nhau [10]
Để tăng hiệu suất đóng gói cho LED trắng, nhiều tác giả đã đƣa ra cấu hình
trong đó lớp phosphor đƣợc để cách xa chip LED. Hình 1.9 mô tả cấu trúc các gói
LED: a) phủ phosphor trực tiếp lên chip LED xanh; b) phosphor đƣợc phủ trực tiếp
xung quanh lên chip LED xanh; c) phosphor đƣa ra xa chip LED tại mặt cốc phản xạ,
gọi là cấu hình LED Remote-phosphor (LED-RP). Cấu hình RP này không những cho
phép tăng hiệu suất ghép từ 50% lên khoảng 70%, mà còn có tiềm năng nâng tuổi thọ
của linh kiện do nhiệt độ làm việc của lớp phosphor giảm đáng kể.
Một trong các xu hƣớng cải tiến tính năng của gói LED là nâng cao độ đồng đều
về phân bố nhiệt độ màu theo góc. Thông thƣờng các tia ngoại vi của gói LED có nhiệt
độ màu thấp hơn do quang trình của tia sáng dài hơn khi truyền qua lớp màng
phosphor. Hao-Chung Kuo và đồng nghiệp đã đƣa ra một giải pháp là giới hạn diện
tích phủ bột ở vùng trung tâm, để lại một khe trắng xung quanh vùng ngoại vi [11]. Kết
14
quả là độ sai lệch màu CCT giảm từ 1320 K xuống còn 266 K. Để nâng cao hiệu suất
chuyển đổi của gói LED, công nghệ sử dụng lớp phosphor đặt xa (RP- Remote
Phosphor) đã đƣợc phát triển, tuy nhiên đối với gói LED công suất cao, việc tản nhiệt
cho lớp phosphor lại trở nên khó khăn. Indika U. Perera và Narendran đã nghiên cứu
ảnh hƣởng của nhiệt độ lên hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng của lớp phosphor và đƣa
ra giải pháp tản nhiệt để nâng cao hiệu suất của lớp RP [12].
1.1.4. Bộ đèn LED (LED Luminaire)
Một bộ đèn LED (LED luminaire) sử dụng trong chiếu sáng thông thƣờng đƣợc
cấu tạo từ 5 hợp phần, đó là mô đun LED, nguồn điều khiển (driver), tản nhiệt (heat
sink), quang học (optics) và vỏ đèn. Chúng tôi sẽ mô tả chức năng và cấu tạo của từng
hợp phần, trƣớc hết là mô đun LED.
1.1.4.1. Mô đun LED
LED COB (Chip-on-Boad) là một loại mô đun cấu tạo từ tổ hợp của nhiều gói
LED nhỏ hàn chung trên một bản mạch in đế kim loại, cách điện bằng một màng gốm.
Trên bề mặt của ma trận các gói BLED, một lớp màng bột phosphor đƣợc đổ kín, tạo
ra một mô đun LED hoàn chỉnh (Hình 1.10). Công suất của WLED COB thay đổi từ 10
W đến 200 W tuỳ theo nhà sản xuất. Việc sử dụng WLED COB tránh đƣợc công đoạn
thiết kế chế tạo mô đun LED cho các nhà lắp ráp, tuy nhiên do mật độ công suất cao
của WLED COB, công đoạn thiết kế tản nhiệt cho bộ đèn WLED COB gặp nhiều khó
khăn hơn.
Hình 1. 10. Mô đun WLED COB thƣơng mại Hình 1. 11 Mô đun WLED SMT hàn trên mạch in nhôm
15
Một giải pháp khác để chế tạo mô đun LED là công nghệ SMT, theo đó các gói
LED nhỏ đƣợc hàn lên tấm mạch in có hình dạng phù hợp với thiết kế tổng thể của bộ
đèn (Hình 1.11). Mô đun LED cấu tạo từ các gói LED nhỏ có ƣu điểm là dễ tản nhiệt,
cũng nhƣ giảm kích thƣớc khối của các linh kiện quang học. Tuy nhiên nhà sản xuất
cần làm chủ thêm công đoạn chế tạo mô đun LED.
1.1.4.2. Tản nhiệt cho đèn LED
Khác với đèn sợi đốt, khi mà phần lớn nhiệt lƣợng đƣợc bức xạ ra môi trƣờng
dƣới dạng tia hồng ngoại, trong các bộ đèn WLED công suất cao (từ 5 W đến 1000 W),
khoảng 50-60 % điện năng sẽ biến thành nhiệt năng không bức xạ trực tiếp. Nếu không
tích hợp bộ tản nhiệt, nhiệt độ trong bóng đèn sẽ tăng dẫn đến hiệu suất quang và tuổi
thọ của gói LED và nguồn nuôi sẽ giảm đi đáng kể. Chúng ta sẽ xem xét một cách tổng
quát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu năng của đèn LED nhƣ thế nào. Chỉ riêng cấu
tạo của gói WLED chúng ta đã thấy phức tạp. Chip BLED phát ra ánh sáng xanh, khi nhiệt độ tăng từ nhiệt độ phòng 25oC lên 100oC, điện áp ngƣỡng đã giảm đi (do độ
rộng vùng cấm giảm) khoảng 10%, làm giảm công suất điện của chip BLED. Thêm
vào đó, hiệu suất phát quang của BLED cũng giảm (khoảng 5%) do hiệu ứng nhiệt hoá
làm cho xác xuất điện tử và lỗ trống bị giam giữ trong giếng lƣợng tử sẽ giảm. Tƣơng
tự nhƣ vậy, hiệu suất chuyển đổi bƣớc sóng của phosphor cũng phụ thuộc vào nhiệt độ
[12]. Tổng hợp lại, hiệu suất quang của bộ đèn WLED có thể giảm đến gần 20% khi nhiệt độ chip tăng từ 25oC lên 100oC. Ngoài ra, tuổi thọ của gói LED và nguồn nuôi sẽ
giảm đi theo luật Arrhenius cho linh kiện điện tử (giảm 2 lần khi tăng nhiệt độ lên 10oC). Thông thƣờng, có 3 vùng nhiệt độ đóng vai trò quan trong nhất trong một bóng
đèn LED, đó là nhiệt độ ở vùng tiếp giáp (junction) p-n gọi là Tj, nhiệt độ tại điểm hàn
(soldering point) Ts và nhiệt độ vỏ đèn. Tuỳ theo công nghệ chế tạo, giá trị cực đại của Tj có thể là 125oC đối với LED công suất nhỏ (đế nhựa), hoặc là 140oC đối với LED
công suất lớn (đế gốm).
Tuỳ theo kết cấu và công suất của bộ đèn để lựa chọn vật liệu và giải pháp để
thiết kế chế tạo tản nhiệt. Đối với bộ đèn công suất dƣới 100 W, vật liệu chủ yếu làm
16
tản nhiệt là nhôm (Hình 1.12) phủ sơn tĩnh điện để bảo vệ và tăng hệ số bức xạ trong
vùng bƣớc sóng 3-10 µm. Đối với bộ đèn công suất trên 100 W, ngoài vật liệu cánh
làm tản nhiệt bằng nhôm (Hình 1.13), đồng đỏ hoặc các ống nhiệt (heat pipe) đƣợc sử
dụng tại vùng tiếp xúc với đế LED COB để truyền nhiệt ra các cánh nhôm, trƣớc khi
tản nhiệt ra không khí. Công nghệ tản nhiệt chủ động (dùng quạt) ít khi đƣợc sử dụng
do tuổi thọ của quạt thƣờng không dài. Công nghệ tản nhiệt dùng nƣớc đƣợc áp dụng
cho các bộ đèn LED công suất cao và có sẵn nguồn nƣớc tự nhiên.
Hình 1. 12. Mô đun tản nhiệt nhôm cho bộ đèn WLED công suất trung bình
Một ví dụ về quy trình thiết kế tản nhiệt đƣợc trình bày trên Hình 1.15, theo đó
nhiệt độ tại vùng tiếp xúc p-n đƣợc tính theo công thức:
Trong đó, Tj – nhiệt độ tại vùng chuyển tiếp p-n; Ta – nhiệt độ môi trƣờng; Rca –
nhiệt trở từ tản nhiệt ra môi trƣờng; Rsc – nhiệt trở từ điểm hàn ra tản nhiệt; Ph – công
suất tiêu hao thành nhiệt; Rjs – nhiệt trở từ vùng chuyển tiếp p-n ra điểm hàn; PLED –
công suất tiêu thụ của LED.
Nói tóm lại, một trong những công đoạn quan trọng trong việc thiết kế bộ đèn
LED là thiết kế mô phỏng tản nhiệt, mà trong đa số trƣờng hợp không tách rời khỏi vỏ
đèn. Ngoài các tính năng quang điện, tản nhiệt, bảo vệ chống xâm nhập (IP Ingress
Protection), vỏ đèn còn đòi hỏi kiểu dáng đẹp, chau chuốt, khác biệt và dễ nhận dạng,
nhất là các bộ đèn hoàn chỉnh (Luminaire) để có thể thƣơng mại hoá thành công.
17
Hình 1. 15. Sơ đồ tính toán nhiệt trở sử dụng cho bóng đèn WLED A60 công suất 7W.
1.1.4.3. Nguồn nuôi và điều khiển
Một đặc trƣng của nguồn nuôi LED là tạo ra dòng nuôi ổn định, thay vì điện áp,
do đặc trƣng I-V của LED có độ dốc cao trong chế độ hoạt động. Mặc dù nguồn nuôi
và điều khiển không phải là đối tƣợng nghiên cứu của công trình này, nhƣng để chế tạo
đƣợc bộ đèn LED hoàn chỉnh cũng đòi hỏi hiểu biết nhất định về các thông số phù hợp
của bộ nguồn (Power Supply and Driver) và điều khiển.
Nguồn nuôi bộ điều khiển đèn LED có thể là nguồn xoay chiều AC hoặc một
chiều DC, ví dụ nhƣ 4 cục pin 1,5 V hoặc acquy 12 V (gọi chung là pin).
Nguồn một chiều DC có ƣu điểm là ổn định, không gây nhiễu điện từ và an
toàn vì điện thế thấp. Tuy nhiên, với bộ đèn có công suất cao, dòng nuôi LED có giá trị
lớn, đòi hỏi nội trở của bộ nguồn cũng nhƣ điện trở dây dẫn phải đủ nhỏ. Việc điều
khiển công suất sáng khi sử dụng nguồn DC cũng phức tạp vì cần phải chuyển đổi sang
xoay chiều, và chuyển đổi ngƣợc lại.
Pin là một nguồn thế DC, cung cấp dòng nuôi phụ thuộc vào điện trở tải (ở đây
là LED), do đó không cung cấp đƣợc cho LED một dòng điện ổn định theo yêu cầu,
hơn nữa điện thế của pin cũng thay đổi theo thời gian sử dụng và các yếu tố khác. Vì
vậy để nuôi đèn LED cũng cần phải có bộ nguồn điều khiển và ổn định độ sáng.
Nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển này phụ thuộc vào tƣơng quan điện thế
giữa pin và LED (hay dãy LED). Nếu điện thế của pin luôn lớn hơn điện thế nuôi dãy
18
LED, bộ đổi điện gọi là nguồn Buck, một ví dụ thiết kế nguồn Buck là sử dụng IC
LM3405 của hãng National Semiconductor. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, khi điện thế
của pin thấp hơn điện thế nuôi dãy LED, bộ đổi điện gọi là nguồn Boost, sử dụng IC
FAN5333A. Trƣờng hợp thứ ba khi điện thế pin khi lớn hơn, khi nhỏ hơn điện thế nuôi
LED, mạch nguồn nuôi đƣợc gọi là Buck Boost và trở nên phức tạp hơn, có thể sử
dụng IC HV9910 của hãng Supertex.
Để điều chỉnh độ sáng của đèn LED, có hai phƣơng pháp cơ bản, đó là phƣơng
pháp điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) và phƣơng pháp điều
biến tƣơng tự AM (Analog Modulation). Chúng tôi sẽ không đi vào chi tiết thiết kế, mà
chỉ nêu ra một số yêu cầu quan trọng của bộ nguồn trong luận văn này.
Nguồn xoay chiều AC: Khi dùng điện lƣới AC xoay chiều điện áp 220V/50Hz
hoặc 110V/60Hz để nuôi bộ điều khiển đèn LED, cần phải có bộ đổi nguồn từ xoay
chiều AC sang một chiều DC, đồng thời cung cấp điện thế và dòng nuôi phù hợp. Bộ
đổi nguồn AC-DC phức tạp hơn nhiều do yêu cầu thoả mãn tiêu chuẩn, quy chuẩn về
an toàn điện, phát xạ nhiễu điện từ và các tính năng điện quang khác. Một bộ đổi
nguồn sử dụng đƣợc cho dải điện thế rộng từ 100V đến 240VAC sẽ có cấu trúc phức
tạp và giá thành cao, vì vậy phải cân nhắc khi lựa chọn dải điện thế AC đầu vào. Để sử
dụng ở Việt nam, điện thế đầu vào hoạt động trong dải từ 190 V đến 240 V AC là phù
hợp. Sơ đồ khối của nguồn switching điều khiển đèn LED đƣợc thể hiện trên Hình
1.16.
Hình 1. 16. Sơ đồ khối của nguồn switching điều khiển đèn LED.
Khối đầu tiên là bộ lọc nhiễu điện từ từ bộ nguồn xâm nhập vào lƣới điện. Việc
hạn chế nhiễu điện từ là bắt buộc cho những hệ thống chiếu sáng công suất cao, nhất là
19
trong môi trƣờng có nhiều thiết bị nhạy cảm nhƣ TV hay màn hình vi tính. Sau bộ lọc
là khối chỉnh lƣu, có thể sử dụng 4 diode chỉnh lƣu rời rạc hay một cầu chỉnh lƣu tích
hợp, gọn nhỏ hơn nhƣng giá cao hơn.
Sau khi chỉnh lƣu, dạng sóng nhận đƣợc là các nửa hình sin với tần số 100Hz,
với nguy cơ tạo ra ánh sáng nhấp nháy (flicker) với biên độ 100%. Để giảm biên độ
nhấp nháy (xuống 10% theo tiêu chuẩn chung), chúng ta phải dùng tụ lọc điện dung
cao (~10µF cho đèn 10W) và điện áp hoạt động cao (~400V). Chất lƣợng và tuổi thọ
của loại tụ điện này rất quan trọng vì nó sẽ đóng góp phần chủ yếu vào chất lƣợng và
tuổi thọ của bộ nguồn.
Sau bộ lọc nguồn là phần điều khiển đèn LED sử dụng nhiều kết cấu khác nhau.
Hãng Seoul Semiconductor đang phát triển bộ đèn không có nguồn nuôi riêng biệt gọi
là AC LEDs. Bộ đèn này mà sử dụng ngay các dãy LED mắc nối tiếp sao cho điện áp
hoạt động gần bằng điện áp mạng điện, cùng với một số linh kiện để hạn chế dòng
nuôi. Ƣu điểm của nguồn AC LED là đơn giản và tích hợp cả nguồn nuôi lẫn gói LED
trên một mô đun. Nhƣợc điểm chính là độ nhấp nháy cao áp đầu vào thay đổi, công
suất của bộ đèn cũng thay đổi mạnh.
Một kết cấu phổ biến khác là sử dụng mạch switching để biến đổi tần số từ
50/60Hz lên tần số 20kHz, thu gọn kích thƣớc của biến thế khi yêu cầu cách ly trở nên
bắt buộc để nâng cao độ an toàn điện cho những bộ đèn công suất cao. Cấu hình nguồn
nuôi công suất cao phổ biến nhất gọi là cấu hình flyback, kết hợp nguồn boost với biến
thế cách ly đảo chiều. Kết cấu của nguồn cách ly flyback phức tạp và giá thành cao,
cho nên đối với đèn LED công suất dƣới 50W ngƣời ta thƣờng dùng nguồn nuôi không
cách ly để hạ giá thành, với thiết kế sao cho ngƣời sử dụng không thể tiếp xúc trực tiếp
tới bộ nguồn.
Chúng tôi không đi vào chi tiết cấu trúc của bộ nguồn trong luận văn này mà chỉ
nêu ra ở đây các thông số cần thiết để lựa chọn bộ nguồn cho các ứng dụng, cụ thể là:
+ Công suất tối đa: Pmax ≤ Imax*Vmax , ví dụ với đèn dụ cá, bộ nguồn thƣơng mại
của Hãng Inventronix ghi OUTPUT 200W max, 48-143VDC, 2100mA max.
+ Điện áp vào: 100-240VAC, 50/60Hz, 2.4A max.
+ Độ kín chống xâm nhập ngăn bụi và nƣớc IP67.
20
+ Dimming 105-100%.
Khi thiết kế bộ đèn LED cần phải lựa chọn bộ nguồn ngoài các thông số điện,
còn phải chú ý đến độ hợp chuẩn an toàn điện, EMI và kích thƣớc bộ nguồn phù hợp.
Các đặc trƣng (parameters) đánh giá chất lƣợng và hiệu quả của nguồn sáng
đƣợc mô tả bằng các thông số (specifications) đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
Quang thông: quang thông là tổng lƣợng ánh sáng do một nguồn sáng phát ra
trong một giây đƣợc đánh giá thông qua sự cảm nhận của mắt ngƣời. Đơn vị đo của
quang thông là lumen (lm). Công thức tính quang thông từ phổ bức xạ điện từ:
(1.2) ∫
Trong đó:
V(λ) – phổ nhạy sáng của mắt ngƣời (human visual sensitivity),
W(λ) – phổ mật độ công suất của nguồn sáng,
K – hệ số chuyển đổi đơn vị năng lƣợng bức xạ sang ánh sáng.
Hình 1.17 là phổ độ nhạy ban ngày của mắt ngƣời (photopic curve) có cực đại
tại bƣớc sóng 555nm, trong đó đƣờng nhạy sáng ban đêm (scotopic curve) có đỉnh tại
500nm. Độ rọi nhỏ hơn 1 lux đƣợc coi là ánh sáng đêm.
Hình 1. 17. Phổ độ nhạy của mắt V(λ) – ban ngày; V’(λ) – ban đêm
Hiệu suất quang (LE – Luminous Efficacy): hiệu suất quang của nguồn sáng
đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa quang thông phát ra và công suất điện tiêu thụ của nguồn
sáng. Đơn vị đo hiệu suất quang là lm/W.
21
Hiệu suất quang của một nguồn sáng là con số có giá trị lớn nhất LE = 683
lm/W đối với nguồn sáng chỉ có 1 bƣớc sóng tại 555 nm. Đối với nguồn sáng trắng, khi
phổ phát xạ rộng thì LEmax ≤ 340 lm/W.
Cƣờng độ sáng (LI – Luminous Intensity): Đơn vị đo cƣờng độ sáng là Candela
(cd). Theo định nghĩa của CIE thì Candela là cƣờng độ sáng theo một hƣớng cho trƣớc
của một nguồn sáng phát ra bức xạ đơn sắc bƣớc sóng 555nm và cƣờng độ bức xạ theo
hƣớng đó là 1/683 W/sr.
1 cd = 1 (lm/sr)
Cƣờng độ sáng I theo hƣớng γ với góc khối ω đƣợc tính theo công thức:
Trong đó: Iγ – cƣờng độ sáng theo phƣơng γ;
ΔΦ: quang thông của nguồn sáng theo phƣơng γ;
Ω – góc khối theo phƣơng γ
Góc khối ω (steradian) đƣợc định nghĩa theo công thức:
ω = S/r2 steradian (1.4)
trong đó: S – diện tích mặt cầu
r – bán kính hình cầu
Phân bố cƣờng độ sáng (Luminous Intensity Distribution): Cƣờng độ sáng của
một nguồn sáng theo từng hƣớng khác nhau là khác nhau. Nhƣ vậy phân bố cƣờng độ
sáng của nguồn sáng là phổ phân bố cƣờng độ sáng của nguồn sáng đó theo từng
hƣớng trong không gian. Mỗi loại nguồn sáng khác nhau sẽ có phân bố cƣờng độ sáng
khác nhau.
Để biểu diễn sự phân bố cƣờng độ sáng trong không gian ngƣời ta thƣờng sử
dụng hệ toạ độ cực mà gốc là nguồn sáng và đầu mút là các vectơ cƣờng độ sáng.
Trong thực tế, biểu đồ này đƣợc biểu diễn trong mặt phẳng hoặc nửa mặt phẳng bằng
cách vẽ đƣờng cong cắt bề mặt này bởi một số mặt phẳng kinh tuyến xác định. Với các
nguồn đối xứng tròn xoay thì chỉ cần cắt bởi một mặt phẳng kinh tuyến. Phân bố cƣờng
độ sáng của nguồn sáng là một trong các tiêu chí rất quan trọng trong kỹ thuật chiếu
sáng. Hình 1.18 là đƣờng phân bố cƣờng độ sáng của đèn Downlight trong toạ độ cực
22
và toạ độ 3D, thể hiện dạng phân bố Lambert của một mặt phẳng phát sáng. Để đo
phân bố cƣờng độ sáng ngƣời ta cần sử dụng thiết bị đo gọi là góc quang kế
(Goniophotometer).
Hình 1. 18. Đƣờng phân bố cƣờng độ sáng của đèn Downlight trong toạ độ cực và toạ độ 3D Giản đồ màu (Chromacity Diagram): để thể hiện và sắp xếp đƣợc tất cả các
màu có thể cảm thụ đƣợc đối với ngƣời quan sát chuẩn, Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng
(CIE) đã đƣa ra khái niệm về không gian màu CIE 1931. Trong không gian màu này,
CIE đã đặt toàn bộ các màu đơn sắc và màu trộn trên một giản đồ x-y 1931, cũng nhƣ
tổ hợp của các màu trộn với màu trắng (Hình 1.19), còn trục z vuông góc với mặt
phẳng xy thể hiện độ chói Y của mặt màu.
Hình 1. 19. Giản đồ màu CIE x-y 1931
23
Tọa độ màu của các màu đơn sắc với độ bão hòa cao nhất sẽ nằm trên đƣờng
viền của giản đồ, còn màu trắng tuyệt đối nằm giữa giản đồ màu (x=1/3; y=1/3) và độ
bão hòa màu của một màu nào đó sẽ nằm trên đƣờng kẻ từ điểm trắng nối với đƣờng
viền giản đồ. Trên Hình 1.19 còn thể hiện quỹ tích các tọa độ màu anh sáng phát ra từ
vật đen tuyệt đối đƣợc nung nóng từ nhiệt độ T=1500K tới T=10000K. Đây là đƣờng
cong lý thuyết tính theo công thức Plank và chuyển thành tập hợp các tọa độ màu x-y,
với mục đích là xác định tiêu chuẩn CCT cho ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng khác
nhau.
Nhiệt độ màu tƣơng quan (CCT): nhiệt độ màu tƣơng quan của một nguồn
sáng là nhiệt độ của vật đen tuyệt đối có toạ độ màu gần nhất với toạ độ màu tính từ
mật độ công suất phát xạ của nguồn sáng. Mật độ công suất phát xạ của vật đen tuyệt
đối (Black body) đƣợc tính toán từ công thức Plank:
Trong đó: Sλ – mật độ công suất nguồn sáng tại một bƣớc sóng cố định có đơn
vị đo là mW/mm2;
C1 = 3.74*1020 mW/mm2; C2 = 1.44*107 nm.K
λ – bƣớc sóng theo thang nm;
T – nhiệt độ theo thang độ K.
Đối với một vật mầu xám (Grey body) thì chúng ta phải nhân mật độ công suất
Sλ với một hệ số e - đƣợc gọi là hệ số phát xạ (emissivity), e thƣờng nhỏ hơn 1. Ví dụ
đèn sợi đốt là một vật xám có hệ số phát xạ bằng 0,3.
Ánh sáng màu xanh thƣờng đƣợc là màu lạnh, còn ánh sáng màu đỏ đƣợc coi là
ánh sáng ấm, mặc dù nhiệt độ màu CCT của ánh sáng xanh cao hơn ánh sáng đỏ. Cảm
giác này có nguyên nhân tâm lý, khi mà lửa ấm có màu trắng vàng mà băng tuyết lạnh
thì màu trắng xanh.
Bảng 1. 1. Nhiệt độ màu tƣơng quan của một số nguồn sáng
Ánh nến, đèn dầu
1000
1
24
Đèn sợi đốt
2700
2
Đèn huỳnh quang
4200 – 5000 – 6500
3
Bầu trời trong xanh
5500
4
Ánh nắng khi không mây
6000
5
Ánh nắng khi trời có mây
7000
6
Bầu trời nhiều mây
8000
7
Trời nhiều mây đen, chuyển mƣa
10.000
8
Trời xanh, không có mặt trời
12.000
9
Chỉ số hoàn màu CRI (Color Rendering Index): một số nguồn sáng có thể có
cùng tọa độ màu, nhiệt độ màu tƣơng quan nhƣng lại khác nhau về cấu trúc phổ phát
xạ. Vì chúng có phổ phát xạ khác nhau nên các vật màu màu khi đƣợc chiếu sáng dƣới
ánh sáng của các nguồn sáng này sẽ thể hiện màu sắc khác nhau. Đại lƣợng đặc trƣng
cho sự khác biệt về màu sắc thể hiện màu của các vật màu khi đƣợc chiếu sáng bởi các
nguồn sáng khác nhau đƣợc định nghĩa là chỉ số hoàn màu CRI của nguồn sáng.
Hình 1. 20. Bảng 8 màu chuẩn Munsell sử dụng để đánh giá hệ số trả màu CRI. Hình 1. 21. Màu của điểm G có thể đƣợc coi là màu trộn giữa nguồn sáng C với bƣớc sóng 506nm
Chỉ số hoàn màu của một nguồn sáng đƣợc CIE (Comité International
d’Eclairage) định nghĩa là sai biệt toạ độ của 8 mặt màu chuẩn khi đƣợc chiếu sáng
bằng nguồn sáng đó so với trong trƣờng hợp đƣợc chiếu sáng bằng nguồn sáng chuẩn
25
có nhiệt độ màu CCT tƣơng tự (vật đen tuyệt đối). Nguồn sáng nào có phổ phát xạ liên
tục nhƣ phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối (đèn sợi đốt) thì sẽ có CRI cao hơn các
nguồn sáng có phổ phát xạ gián đoạn (phổ vạch). Để đo đạc và tính toán CRI, ngƣời ta
sử dụng ít nhất 8 mẫu màu chuẩn Munsell CIE (Hình 1.20), chiếu sáng bằng nguồn
sáng cần kiểm tra và nguồn sáng chuẩn cùng nhiệt độ màu, khi đó Ri cho từng màu
đƣợc tính theo công thức (1.6) với ΔEi là khoảng cách Euclid giữa tọa độ màu của
nguồn sáng cần kiểm tra và nguồn sáng chuẩn
Tính toán chỉ số Ra chung là trung bình cộng của Ri cho 8 mẫu chuẩn.
Bƣớc sóng chủ yếu (Dominant Wavelength): bất kỳ toạ độ màu của nguồn sáng
thực nào nằm bên trong đƣờng viền liên tục và phía trên đƣờng đứt đoạn (Hình 1.21)
của giản đồ màu xy đều có thể đƣợc coi là màu trộn giữa nguồn sáng C phổ phát xạ của
một bƣớc sóng đơn sắc. Ví dụ nguồn sáng có tọa độ màu tại vị trí G trên giản đồ màu
là tổ hợp màu trộn của nguồn sáng C với phổ ánh sáng bƣớc sóng 506nm. Bƣớc sóng
này đƣợc gọi là bƣớc sóng chủ yếu (dominant wavelength). Bƣớc sóng chủ yếu của
một nguồn sáng là bƣớc sóng đơn sắc nằm trên đƣờng viền của giản đồ màu, là điểm
cắt giữa đƣờng nối dài tọa độ màu của nguồn sáng với điểm C (nguồn sáng chuẩn C)
với đƣờng viền giản đồ màu.
Độ sạch màu (Color Purity): từ Hình 1.21 chúng ta nhận thấy rằng nguồn sáng
có tọa độ màu tại điểm G trên giản đồ màu nằm trên đƣờng thẳng nối giữa điểm C và
tọa độ màu bƣớc sóng đơn sắc 506nm trên đƣờng viền giản đồ màu. Điều này cho thấy
rằng nguồn sáng có tọa độ màu tại điểm G không phải là màu đơn sắc (không sạch
màu) hoàn toàn. Độ sạch màu tƣơng đối của nguồn sáng G đƣợc đánh giá thông qua
khoảng cách tƣơng đối của nguồn sáng đó với khoảng cách từ điểm C đến tọa độ màu
của bƣớc sóng chủ yếu. Trong ví dụ Hình 1.21, khoảng cách từ nguồn sáng G đến điểm
C bằng 20% khoảng cách từ điểm C đến tọa độ màu bƣớc sóng đơn sắc 506nm => điều
này có thể nói rằng độ sạch màu của nguồn sáng G là 20%.
Trong đó: PCG – độ sạch màu của nguồn sáng G;
26
LG-C – khoảng cách từ nguồn sáng G (điểm G) đến nguồn sáng C
(điểm C);
LC-x506 – khoảng cách từ nguồn sáng C đến bƣớc sóng chủ yếu của
nguồn sáng G trên đƣờng viền giản đồ màu (ở đây bƣớc sóng chủ yếu của nguồn sáng
G là 506nm).
1.2. Linh kiện quang học biên dạng tự do FO (Freeform Optics)
Mặc dù linh kiện quang học chỉ là một trong 4-5 hợp phần trong bộ đèn LED
hoàn chỉnh, tuy nhiên các tính năng khác biệt và ƣu việt của đèn LED chúng tôi đề xuất
lại do kết cấu độc quyền của linh liện FO. Hơn nữa, lĩnh vực nghiên cứu linh kiện FO
lại là một lĩnh vực mới, mang tính cách mạng trong ngành quang học, vì vậy chúng tôi
sẽ tập hợp và phân tích tƣơng đối chi tiết về tình hình nghiên cứu FO trong những năm
gần đây, đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng rắn.
1.2.1. Khái niệm về quang học biên dạng tự do FO
Quang học FO là thế hệ tiếp theo của quang hình hiện đại, đem lại các tính năng
khác biệt ƣu việt và có tính tích hợp hệ thống cao. FO đƣợc định nghĩa là quang học
của các bề mặt không đối xứng hoặc các hình dạng bất kỳ, đƣợc thiết kế chế tạo bằng
các công nghệ không truyền thống. Có thể phân loại các linh kiện FO ra làm một số
nhóm nhỏ nhƣ sau:
Các loại linh kiện cầu hoặc phi cầu đối xứng quay có mặt cắt ngoài trục quang
(off-axis section). Các linh kiện FO này thƣờng đƣợc ứng dụng làm các mặt phản xạ
cho các hệ thống thu tín hiệu; hệ quang mở rộng chùm tia hay quang học trong không
gian (hình 1.22a).
Các biên dạng đối xứng quay phi tiêu chuẩn nhƣ hình nón, hình cung nhọn hay
hình dạng quay bất kỳ khác. Các linh kiện này thƣờng đƣợc ứng dụng trong các hệ
thống laser, hệ thống tạo ảnh (hình 1.22b).
Linh kiện FO phù hợp với hình dạng của hệ thống. Các linh kiện này rất phức
tạp về hình dạng và khó chế tạo và thƣờng đƣợc ứng dụng trên ô tô, máy bay... (hình
1.22c).
27
Hình 1. 22.Linh kiện FO a) phi cầu đối xứng quay có mặt cắt ngoài trục; b) FO đối xứng quay phi tiêu chuẩn; c) FO biên dạng phù hợp với hình dạng hệ thống
FO tạo ra các cơ hội mới cho các nhà thiết kế quang, đồng thời cũng đƣa ra
thách thức cho công nghệ chế tạo và phƣơng pháp đo lƣờng. FO đƣợc ứng dụng rộng
rãi trong các lĩnh vực công nghệ xanh, chiếu sáng rắn, hàng không vũ trụ, nông nghiệp
và y sinh. Linh kiện FO có khả năng cách mạng hóa công nghiệp quang học, vì vậy,
hiện nay đây là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động trên cả khía cạnh nghiên cứu cơ bản,
nghiên cứu ứng dụng cũng nhƣ phát triển các công cụ chế tác, đo lƣờng, thể hiện qua
số lƣợng hơn 230 công trình công bố quan trọng, hàng trăm sáng chế và sản phẩm công
nghiệp trong thời gian gần đây.
So với quang hình truyền thống, quang cấu hình tự do FO có các tính chất ƣu
việt sau đây [13]:
Mở rộng phạm vi các bề mặt có thể gia công đƣợc, cho phép các nhà thiết kế
quang nhiều cơ hội và lĩnh vực đổi mới sáng tạo hơn;
Nâng cấp các tính năng của hệ thống quang, ví dụ cùng một lúc có thể giảm
quang sai, tăng độ sâu DOF và mở rộng trƣờng nhìn;
Đơn giản hóa cấu trúc hệ thống, giảm kích thƣớc, giá thành;
Nâng cao khả năng tích hợp hệ thống, dễ lắp đặt.
Mặc dù có nhiều ƣu việt nhƣ mô tả ở trên, các thách thức cho các nhà thiết kế
FO gặp phải là vấn đề sau đây:
28
Về nghiên cứu cơ bản: để xác định biên dạng bề mặt FO phải phát triển
phƣơng pháp mới, công cụ mô phỏng mới. Tuy nhiên, các ý tƣởng mới về cấu trúc và
ứng dụng của FO mới là các vấn đề đƣợc quan tâm nhất;
Về công nghệ gia công, cần phát triển và sử dụng các thiết bị gia công nhiều
trục nhƣ CNC, thiết bị mài và đánh bóng 5 trục xoay, kết hợp với công nghệ phun phủ,
phun ép để tạo ra sản phẩm có chất lƣợng quang học;
Về đo lƣờng đánh giá, cần phát triển các phƣơng pháp và kỹ thuật đo lƣờng
mới, vì các kỹ thuật truyền thống không đủ để đo đạc, đánh giá các thông số sản phẩm.
1.2.2. Thiết kế, chế tạo và đo lường linh kiện FO
1.2.2.1. Toán học trong mô phỏng FO
Quá trình thiết kế và chế tạo các bề mặt có biên dạng tự do yêu cầu một phƣơng
pháp mô tả chính xác bằng ngôn ngữ toán học. Con đƣờng chung nhất để mô tả quang
học cấu hình tự do là:
Bề mặt quang cấu hình tự do đƣợc biểu diễn bởi các công thức toán học đặc
thù. Ví dụ nhƣ bề mặt hình sine kép đƣợc mô tả bởi tổ hợp hàm sine và cosine [14].
Các bề mặt mô tả bởi các đa thức XY hay đƣợc dùng trong các phần mềm thiết
kế quang học thƣơng mại.
Các bề mặt mô tả bởi NURBS (Non Uniform Rational B-Spline) phù hợp với
phần mềm mô hình hóa CAD. Các phần mềm thiết kế quang học thƣơng mại cũng hỗ
trợ định dạng dữ liệu này [15].
Các bề mặt biểu diễn bởi các hàm cắt ngắn (truncated functions) để mô tả các
bề mặt nhảy bậc và sử dụng các biến đổi toán học để mô tả các cấu trúc mảng.
Các bề mặt đại diện cho tổ hợp tuyến tính của các hàm cơ bản, ví dụ các đa
thức Zernike thƣờng đƣợc dùng trong thiết kế chế tạo quang học.
1.2.2.2. Thiết kế quang học
parameter optimization) và lập bản đồ trực tiếp (direct mapping) [16]. Trong phƣơng
pháp tối ƣu hóa đa thông số, yêu cầu quang học đƣợc định nghĩa nhƣ một hàm chất
29
lƣợng cần đƣợc giảm thiểu bằng các tối ƣu hóa. Tuy nhiên khi tối ƣu hóa FO, thông
thƣờng yêu cầu sử dụng các đa thức bậc cao cho các bề mặt phức tạp làm cho quá trình
tính toán mất nhiều thời gian. Phƣơng pháp lập bản đồ trực tiếp còn đƣợc gọi là lập bản
đồ nguồn phát- mục tiêu, đƣợc định nghĩa nhƣ một giải pháp chính xác từ phân bố
nguồn sáng đến phân bố trên mục tiêu. Sau khi thu đƣợc các điểm đặc trƣng sử dụng
phƣơng pháp này, dùng mô hình làm khớp hoặc nội suy sẽ thu đƣợc biên dạng FO.
Năm 2003 tác giả Harald và đồng nghiệp đã trình bày một phƣơng pháp cắt gọt
3D dựa trên nguyên lý tƣơng tác giữa các tia sáng với bề mặt quang học trong tổ hợp
hình học vi phân của bề mặt FO. Phƣơng pháp này đã đƣợc áp dụng để tạo ra một phân
bố độ rọi đồng đều trên một diện tích lớn để sử dụng trong chiếu sáng đƣờng phố,
chiếu sáng công sở, cảnh quan hoặc môi trƣờng chiếu sáng đặc biệt khác [17]. Năm
2008, các nghiên cứu về độ đồng đều của chiếu sáng LED đã đƣợc tiến hành và đã thu
đƣợc độ đồng đều đến 90% [18]. Nhìn chung phƣơng pháp sử dụng các phƣơng trình
vi phân riêng hàm đòi hỏi các tính toán phức tạp và hạn chế trong các trƣờng hợp
nguồn sáng điểm và một vài dạng nguồn sáng rộng hơn (hình chữ nhật hoặc hình que).
Lập bản đồ điểm-tới-điểm (PPM- point-to-point mapping). Phƣơng pháp này
thiết lập phƣơng trình giữa năng lƣợng chiếu sáng cung cấp bởi nguồn sáng và năng
lƣợng thu đƣợc trên mục tiêu trên cơ sở nguyên lý bảo toàn. Sau đó, tọa độ và các
véctơ pháp tuyến của các điểm trên bề mặt đƣợc xác định qua lời giải lặp lại (iterative
solution) để có đƣợc biên dạng bề mặt FO. Phƣơng pháp lập bản đồ PPM đƣợc Parkyn
đƣa ra [19] trong đó các bề mặt của nguồn sáng và mục tiêu đƣợc chia ra thành các mắt
lƣới mà quan hệ giữa chúng đƣợc xác định sử dụng hình học sai biệt ngoại vi (EDGE)
để nhận đƣợc các véc tơ pháp tuyến của thấu kính để tạo ra một bề mặt trơn.
Có một số nghiên cứu phối hợp phƣơng pháp lập bản đồ PPM với phƣơng pháp
khác, ví dụ với phƣơng pháp vẽ tia Monte Carlo để hoàn thiện gói LED trong chiếu
sáng LED hiệu quả cao [20]. Năm 2010, Luo và đồng nghiệp đƣa ra phƣơng pháp sửa
đổi phản hồi để thiết kế FO cho LED có độ chói đồng đều dựa trên phƣơng pháp lập
bản đồ phân chia thay đổi [21].
Phƣơng pháp đa diện đồng thời SMS (Simultaneous Multiple Surface) là một
phƣơng pháp thiết kế FO đột phá không tạo ảnh, với ý nghĩa là có thể thiết kế nhiều bề
30
mặt cùng một lúc, còn gọi là phƣơng pháp Minano-Benitez. Bề mặt FO tính toán bằng
phƣơng pháp SMS có các tính năng nhỏ gọn, hiệu quả và đơn giản [22].
1.2.2.3. Chế tạo và gia công linh kiện FO
Cơ chế gia công chế tạo MM (Machining Mechanism).
FO có thể đƣợc chế tạo bằng nhiều phƣơng pháp bao gồm cắt siêu âm, mài và
đánh bóng siêu chính xác. Phƣơng pháp mài với độ chính xác nanomét mới đƣợc đƣa
vào sử dụng từ khi phát minh ra các thiết bị siêu chính xác và thƣờng phù hợp với các
vật liệu giòn nhƣ thủy tinh, silic hoặc kim loại [23]. Tuy nhiên phƣơng pháp này có
hiệu suất thấp, chi phí cao và khó chế tạo các bề mặt phức tạp. Thiết bị cắt bằng mũi
dao kim cƣơng có thể gia công đƣợc FO mà không cần phải hoàn thiện với một số loại
vật liệu. Nhƣng ở thang nanomét, khi mà bán kính cong của mũi dao trở nên lớn so với
độ dày không biến dạng của chip, cơ chế loại bỏ vật liệu sẽ thay đổi so với điều kiện
thông thƣờng nhƣ với việc tạo ra góc nghiêng âm hiệu dụng, áp suất thủy tĩnh sẽ làm
mềm vật liệu, tránh khỏi bị gãy [24].
Công nghệ ép khuôn MT (Moulding Technology)
Rất nhiều các thấu kính phi cầu nhƣ thấu kính máy ảnh, đƣợc chế tạo bằng cách
đổ khuôn trực tiếp vật liệu thủy tinh hoặc nhựa quang học vào khuôn phi cầu. Khuôn
đúc có hình dạng ngƣợc với sản phẩm và làm bằng vật liệu chịu đƣợc nhiệt độ cao
[25]. Các linh kiện quang học này đƣợc chế tạo với số lƣợng lớn và có chất lƣợng cao.
Nhựa lỏng đƣợc bơm vào khuôn rỗng ủ nóng với áp lực cao (150 tấn đến 300 tấn), sau
đó đƣợc hóa rắn. Chi phí cho các thiết bị ép nhựa và khuôn mẫu rất đắt, nhƣng khi sản
xuất hàng loạt thì giá sản phẩm lại rất hợp lý. Các linh kiện FO chế tạo bằng nhựa
quang học có nhiều tính ƣu việt nhƣ nhẹ, kích thƣớc gọn nhỏ, tính năng tốt, nhiều tùy
biến về hình dạng bề mặt và chi phí thấp [26]. Ngƣợc lại, vật liệu thủy tinh lại có một
số ƣu điểm khác nhƣ có dải biến đổi chiết suất rộng, độ cứng cao và chịu đƣợc nhiệt độ
cao. Mặc dù hai loại vật liệu này đòi hỏi các phƣơng pháp sản xuất khác nhau, cả hai
đều đóng góp rất tích cực cho các tiến bộ trong linh kiện FO với các tính năng và chất
lƣợng cao.
31
1.2.2.4. Kỹ thuật đo lƣờng FO
Mặc dù các thiết bị chế tác có thể đạt đƣợc độ chính xác rất cao, rất nhiều các
yếu tố khác vẫn có thể gây ra các sai số biên dạng nhƣ yếu tố môi trƣờng, sai số cơ cấu
của thiết bị, độ rung và sai lệch khi gắn dao cắt. Vì vậy việc đo lƣờng và hiệu chỉnh là
không thể bỏ qua đƣợc để có đƣợc độ chính xác cần thiết. Tác giả Savio đã theo dõi
các phƣơng pháp đo lƣờng các bề mặt FO từ kích thƣớc lớn nhƣ vỏ xe ô tô đến kích
thƣớc nhỏ của các linh kiện quang học [27]. Cả hai phƣơng pháp đo chạm mẫu và đo
từ xa, đo trên máy và đo trong phòng thí nghiệm đều đƣợc sử dụng. Một cách tiếp cận
khác để phân biệt các khả năng đo lƣờng là có điểm tham chiếu (dữ liệu) hay không có
điểm tham chiếu (ví dụ để kiểm tra hình dạng của cánh tourbine mà không tham chiếu
đến hình dạng của trục chính).
Đo tiếp xúc CM (Contact Measurement): Thiết bị đo tọa độ (CMM-Coordinate
Measurering Machine) là một loại thiết bị phổ biến nhất để đo biên dạng FO bằng
cách tiếp xúc với mẫu.
Kính hiển vi quét xuyên hầm (STM-Scanning tunneling microscopy) và kính
hiển vi lực nguyên tử (AFM-Atomic force microscopy) cũng là những kỹ thuật quan
trọng để đo đạc vi cấu trúc của FO. Mặc dù thông thƣờng đây là phƣơng pháp đo
không tiếp xúc, nhƣng chúng cũng hoạt động ở chế độ quét giống nhƣ hệ thống CMM.
STM hoạt động dựa trên cơ sở tƣơng tác trƣờng gần với bề mặt dẫn điện tạo ra hiệu
ứng dòng quang điện lƣợng tử xuyên hầm [28]. Kính hiển vi AFM sử dụng đầu dò
nhọn (cantilever) với bán kính cong vài nm, tiếp xúc với bề mặt của mẫu ở khoảng
cách vài nm qua lực hút bề mặt [29]. Nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp này là dải đo
hạn chế và thời gian đo kéo dài. Có một số nghiên cứu đã tích hợp cả hai phƣơng pháp
STM với CMM để mở rộng dải đo. Các chiến lƣợc đo lƣờng hƣớng tới đặc tính riêng
biệt cũng đƣợc phát triển nhằm tiết kiệm thời gian đo.
Đo từ xa, không tiếp xúc RNCM (Remote Non-Contact Measurement)
Các phƣơng pháp đo quang (bao gồm cả tạo ảnh) và giao thoa cung cấp giải
pháp đo lƣờng cho FO, có khi chỉ một lần thao tác cho cả bề mặt. Các phƣơng pháp đo
quang có thể đƣợc thực hiện rất nhanh với độ chính xác khá tốt, nhƣng lại khá nhạy
32
cảm với một số yếu tố bên ngoài cũng nhƣ bản thân mẫu vật (nhƣ màu sắc, độ gồ ghề,
bụi, khuyết tật, dầu mỡ hoặc lớp phủ...). Với quy trình đo giao thoa, độ chính xác với
các tia vuông góc với bề mặt rất cao, nhƣng độ phân giải của các tia chéo lại bị hạn chế
do hiện tƣợng nhiễu xạ. Độ phân giải góc giữa hai điểm có thể phân biệt đƣợc đƣợc
, với D là đƣờng kính của vật kính và λ là bƣớc tính theo công thức
sóng. Việc ứng dụng các đầu đo quang học bị giới hạn bởi yêu cầu của độ phản xạ và
giới hạn góc giữa chùm sáng và bề mặt. Một số hạn chế nữa đến từ cấu trúc bề mặt, ví
dụ cấu trúc có các nhảy bậc hoặc độ cong của bề mặt lớn. Trong các hệ thống giao
thoa, các nhảy bậc dẫn đến các tạo tác bề mặt quang học, gọi là cánh dơi (bat-wing),
còn độ cong lớn dẫn đến các bƣớc nhảy pha, gọi là bƣớc nhảy ma (ghost step) [30, 31].
Phƣơng pháp giao thoa là một giải pháp phổ biến để đo đạc nhanh các bề mặt
với độ phân giải nm theo hƣớng lan truyền của chùm tia. Trong phần lớn các trƣờng
hợp, cấu hình Fizeau là rất phù hợp vì tính đơn giản, ít linh kiện và có độ chính xác cao
(Hình 1.23). Giao thoa kế Fizeau kết hợp mặt sóng phản xạ của mặt phẳng tham chiếu
với mặt sóng phản xạ từ bề mặt mẫu cần đo. Tất cả bề mặt đƣợc chụp ảnh đồng thời,
đo đạc trong vài giây không cần chạm mẫu. Tổng quan về phƣơng pháp giao thoa đƣợc
mô tả đầy đủ trong công trình [32].
Hình 1. 23. Sơ đồ giao thoa kế Fizeau [32].
Giao thoa kế laser là phƣơng pháp lý tƣởng để đo lƣờng các mặt phẳng và mặt
cầu với các bề mặt tham chiếu phù hợp. Khi đo lƣờng các bề mặt phi cầu hoặc FO với
độ sai khác lớn với mặt sóng tham chiếu, các thông số tham chiếu cần đƣợc làm khớp
với bề mặt cần kiểm tra bằng cách sử dụng các phần tử hiệu chỉnh, ví dụ nhƣ CGH
33
(Computer Generated Hologram). Mẫu tham chiếu có thể là một phần tử quang học
chế tạo bằng phƣơng pháp quang khắc siêu chính xác. Mỗi phần tử này chỉ sử dụng
đƣợc cho một cấu hình bề mặt FO xác định và vì vậy không dùng đƣợc một cách vạn
năng [33, 34].
Hình 1. 24. CMM với đầu đo hội tụ [35]
Một phƣơng pháp CMM khác sử dụng đầu dò laser tự hội tụ có thể đo lƣờng FO
ở chế độ không tiếp xúc (Hình 1.24). Tia laser đƣợc hội tụ trên mặt mẫu thông qua vật
kính, còn tia phản xạ đƣợc thu bởi đầu thu 4 mảnh QD (quadrant detector). Vị trí của
trục Z đƣợc một đầu dò tự hội tụ xác định, còn chiều XY đƣợc quét bằng các bộ dịch
chuyển có độ chính xác cao, tạo ra ảnh 3 chiều của bề mặt mẫu [35].
1.2.3. Ứng dụng của linh kiện FO
Ứng dụng của linh kiện FO trong công nghệ chiếu sáng rắn SSL trên cơ sở LED
(gọi tắt là LED) là một trong những ứng dụng quan trọng nhất trong những năm gần
đây do lợi ích của công nghệ chiếu sáng rắn kết hợp với FO. Tuy nhiên, công việc thiết
kế một hệ thống quang học không tạo ảnh đòi hỏi một cách tiếp cận mới, đặc biệt là vì
do sự đa dạng về đặc trƣng quang học của các chủng loại LED khác nhau. Hệ thống
quang học không tạo ảnh trong chiếu sáng là sự kết hợp giữa nguồn sáng (gói LED
hoặc CoB LED) và FO, trong đó kích thƣớc của LED là tƣơng đối lớn so với kích
thƣớc linh kiện FO, hơn nữa hàm phân bố cƣờng độ theo góc của LED lại rất đa dạng
[36].
34
Thông thƣờng, các nhà cung cấp gói LED sẽ đƣa ra các thông số cơ bản của gói
LED, trong đó có hàm phân bố cƣờng độ theo góc dƣới dạng đồ thị trong tọa độ cực,
và đôi khi trong cả tọa độ Descartes (Hình 1.25). Hàm phân bố cƣờng độ 2D theo góc
chỉ mô tả đƣợc mẫu hình bức xạ khi mẫu hình này có đối xứng quay quanh trục, còn
với trƣờng hợp bất đối xứng, một ma trận cƣờng độ sáng 3D cần đƣợc cung cấp dƣới
định dạng .IES hoặc .ULD.
Hình 1. 25. Phân bố cƣờng độ theo góc và hình ảnh của gói LED Samsung LM301B [4]
Để dễ dàng hơn trong việc mô hình hóa một hệ thống quang học thực tế khi kết
hợp gói LED với linh kiện FO ngƣời ta thƣờng đƣa ra một phƣơng pháp tính toán gần
đúng dƣới dạng giải tích của hình mẫu này, hay còn gọi là phƣơng pháp vẽ tia Monte
Carlo. Tác giả I. Moreno và đồng nghiệp [36] đã đƣa ra một mô hình hiện tƣợng luận
tƣơng đối đơn giản dƣới dạng hàm giải tích của gói LED trắng, tính toán đến đóng góp
của bề mặt phát sáng (chip LED và màng phát quang) và các chùm sáng thứ cấp phản
xạ từ cốc gắn mẫu và thấu kính khúc xạ. Dƣới dạng toán học, các hình mẫu này đƣợc
∑
(1.8)
| |
biểu diễn dƣới dạng tổ hợp tuyến tính của các hàm Gauss:
(1.9)
| |
∑
hoặc hàm cosine:
Ở đây cƣờng độ đƣợc định nghĩa là quang thông bức xạ bởi một đơn vị góc
khối theo một hƣớng xác định. là góc cực trong hệ tọa độ cực có gốc ở trung tâm gói
LED. Các thông số dùng làm khớp hàm Gauss là g1, g2, g3, còn hàm cosine là c1, c2,
35
c3. Đây là các phƣơng trình phân bố một chiều vì phần lớn các hình mẫu bức xạ trƣờng
xa (far field radiation pattern) của gói LED có đối xứng quay. Tuy nhiên, đối với các
gói LED có các hình mẫu bức xạ khác nhau theo các trục phƣơng vị vuông góc với
∑ | |
(1.10)
nhau, khi đó hàm giải tích dùng để mô hình hóa sẽ có dạng Gauss sau đây:
(1.11)
| |
∑
hoặc hàm Cosine:
Ở đây là góc phƣơng vị và là góc tà.
Các phƣơng trình (1.8)-(1.11) tƣơng đối chính xác với hầu hết các loại gói LED
và có thể đƣợc dùng để tạo ra các hình mẫu nguồn sáng LED, sử dụng trong các phần
mềm mô phỏng Monte Carlo hay vẽ tia khi ghép nói với các linh kiện FO thứ cấp. Một
ví dụ do I. Moreno và đồng nghiệp [36] tính toán mô phỏng là hình mẫu bức xạ không
đối xứng của gói LED Nichia NSPW345CS đƣợc vẽ trên Hình 1.26 với việc sử dụng
phƣơng trình (1.10), tổ hợp của các hàm Gauss.
Hình 1. 26. Phân bố góc của gói LED Nichia NSPPW345CS với mặt cắt XX (ϕ=0o) và XY (ϕ=90o)[36]
Việc biểu diễn mẫu hình bức xạ của các gói LED thực dƣới dạng tổ hợp các
hàm Gauss hoặc hàm cosine làm cho việc mô phỏng chùm tia khi thiết kế hệ thống
36
quang học thứ cấp trở nên dễ dàng hơn, nhất là khi cấu hình của hệ quang học thứ cấp
FO có dạng bất kỳ và đối tƣợng chiếu sáng là ở khoảng cách trung bình.
Tùy thuộc vào yêu cầu chiếu sáng thực tế, hình dạng bề mặt của những vi thấu
kính cấu thành FO sẽ đƣợc thiết kế bằng phƣơng pháp vẽ tia và làm khớp đƣờng cong
B-spline. Hình 1.27 cho ta thấy sơ đồ đƣờng đi của tia và kết cấu của FO trên cơ sở vi
thấu kính thiết kế cho chiếu sáng LED [37].
Hình 1. 27. Hệ thống thấu kính chiếu sáng LED gồm thấu kính chuẩn trực và FO vi
thấu kính [37]
Trên Hình 1.28 là ảnh chụp một thấu kính FO thủy tinh dùng cho đèn LED
chiếu sáng đƣờng giao thông, tạo ra phân bố cƣờng độ hình cánh dơi (batwing). Trên
Hình 1.29 là ảnh chụp một số linh kiện FO dạng thanh đã thƣơng mại hóa, sử dụng cho
chuỗi LED dài để thay đổi phân bố ngang của đèn LED thanh.
Hình 1. 28. Thấu kính FO thủy tinh dùng cho đèn LED chiếu sáng đƣờng giao thông Hình 1. 29. Một số loại linh kiện FO dạng thanh đã thƣơng mại hóa
37
Các nghiên cứu ứng dụng FO vẫn còn là đề tài đƣợc quan tâm rất nhiều trong
những năm gần đây thể hiện qua số lƣợng các công bố và hội nghị khoa học tổ chức
hai năm một lần. Hội nghị khoa học gần đây nhất tổ chức vào ngày 9-13 tháng 7 năm
2017 tại Denver, Colorado US đã thảo luận 79 bài tham luận chia ra thành 10 phân ban
[38, 65-77], trong đó có một phân ban về phƣơng pháp chế tạo FO, hai phân ban về chế
tạo và thử nghiệm FO, một phân ban về đo lƣờng FO, hai phân ban về lý thuyết FO,
bốn phân ban về thiết kế FO. Trong phạm vi luận án này, tôi chỉ tập trung vào các
nghiên cứu sử dụng FO cho chiếu sáng rắn.
Trong lĩnh vực chiếu sáng nội thất, có rất nhiều công trình nghiên cứu tập trung
vào việc thiết kế và ứng dụng hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng LED [49-51,
78-92], phân bố độ rọi không đồng đều vẫn là điểm yếu của hệ thống chiếu sáng rắn.
Nikhil Taskar và các cộng sự đã đƣa ra đề xuất tích hợp thấu kính FO tích hợp với
nguồn sáng LED nhằm mục đích chiếu đều lên trần nhà [99]. Bộ đèn LED chiếu trần
Fraqtir S301 sử dụng thấu kính FO (Hình 1.30) để phân bố lại ánh sáng, biến phân bố
Lambert của gói LED thành phân bố góc hẹp (Hình 1.31) có tác dụng đƣa ánh đi xa
hơn và đều hơn. Tuy nhiên kết cấu của bộ đèn khá phức tạp, bao gồm bộ cơ khí điều
chỉnh góc nghiêng, bộ gá lắp các tấm quang học bảo vệ, tản sáng…, gặp nhiều khó
khăn trong việc lắp đặt và tháo gỡ, bảo hành.
Hình 1. 30. Mô phỏng chùm sáng qua thấu kính FO [99] Hình 1. 31. Phân bố cƣờng độ sáng của đèn Fraqtir S301 [99]
Bozhang Xu đã đề xuất một một thiết bị chiếu sáng tƣờng nhà, tích hợp thấu
kính bất đối xứng dài và một chuỗi đèn điôt phát quang đặt trong hộp nhôm tản nhiệt
38
[100]. Mặt ngoài của thấu kính bất đối xứng có biên dạng hình trụ với bán kính cong
thay đổi, tạo ra phân bố độ rọi đồng đều hơn so với giải pháp sử dụng chuỗi đèn điôt
phát quang thông thƣờng. Một số tác giả khác đã đề xuất kết cấu thấu kính với biên
dạng phi cầu và bề mặt khắc các vi thấu kính kích thƣớc nhỏ sử dụng cho từng điôt
phát quang riêng biệt [101]. Kết quả cho thấy phân bố độ rọi trên mặt tƣờng đồng đều
hơn so với giải pháp chỉ sử dụng các dãy LED thông thƣờng. Các giải pháp sử thấu
kính FO để tái phân bố lại ánh sáng nêu trên đều có đem lại hiệu quả phân bố độ rọi
trên trần nhà đều hơn các giải pháp truyền thống. Tuy nhiên, tất cả các giải pháp này
chƣa triệt để loại bỏ đƣợc hiện tƣợng chói lóa, cũng nhƣ các kết cấu phức của bộ đèn
sẽ làm tăng chi phí sản xuất.
1.3. Chiếu sáng
Các loại đèn LED mô tả ở phần trên là phƣơng tiện để tạo ra một môi trƣờng
chiếu sáng nhân tạo thân thiện với con ngƣời. Tuy nhiên, để xác định đƣợc các tiêu chí
của môi trƣờng chiếu sáng tốt nhất, chúng ta cần phải cần có tri thức về hệ thống thị
giác của con ngƣời, cũng nhƣ ánh sáng tự nhiên, nơi con ngƣời và các sinh vật đã sinh
sống và tiến hoá.
Các kết quả nghiên cứu mới đây cho thấy, mắt ngƣời không phải chỉ để nhìn,
mà còn là phƣơng tiện kết nối đồng hồ sinh học bên trong của con ngƣời với chu trình
tự quay trái đất và hệ thống mặt trời. Đồng hồ trung tâm điều khiển nhịp điệu ngày
đêm nằm trong các nhân SCN (SuperChiasmatic Nucleus), là các cặp tế bào của các
nhóm tế bào riêng biệt nằm trong vùng dƣới đồi (Hypothalamus). Các tế bào SCN nhận
các tín hiệu thần kinh đến từ mắt, thông qua các tế bào nón cone và tế bào hạch tự nhạy
sáng trên võng mạc ipRGC, đồng bộ với chu trình ngày đêm 24 giờ [40-42]. Các tế bào
SCN sau khi nhận đƣợc các tín hiệu ánh sáng về độ dài, thời điểm đầu ngày và cuối
ngày sẽ điều khiển tuyến tùng (Pineal gland) tiết ra các hormone kích thích (Corticoid)
và ức chế (Melatonin) các hoạt động của con ngƣời, đi đến từng cơ quan và tế bào. Các
tế bào SCN đƣợc coi là đồng hồ trung tâm điều khiển các đồng hồ ngoại vi nằm trong
nhân của hầu hết các tế bào khác trong các cơ quan điều tiết môi trƣờng bên trong (nội
môi) của con ngƣời.
39
Trong cuộc sống đô thị, khi mà môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo khác hẳn với
ánh sáng tự nhiên về độ dài, về cấu trúc phổ, không có tín hiệu thời điểm đầu ngày và
cuối ngày, nhịp sinh học sẽ bị đảo lộn và gây nên rất nhiều hậu quả về sức khỏe thể
chất, sinh lý và tinh thần [39].
1.3.1. Ô nhiễm ánh sáng
Trong số các yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời nhƣ nƣớc,
thức ăn và không khí, các yếu tố ánh sáng cũng đóng vai trò quan trọng nhƣ các yếu tố
khác. Ánh sáng đi vào mắt ngƣời không chỉ cho phép thực hiện các nhiệm vụ tạo ảnh
IF (Image Forming) mà còn ảnh hƣởng đến sức khỏe và tiện nghi của con ngƣời thông
qua các tín hiệu không tạo ảnh NIF (Non Image Forming) trong dài hạn và ngắn hạn.
Trong thời hiện đại và ở các thành phố lớn, con ngƣời ngày càng dành nhiều thời gian
hơn trong môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo. Sự khác biệt giữa môi trƣờng ánh sáng
nhân tạo và môi trƣờng ánh sáng tự nhiên có thể đƣợc coi là ô nhiễm ánh sáng. Hậu
quả của những khác biệt này trở nên rõ ràng liên quan đến sự phổ biến của tật cận thị ở
học sinh trên toàn thế giới. Ở Hoa Kỳ và Châu Âu, gần một phần ba trẻ em trong độ
tuổi từ bảy đến mƣời bảy bị cận thị, tỷ lệ ngƣời cận thị ở một số nƣớc châu Á còn cao
hơn và có thể lên tới 80% [44]. Ngoài ra, gần nhƣ mỗi ngày thời gian của đồng hồ sinh
học của con ngƣời cần phải đƣợc đồng bộ hóa với chu kỳ sáng / tối 24 giờ của Trái đất.
Sự gián đoạn trong việc đƣa vào nhịp sinh học với chu kỳ sáng / tối 24 giờ này có thể
có những tác động tiêu cực nhƣ hoạt động kém, trầm cảm, mất ngủ, bệnh tim, tăng cân
và thậm chí là ung thƣ [45].
Các yếu tố gây ô nhiễm ánh sáng bắt nguồn từ hạn chế về tính năng của các loại
nguồn sáng, cũng nhƣ do các yếu kém trong thiết kế chiếu sáng.
Một tình huống chiếu sáng gây ô nhiễm trầm trọng nhất là sử dụng các bóng đèn
LED công suất cao không che chắn, chiếu thẳng vào mắt, gây rất nhiều hậu quả cả về
thị giác lẫn sức khoẻ tâm sinh lý ngƣời dùng nhƣ ảnh chụp trên hình 1.32. Trên Hình
1.33 là hình ảnh chiếu sáng nội thất của một công ty chiếu sáng, với giải pháp gây ô
giữa bộ đèn và tƣờng, trần ốp gỗ tối màu.
nhiễm trầm trọng do ánh sáng chói loá từ cửa sổ và mất tiện nghi do tƣơng phản quá lớn
40
Hình 1. 32. Ánh sáng ô nhiễm đến mức độc hại sử dụng đèn bulk trụ. Hình 1. 33. Chiếu sáng mất tiện nghi do tƣơng phản quá lớn giữa bộ đèn và tƣờng, trần gỗ màu đen
Các giải pháp chiếu sáng giảm chói loá, tăng tiện nghi nhƣ chiếu sáng gián tiếp
hắt lên trần nhà hoặc chiếu xuyên qua các vật liệu tán xạ đƣợc sử dụng rất ít vì có
nhiều rào cản nhƣ giá thành cao, hiệu suất kém, không đồng đều.
Một yếu tố gây ô nhiễm nữa là môi trƣờng ánh sáng cục bộ về mặt không gian
(không đồng đều) và gián đoạn về mặt thời gian, không có nhịp sinh học 24 giờ.
Các nghiên cứu phát triển công nghệ Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm
(HCL) là một nỗ lực của các nhà khoa học và công nghệ để giảm bớt các hậu quả của ô
nhiễm ánh sáng theo quan điểm mô phỏng ánh sáng bầu trời ban ngày trong chiếu sáng
nhân tạo.
1.3.2. Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm (HCL)
Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL) là một chủ đề quan trọng nhất
và đƣợc thảo luận sôi nổi nhất hiện nay, khi mà cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 bắt
đầu đi vào cuộc sống. Tầm quan trọng của ánh sáng đối với toàn bộ khía cạnh của cuộc
sống con ngƣời ngày càng đƣợc hiểu rõ, đó là, ngoài chức năng chiếu sáng đảm bảo
thông tin thị giác, ánh sáng còn điều khiển giấc ngủ, tâm trạng, hành vi và nhận thức
của con ngƣời. Các nghiên cứu gần đây còn chỉ ra rằng, sự khác biệt rất lớn giữa môi
trƣờng ánh sáng tự nhiên và môi trƣờng ánh sáng nhân tạo là một trong những tác nhân
gây nên các loại bệnh lệch lạc nhƣ cận thị, nhƣợc thị, mất ngủ, ƣng thƣ, trầm cảm,
41
hiếm muộn ... [46, 59-64]. Các nhà khoa học, các trung tâm R&D của các công ty
chiếu sáng đã có nhiều nghiên cứu, tìm kiếm các giải pháp chiếu sáng mới lấy con
ngƣời làm trung tâm, tức là tạo ra môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo gần giống với môi
trƣờng ánh sáng tự nhiên, phù hợp với nhịp sinh học của con ngƣời.
Ánh sáng tự nhiên trong hoặc trên thảm thực vật phụ thuộc vào hai yếu tố
chính, đó là ánh sáng chiếu trực tiếp từ bầu trời xuống và ánh sáng thứ cấp sau khi
đƣợc tán xạ bởi cây cối. Do hiện tƣợng quay quanh trục của trái đất với chu kỳ ngày
đêm là 24 giờ, ánh sáng từ mặt trời và ánh sáng thứ cấp từ bầu trời mây chiếu xuống
đất thay đổi cả về cƣờng độ lẫn cấu trúc phổ theo thời điểm trong ngày và theo mùa
trong năm (Hình 1.34, 1.35).
Hình 1. 34. Màu ánh sáng tự nhiên thay đổi theo thời gian Hình 1. 35. Cƣờng độ ánh sáng thay đổi theo thời gian Buổi sáng, khi mặt trời mọc (vào lúc 6 giờ vào thời điểm equinox trong năm),
ánh sáng sẽ có màu hồng với CCT=3000K và chuyển dần sang màu trắng với CCT=
5000K hoặc 6500K tùy theo thời tiết. Trong khoảng 15 phút đầu tiên, tín hiệu đầu ngày
nếu đi vào mắt sẽ đƣợc tuyến tùng tiếp nhận và khởi động quá trình tiết ra hormone
corticoid, kích thích hoạt động của con ngƣời. Khi mặt trời lên đến đỉnh vào 12 giờ
trƣa, tốc độ tiết hormone sẽ giảm dần, và sẽ kết thúc khi tín hiệu cuối ngày xuất hiện
vào lúc 18 giờ, hoàng hôn buông xuống. Tín hiệu cuối ngày ức chế các hormone kích
thích và khởi động quá trình tích lũy melatonin, một loại thuốc ngủ nôi sinh, nồng độ
đạt cực đại sau khoảng thời gian 3 giờ, tạo ra cơn buồn ngủ và điều chỉnh các quá trình
tiêu hóa, hồi phục cơ thể, sinh lý và tinh thần. Nếu môi trƣờng ánh sáng thiếu thành
phần xanh blue (dƣới ánh đèn CCT< 3000K), ngƣời làm việc sẽ buồn ngủ, nhận thức
42
kém, năng suất lao động và hiệu quả sáng tạo giảm. Làm việc lâu ngày trong ánh sáng
yếu hoặc thiếu xanh blue dẫn đến các bệnh trầm cảm SAD, hay xảy ra vào mùa đông ở
các nƣớc phía bắc. Ánh sáng vàng cũng làm tăng tỷ lệ mắc bệnh cận thị vì đồng tử mở
to hơn, gây nhòe ảnh và làm giảm khoảng cách nhìn. Nếu môi trƣờng ánh sáng thừa
thành phần xanh blue (dƣới ánh đèn CCT> 6000K), ngƣời làm việc sẽ nhận thức tốt
hơn, năng suất lao động tăng, nhƣng căng thẳng và mất ngủ nếu làm việc khuya. Hơn
nữa, ánh sáng blue làm hại võng mạc nếu chiếu sáng nền không hợp lý. Còn việc
không đồng bộ với chu trình ngày đêm (làm ca kíp, làm việc khuya), ngoài hậu quả gây
mất ngủ, ngƣời làm việc còn dễ bị ung thƣ, sinh lý kém, mệt mỏi, không cân bằng nội
môi [47].
Bên cạnh đặc trƣng về sự thay đổi về phổ và cƣờng độ ánh sáng theo thời gian,
bầu trời ánh sáng tự nhiên còn có góc khối chiếu sáng rộng (~2π sr) xóa bóng của mọi
vật và có độ chói thấp. Chiếu sáng tự nhiên có độ rọi rất cao (2.000÷100.000 lux) ngay
cả trong bóng râm và rất đồng đều.
Hình 1. 36. Bầu trời ban ngày có góc khối chiếu sáng rộng (~2π sr) Hình 1. 37. Phòng làm việc chiếu sáng mô phỏng bầu trời tự nhiên
Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm HCL đang trở thành xu hƣớng nghiên
cứu và ứng dụng trên toàn thế giới [106-109], trong đó môi trƣờng ánh sáng nhân tạo
phải có có độ rọi cao, phân bố đều, nhiệt độ màu CCT và cƣờng độ sáng thay đổi theo
nhịp điệu 24 giờ giống nhƣ bầu trời tự nhiên.
43
Để tạo ra một môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo HCL thân thiện nhất với con
ngƣời nhằm bảo vệ thị lực, giữ gìn sức khoẻ (gọi tắt là chiếu sáng dƣỡng sinh) chúng
tôi đã nghiên cứu các vấn đề sau:
- Xác định các đặc trƣng quan trọng của môi trƣờng ánh sáng tự nhiên để làm
tiêu chí cho môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo (độ rọi, phân bố, sự thay đổi
nhiệt độ màu CCT và cƣờng độ sáng theo nhịp điệu 24 giờ, phân bố độ chói
thích hợp...)
- Tính toán, mô phỏng các tính năng của đèn LED cần thiết cho các giải pháp
chiếu sáng đặc thù (chiếu sáng lớp học, văn phòng, căn hộ), tạo ra môi
trƣờng gần giống ánh sáng tự nhiên nhất.
- Thiết kế, mô phỏng, chế tạo thấu kính FO bất đối xứng, tích hợp vào bộ đèn
LED với các tính năng, thông số cần thiết đã đƣợc xác định.
- Mô phỏng, thiết kế và lắp đặt thử nghiệm các bộ đèn LED kết hợp với thấu
kính FO đặc thù trong một số mô hình chiếu sáng thực tế.
Tóm tắt lại, công trình này sẽ giải quyết các vấn đề chiếu sáng đi từ nhu cầu bức
xúc của xã hội, đƣa ra giải pháp lý thuyết, mô phỏng và thiết kế từ linh kiện FO tới
chế tạo bộ đèn LED khác biệt và ƣu việt và cuối cùng là ứng dụng thực tế trong chiếu
sáng trong nhà, tạo ra môi trƣờng chiếu sáng dƣỡng sinh cho ngƣời sử dụng.
Kết luận chƣơng I
Hiện nay, chiếu sáng trong nhà vừa không đủ về lƣợng (độ rọi thấp) vừa không
đúng về chất (màu sắc và cƣờng độ ánh sáng có sự khác biệt rất lớn so với ánh sáng tự
nhiên) đã gây ảnh hƣởng rất lớn đến sức khỏe của con ngƣời, là nguyên nhân gây nên
các loại tật về mắt (cận thị, nhƣợc thị) và một số bệnh lệch lạc khác nhƣ mất ngủ, trầm
cảm, ung thƣ, hiếm muộn… Xu hƣớng HCL gần đây đƣa ra nhiều giải pháp nhằm
giảm thiểu vấn đề ô nhiễm ánh sáng, tuy nhiên các giải pháp đã đƣợc đề xuất chƣa đáp
ứng đƣợc nhu cầu chiếu sáng hiện đại.
44
Sự ra đời của nguồn sáng LED hiệu suất cao, thân thiện với môi trƣờng đã tạo ra
nhiều cơ hội và thách thức cho các nhà nghiên cứu, thiết kế trong từng công đoạn.
Luận án này đƣợc thực hiện với mục tiêu chính là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
nguồn sáng mới trên cơ sở LED, đảm bảo giải quyết các vấn đề chói lóa, mất tiện nghi,
mất nhịp điệu, bảo vệ thị lực và sức khoẻ ngƣời sử dụng.
45
Với mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nguồn sáng mới trên cơ sở LED
nhằm giải quyết các vấn đề chói lóa, mất tiện nghi, bảo vệ thị lực và sức khỏe ngƣời sử
dụng, chúng tôi đã kết hợp các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết để tính toán, thiết kế
và mô phỏng với phƣơng pháp thực nghiệm để chế tạo các bộ đèn, đồng thời xây dựng
các mô hình thực tế để đánh giá hiệu quả chiếu sáng cuối cùng.
2.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm trợ giúp
2.1.1. Phần mềm tính toán trợ giúp (Excel, Origin)
Excel: Phần mềm MS Excel là một trong những công cụ quan trọng nhất để
thực hiện các phép tính toán, phân tích, và hiển thị dữ liệu và thông tin. Phần mềm này
trợ giúp dùng tổ chức và xử lý số liệu thông qua việc sử dụng các dòng và cột với các
công thức và chức năng đặc biệt của Excel. Chúng tôi đã sử dụng phần mềm Excel
trong việc tính toán nhiệt độ màu CCT, chỉ số hoàn màu CRI của đèn LED, của ánh
sáng bầu trời tự nhiên, xuất phát từ các tệp số liệu đo đạc phổ phát xạ. Để tính toán và
tối ƣu hoá các thông số kỹ thuật, tuổi thọ kỳ vọng và giá thành sản xuất cho đèn LED
bulb công suất cao, một phần mềm đã đƣợc chúng tôi xây dựng sử dụng các thuật toán
macro trên nền MS Excel. Phần mềm có các mô đun chứa cơ sở dữ liệu sử dụng cho
thiết kế đèn bao gồm: gói LED, mô đun LED, nguồn nuôi, tản nhiệt và quang học. Cơ
sở dữ liệu của gói LED sử dụng thông tin cung cấp bởi nhà sản xuất, đƣợc chuẩn hóa
về định dạng các hàm số thích hợp cho việc tính toán quang thông, hiệu suất và công
suất phụ thuộc vào cấu trúc của các mô đun khác. Phần mềm này vẫn đƣợc chúng tôi
sử dụng để tính toán khi thiết kế đèn LED và đã đƣợc chuyển giao cho Công ty Rạng
Đông dƣới dạng một hợp đồng cung cấp dịch vụ.
Origin: Phần mềm Origin là một công cụ phân tích dữ liệu và vẽ đồ thị 2D/3D
không thể thiếu đƣợc cho nghiên cứu sinh. Mặc dù phần mềm Origin chỉ tổ chức các
cột dữ liệu để xử lý, làm khớp các đƣờng cong (fitting) lý thuyết với số liệu thực
nghiệm và phân tích đỉnh...nhƣng tính năng tƣơng thích với các định dạng đồ thị của
các tạp chí vẫn là điểm mạnh của Origin. Chúng tôi đã sử dụng phần mềm Origin trong
46
rất nhiều công đoạn xử lý các số liệu đo đạc phổ huỳnh quang, phổ phản xạ, phổ truyền
qua, phổ Raman mà phần mềm MS Excel không đáp ứng đƣợc. Một ví dụ điển hình về
kết quả xử lý dữ liệu đo đạc và tính toán sử dụng phần mềm Origin đƣợc thể hiện trên
Hình 2.1 và Hình 2.2 nhằm so sánh phổ độ nhạy mắt ngƣời với phổ truyền qua của
nguồn chuẩn D65 qua lá cây [102]. Dữ liệu này đƣợc sử dụng làm cơ sở cho ý tƣởng
ánh sáng tự nhiên dƣới vƣờn cây là phù hợp nhất với con ngƣời, theo quan điểm tiến
Hình 2. 1. Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của nguồn sáng chuẩn CIE D65 các lớp lá non.
hoá.
Hình 2. 2. So sánh phổ độ nhạy mắt ngƣời V(λ) với phổ truyền qua của nguồn chuẩn D65 qua ba lớp lá non
2.1.2. Thiết kế mẫu sử dụng phần mềm trợ giúp Solidworks
Để thiết kế linh kiện quang học hoặc cơ khí, chúng ta có thể dùng một trong các
phân mềm trợ giúp CAD 3D, phổ biến nhất là Autodesk Inventor hoặc Dasault
Solidworks, tuỳ theo điều kiện và hiểu biết của mỗi ngƣời. Phiên bản Solidworks
Premium 2016 có hầu hết các chức năng tƣơng đƣơng với Inventor Professional 2017,
còn các phiên bản Solidworks 2016 Professional hay Solidworks 2016 Standard thì
thiếu một số chức năng nhƣ Hybrid Modeling, T-Splines / NURBS, Mesh Modeling,
Part Libruary…nhƣng chúng tôi cũng chƣa dùng đến các chức năng này.
Chúng tôi đã lựa chọn phần mềm Solidworks 2016 Standard với các chức năng
chủ yếu là Part Modeling, Assembly, Plastics, Sheet metal để thiết kế biên dạng của
thấu kính FO, máng đèn, các chi tiết phụ nhƣ bịt đầu đèn và thanh treo, ống tản nhiệt,
vỏ đèn…
47
Hình 2. 3. Hình vẽ Part 3D thấu kính FO1 cho đèn chiếu bảng. Hình 2. 4. Hình vẽ Assemly 3D đèn chiếu bảng gồm 04 chi tiết: thấu kính, máng, LED và mạch in.
Hình 2.3 là hình vẽ thiết kế 3D thấu kính FO1 cho đèn chiếu bảng, còn Hình 2.4
là hình vẽ thiết kế 3D của bộ đèn chiếu bảng tích hợp 04 chi tiết: thấu kính, máng đèn,
mô đun LED và mạch in. Để thuận tiện cho các công đoạn mô phỏng và chế tạo
nguyên mẫu về sau, các mẫu thiết kế 3D sau khi hoàn thành sẽ đƣợc xuất ra dƣới định
dạng SAT và AutoCAD Drawing (DWG). Tuy nhiên, các linh kiện có hình khối 3D
với dữ liệu thiết kế SLDPRT phải đƣợc xuất ra dƣới định dạng STEP hoặc IGS mới
đảm bảo tính tƣơng thích cao với các phần mềm trợ giúp khác nhau, hoặc các phiên
bản khác nhau của cùng một phần mềm.
2.1.3. Mô phỏng quang học sử dụng phần mềm chuyên dụng Optgeo, Tracepro
Optgeo: Để thiết kế biên dạng linh kiện FO, chúng tôi phải sử dụng các phần
mềm mô phỏng các tia sáng lan truyền trong môi trƣờng quang học để kiểm tra và phát
triển các ý tƣởng thiết kế. Một phần mềm mô phỏng trong không gian 2 chiều chúng
tôi đang sử dụng là Optgeo tuy đơn giản, nhƣng lại rất hiệu quả trong việc phát triển
các ý tƣởng ban đầu bởi đƣợc thiết kế trên giao diện kéo-thả, thuận lợi cho việc hiểu
biết xu hƣớng thay đổi chùm tia.
Để mô phỏng biên dạng của thấu kính FO, chúng tôi bắt đầu bằng việc vẽ mặt
cắt của thấu kính dƣới dạng nhiều cung tròn với các bán kính cong khác nhau, sau đó
định nghĩa tính chất của vật liệu, chủ yếu là chiết suất tại một số bƣớc sóng cơ bản.
Nguồn sáng cũng đƣợc lựa chọn trong một số chủng loại mặc định và đặt vào trong hệ
thống với số tia sáng tuỳ chọn. Quỹ đạo của các tia sáng truyền qua, phản xạ trong môi
48
trƣờng khúc xạ đƣợc thể hiện nhƣ trong Hình 2.5. Sử dụng lệnh Move, chúng ta có thể
thay đổi tức thời vị trí tƣơng đối của gói LED, thấu kính hoặc biên dạng của thấu kính
với kết quả hiển thị tức thời. Tính chất này cho ta thấy xu hƣớng thay đổi đƣờng đi của
các tia sáng trong môi trƣờng quang học rất dễ dàng, kiểm tra sơ bộ các ý tƣởng sáng
tạo.
Hình 2. 5. Mô phỏng các tia sáng truyền qua thấu kính FO (không vẽ tia phản xạ).
Phần mềm mô phỏng 3D: Những phần mềm khác mô phỏng quang trình của
các tia sáng trong không gian 3D, ví dụ TracePro, Zeemax mang tính chuyên nghiệp,
có rất nhiều plug-in trợ giúp, nhƣng đòi hỏi cấu hình máy tính cao, đầu tƣ lớn và thời
gian tính toán lâu. Chúng tôi chỉ mô tả một số chức năng chính của phần mềm mà các
thành viên trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã sử dụng trong các công trình
nghiên cứu liên quan đến luận văn này. Quy trình mô phỏng tính chất quang học của
bộ đèn LED tích hợp thấu kính FO bất đối xứng (AL-Asymmetric Lens) bao gồm các
công đoạn sau đây.
Thiết kế biên dạng của thấu kính AL: sau khi đã kiểm tra sơ bộ biên dạng mặt
cắt của thấu kính AL dùng phần mềm Optgeo, chúng tôi sử dụng phần mềm
Solidworks để vẽ biên dạng 3D của thấu kính, khi mà phần mềm mô phỏng quang nhƣ
Tracepro hoặc Zeemax không có công cụ thích hợp. Hình 2.6 là hình vẽ phối cảnh 3D
của thấu kính AL do chúng tôi thiết kế, sau đó đƣợc xuất ra dƣới định dạng SAT. Phần
mềm AutoCAD cũng có chức năng tƣơng tự nhƣ Solidworks, và dữ liệu phải đƣợc
xuất ra dƣới định dạng SAT.
49
Hình 2. 6. Biên dạng 3D của thấu kính AL thiết kế bằng phần mềm Solidworks
Để xây dựng mô hình mô phỏng quang chúng tôi cần phải nhập các thông tin dữ
liệu đầu vào nhƣ thấu kính quang học, nguồn sáng LED, các bề mặt hấp thụ, phản xạ...
Trong một phƣơng án thiết kế của chúng tôi, thấu kính quang học lựa chọn là thấu kính
trụ có biên dạng nhƣ Hình 2.6 đƣợc làm từ vật liệu PMMA có chiết suất là 1,494.
Máng nhôm làm từ vật liệu nhôm 6063 với độ phản xạ R=50%. Nguồn sáng LED có
một mặt phát xạ có phân bố cƣờng độ Lambert.
Kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc kết xuất dƣới nhiều định dạng khác nhau, tuỳ theo
công đoạn sử dụng tiếp theo. Trong trƣờng hợp của chúng tôi, đƣờng cong phân bố
cƣờng độ sáng 3D định dạng IES sẽ đƣợc xuất ra cho mỗi bộ đèn để bổ sung vào bộ dữ
liệu sử dụng để mô phỏng chiếu sáng Dialux. Ngoài ra để dễ dàng phân tích hiệu quả
của hệ thống quang học, chúng tôi sử dụng công cụ phân tích để vẽ đƣờng cong phân bố cƣờng độ sáng 2D trên một số mặt phẳng đặc biệt (0o, 180o) trong toạ độ cực (Polar
Iso-Candela) hoặc trong toạ độ vuông góc (Rectangular Iso-Candela) (Hình 2.7). Các
đƣờng cong này cho phép chúng tôi so sánh kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết với
kết quả đo đạc bộ đèn chế tạo sử dụng quang góc kế.
2.2. Kỹ thuật, công nghệ sử dụng
2.2.1. Chế tạo nguyên mẫu linh kiện FO
Nguyên mẫu thấu kính FO đƣợc chế tạo sử dụng một trong hai công nghệ:
50
- Cắt gọt mẫu thấu kính từ vật liệu PMMA hay Acrylic bằng thiết bị CNC (từ
3 trục (3 axis) đến 5 trục);
- In bằng máy in 3D sử dụng vật liệu quang học trong suốt.
Công nghệ cắt gọt CNC cho phép lựa chọn nhiều loại vật liệu quang học nhƣ
PMMA, PC, PS, PET…, tuy nhiên thiết bị CNC 3 trục bị hạn chế độ mịn bề mặt khi
góc tiếp xúc giữa dao cắt và bề mặt quá nhỏ. Còn thiết bị CNC 5 trục thì không phổ
biến ở Việt nam nên khó thuê gia công với số lƣợng ít.
Công nghệ in 3D là một công nghệ hoàn toàn mới ở Việt nam, nhất là công việc
in linh kiện quang học có độ trong suốt cao và bề mặt có độ nhẵn quang học. Lợi thế
của công nghệ in 3D là khi chế tạo số lƣợng ít, hình dạng phức tạp. Chúng tôi đã thử
nghiệm cả hai công nghệ này trong việc chế tạo nguyên mẫu thấu kính FO.
Sau khi có đƣợc nguyên mẫu thô, công đoạn tiếp theo là mài bóng bề mặt của
thấu kính. Công đoạn này làm thủ công nên phần nào đó làm biến dạng bề mặt đã đƣợc
cắt gọt hoặc in 3D. Tuy nhiên, đối với yêu cầu phân bố lại chùm sáng đi từ một dãy
LED, đây không phải là hệ thống quang học tạo ảnh nên không cần độ chính xác cao,
nhƣng lại yêu cầu giảm thiểu tán xạ trên bề mặt thấu kính.
Hình 2. 8. Hình vẽ Solidworks thấu kính bất đối xứng cho đèn chiếu sáng dụ cá. Hình 2. 9. Ảnh chụp nguyên mẫu thấu kính sau khi mài bóng (trái) và phủ màng bóng.
Để giảm thiểu hiện tƣợng tán xạ trên bề mặt thấu kính, có 3 phƣơng pháp cần
thử nghiệm, đó là đánh bóng, xử lý nhiệt cục bộ hoặc phủ lớp màng bóng lên bề mặt.
Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, phƣơng pháp cuối cùng là hiệu quả và tiết
51
kiệm thời gian nhất. Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi không đi sâu vào quy
trình công nghệ phủ màng.
Sử dụng phƣơng pháp này, chúng tôi đã thực hiện chế tạo 08 loại nguyên mẫu
thấu kính FO bao gồm 2 loại nguyên mẫu cho đèn dụ cá, 2 loại thấu kính bất đối xứng
dài FO1 cho đèn chiếu bản và đèn SkyLED và một loại thấu kính thu hẹp góc FO2 để
chiếu sáng lớp học, sau đó đo đạc và lựa chọn đƣợc 3 loại để tiến hành chế tạo bằng
công nghệ ép nhựa nóng.
2.2.2. Chế tạo linh kiện FO bằng công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo
Rất nhiều các thấu kính phi cầu nhƣ thấu kính máy ảnh, đƣợc chế tạo bằng cách
đổ khuôn trực tiếp vật liệu thủy tinh hoặc nhựa quang học vào khuôn phi cầu. Khuôn
đúc có hình dạng ngƣợc với sản phẩm và làm bằng vật liệu chịu đƣợc nhiệt độ cao
[103]. Các linh kiện quang học này đƣợc chế tạo với số lƣợng lớn và có chất lƣợng
cao. Nhựa lỏng đƣợc bơm vào khuôn rỗng ủ nóng với áp lực cao (150 tấn đến 300 tấn),
sau đó đƣợc hóa rắn và có hình dạng ngƣợc với khuôn kim loại. Chi phí cho các thiết
bị ép nhựa và khuôn mẫu rất đắt, nhƣng khi sản xuất hàng loạt thì giá sản phẩm lại rất
hợp lý. Các linh kiện FO chế tạo bằng nhựa quang học có nhiều tính ƣu việt nhƣ nhẹ,
kích thƣớc gọn nhỏ, tính năng tốt, nhiều tùy biến về hình dạng bề mặt và chi phí thấp
[104]. Ngƣợc lại, vật liệu thủy tinh lại có một số ƣu điểm khác nhƣ có dải biến đổi
chiết suất rộng, độ cứng cao và chịu đƣợc nhiệt độ cao. Mặc dù hai loại vật liệu này đòi
hỏi các phƣơng pháp sản xuất khác nhau, cả hai đều đóng góp rất tích cực cho các tiến
bộ trong linh kiện FO với các tính năng và chất lƣợng cao. Chúng tôi sẽ chỉ mô tả một
số công nghệ ép khuôn vật liệu nhựa, là loại vật liệu mà chúng tôi sử dụng cho đề tài
này. Vật liệu nhựa phổ biến để ép phun linh kiện FO ứng dụng trong chiếu sáng gồm
có PS, PC, PMMA, và Silicone, sử dụng các phƣơng pháp công nghệ khác nhau.
Polycarbonat(PC): Tính năng cơ học tốt, khả năng chống va đập cao, độ ổn định
kích thƣớc tốt, dễ gia công, chịu đƣợc môi trƣờng ngoài trời, khả năng truyền ánh sáng
cao, khó cháy, phạm vi nhiệt độ lớn, tỉ lệ co rút thấp, sự ổn định của kích thƣớc tốt,
không mùi, không gây hại cho sức khỏe con ngƣời, phù hợp điều kiện an toàn vệ sinh.
52
PMMA- Polymethyl methacrylate còn đƣợc gọi là Acrylic hay thủy tinh hữu cơ, có công thức hóa học là (C5O2H8)n, nhiệt độ nóng chảy Tm= 160oC, nhiệt độ chuyển pha sang thủy tinh Tg= 105oC, tỷ trọng 1,18 g/cm3, chiết suất 1,494 tại bƣớc sóng
589nm. Đây là một loại vật liệu lý tƣởng để thay thế cho thủy tinh bởi các đặc tính ƣu
việt của nó: độ truyền qua cao (92%), dải truyền qua rộng; dễ đúc nhiệt, dễ gia công
bằng máy cắt laser.
Silicone (Polysiloxane) là một loại polymer sắp xếp bởi chuỗi các nguyên tử
silic và oxygen, liên kết với hydro hoặc carbon. Silicone có công thức hóa học chung là
[R2SiO]n với R là nhóm hữu cơ nhƣ alkyl hoặc phenyl. Silicone đƣợc ứng dụng rất
rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhƣ ô tô, phủ màng, điện tử, xây dựng, dầu bôi
trơn, đồ chơi, y tế, nhãn khoa...do các tính chất đặc biệt của vật liệu này. Có thể kể ra
một số thuộc tính nhƣ hệ số truyền nhiệt thấp, ít có phản ứng hóa học, ít độc hại, ổn định với nhiệt độ cao (<250oC), không ƣa nƣớc, kết dính có chọn lọc (dính tốt với thủy
tinh), chống tử ngoại, cách điện tốt...
Bảng 2. 1. Bảng so sánh một số thuộc tính vật liệu chế tạo linh kiện FO
PMMA PS PC Silicone Thủy tinh
Chiết suất 1.49 1.59 1.59 1.37÷1.43 1.52
Độ bền
Nhiệt độ HĐ Trung bình 85oC Trung bình 110oC Cao 115oC Cao 250oC Cao >300oC
Độ truyền qua 92% ~90% ~90% 92% 90%
Độ bám bụi Ít Ít Ít Cao Ít
Chi phí Thấp Thấp Cao Thấp Cao
Từ kết quả khảo sát về một số loại vật liệu quang học dùng để chế tạo linh kiện
quang, chúng tôi đã lựa chọn vật liệu PS và PC để chế tạo thấu kính FO sử dụng công
nghệ ép nhựa dẻo.
2.2.2.1. Khuôn ép phun nhựa nhiệt dẻo (Plastic Injection Molder)
Trong các loại khuôn nhựa, kết cấu khuôn dùng trong công nghệ ép phun tạo
hình thì phần quan trọng nhất trƣớc hết là vùng lòng khuôn. Vùng lòng khuôn đƣợc
53
thiết kế đảm bảo điền đầy vật liệu giúp tạo hình sản phẩm nhƣ mong muốn. Lấy lòng
khuôn làm trung tâm, khuôn đƣợc tạo thành từ những chi tiết ở vùng lòng khuôn nhƣ
thiết bị đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn, bộ phận gia nhiệt, bộ phận gá lắp khuôn lên máy
và các trang thiết bị khác.
Hình 2. 10. Cấu trúc khuôn 2 tấm: Tấm 1 là tấm cố định, tấm 2 là di động
Chúng tôi không đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật của các bộ khuôn, tuy nhiên để
giảm chi phí sản phẩm nhựa, cần chú ý thiết kế các chi tiết nhựa sao cho kết cầu của bộ
khuôn là đơn giản nhất, ví dụ việc sử dụng khuôn 2 tấm sẽ đơn giản hơn khuôn 3 tấm.
Khuôn 2 tấm có kết cấu đơn giản và thƣờng đƣợc sử dụng nhất (Hình 2.10). Khi
lấy sản phẩm thì chỉ có một khoảng sáng nên còn đƣợc gọi là khuôn một khoảng sáng.
Khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, một đoạn nhựa từ kênh dẫn nhựa và đậu bơm dính
với sản phẩm cần đƣợc tách ra. Tuy nhiên việc sử dụng loại khuôn này tiết kiệm đƣợc
vật liệu do kênh dẫn nhựa ngắn.
Ƣu điểm của khuôn 2 tấm là cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Nhƣợc điểm là
khó tạo hình phức tạp để có thể rút khuôn và tự động hoá quy trình cắt bỏ chi tiết thừa.
2.2.2.2. Thiết bị và quy trình ép phun
Hình 2.11 là hình vẽ cấu trúc của một máy ép nhựa cơ bản bao gồm 05 bộ phận
cơ bản mà ngƣời vận hành, bảo trì và sửa chữa máy ép nhựa phun phải biết khi làm
việc. Hạt nhựa đƣợc chứa trong phễu cấp nhựa, khi trục vít quay sẽ đùn nhựa về phía
trƣớc, đồng thời gia nhiệt cho hạt nhựa chảy dẻo phun vào lòng khuôn. Máy ép phun
54
có bộ phận đỡ và kẹp chặt khuôn nhựa, nung chảy nhựa nhiệt dẻo và ép phun với áp
suất cao trong lòng khuôn. Sau đó giữ khuôn để nhựa nóng chảy trong khuôn nguội và
định hình sản phẩm khi mở khuôn, hệ thống đẩy sẽ đẩy sản phẩm nhựa ra ngoài.
Hình 2. 11. Hình vẽ cấu trúc máy ép phun nhựa cơ bản
Quá trình ép phun tạo hình nhựa là quá trình tăng nhiệt làm nóng chảy hạt nhựa
đến độ dẻo cần thiết, vừa đủ để dễ dàng ép thành hình dạng mới mà không bị gây
phồng sản phẩm hoặc phát sinh bavure trên sản phẩm. Có thể thấy rằng quy trình kỹ
thuật của công nghệ này chủ yếu là cách xử lý "nhiệt độ" và "ép phun".
Hình 2. 12. Quy trình ép phun nhựa
Bƣớc 1- Gia nhiệt: Nguyên liệu đƣợc gia nhiệt nóng chảy tới một nhiệt độ thích
hợp. Nguyên liệu thô ở dạng cứng đƣợc cấp vào phễu nguyên liệu của máy ép nhựa,
55
thƣờng là các hạt nhựa nguyên sinh hay nhựa tái chế. Cổng ra của phễu sẽ là hệ thống
trục vít xoắn có tác dụng trộn đều nguyên liệu và đẩy nguyên liệu đi về phía trƣớc để
nung nóng chảy bởi hệ thống gia nhiệt đƣợc bố trí xung quanh xilanh.
Bƣớc 2- Ép phun nhựa vào khuôn: Nhựa nóng chảy đƣợc phun vào khuôn đang
ở trạng thái đóng với một áp lực lớn thông qua hệ thống trục vít của máy ép nhựa.
Bƣớc 3: Làm mát khuôn để phần nhựa nóng chảy trong khuôn chuyển sang
trạng thái rắn. Nhựa lỏng sau khi điền đầy lòng khuôn phải đƣợc đông cứng để có thể
lấy ra ngoài. Lúc này hệ thống làm mát hoạt động để làm nguội khuôn đồng thời biến
nhựa nóng chảy chuyển sang trạng thái rắn.
Bƣớc 4: Mở khuôn để lấy sản phẩm ra ngoài. Hệ thống kìm khuôn của máy ép
sẽ từ từ kéo một nửa khuôn (nửa khuôn đực hay còn gọi là nửa khuôn đi động) tách ra
một khoảng nhất định đủ để có thể lấy sản phẩm ra ngoài sau đó đóng khuôn lại tiếp
tục chu kỳ mới.
Cần phải kiểm soát 3 công đoạn trong quy trình gia nhiệt, đó là đặt nhiệt độ chờ,
nhiệt độ ống dẫn nhựa và nhiệt độ khuôn. Nhiệt độ chờ để loại bỏ nƣớc có sẵn trong
hạt nhựa; nhiệt độ ống dẫn nhựa nhằm cung cấp nhiệt để làm tan chảy hạt nhựa đến độ
dẻo cần thiết; nhiệt độ khuôn lại quyết định tốc độ làm lạnh sản phẩm nhựa.
Bốn yếu tố khác cũng ảnh hƣởng đến quá trình ép phun: Áp lực phun, tốc độ
phun, thời gian ép phun, thời gian làm lạnh; Áp lực ép đảm bảo sự ổn định của tốc độ
phun và mức độ đầy khuôn; tốc độ phun lại quyết định đến sự lƣu động của hạt nhựa
trong khuôn; thời gian phun ép kết hợp với tốc độ phun quyết định sản lƣợng nhựa;
thời gian làm lạnh định hình và hoàn thành sự kết tinh sản phẩm.
Để đạt đƣợc chất lƣợng sản phẩm tốt nhất, trong quá trình 1 lần ép phun thông
thƣờng còn chia ra nhiều giai đoạn áp lực phun, tốc độ và thời gian phun ra thành nhiều
giai đoạn cần kiểm soát và tối ƣu.
Tốc độ phun quyết định đến đặc trƣng sản phẩm. Trong giai đoạn ép phun sản
phẩm, nếu nhƣ tốc độ quá cao có thể dẫn đến sản phẩm nổi bóng, bề mặt mờ, nổi
đƣờng nối. Các sản phẩm này có thể ổn định về kích thƣớc nhƣng không đạt đƣợc tính
thẩm mỹ bề mặt. Còn nếu nhƣ tốc độ quá thấp lại khiến chô khuôn không đầy, cục bộ
bị co ngót, biến dạng sản phẩm, đặc trƣng loại sản phẩm này có ngoại quan đẹp nhƣng
56
không đáp ứng đƣợc về tiêu chuẩn kích thƣớc. Tốc độ phun là yếu tố điều chỉnh chính
trong điều kiện ép, nhƣng nếu vậy thì chƣa đủ, chúng ta cần phải quan tâm đến cả áp
lực phun mới có thể đạt đƣợc tốc độ phun lý tƣởng. Tốc độ phun phải chú ý đên tốc độ
lƣu động thực tế trong khuôn chứ không chỉ là tham số hiển thị trên máy.
Công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo tạo ra bề mặt có độ bóng quang học khi bề
mặt khuôn ép đƣợc gia công đến một độ bóng nhất định. Lòng khuôn thép thƣờng đƣợc
mạ một lớp Cr để tăng độ cứng và dễ dàng đánh bóng. Sau khi đánh bóng thô bằng
giấy nháp (1000-1500) để khử các vết xƣớc sâu, bột mài (3-10µm) khử các vết xƣớc
nông, thì vẫn cần đánh bóng tinh bằng nỉ mềm dùng kem hoặc bột kim cƣơng 3 µm.
Những hiểu biết về nguyên lý hoạt động của công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo
giúp chúng tôi chọn lựa vật liệu nhựa quang học và giám sát chất lƣợng linh kiện FO
và các phụ kiện bằng nhựa khác khi đặt hàng gia công các linh kiện này.
2.2.3. Công nghệ đùn ép nhôm (Al Extrution Technology)
Để chế tạo máng đèn có chức năng tản nhiệt, vật liệu nhôm (Aluminum) là một
lựa chọn thích hợp nhất so với đồng Cu và bạc Ag về chi phí, so với sắt Fe và nhựa dẫn
nhiệt về tính năng dẫn nhiệt.
Để sản xuất quy mô lớn, công nghệ đúc nhôm và công nghệ đùn ép nhôm đƣợc
sử dụng thay cho công nghệ cắt gọt bằng máy công cụ CNC. Công nghệ đúc nhôm có
ƣu điểm là có thể tạo đƣợc nhiều hình khối 3D phức tạp, nhƣng chi phí khuôn mẫu và
gia công rất cao, còn công nghệ đùn ép nhôm chỉ thay đổi biên dạng hai chiều, còn
chiều thứ 3 không thay đổi. Chúng tôi lựa chọn thiết kế các loại đèn dài (linear) với
mục tiêu tiết kiệm chi phí, tạo ra lợi thế cạnh tranh khi muốn thƣơng mại hoá sản
phẩm.
Vật liệu nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ, vì có
một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí. Tỷ trọng
riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉ sau vàng), dễ
uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó có khả năng chống
ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ.
57
Để tính chất cơ lý của nhôm cho phù hợp với yêu cầu chế tạo máng đèn cần phải
sử dụng nhôm hợp kim. Nhôm hợp kim 6063 là một trong những dòng nhôm hợp kim
đƣợc sử dụng phổ biến nhất, đặc biệt đối với công nghệ đùn ép. Loại nhôm hợp kim
này có tính chất cơ lý tốt, cứng, bền, chịu đƣợc va đập mạnh, khả năng chống mài mòn
cao, có thể hàn đƣợc, có tính gia công và định hình. Nó cho phép gia công đùn ép các
hình dạng phức tạp với bề mặt sau đùn rất mịn, thích hợp cho các khâu xử lý bề mặt
nhƣ anôt hoá và sơn tĩnh điện. Với đặc tính nhƣ vậy, hợp kim nhôm 6063 đƣợc sử
dụng phổ biến cho các ứng dụng kiến trúc, ví dụ nhƣ khung cửa sổ, khung cửa đi, hệ
mặt dựng công trình, nan cửa cuốn.... và các ứng dụng công nghiệp nhƣ băng tải,
khung máy, máng đèn led.... Đối với các ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi vật liệu
nhôm có sức bền cao hơn thƣờng sử dụng nhôm hợp kim 6061 hoặc nhôm 6082. Nhôm
hợp kim ngoài thành phần chính là nhôm, còn có một tỷ lệ nhỏ các nguyên tố khác nhƣ
Si (0,5%), Fe (0,3%), Mg (0,6%) và tỷ lệ dƣới 0,1% các nguyên tố Cu, Mn, Cr, Zn,
Ti…Bề mặt máng nhôm sau khi đùn ép đƣợc anôt hoá và sơn tĩnh điện.
Thiết bị và quy trình
Nguyên tắc cơ bản của đùn ép nhôm hoàn toàn đơn giản: một thỏi hình trụ đã
qua xử lý gia nhiệt trƣớc đƣợc đặt trong máy đùn ép thuỷ lực và đƣợc ép ở áp suất cao
qua một khuôn ép bằng thép để khi ra khỏi máy ép sẽ có hình dạng theo ý muốn. Hình
5 là bản vẽ nguyên lý hoạt động của thiết bị với trung tâm của là bộ khuôn thép. Kiểu
khuôn đơn giản nhất là loại khuôn thép đƣợc qua xử lý nóng, có một lỗ, đƣợc gia công
cơ khí đặc biệt, có hình dạng theo thiết kế.
Cùng với các phụ kiện khác, khuôn đƣợc giữ trong bộ trƣợt khuôn - một bộ
phận của máy ép. Gắn chặt với trƣợt khuôn là một buồng ép (container). Trong buồng
ép là một phôi (billet) nhôm đƣợc đẩy vào sau khi nung nóng ở nhiệt độ khoảng 500ºC.
Buồng ép cũng đƣợc gia nhiệt bằng một dụng cụ cách điện tốt, nhằm đảm bảo phôi
luôn đƣợc giữ ở nhiệt độ đồng nhất. Piston (ram) sẽ tạo áp lực lên phôi thông qua dầu
thuỷ lực. Áp lực của bơm dầu thuỷ lực sẽ đƣợc ép nhôm lỏng qua lỗ, tạo thành thanh
có hình dạng giống với hình của lỗ trong khuôn. Công suất lớn nhất mà pitông chính
thực hiện đƣợc gọi là công suất ép. Công suất ép đƣợc đo bằng tấn. Các máy ép công
58
nghiệp có công suất từ 500 đến 20.000 tấn, nhƣng hầu hết nằm trong khoảng 1.200 -
3.500 tấn.
Hình 2. 13. Thiết bị đùn ép nhôm định hình.
Chúng tôi đã hợp tác với Công ty Đô Thành, sử dụng công nghệ đùn ép nhôm
để chế tạo nhiều loại tản nhiệt khác nhau, từ máng đèn chiếu bảng, tản nhiệt cho đèn dụ
cá, đến các máng đèn chiếu trần nhà SSL1, SSL1, SSL3...
2.3. Phƣơng pháp đo đạc đánh giá
2.3.1. Phương pháp và thiết bị đo đặc trưng vật liệu, linh kiện
Chúng tôi đã sử dụng một số phƣơng pháp và thiết bị của Phòng Thí nghiệm
trọng điểm của Viện Khoa học vật liệu để đo đạc đặc trƣng vật liệu, linh kiện phục vụ
cho việc chế tạo các bộ đèn LED. Hệ đo quang huỳnh quang đƣợc trang bị laser Cd-He
với hai vạch phát xạ có bƣớc sóng 325 nm và 442 nm. Bƣớc sóng 325 nm nằm trong
vùng tử ngoại thích hợp cho việc kích thích các vật liệu phát quang chứa đất hiếm, chủ
yếu sử dụng cho đèn CFL. Đối với vật liệu phosphor sử dụng cho gói LED và đèn RP
LED nhƣ Garnet hoặc Nitride, phổ huỳnh quang kích thích bằng bƣớc sóng 442 nm là
rất hiệu quả (Hình 2.14).
Trong công trình [CT 12], chúng tôi đã lựa chọn vật liệu tạo màng phosphor cho đèn LED trắng là NYAG4355 của hãng Interatix, sử dụng nền YAG pha tạp ion Ce3+.
Phổ phát xạ huỳnh quang của NYAG4355 đƣợc khảo sát trên hệ đo huỳnh quang phân
59
giải cao tại Viện Khoa học Vật liệu, sử dụng laser He-Cd có bƣớc sóng 442 nm làm
nguồn kích, và phổ kế Acton – SP 2300i để thu tín hiệu huỳnh quang. Chúng tôi cũng
đã tiến hành đo (tại ĐH Bách khoa Hà nội) phổ kích thích huỳnh quang của
NYAG4355, sử dụng đèn Xenon làm nguồn kích thích và quét bƣớc sóng kích thích từ
300 - 530 nm.
Hình 2. 15. Kính hiển vi điện tử quét FE- SEM tại PTN trọng điểm.
Hình 2. 14. Bố trí mẫu trên hệ đo quang HQ sử dụng phổ kế Acton Research SP- 2300i và đầu thu Princeton Instrument làm lạnh. Để xác định độ bóng của linh kiện FO sau khi ép phun nhựa nhiệt dẻo, kính hiển
vi điện tử quét FSEM đƣợc PTN trọng điểm trang bị (Hình 2.15) là một thiết bị phù
hợp. Thông thƣờng độ bóng của linh kiện nhựa quang học phổ thông vào khoảng λ/5
đến λ/10 tƣơng đƣơng với 100 nm tới 50 nm.
Để đƣa ra tiêu chí cho ánh sáng có phổ phát xạ phù hợp nhất với con ngƣời,
chúng tôi đã đƣa ra giả thiết dựa trên quan điểm tiến hoá rằng con ngƣời thích nghi
nhất đối với ánh sáng tự nhiên trong rừng cây. Chúng tôi đã tiến hành đo đạc phổ ánh
sáng trong vƣờn cây tại một số địa điểm và thời điểm khác nhau, sử dụng phổ kế cầm
tay. Sau đó so sánh phổ đo đƣợc với kết quả đo đạc và tính toán phổ truyền qua lá cây
chiếu sáng bởi nguồn sáng chuẩn D65. Phổ truyền qua của lá cây đƣợc đo bằng hệ thiết
bị OMA của phòng thí nghiệm trọng điểm Viện Khoa học vật liệu.
Kết quả tính toán, mô phỏng cho thấy có sự giống nhau giữa một số phổ ánh
sáng đo đƣợc trong vƣờn với hàm độ nhạy thị giác V(λ) của con ngƣời, làm cơ sở để
lựa chọn ánh sáng xanh lý tƣởng. Nguồn sáng xanh lý tƣởng do chúng tôi lựa chọn có
60
nhiệt độ màu CCT= 5000K, độ sạch màu P= 30%, chỉ số sinh học CAF= 30 blm/lm.
Chi tiết đã đƣợc trình bày trong công trình [102].
2.3.2. Các thiết bị đo đặc trưng đèn LED.
Trong quá trình thiết kế chế tạo các nguồn sáng, việc đo đạc và đánh giá các
thông số màu sắc và thông số quang điện là rất quan trọng. Hệ đo các thông số quang –
điện của nguồn sáng rắn là tổ hợp các các thiết bị đo bao gồm: quả cầu tích phân, phổ
kế, máy tính có hỗ trợ phần mềm hiển thị (Hình 2.16, Hình 2.17).
Hình 2. 17. Hệ đo quả cầu tích phân nối quang kế phổ kế và các thiết bị phụ trợ của Viện Khoa học Vật liệu
Hình 2. 16. Hình ảnh bên trong quả cầu tích phân
Quả cầu tích phân (Integrating Sphere) gắn phổ kế và quang kế: Do các nguồn
sáng có phân bố cƣờng độ sáng đa dạng theo các hƣớng khác nhau, việc sử dụng quả
cầu tích phân để đo quang thông là một giải pháp tối ƣu. Quả cầu tích phân là một quả
cầu rỗng với nhiều kích thƣớc khác nhau từ nhỏ đến lớn (0.5m – 3m) phụ thuộc vào
kích thƣớc nguồn sáng cần kiểm tra. Mặt trong của cầu tích phân đƣợc phủ một lớp
phản xạ cao và mờ, tán xạ đều theo các hƣớng (bề mặt Lambert). Bên trong quả cầu
tích phân có các cơ cấu gá lắp để cố định nguồn sáng. Tất cả các cơ cấu gá lắp, tấm
chắn bên trong quả cầu đều đƣợc phủ sơn trắng với hệ số phản xạ - tán xạ cao. Nguồn
sáng đƣợc cố định trong quả cầu tích phân theo hai cấu hình khác nhau, 2π và 4π. Cấu
hình 4π với bộ gá nguồn sáng tại tâm quả cầu (Hình 2.16), đƣợc sử dụng cho các
nguồn sáng có góc phát sáng rộng nhƣ các loại bóng đèn truyền thống (đèn sợi đốt,
61
huỳnh quang). Cấu hình 2π sử dụng để đo các bộ đèn công suất cao kèm tản nhiệt, cần
phải có bộ gá ở một đầu cực để cố định nguồn sáng.
Để đo đƣợc quang thông, thông số màu sắc và các thông số điện, hệ đo dùng
quả cầu tích phân còn đƣợc tích hợp các thiết bị khác, đó là đầu đo quang thông, phổ
kế và nguồn nuôi chuẩn. Một đầu đo quang thông có độ nhạy phổ theo hàm độ nhạy thị
giác V(λ) của mắt ngƣời đƣợc gắn vào quả cầu tích phân và kết nối với thiết bị đo điều
khiển bằng phần mềm vi tính phân tích số liệu. Song song với đầu đo quang thông là
đầu cáp quang lấy tín hiệu đƣa vào phổ kế. Trƣớc các đầu đo quang có một tấm chắn
sáng nhằm ngăn chặn các tia sáng trực tiếp từ nguồn sáng tới đầu đo. Các thông số điện
cũng đƣợc đo đạc và xử lý đồng bộ với các thông số quang thông và quang phổ. Tất cả
các đại lƣợng đo đƣợc phải chuẩn hoá sử dụng một số bộ đèn chuẩn, đèn Hg phổ vạch
để chuẩn bƣớc sóng, đèn Halogen chuẩn quang thông… Kết quả xử lý của hệ đo đặc
trƣng quang điện sử dụng quả cầu tích phân đƣợc báo cáo dƣới dạng 3 loại thông số
nhƣ sau:
Thông số trắc quang:
Quang thông F (Flux), đơn vị đo lm; Hiệu suất quang LE (Luminous Efficacy),
đơn vị đo lm/W; Công suất quang LP (Luminous Power) đơn vị đo W;
Thông số màu sắc:
Độ màu xy, Độ lệch màu ∆uv, Nhiệt độ màu tƣơng quan CCT, Bƣớc sóng đỉnh
(peak wavelength), Độ sạch màu (color purity), Chỉ số hoàn màu CRI.
Thông số điện:
Điện áp (V), Dòng nuôi I (A), Công suất tiêu thụ P (W), Hệ số công suất PF
(Power Factor).
Quả cầu tích phân của Viện Khoa học vật liệu đƣợc bố trí ở phòng 134 toà nhà
A2 và không những đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu của Viện, mà còn là phƣơng
tiện hợp tác với các đối tác trong và ngoài VAST.
Góc quang kế (Goniophotometer): là thiết bị đo phân bố cƣờng độ sáng theo
góc. Cấu tạo góc quang kế của đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 2.18 bao gồm một hệ thống
gƣơng quét toạ độ theo góc tà và góc phƣơng vị. Các tia sáng phát ra từ nguồn sáng
đƣợc thu bởi một đầu thu quang đặt cách xa nguồn sáng khoảng 10m. Thiết bộ đo đƣợc
62
điều khiển, thu thập và xử lý tín hiệu bởi một phần mềm chuyên dụng. Kết quả đo
đƣợc chuẩn hoá và lƣu trữ dƣới định dạng IES, theo đó cƣờng độ sáng (đơn vị đo cd) là
một hàm của góc chiếu. Lấy tích phân cƣờng độ sáng theo góc khối trên toàn bộ khối
cầu chúng ta sẽ tính đƣợc quang thông của nguồn sáng.
Hình 2. 18. Sơ đồ cấu tạo của Goniophotometer
Các bộ đèn LED của chúng tôi đều đƣợc đo phân bố cƣờng độ sáng theo góc tại
Công ty Rạng Đông, là nơi chúng tôi là công tác viên trong nhiều năm qua. Kết quả đo
đạc đƣợc xuất ra dƣới định dạng IES phù hợp với yêu cầu của phần mềm Dialux thiết
kế chiếu sáng.
2.4. Xây dựng mô hình chiếu sáng.
Mô phỏng môi trường chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo.
Dialux là phần mềm thiết kế chiếu sáng độc lập phát triển bởi công ty DIAL
GmbH – Đức và cung cấp miễn phí cho ngƣời có nhu cầu. Dialux tính toán chiếu sáng
dựa theo tiêu chuẩn châu Âu nhƣ EN 12464, ISO 8995.
Một trong các ƣu điểm của phần mềm là đƣa ra nhiều phƣơng án lựa chọn bộ
đèn với các thông số cần thiết dƣới định dạng ULD và IES. Dialux cho phép nhập vào
bộ đèn của những hãng khác dƣới định dạng IES, nhƣng không cho phép đƣa định
dạng ULD (với các thông số về kết cấu cơ khí của bộ đèn) vào thƣ viện thiết kế. Dialux
còn đƣa ra các thông số kỹ thuật ánh sáng, giúp ta thực hiện nhanh chóng quá trình tính
toán hoặc cho phép ta sửa đổi thông số đó.
63
Hình 2. 19. Biểu đồ cƣờng độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trên 2 mặt phẳng Hình 2. 20. Biểu đồ cƣờng độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trong mô phỏng 3D.
Dialux có các bộ công cụ để vẽ mô hình kiến trúc nội ngoại thất, cho phép hỗ
trợ các file bản vẽ Autocad với định dạng DXF, DWG hoặc PDF để dựng mô hình 3D.
Hơn nữa, Dialux cũng cho phép chèn nhiều vật dụng 3D khác nhau vào dự án nhƣ :
bàn, ghế, TV, giƣờng, gác lửng, cầu thang…Bên cạnh đó là một thƣ viện khá nhiều vật
liệu để áp vào các vật dụng trong dự án…cũng nhƣ dễ dàng hiệu chỉnh mặt bằng theo ý
muốn của mình. Tính toán chiếu sáng những không gian đặc biệt (trần nghiêng, tƣờng
nghiêng, có đồ vật, vật dụng trong phòng) trong điều kiện có và không có ánh sáng tự
nhiên.
Chúng tôi đã đo đạc các thông số quang điện (sử dụng quả cầu tích phân nối phổ
kế) và phân bố cƣờng độ sáng (sử dụng góc quang kế) một số loại đèn LED tích hợp
thấu kính AF để tạo dựng dữ liệu IES. Một ví dụ về đƣờng cong phân bố IES cho đèn chiếu trần đƣợc trình bày trên Hình 2.19 dƣới dạng 2D trên mặt phẳng 0o mặt phẳng 90o và dƣới dạng 3D trong mô hình dựng bằng phần mềm Dialux (Hình 2.20).
Công việc mô phỏng môi trƣờng chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo bắt
đầu từ việc mở một dự án (project) EVO, ví dụ một dự án chiếu sáng trong nhà
(interior). Chúng ta sẽ sửa soạn mặt bằng (plan) đã đƣợc thiết kế trên bản vẽ định dạng
DXF, DWG hoặc PDF để dựng mô hình 3D, xác định vị trí, hƣớng nhà, cao độ. Chúng
ta cũng có thể xây dựng mặt bằng từ đầu, sau đó sẽ xây dựng toà nhà với các phòng ốc
hoặc khu vực cần đƣợc chiếu sáng với các công cụ tiện dụng, nhƣng không vẽ đƣợc
64
các chi tiết phức tạp ít có đóng góp cho kết quả chiếu sáng. Sau khi xây dựng thô toà
nhà, chúng ta có thể hoàn thiện nội ngoại thất nhƣ cửa sổ, cửa ra vào, cầu thang, cột
kèo, trần nhà, mặt nhà…Phần hoàn thiện còn bao gồm cả tính chất bề mặt (vật liệu,
màu sắc, độ bóng…) của các cấu kiện của toà nhà.
Công việc tiếp theo là đặt đồ đạc vào các phòng, với một thƣ viện một số đồ nội
thất đã đƣợc cung cấp. Chúng ta cũng có thể bổ sung hình vẽ các đồ đạc bằng cách sử
dụng một số công cụ đơn giản tạo các hình khối 3D, sau đó định nghĩa vật liệu và màu
sắc nhƣ đối với trần tƣờng sàn của căn phòng. Những hình vẽ định dạng 3DS, IFC
hoặc STF đều có thể nhập (import) vào dự án EVO, khi chúng ta muốn sử dụng các dữ
liệu có độ phân giải cao và chi tiết hơn.
Sau quá trình xây dựng, chúng ta sẽ sử dụng các loại đèn khác nhau để chiếu
sáng ban đêm, hoặc phối hợp với ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng ban ngày. Cần có
một thƣ viện dữ liệu IES hoặc ULD của các loại đèn để tiến hành thiết kế. Dữ liệu IES
đƣợc các nhà sản xuất nguồn sáng cung cấp để có thể quảng cáo sản phẩm của mình.
Họ cũng là nhà tài trợ cho công ty DIAL GmbH để cung cấp phần mềm miễn phí này
cho ngƣời sử dụng. Dữ liệu ULD cung cấp nhiều thông số hơn cho nhà thiết kế, nhƣng
đây là đặc quyền của chủ sở hữu phần mềm nên các nhà sản xuất hoặc thiết kế khác
không tạo ra đƣợc.
Có nhiều công cụ khác nhau để bố trí hệ thống chiếu sáng, cũng nhƣ lựa chọn
các thông số khác nhau cần tính toán, mô phỏng. Sau khi mô phỏng, các kết quả tính
toán rất đa dạng, nhƣng chủ yếu đƣợc đƣa ra dƣới 3 dạng là hình ảnh 3D, bản đồ độ rọi
và giá trị độ chói quan sát tại các vị trí khác nhau. Hệ số hạn chế chói loá UGR cũng
đƣợc tính toán và đƣa ra kết quả nếu chúng ta yêu cầu. Cuối cùng, chúng ta cũng có thể
in ra các tài liệu tổng kết quá trình mô phỏng với một bản đồ độ rọi trên mặt làm việc,
các giá trị độ rọi mặt đứng hoặc mặt nghiêng, số lƣợng và chủng loại, thông số nguồn
sáng đƣa vào sử dụng, mật độ công suất sử dụng, tổng công suất. Chúng ta cũng có thể
xuất ra sơ đồ lắp đặt nguồn sáng từng phòng của toà nhà.
Chúng tôi đã sử dụng phần mềm này và các dữ liệu IES của các loại đèn cần
thiết để thiết kế và tính toán mô phỏng cho nhiều công trình khác nhau, tiêu biểu là một
số công trình thực tế và một số mô hình trình diễn.
65
Kết luận chƣơng II
Với mục tiêu tạo ra môi trƣờng chiếu sáng thân thiện với con ngƣời, chúng tôi
đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết nhƣ tính toán, mô phỏng để tìm ra
các tiêu chí thiết kế các linh kiện, bộ đèn và mô hình chiếu sáng.
Các linh kiện quang học và tản nhiệt của bộ đèn đƣợc chế tạo bằng các công
nghệ hiện đại nhƣ ép phun nhựa dẻo và đùn nhôm.
Việc nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc, tính chất quang của tổ hợp vật liệu phát
quang đƣợc thực hiện trên các hệ đo huỳnh quang phân giải cao và kính hiển vi huỳnh
quang tại Viện Khoa học vật liệu.
Các thông số quang-điện của bộ đèn SkyLED đƣợc đo trên hệ đo quả cầu tích
phân tích hợp với phổ kế. Phổ phân bố cƣờng độ sáng đƣợc khảo sát trên hệ đo
Goniophotometer.
Để đánh giá hiệu quả sử dụng cuối cùng của giải pháp chiếu sáng, chúng tôi đã
xây dựng các mô hình thực tế sử dụng các bộ đèn SkyLED đã chế tạo.
66
CHƢƠNG III. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CẤU HÌNH
REMOTE-PHOSPHOR
Nhƣ đã trình bày ở phần tổng quan, phần lớn các loại LED trắng thƣơng mại
hiện nay đƣợc sản xuất bằng công nghệ phủ bột huỳnh quang lên trên chip LED xanh
lam [105]. Với cấu hình phủ trực tiếp bột phosphor lên chip LED chỉ có một phần
lƣợng ánh sáng đi ra khỏi bóng đèn LED và trở thành hữu ích. Còn lại bị hất ngƣợc trở
lại chip và bị tiêu hao làm giảm hiệu suất của đèn. Ánh sáng bị hất ngƣợc trở lại chip
LED một phần bị hấp thụ, một phần biến thành nhiệt, cùng với nhiệt tỏa ra từ chip
LED xanh, nhanh chóng làm nóng chip LED và cả lớp phosphor phủ trên chip, làm
giảm tuổi thọ của đèn, đồng thời vấn đề tản nhiệt cho đèn LED cũng trở nên khó khăn
hơn.
Từ nhu cầu thực tiễn giải quyết bài toán hiệu suất và tản nhiệt cho đèn LED, các
nhà khoa học đã đƣa ra cấu hình mới cho đèn LED trắng, để bột huỳnh quang cách xa
chip LED (remote – phosphor). Theo cấu hình này hiệu suất đóng gói của đèn LED
trắng mới tăng lên tới 70% [95], thậm chí lên tới trên 90% với cấu hình phức tạp hơn
[96]. Khi sử dụng cấu hình remote – phosphor đƣa bột phosphor cách xa chip LED
xanh lam, không những chỉ tăng hiệu suất lấy sáng của đèn LED mà còn tăng tuổi thọ
cho linh kiện do nhiệt độ làm việc của lớp phosphor giảm đáng kể. Một số hãng sản
xuất nguồn sáng đã đƣa cấu hình này vào sản xuất thƣơng mại hóa, tuy nhiên dƣới
dạng các bóng đèn LED thay thế có kích thƣớc nhỏ.
Đã có các giải pháp đƣa ra để tăng diện tích chiếu sáng, sử dụng tấm dẫn sáng
phẳng có in ma trận chiết sáng tạo thành mặt phát sáng có phân bố sáng đồng đều. Giải
pháp này đƣợc sử dụng trong các bộ đèn LED panel phẳng, với LED trắng là nguồn
phát sáng [106].
Trong đề tài này chúng tôi đƣa ra một cấu hình mới sử dụng LED xanh lam làm
nguồn sáng kích thích, và đƣa lớp bột huỳnh quang ra xa chip LED. Tạo thành bộ đèn
LED trắng mới có các tính năng ƣu việt hơn các cấu hình đã sử dụng trƣớc đây.
67
3.1. Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor
3.1.1. Thiết kế đèn LED trắng cấu hình RP
Đèn LED trắng cấu hình remote – phosphor sử dụng tấm dẫn sáng phẳng do
chúng tôi nghiên cứu thiết kế bao gồm nguồn kích, tấm dẫn sáng và tổ hợp màng
phosphor + tán xạ (Hình 3.1). Đây là cấu hình sử dụng tấm dẫn sáng, phía trên có phủ
Dãy LED
Tấm phản xạ
Tấm tản sáng
Tấm dẫn sáng
Tản nhiệt
lớp phosphor + tán xạ đƣợc kích thích bởi một dãy LED xanh lam.
Hình 3. 1. Sơ đồ thiết kế đèn RP phẳng
Ánh sáng xanh lam đi từ chuỗi LED chiếu vào cạnh tấm dẫn sáng, bị phản xạ
toàn phần sẽ truyền sang phía cạnh đối diện. Khi gặp các chấm chiết sáng, một phần bị
hấp thụ và chuyển đổi thành áng sáng màu vàng đi ra khỏi bề mặt tấm dẫn sáng, một
phần khác bị tán xạ đi ra ngoài. Để tăng độ phân bố sáng đồng đều, tránh chói lóa,
cũng nhƣ định hƣớng của ánh sáng khi đi ra khỏi bề mặt tấm dẫn sáng, một tấm tản
sáng (diffuser) đƣợc đặt phía trên bề mặt tấm dẫn sáng. Tấm tản sáng này có tác dụng
tản ánh sáng đồng đều trên bề mặt tấm dẫn sáng khi đi ra khỏi bề mặt phát sáng của
đèn RP. Tùy vào nhu cầu sử dụng của đèn, lấy ánh sáng ra 1 mặt hay 2 mặt của tấm
dẫn sáng mà tấm phản xạ ánh sáng đƣợc lựa chọn sử dụng, đặt phía sau tấm dẫn sáng.
Thông thƣờng các loại tấm phản xạ đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp lấy sáng 1 mặt có
độ phản xạ lên đến 94 - 95 %.
Loại LED xanh lam đƣợc lựa chọn trong thiết kế của chúng tôi là LED xanh OSLON của Osram có đỉnh phổ phát xạ tại 440nm, góc mở 120o. Đây là thế hệ LED
xanh có hiệu suất năng lƣợng cao, vào khoảng 56%. Tổng số LED sử dụng cho mỗi
68
dãy là 10 gói, mắc nối tiếp với nhau và nuôi bằng một nguồn dòng có trị số 200mA,
cung cấp 6W điện năng cho dãy LED.
Với hiệu suất điện quang 56%, phần 3W điện còn lại sẽ biến thành nhiệt năng,
vì vậy, cần phải sử dụng một bộ tản nhiệt thích hợp để giữ cho nhiệt độ của mạch in
nhôm không quá cao. Trong thiết kế của chúng tôi, một ống tản nhiệt nhôm hình trụ,
đƣờng kính 40mm, chiều dài 110mm đƣợc sử dụng. Kết cấu độc đáo của ống hình trụ
cho phép mặt phát sáng có thể xoay đƣợc xung quanh trục, cùng với các tính năng vƣợt
trội khác.
Loại phosphor đƣợc lựa chọn làm vật liệu tạo chấm chiết sáng cho đèn LED
trắng trong nghiên cứu này là NYAG4355 của hãng Intermatix, sử dụng vật liệu nền YAG pha tạp ion Ce3+. Phổ phát xạ huỳnh quang của NYAG4355 đƣợc khảo sát trên
hệ đo huỳnh quang phân giải cao tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam, sử dụng laser He-Cd có bƣớc sóng 442 nm làm nguồn kích,
và phổ kế Acton – SP 2300i để thu tín hiệu huỳnh quang. Kết quả cho thấy phổ phát xạ
huỳnh quang của phosphor có đỉnh tại 550 nm, độ bán rộng 120 nm (Hình 3.3).
Chúng tôi đã tiến hành đo phổ kích thích huỳnh quang của NYAG4355, sử dụng
đèn Xenon làm nguồn kích thích và quét bƣớc sóng kích thích từ 300 - 530 nm, ghi
cƣờng độ phát xạ huỳnh quang tại bƣớc sóng 570 nm. Từ phổ kích thích huỳnh quang
(Hình 3.2) dễ dàng nhận thấy loại phosphor hấp thụ tốt trong vùng ánh sáng màu xanh
lam 440-470 nm.
Hình 3. 2. Phổ kích thích huỳnh quang của NYAG 4355 ghi tại bƣớc sóng 570 nm. Hình 3. 3. Phổ phát xạ huỳnh quang của NYAG 4355 kích thích bằng vạch 442 nm.
69
3.1.2. Thiết kế, chế tạo tấm dẫn sáng RP
Tính mới của giải pháp do chúng tôi đề xuất trong giải pháp này là cấu trúc
chuyển đổi và phân phối lại ánh sáng cho phép tạo thành nguồn sáng mới có hiệu suất
cao, không chói lóa. Tấm dẫn sáng đƣợc lựa chọn làm từ vật liệu PMMA có dáng hình chữ nhật, với góc tới hạn là 42o nên chùm sáng đi từ dãy LED xanh (có góc mở vào khoảng 120o) vào sẽ bị phản xạ toàn phần bên trong tấm và không đi ra ngoài. Để lấy
sáng ra bề mặt của tấm dẫn sáng, một ma trận các chấm chiết – phát sáng đƣợc in lên
bề mặt của tấm bằng phƣơng pháp in lƣới. Hình dạng, thành phần và kích thƣớc vật
liệu của các chấm phát sáng sẽ quyết định tỉ lệ thành phần các ánh sáng đi ra khỏi bề
mặt tấm dẫn sáng.
Một ma trận các chấm chiết – phát sáng đƣợc thiết kế sao cho lƣợng ánh sáng
lấy ra là nhiều và đồng đều nhất. Các chấm sẽ có kích thƣớc tăng dần từ cạnh đƣợc
chiếu sáng sang cạnh đối diện, trong khi vị trí tâm của các chấm cách đều nhau. Hình
3. 4 mô tả hình dạng của tấm dẫn sáng do chúng tôi thiết kế.
Hình 3. 4. Ma trận các chấm chiết – phát sáng
Nguyên lý hoạt động của các chấm phát sáng dựa trên hai hiệu ứng khác nhau.
Hiệu ứng phát xạ ánh sáng huỳnh quang xảy ra trong thể tích các hạt bột phosphor sau
khi đƣợc kích thích bằng LED xanh lam. Ánh sáng huỳnh quang phát ra theo mọi
70
hƣớng do trong quá trình hồi phục của điện tử nóng sau khi hấp thụ, hƣớng phát quang
không còn đƣợc xác định bởi hƣớng của tia sáng xanh lam kích thích mà thay đổi một
cách ngẫu nhiên. Hiệu ứng thứ hai xảy trên các chấm phát sáng là hiệu ứng tán xạ của
chùm sáng màu xanh lam khi lan truyền trong tấm dẫn sáng. Các chấm phát sáng sẽ
làm thay đổi hƣớng truyền của các tia sáng do bị khúc xạ và khi góc giữa tia sáng và
pháp tuyến của mặt sáng nhỏ hơn góc tới hạn, tia sáng sẽ truyền ra ngoài. Hình dạng,
kích thƣớc và thành phần của các chấm phát sáng sẽ quyết định tỷ lệ cƣờng độ của ánh
sáng tán xạ màu xanh lam và ánh sáng phát xạ huỳnh quang, tạo ra đèn LED có nhiệt
độ màu CCT và chỉ số hoàn màu CRI khác nhau.
Ma trận các chấm chiết sáng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp in lƣới hỗn hợp vật liệu YAG:Ce3+ và keo EPI (một loại dung môi dùng trong công nghệ in lƣới).
Chúng tôi đã tiến hành trộn bột phosphor NYAG4355 với keo EPI theo nhiều tỉ lệ khác
nhau, sau đó khuấy đều trong vòng 10 phút sử dụng máy khuấy có tốc độ quay trung
bình 100 -110 vòng/phút. Hỗn hợp keo - phosphor đƣợc trải phủ lên tấm dẫn sáng
PMMA bằng phƣơng pháp in lƣới rồi đem sấy khô.
3.1.3. Chế tạo đèn LED trắng cấu hình RP
Loại LED xanh lam lựa chọn trong thiết kế là loại Deep – Blue của Osram có
đỉnh phát xạ tại 440nm, đây là loại LED xanh có hiệu suất cao 56%. Chuỗi LED gồm
10 chip LED đƣợc hàn dán nối tiếp với nhau lên một mạch in nhôm thẳng và đƣợc nuôi
bằng nguồn dòng khoảng 200mA. Để giải quyết vấn đề tản nhiệt cho LED, một ống tản
nhiệt hình tròn bằng nhôm, trên có các khe để gài tấm dẫn sáng, đƣợc chế tạo bằng
công nghệ đùn nhôm. Vừa có tác dụng tản nhiệt, vừa có tác dụng làm trục quay cho
đèn đa năng, tùy vào mục đích ngƣời sử dụng.
Phosphor Garnet của Intermatix đƣợc trộn lẫn keo EPI thành hỗn hợp mực in
lƣới theo nhiều tỉ lệ khác nhau. Hỗn hợp này đƣợc in phủ lên bề mặt của tấm dẫn sáng
bằng công nghệ in lƣới.
Một tấm dẫn sáng bằng vật liệu PMMA có kích thƣớc 160x270x5 mm3 phía trên
có in các chấm phát sáng đƣợc gài vào khe cài của ống tản nhiệt, phía dƣới có dán
71
mạch in LED. Chúng tôi đã tiến hành chế tạo thành công các bộ đèn LED trắng cấu
hình RP có màu sắc khác nhau (Hình 3.5).
Hình 3. 5. Đèn LED remote – phosphor
3.2. Đo đạc, khảo sát các thông số quang học của bộ đèn LED trắng cấu hình
RP
Để đánh giá mức độ phân tán đồng đều bột phosphor trong nền keo EPI khi tiến
hành in lƣới lên các tấm dẫn sáng, chúng tôi đã tiến hành chụp ảnh các chấm chiết sáng
sử dụng kính hiển vi huỳnh quang Olympus IX71. Hình 3.6a là ảnh phát quang của
một chấm chiết sáng khi kích thích bằng đèn thủy ngân. Hình 3.6b là ảnh truyền qua
cũng của chấm phát sáng đó khi chiếu sáng bằng đèn halogen.
Trên hình 3.6 chúng ta dễ dàng nhận thấy sự sắp xếp của các hạt phosphor và
kích thƣớc của chúng bên trong một chấm phát sáng. Các hạt phosphor tự sắp xếp và
co cụm lại thành từng đám với nhau, tạo thành cấu trúc đa lớp tại một số vị trí. Ngƣợc
lại, tại một số vị trí khác số lƣợng hạt lại rất thƣa thớt, thậm chí không có (phần ảnh
màu đen trong ảnh huỳnh quang và màu trắng trong ảnh truyền qua). Chúng tôi giả
thiết rằng, do bột phosphor có tỉ trọng lớn hơn nhiều so với keo EPI nên khi trộn lẫn
hai thành phần này với nhau, bột phosphor có xu hƣớng lắng đọng xuống dƣới đáy, vì
vậy khi tiến hành in lƣới lƣợng phosphor và keo qua một mắt lƣới là không đồng đều
nhau. Nhằm hạn chế hiện tƣợng phosphor bị lắng đọng khi in, thao tác phải tiến hành
nhanh từ khi trộn hỗn hợp keo – phosphor đến khi in trực tiếp lên trên tấm dẫn sáng.
Các hạt phosphor có kích thƣớc khá đồng đều, dao động trong khoảng từ 5 – 17 µm.
72
b)
a)
Hình 3. 6. Ảnh chụp huỳnh quang (a) và truyền qua (b) của một chấm phát sáng
Các thông số điện quang và phổ phát xạ của đèn LED RP sau khi chế tạo đƣợc
tiến hành đo đạc, khảo sát tại hệ đo phổ sử dụng quả cầu tích phân Everfine tại Viện
Khoa học vật liệu. Hình 3.7 là phổ phát xạ của đèn LED trắng sử dụng tấm dẫn sáng
RP có tỉ lệ pha trộn keo EPI và bột phosphor là 1:1. Nhiệt độ màu tƣơng quan (CCT)
của đèn đạt 24500K, chỉ số hoàn trả màu (CRI) là 69, hiệu suất điện quang đạt 54lm/W
và quang thông 460 lm.
Hình 3. 7. Phổ phát xạ của đèn LED trắng RP chế tạo theo tỉ lệ pha trộn phosphor:EPI là 1:1
Từ phổ phát xạ của đèn LED trắng mới (Hình 3.7), chúng tôi nhận thấy thành
phần ánh sáng màu xanh lam khá lớn so với lƣợng ánh sáng màu vàng phát xạ từ bột
huỳnh quang. Nguyên nhân có thể do lƣợng bột huỳnh quang sử dụng ít nên khi phủ
73
lên tấm dẫn sáng sẽ tạo thành lớp màng phopshor mỏng, dẫn đến lƣợng chỉ một phần
nhỏ ánh sáng màu xanh lam bị hấp thụ và chuyển đổi thành ánh sáng màu vàng. Nhằm
mục đích giảm lƣợng ánh sáng màu xanh lam của LED xanh và tăng lƣợng ánh sáng
màu vàng phát xạ của phosphor, chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm tăng dần thành
phần bột huỳnh quang trong hỗn hợp in tạo màng remote – phosphor theo các công tỉ lệ
khác nhau.
Bảng 3. 1. CCT và CRI của đèn LED mới theo tỉ lệ trộn bột phosphor và keo EPI.
STT CCT (K) CRI
Bảng 3.1 liệt kê sự thay đổi CCT và CRI của đèn LED remote - phosphor khi
1 2 3 4 Tỉ lệ keo EPI - phosphor 1:1 1:2 1:3 1:4 24500 14785 12062 9536 69 69 71 68
thay đổi tỉ lệ hỗn hợp keo/phosphor. Từ bảng số liệu, chúng ta nhận ra rằng mặc dù
CCT của LED trắng giảm xuống khi thành phần phosphor trong hỗn hợp keo –
phosphor tăng lên, nhƣng hệ số hoàn trả màu (CRI) của đèn lại hầu nhƣ không thay
đổi. Khi phân tích thành phần phổ phát xạ của đèn LED mới (Hình 3.7), chúng tôi nhận
thấy thành phần ánh sáng màu đỏ và ánh sáng màu xanh lục không đủ. Khi tăng nồng
độ bột NYAG trong hỗn hợp tạo màng phosphor thì tỉ lệ giữa ánh sáng màu xanh lam
và ánh sáng màu vàng sẽ thay đổi, nhƣng các thành phần ánh sáng tạo thành ánh sáng
trắng tổng hợp lại không thay đổi nên CRI của đèn hầu nhƣ không thay đổi.
Hình 3. 8. Sự phụ thuộc nhiệt độ màu CCT vào khối lƣợng phosphor trộn trong hỗn hợp.
74
Hình 3.8 thể hiện sự phụ thuộc nhiệt độ màu tƣơng quan (CCT) của đèn LED
trắng vào khối lƣợng bột phosphor trong hỗn hợp keo – phosphor sử dụng khi chế tạo
màng phosphor. Chúng ta nhận thấy CCT của đèn giảm xuống khi tăng dần tỉ lệ của
bột huỳnh quang trong hỗn hợp keo - phosphor. Nhƣ đã giả thiết ở trên, khi tăng tỉ lệ
bột phosphor trong hỗn hợp thì lƣợng ánh sáng màu xanh lam bị phosphor hấp thụ và
chuyển đổi thành ánh sáng màu vàng phát xạ sẽ tăng lên, đồng thời giảm thành phần
ánh sáng màu xanh lam còn lại bị tán xạ và đi ra ngoài.
Đèn LED trắng với tấm remote – phosphor có tỉ lệ keo - phosphor là 1:4 do
chúng tôi chế tạo có CCT đạt 9536 K, khá cao so với các loại LED thƣơng mại
(<6500K) và CRI là 68, thấp hơn so với LED thƣơng mại (~80). Có một số giả thiết
giải thích hiện tƣợng CCT của đèn LED mới cao trong khi CRI thấp.
- Một là loại LED xanh lựa chọn có bƣớc sóng phát xạ tại 440 nm tuy có hiệu suất
cao, nhƣng khi sử dụng để chế tạo LED trắng thì khoảng cách giữa hai dải phổ phát
xạ của chip LED xanh lam và bột phosphor bị nới rộng do thiếu thành phần màu
xanh lục.
- Giả thiết thứ hai đặt ra là bột phosphor lựa chọn có kích thƣớc nhỏ dao động từ 5-
17 µm. Kích thƣớc hạt nhỏ thì lƣợng ánh sáng xanh lam bị tán xạ sẽ tăng lên, thành
phần bị hấp thụ và chuyển đổi thành ánh sáng màu vàng giảm xuống, dẫn đến nhiệt
độ màu tƣơng quan cao.
- Khi phân tích thành phần phổ phát xạ của đèn LED trắng chúng ta nhận thấy thiếu
hẳn thành phần ánh sáng đỏ. Đây chính là một trong các nguyên nhân làm cho chỉ
số hoàn màu của bộ đèn thấp. Giải pháp nâng cao CRI cho bộ đèn đƣợc đề xuất là
pha trộn thêm thành phần phosphor đỏ vào hỗn hợp keo/phosphor. Hình 3.9 là
phƣơng án nâng cao CRI của bộ đèn bằng cách bổ sung thành phần phosphor đỏ
Nitride có bƣớc sóng đỉnh tại 615nm. Kết quả chúng tôi đã thu đƣợc bộ đèn LED
trắng mới có nhiệt độ màu CCT là 5000K và hệ số trả màu CRI đạt 80.
75
Hình 3. 9. Hình vẽ phối cảnh đèn LED RP với tấm dẫn sáng gồm bộ huỳnh quang vàng (4) và bột huỳnh quang đỏ (5)
Kết luận chƣơng III
Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công đèn LED trắng cấu hình remote –
phosphor sử dụng tấm dẫn sáng phẳng. Đèn LED mới chế tạo sử dụng chuỗi LED xanh
lam làm nguồn kích thích bột phosphor vàng tạo thành ánh sáng trắng. Cấu hình
remote – phosphor đƣa bột huỳnh quang cách xa chip LED không chỉ làm tăng hiệu
suất lấy sáng mà còn làm giảm nhiệt độ tác động lên bột phosphor và lên chip LED.
Tấm dẫn sáng khi đó không chỉ đóng vai trò là mặt phát sáng, mà đồng thời đóng vai
trò làm tản nhiệt cho phosphor.
Do cấu hình sử dụng LED xanh lam kích thích bột huỳnh quang tạo thành đèn
LED mới là cấu hình mở, ngoài mục đích chế tạo LED trắng chiếu sáng chúng ta có
thể thay đổi thành phần cũng nhƣ hình dạng của màng phosphor chế tạo các đèn trang
trí kết hợp chiếu sáng. Đây cũng là hƣớng đi mới có nhiều tiềm năng trong thời gian
tới.
Mặc dù đèn LED trắng cấu hình RP có những ƣu điểm vƣợt trội về hiệu suất lấy
sáng và tuổi thọ nhƣng gặp phải rào cản chi phí khi đƣa vào thƣơng mại hóa. Nguyên
nhân do số lƣợng sản xuất không nhiều nên chi phí mua vật tƣ đầu vào (gói LED Blue)
cao hơn nhiều so với việc mua gói LED trắng thông thƣờng.
76
CHƢƠNG IV. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO LINH
KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO
4.1. Thiết kế, mô phỏng linh kiện quang biên dạng tự do
Bằng phƣơng pháp vẽ tia, chúng tôi đã mô phỏng rồi lựa chọn biên dạng thấu
kính bất đối xứng (AL) và các điều kiện lắp đặt tối ƣu của bộ đèn LED chiếu hắt trần
nhà để tạo ra một nguồn sáng thứ cấp (trần nhà) có cƣờng độ sáng đồng đều nhất trong
một căn phòng có kích thƣớc cố định. Các thông số cần tối ƣu là biên dạng thấu kính,
góc chiếu và khoảng cách treo từ đèn LED tới trần nhà.
4.1.1. Thiết kế thấu kính FO
Hình 4. 1. Thiết kế biên dạng thấu kính bất đối xứng với độ cong thay đổi
Chúng tôi bắt đầu bằng 04 biên dạng thấu kính AL hình trụ có mặt cắt ngang thể
hiện trên Hình 4.1, theo đó mặt ngoài của thấu kính có biên dạng hình bán trụ, hay là
nửa hình tròn trên mặt cắt ngang. Mặt trong của thấu kính AL có biên dạng bất đối
xứng, với năng lực khúc xạ tăng dần từ phía bên trái sang phía bên phải. Các thấu kính
này có thể dễ dàng sản xuất hàng loạt bởi công nghệ ép phun nhiệt khi mà biên dạng
của nó không quá phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao [57, 58].
77
Thấu kính AL sẽ làm thay đổi quang trình của các tia sáng phát ra từ gói LED
nhƣ đã mô tả trong trƣờng hợp sử dụng phần mềm Tracepro để tạo ra dữ liệu IES.
4.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng
Hình 4. 2 (a) Phân bố cƣờng độ sáng của gói LED; (b) tia sáng từ LED qua thấu kính; (c) tia sáng chiếu lên trần và (d) các tia phản xạ trên trần và sàn
Để phân tích hiệu quả của thấu kính FO trong mô hình chiếu sáng, chúng tôi đã
xem xét các yếu tố mô phỏng bao gồm: (1) góc chiếu θ giữa trục ngang và thấu kính và
(2) khoảng cách từ hệ thống đến trần nhà. Mặt gói LED và chân đế thấu kính luôn
đƣợc giữ song song với nhau. Để tiện theo dõi, chúng tôi chỉ sử dụng 30 tia sáng nhƣ
trên Hình 4.2 để vẽ quang trình; (b) từ gói LED qua thấu kính; (c) chiếu lên trần và (d)
từ trần phản xạ lên tƣờng và xuống sàn. Nhƣng để mô phỏng độ rọi, chúng tôi đã sử
dụng 107 tia xuất phát từ mỗi gói LED và đo độ rọi bằng cách đặt đầu thu quang trên
mặt trần hoặc dƣới mặt sàn. Do mặt trần sẽ đóng vai trò nguồn sáng thứ cấp, chúng tôi
sẽ tối ƣu hoá độ rọi trên mặt trần trƣớc, sau đó xem xét hiệu quả phân bố độ rọi trên
mặt sàn sau.
78
Chúng tôi đã lựa chọn biên dạng thấu kính AL phù hợp nhất bằng cách tính toán
mô phỏng phân bố cƣờng độ sáng trên mặt trần. Điều kiện sử dụng để tính toán lần
lƣợt là:
- Kích thƣớc của phòng: 4*4 m2, chiều cao 3 m;
- Khoảng cách từ LED tới trần: 0,4 m;
- Góc chiếu lựa chọn ban đầu so với mặt ngang: 60o;
- Vị trí đặt đầu thu quang: trên trần hoặc dƣới mặt sàn.
Hình 4. 3. Phân bố ánh sáng trên trần với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trƣờng hợp (b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4
Hình 4.3 là kết quả tính toán phân bố cƣờng độ sáng trên trần trong 5 trƣờng
hợp: không thấu kính và có thấu kính AL với biên dạng từ B1 đến B4. Trong trƣờng
79
hợp không sử dụng thấu kính (Hình 4.2b), gói LED với mặt sáng phân bố Lambert sẽ
tạo ra một mẫu chiếu sáng lên mặt trần có dạng hình tròn đồng tâm có cƣờng độ sáng
giảm dần từ tâm ra. Cƣờng độ sáng tại đỉnh khi không thấu kính tƣơng đối lớn so với
mẫu chiếu sáng sử dụng thấu kính AL, nhƣng diện tích chiếu sáng nhỏ hơn.
4.1.4. Mô phỏng độ rọi dưới sàn nhà
Đặt đầu thu quang dƣới sàn, chúng tôi thu đƣợc mẫu hình độ rọi nhƣ trên Hình
Hình 4. 4. Phân bố ánh sáng dƣới sàn với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trƣờng hợp (b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4
4.4 cũng áp dụng cho 5 trƣờng hợp: không thấu kính và có thấu kính AL với biên dạng
từ B1 đến B4. Kết quả mẫu hình thể hiện trên Hình 4.3 và Hình 4.4 cho thấy độ đồng
80
đều tốt nhất khi sử dụng thấu kính AL với biên dạng B4. Chúng tôi sẽ sử dụng thấu
kính B4 cho các tính toán tiếp theo.
4.1.5. Tối ưu hoá đa đặc trưng
Sau khi lựa chọn đƣợc biên dạng B4, chúng tôi tiếp tục mô phỏng sự phụ thuộc
của độ đồng đều vào khoảng cách và góc chiếu để tối ƣu giải pháp chiếu sáng.
Tối ƣu hoá yếu tố khoảng cách: Chúng tôi đã đánh giá kết quả chiếu sáng một
căn phòng có kích thƣớc 4*4*3 m3 bằng cách thay đổi khoảng cách từ đèn tới trần. Kết
quả mô phỏng đƣợc biểu diễn trên Hình 4.5 với 4 giá trị khoảng cách đƣợc lựa chọn:
(a) 0,2 m; (b) 0,3 m; (c) 0,4 m; (d) 0,5m.
Hình 4. 5. Phân bố ánh sáng dƣới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách (a) 0,2 m; (b) 0,3 m; (c) 0,4 m; (d) 0,5m
Kết quả mẫu hình (d) có phân bố tốt nhất cho thấy độ đồng đều tăng khi khoảng
cách từ đèn tới trần tăng. Tuy nhiên trong thực tế, cần phải chú ý đến yếu tố thẩm mỹ
cũng nhƣ không gian lắp đặt để lựa chọn phƣơng án tối ƣu.
81
Tối ƣu hoá yếu tố góc chiếu: Chúng tôi đã đánh giá kết quả chiếu sáng một căn
phòng có kích thƣớc 4*4*3 m3, khoảng cách từ đèn tới trần là 0,4m và thay đổi góc
chiếu của đèn. Kết quả mô phỏng đƣợc biểu diễn trên Hình 4.6 với 5 giá trị góc chiếu đƣợc lựa chọn: (b) 45o; (c) 50o; (d) 55o; (e) 60o; (f) 65o. Kết quả cho thấy góc 60o là
tối ƣu khi cố định đèn LED ở khoảng cách 0,4 m so với trần nhà.
Hình 4. 6. Phân bố ánh sáng dƣới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách 0,4 m với các góc chiếu (b) 45O; (c) 50O; (d) 55O (e) 60O
Kết luận: Trong công trình [CT 1] chúng tôi đã đề xuất một phƣơng pháp mô
phỏng vẽ tia để tối ƣu hoá biên dạng thấu kính AL phù hợp với một mô hình chiếu
sáng tiêu biểu. Các kết quả tối ƣu thu đƣợc là biên dạng B4, khoảng cách tới trần 0,4 m và góc chiếu 60O cho một căn phòng kích thƣớc 4*4 m2, cao 3 m. Để nâng cao hơn nữa
độ đồng đều chiếu sáng, chúng tôi sẽ sử dụng các đèn LED dài cấu tạo từ 50 đến 100
gói LED, cùng với giải pháp chiếu sáng từ hai phía tƣờng đối diện.
Hạn chế của phƣơng pháp mô phỏng trong công trình [CT 1] là tiêu chí lựa chọn
các thấu kính AL với biên dạng B1 đến B4 chỉ là việc so sánh độ đồng đều chiếu sáng
với nhau, chứ không đƣa ra các tiêu chí tổng quát. Ý nghĩa chính của công trình này là
cho phép lựa chọn và kiểm tra hiệu quả của thấu kính AL khi đã có một số ý tƣởng
thiết kế biên dạng. Các sản phẩm đã tối ƣu hoá là phƣơng tiện hiệu quả để tạo ra một
môi trƣờng ánh sáng đồng đều, góc chiếu rất rộng, cƣờng độ sáng cao mà không chói
loá. Môi trƣờng ánh sáng này tích hợp thêm tính năng điều khiển nhiệt độ màu CCT và
CRI phù hợp sẽ có các thông số gần với tiêu chí chiếu sáng HCL nhất.
82
Công trình [CT 2] đề xuất một cách tiếp cận khác biệt cho giải pháp chiếu sáng
gián tiếp sử dụng LED tạo ra phân bố cƣờng độ sáng có độ đồng đều cao. Đây là một
phƣơng pháp phân tích lý thuyết nhằm tạo ra tiêu chí để thiết kế các bộ đèn LED tích
hợp thấu kính FO có đƣờng cong phân bố cƣờng độ sáng lý tƣởng. Mặc dù đã có khá
nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và ứng dụng hệ thống chiếu
sáng thông minh sử dụng LED [49-51, 78-92], phân bố độ rọi không đồng đều vẫn là
điểm yếu của hệ thống chiếu sáng rắn.
4.2.1. Mô hình và phân tích lý thuyết
Chúng tôi sẽ đề xuất một cách tiếp cận mới dựa trên một số giả thiết tiêu biểu
cho thực tế lắp đặt hệ thống chiếu sáng gián tiếp trong nhà. Mô hình cần đƣợc chiếu
sáng của chúng tôi là một căn phòng có chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều lần, theo đó
trần (ceiling) đƣợc chiếu sáng bằng hai nguồn sáng có chiều dài bằng chiều dài của căn
phòng. Hai nguồn sáng đƣợc cố định trên tƣờng, cách trần một khoảng h, khi đó bài
toán chiếu sáng trong không gian 3D đƣợc rút gọn thành bài toán 2D.
Hình 4. 7 (a) Sơ đồ lắp đặt hai bộ đèn chiếu lên trần với hình ảnh chùm sáng đi từ hai đèn dài gắn hai bên tƣờng; (b) Mặt cắt ngang hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn phía bên trái
Hình 4.7 là sơ đồ căn phòng với giả thiết bề mặt trần màu trắng, còn sàn tƣờng
có màu đen, hai bộ đèn dài đƣợc lắp hai bên chiếu hắt lên trần nhà, tạo thành nguồn
sáng thứ cấp, nâng cao độ đồng đều và giảm chói loá. Chúng ta bắt đầu bằng việc sử
83
dụng một dãy nguồn sáng truyền thống (ví dụ nhƣ đèn tuýp HQ-huỳnh quang) có góc phân bố cƣờng độ sáng 360o xung quanh trục đèn. Hình dạng của mẫu hình phân bố
trong không gian 3D là một hình trụ, nhƣng có dạng hình tròn trên mặt phẳng ngang,
có tâm nằm trên trục đèn. Chúng ta hãy xem xét bài toán rút gọn dƣới dạng 2D khi
chiều dài căn phòng đƣợc coi là vô hạn. Trên Hình 4.7(b) là sơ đồ mặt cắt ngang của
căn phòng với đèn dài phía bên trái. Kích thƣớc của trần là L và đƣợc chia thành n
phần, mỗi phần có kích thƣớc ∆L. Gọi θi là góc giữa ΔLi và nguồn sáng, còn αi là góc
giữa ΔLi và nguồn sáng cạnh phải ΔLi và tƣờng bên. Nhƣ vậy, mẫu hình nguồn sáng
đƣợc chia thành n góc nhỏ. Khi nguồn sáng có phân bố đối xứng tròn (vd đèn tuýp
HQ) và n đủ lớn, cƣờng độ ánh sáng trong ΔLi sẽ tỷ lệ thuận với θi.
Góc αi giữa ΔLi và nguồn sáng cạnh phải ΔLi và tƣờng bên có thế đƣợc biểu
diễn dƣới dạng:
(4.1)
Ở đây h là khoảng cách từ nguồn sáng tới trần.
Góc θi có thể tính đƣợc dựa vào biểu thức θi = αi – αi-1
(4.2)
Hình 4. 8. Đƣờng phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp HQ với h= 0,3 m và L= 4 m
84
Nhƣ đã giả thiết, vì nguồn sáng có dạng phân bố tròn (hình trụ trong không gian
3D), với cƣờng độ phát sáng theo góc đồng đều về mọi phía, độ rọi trên trần sẽ tỷ lệ
với góc θi và đƣợc tính theo công thức (4.2). Kết quả phân bố ánh sáng (đã chuẩn hoá)
theo vị trí trên trần đƣợc biểu diển trên Hình 4.8 khi lắp đặt 2 dãy đèn tuýp HQ hai bên,
theo đó cƣờng độ sáng trên trần gần hai bên tƣờng lớn hơn cƣờng độ sáng ở giữa trần
gần một bậc. Nhƣ vậy việc sử dụng hai dãy đèn có phân bố tròn (nhƣ đèn tuýp HQ) là
không hiệu quả để chiếu sáng mặt trần đồng đều.
Ngày nay, đèn LED đã đƣợc dùng để thay thế đèn tuýp HQ, với đƣờng phân bố
Lambert đƣợc biểu diễn dƣới dạng:
(4.3)
Ở đây Io là cƣờng độ sáng cực đại. Độ rọi (chuẩn hoá) trên trần khi sử dụng đèn
LED sẽ là tích số của độ rọi khi sử dụng đèn có phân bố đều (~θi) với đƣờng Lambert
(2.3):
(4.4)
Ở đây Ii là độ rọi tại vị trí i trên trần nhà.
Hình 4. 9. Đƣờng phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp LED với h= 0,3 m và L= 4 m. (a) Hƣớng chiếu LED ngang và (b) Hƣớng chiếu LED vào giữa trần
Hình 4.9 (a) minh hoạ kết quả phân bố ánh sáng (đã chuẩn hoá) theo vị trí trên
trần với cấu hình tƣơng tự nhƣ Hình 4.8, tuy nhiên điểm khác biệt có thể nhận thấy là
85
cực đại của độ rọi lại nằm ở vị trí cách tƣờng khoảng 0,5 m, còn ở sát tƣờng, độ rọi rất
thấp. Độ rọi ở vị trí giữa trần có giá trị chỉ khoảng 1/10 độ rọi cực đại (cho 1 dãy đèn),
không đạt đƣợc tiêu chí chiếu đồng đều. Khi xoay hƣớng LED chiếu vào giữa trần, độ
rọi ở vị trí gần tƣờng đƣợc cải thiện, nhƣng ở vị trí giữa trần hầu nhƣ không thay đổi
(Hình 4.9 (b)), còn xoay thêm một góc lớn sẽ làm cho khu vực giữa trần tối đi.
Hình 4. 10. Đƣờng phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn LED dài với (a) h= 0,3 m, L= 4m; (b) h= 0,3m, L= 8m; (c) h= 0,8m, L= 4m và (d) độ rọi giữa trần phụ thuộc và h và L
Để tiếp tục nghiên cứu ảnh hƣởng của vị trí lắp đặt LED và kích thƣớc phòng
đến phân bố độ rọi, chúng tôi đã xem xét một số trƣờng hợp với h và L khác nhau.
Hình 4.10 (a) biểu diễn kết quả phân bố ánh sáng (đã chuẩn hoá) trên trần với h=0,3 m
và L= 8 m, theo đó sự mất đồng đều tăng lên so với trƣờng hợp L=4 m. Khi kích thƣớc
phòng L tăng, khoảng cách từ LED đến giữa trần tăng dẫn đến góc θi giảm, kết quả là
độ rọi giảm, độ đồng đều cũng giảm. Hình 4.10 (b) biểu diễn kết quả phân bố ánh sáng
trên trần khi khoảng cách h tăng lên tới h=0,8 m và giữ nguyên L= 8 m, độ đồng đều
tăng lên do độ rọi ở vùng gần tƣờng giảm nhanh hơn vùng giữa trần.
86
Hình 4.10 (c) biểu diễn kết quả phân bố độ rọi trên trần khi khoảng cách h tăng
lên tới h=0,8 m và giảm L xuống còn 4 m, độ đồng đều tăng lên đáng kể do độ rọi ở
vùng gần tƣờng giữ nguyên và độ rọi vùng giữa trần tăng lên so với trƣờng hợp (b).
Hình 4.10 (d) minh hoạ biểu đồ phân bố độ đồng đều ánh sáng trên trần phụ
thuộc vào hai thông số h và L, ta thấy rằng khi tỷ số h/L tăng thì độ đồng đều tăng. Tuy
nhiên khi tăng khoảng cách h để đạt độ đồng đều cao, chúng ta phải trả giá về vị trí treo
đèn trong thực tế, về sự giảm tiện nghi do vị trí treo đèn lọt vào trƣờng nhìn của ngƣời
dùng…Hơn nữa, khi nguồn sáng chỉ là các bộ đèn tuýp LED với phân bố Lambert, dù
có tăng khoảng cách h đến tối đa (mắc dƣới sàn), chúng ta cũng không đạt đƣợc độ
đồng đều tuyệt đối.
4.2.2. Cách tiếp cận thay thế cho hệ thống chiếu sáng đồng đều
Nhƣ chúng tôi đã chỉ ra trên mục 4.2.1, chúng ta không thể đạt đƣợc một hệ
thống chiếu sáng gián tiếp có phân bố đồng đều khi sử dụng hai dãy đèn LED dài
thông thƣờng (phân bố Lambert). Chúng tôi sẽ trình bày trong mục này một phƣơng
pháp thiết kế và tiếp cận lý thuyết nhằm thay thế các phƣơng pháp trƣớc đây, nhằm tạo
ra một căn phòng có trần nhà đƣợc chiếu sáng đồng đều, trở thành nguồn sáng thứ cấp
thân thiện với ngƣời sử dụng. Để đạt đƣợc mục tiêu này, chúng ta phải thiết kế đƣợc
một thấu kính FO kết hợp với bộ đèn LED dài có phân bố Lambert, với chức năng tái
phân bố lại sự mất đồng đều khi không có thấu kính.
Hình 4. 11 (a) Đƣờng phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 dãy đèn LED kết hợp thấu kính FO lý tƣởng và (b) biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng theo góc vẽ trong toạ độ cực
87
Hình 4.11 (a) minh hoạ đƣờng phân bố cƣờng độ sáng trên trần với độ đồng đều
tuyệt đối khi sử dụng hai nguồn sáng LED tích hợp với hệ thấu kính. Các chấm đỏ là
phân bố cƣờng độ sáng chiếu từ nguồn sáng bên phải, còn các chấm đen phân bố
cƣờng độ sáng chiếu từ nguồn sáng bên trái. Trong cấu hình này sự phụ thuộc là tuyến
tính theo khoảng cách từ tƣờng ra. Khi sử dụng hai nguồn sáng từ hai phía, tổng cƣờng
độ sáng sẽ không phụ thuộc vào khoảng cách.
Hàm phân bố độ rọi trên trần của hệ thống LED tích hợp thấu kính đƣợc biểu
diễn dƣới dạng:
(4.5)
Ở đây Fl và Fr là hàm phân bố độ rọi theo vị trí i trên trần nhà xuất phát từ
nguồn sáng bên trái (l-left) và từ nguồn sáng bên phải (r-right). F0 là hàm phân bố độ
rọi cực đại. Giá trị độ rọi tổng cộng F(i)=Fl(i)+ Fr(i)= F0 hoàn toàn không phụ thuộc
vào i khi kết hợp cả hai nguồn sáng bên trái và bên phải với nhau.
Hình 4.11 (b) minh hoạ biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng theo góc vẽ trong toạ độ
cực của một nguồn sáng LED tích hợp với hệ thấu kính FO, thoả mãn phƣơng trình
(4.5). Biểu đồ phân bố này có góc chiếu hẹp, hình dạng bất đối xứng và cần tái phân bố
bằng thấu kính quang FO khi sử dụng dãy LED làm nguồn phát sơ cấp. Đƣờng cong tái
phân bố đƣợc tính toán theo công thức:
Hình 4.12 là đồ thị biểu diễn hệ số tái phân bố độ rọi theo vị trí của thấu kính
FO bên trái (màu đen) và thấu kính bên phải (màu đỏ). Ta thấy rằng giá trị lớn nhất của
88
hệ số tái phân bố của thấu kính FO bên trái nằm ở vị trí khoảng 2,75 m, còn tại vị trí
sát tƣờng, giá trị này cũng tăng lên do cƣờng độ phát xạ từ gói LED thấp. Hệ số tái
phân bố độ rọi của thấu kính phía bên phải cũng tƣơng tự nhƣ vậy, nhƣng ở vị trí đối
xứng qua đƣờng thẳng trung tâm ở vị trí 2 m. Khi thiết kế biên dạng thấu kính FO,
chúng ta có thể tham khảo đồ thị trên Hình 4.12 để biết xu hƣớng cần khúc xạ tia sáng
ra sao để đạt đƣợc phân bố độ rọi gần nhất với hàm phân bố (4.5).
Hình 4. 12. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO bên trái (đen) và bên phải (đỏ)
Trong các trƣờng hợp tổng quát hơn, để nhận đƣợc phân bố độ rọi hoàn toàn
đồng đều trên trần khi chiếu bằng hai nguồn sáng dài từ hai phía đối diện, tất cả các
nguồn sáng tạo ra phân bố độ rọi trên trần có dạng hàm Logistic đều thoả mãn điều
kiện này. Hàm Logistic đƣợc biểu diễn dƣới dạng:
(4.7)
Ở đây:
L là giá trị cực đại của hàm
k là hệ số biến đổi hàm f(x).
x là khoảng cách.
xo là giá trị của x tại điểm giữa trần.
Để hiểu rõ hơn ý nghĩa vật lý của hệ số biến đổi k, chúng ta sẽ minh hoạ dạng
hàm f(x) với các giá trị k=1, k=2, k=4 và tốc độ biến đổi df(x)/dx tại các vị trí khác
nhau trên Hình 4.13. Ta thấy rằng khi k tăng, tốc độ biến đổi tại điểm giữa trần
89
df(x)/dx tăng tỷ lệ thuận với k. Mặt khác, tốc độ biến đổi của đạo hàm df(x)/dx lại là
một hàm số phụ thuộc vào x và có dạng giống hàm phân bố tự nhiên Gauss với độ lệch
chuẩn SD tỷ lệ nghịch với tốc độ k. Việc lựa chọn giá trị k có ảnh hƣởng đến thiết kế
thấu kính FO sau này.
Hình 4. 13. Các hàm phân bố Logistic f(x) với giá trị k=1, k=2, k=4 và tốc độ biến đổi của hàm df(x)/dx theo khoảng cách x
Hình 4.14 (a) minh hoạ đƣờng phân bố độ rọi có dạng hàm f(x) với tốc độ k=3
trên trần chiếu từ 2 nguồn sáng lắp hai phía đối diện. Khi cả hai nguồn sáng cùng hoạt
động, độ rọi trên trần sẽ hoàn toàn đồng đều do sự chồng chập của chùm sáng đối xứng
với nhau qua điểm giữa trần.
Hình 4.14 (c) và (d) minh hoạ biểu đồ phân bố độ rọi theo góc ω giữa tia sáng
và phƣơng nằm ngang, vẽ trong toạ độ vuông góc và toạ độ cực của một nguồn sáng
LED tích hợp với hệ thấu kính FO, thoả mãn phƣơng trình (4.7), với các giá trị k thay
đổi từ 1 đến k= 5. Ta thấy rằng góc mở của chùm sáng tại nửa chiều cao khá hẹp
(~12o) và có dạng bất đối xứng, trải dài về phía bên phải với góc ω lớn. Các nhà thiết
kế cần phải đề xuất đƣợc biên dạng thấu kính FO bất đối xứng thích hợp, sử dụng các
gói LED có kích thƣớc nhỏ và cố định ở vị trí thích hợp để đạt đƣợc đƣờng phân bố độ
sáng gần với Hình 4.14 (c) và (d). Để phân bố độ rọi đạt đƣợc độ đồng đều nhƣ vẽ trên
hình 4.14 (a), ánh sáng đi từ LED cần đƣợc phân bố lại với hệ số tái phân bố thoả mãn
phƣơng trình (4.8).
90
Hình 4. 14. Phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 nguồn sáng có dạng hàm Logistic với tốc độ k=3; (b ) tốc độ k khác nhau từ 1 đến 5; (c) phân bố cƣờng độ sáng theo góc trong toạ độ vuông góc và (d) phân bố cƣờng độ sáng theo góc trong toạ độ cực
(4.8)
Hình 4.15 là đồ thị biểu diễn hệ số tái phân bố độ rọi theo vị trí của thấu kính
FO bên trái, tính toán cho một số thông số khác nhau: a) h= 0.3 m, L= 4 m; (b) h= 0.8
m, L= 4 m; (c) h= 0.3 m, L= 8 m; and (d) h= 0.8 m, L= 8 m. Chúng ta thấy rằng khi tỷ
số h/L càng tăng, hệ số tái phân bố thay đổi càng ít. Điều kiện này ngầm định rằng thấu
kính FO càng dễ thiết kế hơn. Tƣơng tự nhƣ vậy, khi giá trị tốc độ k càng giảm, hệ số
tái phân bố thay đổi càng ít thấu kính FO càng dễ thiết kế hơn. Để dễ dàng thiết kế hệ
quang học, chúng ta nên chọn bên dạng thấu kính FO có k=1 hơn là k=5.
91
Hình 4. 15. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO tính toán cho một số thông số: a) h= 0.3m, L= 4m; (b) h= 0.8m, L= 4m; (c) h= 0.3m, L= 8m; and (d) h= 0.8m, L= 8m
Kết luận: Trong công trình này, một mô hình và một cách tiếp cận mới để thiết
kế hệ thống đèn LED gắn tƣờng chiếu sáng đều lên trần nhà đƣợc trình bày với một số
cấu hình khác nhau. Với hệ thống chiếu lƣớt trần này, chúng tôi đã đề xuất phƣơng
pháp tích hợp thấu kính FO vào hai dãy LED lắp đặt ở hai phía đối diện. Bằng phƣơng
pháp phân tích toán học, chúng tôi đã đƣa ra công thức tổng quát cho bộ đèn LED để
đạt đƣợc độ đồng đều tuyệt đối, dựa trên dạng hàm Logistic với các tốc độ biến đổi k
khác nhau. Để dễ dàng hơn cho việc trợ giúp các nhà thiết kế, chúng tôi đƣa ra khái
niệm hệ số tái phân bố RD của thấu kính FO. Kết quả tính toán một số trƣờng hợp từ
k=1 đến k=5, hàm RD biến đổi chậm hơn với k=1, dƣờng nhƣ dễ dàng hơn cho việc
thiết kế hệ thấu kính FO.
Một kết quả khác của phƣơng pháp phân tích toán học trong [CT 2] là các dạng
biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng theo góc của nguồn sáng LED tích hợp thấu kính với
các tốc độ biến đổi k khác nhau. Các biểu độ phân bố cƣờng độ sáng lý thuyết thu đƣợc
92
này cho phép so sánh trực tiếp với các biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng đo đƣợc của các
bộ đèn thực tế. Biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng là ngôn ngữ rất quen thuộc của các nhà
sản xuất nguồn sáng và thiết kế chiếu sáng, đƣợc cung cấp dƣới dạng dữ liệu IES.
4.3. Chế tạo linh kiện quang biên dạng tự do
4.3.1 Thấu kính biên dạng bất đối xứng AL
Phiên bản đầu tiên V0 của thấu kính biên dạng bất đối xứng AL đƣợc thiết kế
bằng phƣơng pháp kinh nghiệm, dựa theo ý tƣởng đã đƣợc bảo hộ trong Giải pháp hữu
ích [GPHI-11], theo đó một bộ thấu kính bất đối xứng hình trụ đƣợc chia làm ba phần
bao gồm phần hội tụ (39) là nửa thấu kính trụ lồi-phẳng, phần truyền qua không khúc
xạ có hình dạng 1/4 ống trụ, và phần chân đế phẳng dùng để gắn với ống tản nhiệt, vẽ
trên Hình 4.16a Quá trình mô phỏng các tia truyền qua đƣợc thực hiện trên phần mềm
Optgeo cho thấy các tia sáng hầu nhƣ không khúc xạ khi truyền qua nửa bên trái (310)
của thấu kính, ngƣợc lại, chùm sáng sẽ hội tụ hơn so với phân bố dạng hàm Lambert
ban đầu khi truyền qua nửa bên phải.
Sau khi mô phỏng, chúng tôi đã thực hiện công đoạn chế tạo nguyên mẫu theo
các bƣớc sau:
- Thiết kế biện dạng 3D bằng Solidworks; lƣu lại dƣới định dạng STEP hoặc
IGS để có thể cắt CNC.
- Chế tạo 10 nguyên mẫu thấu kính sử dụng máy CNC 3 theo biên dạng đã
thiết kế.
- Mài nhẵn nguyên mẫu sử dụng giấy nháp nƣớc cỡ hạt 600 và 2000.
- Đánh bóng nguyên mẫu thấu kính sử dụng bột mài AL2O3 kích thƣớc 3µm
và nỉ mềm, tƣơng tự nhƣ công nghệ đánh bóng Wafer bán dẫn hoặc thấu
kính quang học truyền thống.
Nguyên mẫu thấu kính sau khi hoàn thiện đƣợc tích hợp với một thanh LED và
nguồn nuôi để kiểm tra tính năng phân bố ánh sáng. Chúng tôi đã xây dựng một mô
hình chiếu sáng tại Viện Khoa học vật liệu gồm có: 01 màn ảnh phẳng và trắng; nguồn
sáng LED tích hợp nguyên mẫu thấu kính; camera chụp ảnh hoặc máy đo độ rọi
(Luxmeter). Yêu cầu của phƣơng pháp chụp ảnh đúng là tránh bị bão hoà độ chói cực
93
đại (có giá trị từ 0 đến 255). Hình 4.17 là ảnh chụp mẫu hình chiếu sáng (pattern) khi
trục quang của thấu kính đƣợc bố trí vuông góc với màn ảnh. Mẫu hình độ chói
(brightness) cho chúng ta thấy dạng phân bố bất đối xứng theo chiều cắt ngang thấu
kính, bên trái là mảng sáng rộng nhƣng độ chói thấp, bên phải thì mảng sáng hẹp lại
nhƣng có độ chói cao hơn.
Hình 4. 16. a/ Mô phỏng quang trình của tia sáng truyền qua thấu kính biên dạng bất đối xứng bằng phần mềm Optgeo; b/ Kết cấu đèn chiếu bảng tích hợp thấu kính AL [GPHI15]
Để cụ thể hóa phân bố của ánh sáng từ nguồn sáng tích hợp thấu kính AL,
chúng tôi đã tiến hành phân tích dữ liệu số của ảnh chụp thông qua công cụ phân tích
ảnh phần mềm Origin. Giá trị độ chói nằm trên các đoạn thẳng song song với trục toạ
độ Ox và Oy là vị trí lấy mẫu đƣợc thể hiện trên đồ thị tƣơng ứng vẽ ở phía trên và bên
phải của ảnh chụp. Từ gốc tọa độ đi về phía bên trái (từ pixel 2000 trở về pixel 0)
cƣờng độ sáng giảm dần giống nhƣ đƣợc chiếu sáng bởi một nguồn sáng có phân bố
Lambert (nhƣng độ rọi trên mặt màn ảnh lại có dạng gần hàm Gauss hơn), có nghĩa
rằng ánh sáng khi đi qua phần này của thấu kính hầu nhƣ không bị khúc xạ.
Tính từ pixel 2200 đi về phía bên phải thì cƣờng độ sáng tạo đỉnh cực đại rồi
giảm xuống đột ngột (đƣờng cong tƣơng ứng với y <800, đồ thị phía trên). Chúng ta có
thể dùng công cụ phân tích đơn giản để tách phổ và thấy rằng trong một sai số cho
phép, đƣờng cong có dạng gần với hai hàm Gauss có độ bán rộng khác nhau đƣợc
chồng chập lên nhau, trong đó hàm Gauss phía bên phải có cƣờng độ lớn nhƣng độ bán
rộng nhỏ, còn hàm Gauss bên trái có cƣờng độ thấp nhƣng độ bán rộng lớn hơn. Mặc
94
dù phƣơng pháp đánh giá này mang màu sắc định tính, nhƣng nó cũng gợi ý cho chúng
tôi quyết định tích hợp với máng nhôm, thanh LED và nguồn nuôi tạo thành một bộ
đèn LED tube chiếu bảng hoàn chỉnh để đo đạc bằng Photo Goniometer.
Hình 4. 17. Mẫu hình chiếu sáng thanh LED tích hợp nguyên mẫu thấu kính AL
Kết quả đo bộ đèn LED tube tích hợp nguyên mẫu thấu kính AL (gọi là bộ đèn
ALED phiên bản V0) tại Trung tâm R&D Công ty Rạng Đông biểu diễn trên Hình
4.18, bên trái là biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng theo góc trên mặt phẳng ngang và mặt
phẳng đứng, còn bên phải là biểu diễn dƣới dạng 3D trong toạ độ cực. Khi phân tích
biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn ALED, ta thấy có một số vấn đề còn tồn tại.
Một là các đƣờng cong phân bố không đƣợc trơn tru, có thể do công nghệ cắt mài và
đánh bóng chƣa chuẩn, gây nên các biến dạng bề mặt không mong muốn. Vấn đề thứ hai là sự tồn tại của một chùm sáng theo hƣớng 70o (biểu đồ bên trái), có khả năng làm
chói mắt ngƣời dùng khi chiếu lên bảng hoặc chiếu lên trần nhà.
95
Hình 4. 18. (trái) Biểu đồ cƣờng độ sáng ALED trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; (phải) Biểu đồ cƣờng độ sáng 3D của đèn ALED trong toạ độ cực
Bƣớc tiếp theo sau chúng tôi đã thực hiện là cải tiến thiết kế thấu kính AL phiên
bản V1 có kích thƣớc phù hợp với bộ đèn ALED bao gồm các linh kiện phụ thuộc lẫn
nhau nhƣ máng đèn, thanh LED, bộ nguồn, phụ kiện lắp ráp. Những yếu tố ảnh hƣởng
khác là sự dung hoà về khả năng gia công, chi phí đầu tƣ ban đầu, chi phí mua nguyên
vật liệu, chi phí lắp ráp.
Thấu kính AL phiên bản V1 đƣợc lựa chọn với biên dạng nhƣ đƣợc vẽ trên Hình
4.19 với kích thƣớc ngoài là 300*18*7 mm. Thấu kính phiên bản V1 đƣợc chế tạo
bằng phƣơng pháp ép phun nhựa nhiệt dẻo, với vật liệu ban đầu là PS. Sự khác biệt chủ
yếu giữa thấu kính AL phiên bản V0 (nguyên mẫu) và thấu kính AL phiên bản V1 (ép
phun nhiệt) đi từ công nghệ chế tạo còn biên dạng thiết kế chỉ thay đổi chút ít.
Hình 4. 19. a/ (trái) Biên dạng thấu kính AL phiên bản V1; b/ (phải) Ảnh chụp thấu kính phiên bản V1 chế tạo bằng phƣơng pháp ép phun nhựa GP-PS
Thấu kính AL sau khi tích hợp vào bộ đèn SkyLED chúng tôi đã đem đo biểu
đồ phân bố cƣờng độ sáng theo góc tại Công ty Rạng Đông, tạo file có định dạng IES
96
để tiện dụng cho việc tính toán mô phỏng dùng phần mềm Dialux Evo sau này. Kết cấu
và tính năng của các bộ đèn SkyLED chiếu trần sẽ đƣợc mô tả kỹ hơn ở phần sau,
trong mục đèn LED tích hợp thấu kính biên dạng bất đối xứng.
Hình 4. 20. (trái) Biểu đồ cƣờng độ sáng của đèn SkyLED trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; (phải) Biểu đồ cƣờng độ sáng 3D của đèn SkyLED trong toạ độ cực.
Mặc dù các bộ đèn SkyLED của chúng tôi đã đem lại nhiều tính năng mới và lợi
ích cho ngƣời sử dụng và đƣợc đánh giá rất cao, việc hoàn thiện tính năng phân bố
đồng đều khi chiếu sáng gián tiếp đòi hỏi các cách tiếp cận mới nhƣ đã mô tả trong
mục 4.2, bởi vì việc quyết định sản xuất thấu kính AL và bộ đèn SkyLED đòi hỏi chi
phí cao cho khuôn mẫu và vật tƣ. Sau đây chúng tôi chỉ mô tả các kết quả thiết kế mô
phỏng theo các phƣơng pháp đã đƣợc công bố trong các công trình [CT1] và [CT2],
còn việc chế tạo hàng loạt sẽ phụ thuộc vào quyết định của nhà đầu tƣ trong tƣơng lai.
97
Hình 4. 21. Biên dạng thấu kính AL với kích thƣớc mặt cong phía bên trái thay đổi có hệ thống và các biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng mô phỏng tƣơng ứng
Xuất phát từ thực tế lắp đặt các công trình chiếu sáng và từ biên dạng lý tƣởng
đã đƣợc mô tả ở mục 4.2, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng biên dạng theo các nhóm
khác nhau. Với nhận xét là khi sử dụng 2 dãy đèn SkyLED đối diện nhau cƣờng độ
sáng vùng gần đèn cao hơn so vùng trung tâm, chúng tôi đã mở rộng vùng hội tụ hơn
so với thấu kính AL phiên bản V1 bằng các thiết kế thể hiện trên Hình 4.21. Kết quả
mô phỏng các biểu đồ phân bố đƣợc vẽ trên Hình 4.21 cho thấy sự khác biệt so với
biểu đồ phân bố khi sử dụng thấu kính phiên bản V1. Hiệu quả của sự khác biệt này có
thể thấy đƣợc khi tiếp tục mô phỏng giải pháp chiếu sáng nội thất bằng phần mềm
Dialux, đó là khu vực có cƣờng độ sáng mạnh nhất đã đƣợc đẩy ra xa hơn so với việc
sử dụng thấu kính AL phiên bản V1.
Tuy nhiên, so sánh với kết quả tính toán trong công trình [CT 2], biểu đồ phân
bố cƣờng độ sáng thu đƣợc vẽ trên Hình 4.21 vẫn còn nhiều khác biệt nhƣ góc mở còn
lớn và phân bố còn cục bộ. Hình 4.22 vẽ hai biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng của đèn
SkyLED thực tế và của bộ đèn lý tƣởng theo công trình [CT 2] với giả thiết là tổng
quang thông nhƣ nhau, vẽ trong toạ độ vuông góc. Bộ đèn lý tƣởng khi lắp từ hai phía
đối diện sẽ cho ta phân bố độ sáng đồng đều, trong khi đó bộ đèn SkyLED phiên bản
V1 sẽ tạo ra một vùng sáng có cƣờng độ cao hơn, phụ thuộc vào góc chiếu. Hơn nữa, khi chiếu lƣớt trên mặt phẳng (nhƣ trần nhà, cƣờng độ sáng đỉnh (tại góc 80o) của đèn
SkyLED chỉ đạt một nửa so với bộ đèn lý tƣởng. Mặc dù có nhiều yếu tố khác ngoài
tính năng của thấu kính AL nhƣ kích thƣớc, vị trí tƣơng đối của gói LED và góc chiếu
của bộ đèn đóng góp vào kết quả phân bố ánh sáng, cách tiếp cận nêu ra trong công
trình [CT 2] vẫn gợi ý cho chúng tôi giải pháp cải tiến cần thiết.
98
Hình 4. 22. So sánh biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu kính N0 với bộ đèn lý tƣởng do CT2 đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ độ cực Để tiếp tục cải tiến các loại thấu kính AL cho đèn SkyLED, chúng tôi đã thay
đổi biên dạng mặt trong của thấu kính nhƣ thể hiện trên Hình 4.23, theo đó tiết diện
thấu kính có cấu trúc hai mặt lồi, thay vì cho cấu trúc phẳng lồi trƣớc đây. Kết quả mô
phỏng vẽ trên Hình 4.23 cho ta thấy độ góc mở của chùm sáng đã thu hẹp lại và giá trị
đỉnh tăng thêm 40% so với các phƣơng án vẽ trên Hình 4.21.
99
Hình 4. 23. Biên dạng thấu kính AL với mặt cong phía trong khác nhau có hệ thống và các biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng mô phỏng tƣơng ứng
Hình 4.24 vẽ ba biểu đồ mô phỏng phân bố cƣờng độ sáng của đèn SkyLED
thực tế và của bộ đèn lý tƣởng theo công trình [CT 2] với giả thiết là tổng quang thông
nhƣ nhau, vẽ trong toạ độ vuông góc. Đƣờng phân bố khi sử dụng thấu kính N8 (vẽ
trên Hình 4.23) ta thấy góc chiếu sáng hẹp hơn so với thấu kính N0, đồng thời biên độ
đỉnh cũng cao hơn. So với bộ đèn lý tƣởng theo công trình [CT 2], vùng sáng gần đèn
của đèn SkyLED tích hợp thấu kính N8 khá giống với bộ đèn lý tƣởng, tuy nhiên ở vùng xa (tƣơng ứng với góc 80-90o), độ hội tụ vẫn kém hơn. Ngoài ra, có một phần ánh sáng vẫn có nguy cơ đi vào mắt ngƣời dùng (góc 130o), khi thiết kế máng đèn chúng
tôi đã che chắn hoàn toàn.
Hình 4. 24. So sánh biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu kính N0 và N8 với bộ đèn do [CT 2] đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ độ cực
Công việc tối ƣu hoá biên dạng thấu kính còn có thể tiếp tục với các yếu tố khác
nhƣ vị trí của gói LED, kích thƣớc của gói LED và biên dạng 3D của thấu kính, với
mục tiêu đề xuất bởi công trình [CT 2]. Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này,
100
chúng tôi giới hạn các kết quả ở đây để giới thiệu về các bộ đèn LED tích hợp thấu
kính AL đã đƣợc sản xuất với số lƣợng lớn và áp dụng cho các giải pháp chiếu sáng
dƣỡng sinh.
4.3.2 Thấu kính góc chiếu hẹp (NAL narrow angle lens)
Phiên bản đầu tiên V1 của thấu kính góc chiếu hẹp NAL đƣợc thiết kế dựa theo
ý tƣởng đã đƣợc bảo hộ trong Giải pháp hữu ích [GPHI 6], theo quy trình công nghệ đã
đƣợc sử dụng để chế tạo thấu kính bất đối xứng AL. Mục đích của Giải pháp hữu ích này là đề xuất một kết cấu đèn LED có góc chiếu sáng hạn chế dƣới 80o, đồng thời tạo
ra phân bố độ rọi đồng đều trên mặt bàn, nhằm tiết kiệm năng lƣợng, chống chói lóa
cho học sinh khi nhìn bảng, góp phần giảm tỷ lệ mắc tật khúc xạ. Nhằm đạt đƣợc mục
đích nêu trên, chúng tôi đã đƣa ra một thiết kế thấu kính trụ đƣợc cắt theo hình dạng đặc biệt, tạo ra tính năng tái phân bố chùm sáng có góc mở ~80o để che chắn các tia
sáng chiếu trực tiếp vào mắt học sinh khi nhìn bảng. Biên dạng của thấu kính NAL
đƣợc vẽ trên Hình 4.25 trong không gian 3 chiều, theo đó chùm sáng đƣợc tách ra làm
hai phần và đƣợc thu hẹp lại, nhƣ kết quả mô phỏng quang tia sử dụng phần mềm
Tracepro. Việc chia tách chùm sáng Lambert ra làm hai phần đem lại một tính năng ƣu
việt nữa là khi kết hợp với gói LED phân bố Lambert, độ rọi trên mặt bàn học sinh sẽ
đồng đều hơn.
Hình 4. 25. Biên dạng 3D thấu kính góc chiếu hẹp NAL và hình ảnh mô phỏng tia sử dụng phần mềm Tracepro, gói LED 3828
Hình 4.26 vẽ biểu đồ mô phỏng phân bố cƣờng độ sáng của đèn LED tích hợp
thấu kính NAL với biên dạng trên Hình 4.25, trong toạ độ cực và toạ độ vuông góc, theo đó góc mở của chùm sáng vào khoảng 85o và có hình cánh dơi (batwing).
101
Hình 4. 26. Biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ
Chúng tôi đã áp dụng quy trình công nghệ sử dụng cho thấu kính bất đối xứng
AL mô tả ở phần trƣớc để tiến hành chế tạo, thử nghiệm và sản xuất thấu kính NAL.
Hình 4.27 là ảnh chụp một số thấu kính NAL đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp ép phun
nhựa nhiệt dẻo, cùng với hình ảnh 3D của biểu đồ phân bố cƣờng độ IES của bộ đèn
LED tích hợp thấu kính.
Hình 4. 27. Biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ
Trong ảnh ta thấy rằng tỷ lệ kích thƣớc của gói LED đã thay đổi (tăng chiều
rộng của gói LED dài 3,5 mm rộng 28 mm) khi điểm nhìn lệch khởi quang trục. Hiện tƣợng này tƣơng quan với cƣờng độ sáng tăng đến cực đại ở góc ±30o, theo đúng ý đồ
thiết kế ban đầu.
102
Thấu kính NAL sẽ đƣợc chúng tôi áp dụng để chế tạo hai loại đèn chiếu sáng
lớp học và công sở mô tả trong các công trình đã nộp đơn xin bảo hộ độc quyền sở hữu
trí tuệ [GPHI 6] và [SC 9].
4.3.3. Thấu kính FO cho đèn dụ cá
Thấu kính FO chính là cốt lõi khác biệt của đèn dụ cá do chúng tôi thiết kế chế
tạo, nhằm mục đích phân bố lại ánh sáng trên mặt biển. Hình 4.28 là hình vẽ phối cảnh
của thấu kính FO bao gồm 9 thấu kính trụ ghép song song với nhau. Bề mặt thấu kính
trụ đƣợc chia làm ba phần bao gồm phần hội tụ, phần truyền qua không khúc xạ và
phần chân đế dùng để gắn với tản nhiệt. Phía bên phải của Hình 4.28b, đƣờng cong có
bán kính cong lớn, tạo thành một thấu kính trụ có năng lực khúc xạ cao, nhằm tạo ra
chùm sáng hội tụ theo mặt đứng. Phía bên trái của Hình 4.28b, đƣờng cong có bán kính
cong nhỏ dần làm cho năng lực khúc xạ nhỏ dần. Ánh sáng đi từ dãy LED có cƣờng độ
thấp sẽ đƣợc sử dụng để chiếu khu vực gần với tàu, nhƣng độ rọi vẫn cao hơn so với
khu vực xa tàu, nơi mà cƣờng độ sáng giảm rất nhanh (1/R2) với R là khoảng cách từ
tàu đến khu vực cần chiếu sáng.
Hình 4. 28. Thấu kính bất đối xứng cho đèn dẫn dụ cá, a-hình vẽ 3D; b-mặt cắt ngang
Thấu kính trụ bất đối xứng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp ép phun nhiệt có
kích thƣớc dài 165mm, rộng 120mm và tiết diện nhƣ trên Hình 4.29. Vật liệu quang
103
học đƣợc lựa chọn để chế tạo thấu kính là nhựa Polycarbonat (PC) có độ trong suốt cao
và nhiệt độ hoạt động ≤ 115oC.
Hình 4. 29. Mẫu thấu kính FO cho đèn tàu cá sau khi chế tạo
Thấu kính cho đèn dụ cá đã đƣợc chúng tôi áp dụng để chế tạo 300 bộ đèn LED
dụ cá đƣợc mô tả trong các công trình [CT 5] và đã nộp đơn xin bảo hộ độc quyền sở
hữu trí tuệ [SC 10].
Kết luận chƣơng IV
Chúng tôi đã tiến hành thiết kế và mô phỏng linh kiện FO có biên dạng bất đối xứng khác nhau để chiếu sáng căn phòng 4 x 4 m2. Sử dụng phần mềm mô phỏng
Zeemax, chúng tôi tiến hành mô phỏng độ rọi trên trần nhà và dƣới mặt sàn để tìm ra
biên dạng phù hợp nhất. Quy trình và kết quả tính toán mô phỏng tối ƣu đƣợc công bố
trên tạp chí Appl. Sci. 2020, 10, 343 (Q1, IF 2,43) [CT 1].
Chúng tôi đã đƣa ra tiêu chí thiết kế các bộ đèn LED tích hợp thấu kính FO có
đƣờng cong phân bố cƣờng độ sáng lý tƣởng sử dụng phƣơng pháp tính toán lý thuyết.
Để tạo đƣợc bầu trời sáng nhân tạo với các thông số đã xác định, đặc biệt là ánh sáng
rộng, đều và không chói, chúng tôi đã đƣa ra mô hình sử dụng hai dãy LED dài mắc
song song chiếu hắt trần. Để tạo ra mặt sáng đều trên trần, với giả thiết chiều dài của
hai dãy LED lớn hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng, phƣơng trình giải tích
trong không gian 3D đã đƣợc thu gọn thành phƣơng trình 2D trên một mặt phẳng. Giả
104
thiết này cho thấy bất cứ dãy LED (kết hợp với linh kiện FO) nào tạo đƣợc phân bố độ
rọi trên trần dƣới dạng hàm logistic đều thoả mãn đƣợc yêu cầu chiếu đều khi sử dụng
2 dãy đối diện nhau. Bằng phƣơng pháp tính toán lƣợng giác chúng tôi thu đƣợc kết
quả dƣới dạng giải tích cho đƣờng phân bố cƣờng độ sáng lý tƣởng với nhiều tuỳ chọn
khác nhau của hệ số K trong hàm logistic. Các đƣờng phân bố cƣờng độ sáng thu đƣợc
dƣới dạng tổng quát này sẽ là mục tiêu thiết kế hệ thống LED kết hợp thấu kính FO để
có thế chiếu sáng đều một mặt phẳng nhƣ trần nhà. Phƣơng pháp và kết quả tính toán
này đƣợc công bố trên tạp chí IEEE Photonics (Q1, IF 2,83) [CT 2].
Dựa trên các kết quả tính toán và mô phỏng, chúng tôi đã tiến hành chế tạo 03
loại thấu kính FO sử dụng công nghệ ép phun nhựa dẻo: thấu kính biên dạng bất đối
xứng AL, thấu kính thu hẹp góc chiếu sáng NAL và thấu kính cho đèn dụ cá.
105
CHƢƠNG V. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ ĐÈN SKYLED TÍCH HỢP
THẤU KÍNH FO VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH THỰC TẾ
Trong chƣơng này chúng tôi sẽ trình bày kết quả thiết kế chế tạo các bộ đèn
LED chuyên dụng cũng nhƣ kết quả ứng dụng trong chiếu sáng nhân tạo.
Để chế tạo đƣợc các bộ đèn SkyLED có khả năng thƣơng mại hoá, chúng tôi
phải đƣa ra thiết kế tổng thể dung hoà các mặt khác nhau của một sản phẩm có lợi thế
cạnh tranh. Một trong các tính năng quan trọng khác ngoài khả năng phân bố đều ánh
sáng, chúng ta cần che chắn tất cả ánh sáng trực tiếp và tán xạ mạnh khỏi tầm mắt
ngƣời dùng. Tính năng này đạt đƣợc nhờ có kết cấu độc đáo của máng đèn kiêm tản
nhiệt và cũng là các điểm bảo hộ trong các sáng chế của chúng tôi. Một khía cạnh khác
của bộ đèn SkyLED là tuổi thọ của bộ đèn, nó không những phụ thuộc vào chất lƣợng
bộ nguồn và thanh LED mà còn đƣợc quyết định bởi nhiệt độ hoạt động của chúng.
Máng đèn do chúng tôi chế tạo có diện tích lớn, do đó năng lực tản nhiệt cao làm tăng
tuổi thọ của bộ đèn. Tính năng đổi màu trong các phƣơng án ƣu tiên khác nhau (3 màu
tuỳ biến) hay khả năng điều khiển màu sắc và độ sáng tuỳ biến cũng là một trong
những tuỳ chọn của sản phẩm.
Chúng tôi cũng đã đƣa ra giải pháp Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S (Sức khoẻ, Sung
sƣớng, Sáng tạo, Sinh sôi và Sống lâu), là một phƣơng án cụ thể hoá và phát triển xu
hƣớng Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm HCL hiện nay trên thế giới. Giải pháp
Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S lấy bầu trời ban ngày và nhịp điệu ngày đêm làm cơ sở thiết
kế. Giải pháp độc quyền của chúng tôi tạo ra bầu trời nhân tạo sử dụng các loại đèn
SkyLED của chúng tôi là hoàn toàn khác biệt và ƣu việt so với các giải pháp đang
đƣợc sử dụng và phát triển trên thế giới.
Để đáp ứng yêu cầu của Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S, chúng tôi đã phát triển các
loại đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL gắn tƣờng chiếu trần mô tả trong sáng chế [SC
7], đèn tích hợp thấu kính AL thả trần chiếu sáng gián tiếp, mô tả trong sáng chế [SC
8], đèn SkyLED thả trần chiếu sáng trực tiếp tích hợp thấu kính góc chiếu hẹp NAL,
mô tả trong sáng chế [SC 6], đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu sáng bảng, mô tả
trong giải pháp hữu ích [GPHI 11], đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL thả trần chiếu
106
sáng 3 phía, mô tả trong sáng chế [SC 9]. Một số phƣơng án thiết kế các bộ đèn LED
chuyên dụng khác cũng đƣợc chúng tôi đăng ký bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ nhƣ đèn
LED dụ cá [SC 10].
Chúng tôi tiến hành xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế để đánh giá
hiệu quả chiếu sáng nhƣ lớp học, phòng họp, căn hộ, nhà ở, cửa hàng, phòng khám
bệnh, đền chùa và bàn học chống cận thị.
5.1. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính biên dạng bất đối xứng
5.1.1. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL gắn tường chiếu trần
Nghệ thuật chiếu sáng là sự dung hòa giữa các nguồn sáng điểm (nhƣ mặt trời)
và nguồn sáng tản diện tích rộng (nhƣ bầu trời). Để chiếu sáng nội thất, giải pháp đƣợc
dùng rất phổ biến là sử dụng các bộ đèn huỳnh quang, đèn LED tube gắn ngang lên
tƣờng. Ánh sáng từ các bộ đèn này vừa chiếu trực tiếp lên đối tƣợng, vừa hắt lên trần
tạo ra nguồn sáng tản thứ cấp. Giải pháp này thƣờng gây chói lóa và mất tiện nghi cho
ngƣời sử dụng vì bóng đèn không đƣợc che chắn, hơn nữa, cƣờng độ chiếu sáng lên
trần ở khu vực gần đèn cao hơn hẳn so với khu vực xa đèn gây nên tƣơng phản rất lớn,
làm mất tiện nghi. Kết quả mô phỏng giải pháp này đã đƣợc trình bày trong chƣơng 4
và trong các công trình [CT 1] và [CT 2].
Để khắc phục hiện tƣợng chói lóa do ánh sáng phát ra trực tiếp từ nguồn sáng,
một giải pháp khác đƣợc nhiều ngƣời sử dụng là lắp đặt trần giả bằng thạch cao, với
hốc trần chạy xung quanh là nơi đặt đèn huỳnh quang hoặc đèn điôt phát quang dạng
ống để chiếu lên trần, tạo nguồn sáng tản. Tuy nhiên, hiện tƣợng suy giảm nhanh
cƣờng độ chiếu sáng theo khoảng cách vẫn không khắc phục đƣợc.
Một số tác giả đã đƣa các đề xuất về các bộ đèn chiếu lƣớt tƣờng (wall washing
lamp) sử dụng nguồn sáng LED tích hợp với thấu kính bất đối xứng nhằm tạo ra các
mảng tƣờng đƣợc chiếu sáng đồng đều hơn. Tuy nhiên khi sử dụng các thiết bị này để
chiếu trần thì vẫn chƣa hoàn toàn loại bỏ đƣợc hiện tƣợng chói lóa đồng thời chi phí
sản xuất cao do có kết cấu phức tạp.
Bộ đèn SkyLED gắn tƣờng chiếu trần do chúng tôi thiết kế và chế tạo [SC 7] sử
dụng nguồn sáng LED tích hợp với thấu kính bất đối xứng AL nhằm mục tiêu phân bố
107
lại ánh sáng, khắc phục các vấn đề chói lóa, mất tiện nghi của các loại đèn hiện có trên
thị trƣờng.
Cấu tạo của bộ đèn gắn tƣờng chiếu trần do chúng tôi thiết kế (Hình 5.1) gồm
có: Một mô đun LED (11) mô tả ở mục trên, đƣợc gài vào máng đèn kiêm hộp tản
nhiệt (12), ánh sáng phát ra từ gói LED (13) đƣợc chiếu qua thấu kính AL (14).
Máng đèn kiêm tản nhiệt (12) làm bằng nhôm, phủ sơn tĩnh điện ra ngoài để đề
phòng dò điện ra vỏ. Máng đèn đƣợc thiết kế sao cho chuỗi đèn điôt phát quang (13) và thấu kính (14) đều nghiêng đi một góc từ 60o đến 66o so với phƣơng nằm ngang, góc
thích hợp với việc chiếu sáng trần. Cánh (15) của máng đèn có tác dụng che chắn
không cho ánh sáng tán xạ trên mặt thấu kính khi bật đèn rơi vào mắt ngƣời dùng.
Cánh (15) đƣợc phủ sơn tĩnh điện màu trắng để phản xạ một phần chùm sáng có xu
hƣớng chiếu vào mắt ngƣời dùng lên trần. Máng đèn còn có một số chức năng khác là
chứa nguồn điện (16) để tăng độ kín IP; có rãnh chứa dây điện và các lỗ để cố định tấm
bịt đầu đèn. Đèn SkyLED đƣợc gắn vào tƣờng nhờ các vít định vị xuyên qua cánh treo
12
17
14
13
15
1
16
đèn (17).
Hình 5. 1. Cấu trúc 3D của bộ đèn SkyLED gắn tƣờng chiếu trần Hình 5. 2. Mặt cắt ngang bộ đèn SkyLED gắn tƣờng chiếu trần
Đèn SkyLED gắn tƣờng có 3 loại khác nhau: tích hợp mô đun LED và nguồn
nuôi 1 màu, nguồn nuôi 3 màu. Trong phƣơng án đã thực hiện, thấu kính bất đối xứng
phiên bản V1 đƣợc sản xuất hàng loạt và sử dụng cho cả 3 loại đèn SkyLED.
108
Hình 5. 3. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED một màu gắn tƣờng chiếu trần, CCT= 6500 K (trái) và CCT= 4300 K (phải) kết hợp hai gói LED 6500 K với 3000 K
Hình 5.3 là ảnh chụp thể hiện kết cấu của các đèn SkyLED một (nhiệt độ) màu.
Hình 5.3 bên trái là đèn SkyLED nhiệt độ màu CCT= 6500K, với các gói WLED 2835
Samsung LM 281BA+ và nguồn nuôi 18W cấp dòng ~300mA. Ta thấy rằng lối ra của
nguồn nuôi có hai dây xanh đỏ ứng với hai cực +/- của dãy LED (chƣa hàn). Nguồn
nuôi đƣợc cho vào ống nhựa để cách điện, sau đó đƣợc đặt vào hộp nhôm bảo vệ chống
nƣớc và bụi xâm nhập.
Hình 5.3 bên phải là ảnh chụp đèn SkyLED cấu tạo từ mô đun LED kết hợp hai
gói 6500K và 3000K. Nhiệt độ màu CCT tổng hợp đo đƣợc là 4300K, gần với màu sắc
của ánh sáng D65 từ bầu trời xuyên qua tán lá cây. Việc sử dụng hai gói LED 6500K
và 3000K xuất phát từ lý do giảm chi phí. Tại Việt nam, do quy mô thị trƣờng lớn của
gói LED 6500K (ánh sáng màu trắng lạnh) và gói LED 3000K (ánh sáng màu vàng
ấm), việc trộn hai gói LED này để đƣợc mô đun LED có nhiệt độ màu trung tính sẽ rẻ
hơn việc đặt mua gói LED 4500K hoặc 5000K. Cả hai loại LED này đều đƣợc kích
thích bằng BLED, vì vậy việc mắc nối tiếp và xen kẽ hai loại LED này hoàn toàn thoả
mãn các yêu cầu đặt ra.
Các thông số quang- điện của bộ đèn đƣợc tiến hành đo trên hệ đo quả cầu tích
phân Everfine tại Viện Khoa học vật liệu. Kết quả đo thể hiện trên Bảng 5.1 cho thấy,
các thông số của bộ đèn đều đạt các tiêu chuẩn quy định: nhiệt độ màu CCT 5054K với
độ lệch màu chuẩn (Standard Deviation Color Matching) SDCM~5; CRI=85, hiệu suất
quang E=97lm/W.
109
Công suất tiêu thụ của bộ đèn có thể thay đổi đƣợc từ 18W đến 22W, phụ thuộc
vào nhu cầu sử dụng, vào chất lƣợng gói LED, công suất nguồn nuôi và năng lực tản
nhiệt của máng đèn. Thiết kế máng đèn đảm bảo tản nhiệt hiệu quả cho đến 30W, do
diện tích phần cánh che sáng lớn hơn khoảng 2 lần so với máng đèn LED tube 1,2 m
thông thƣờng có công suất thay đổi từ 18W đến 22W. Để nâng công suất từ 18 lên tới
22W thì chỉ cần thay đổi dòng nuôi, đƣợc kiểm soát bởi một điện trở phản hồi trong
mạch nguồn. Tuy nhiên muốn nâng công suất lên hơn nữa phải xem xét khả năng chịu
dòng của dãy LED sử dụng đƣờng cong Derating đƣợc hãng Samsung cung cấp trong
Datasheet của gói LED. Với gói WLED LM281BA+, dòng hoạt động tối đa Im khuyến
cáo là 800mA, tƣơng đƣơng với 24W cho 100 gói LED. Tuy nhiên để nâng cao độ bền
theo chuẩn LM70 của đèn SkyLED, chúng tôi lựa chọn dòng hoạt động là 60mA cho
từng gói LED.
Đối với bộ đèn SkyLED đổi màu, 200 gói LED 6500 K và 3000 K đã đƣợc mắc
xen kẽ, không những cho chúng ta lựa chọn nhiệt độ màu phù hợp với từng hoàn cảnh,
mà còn nâng cao hiệu suất điện quang và tuổi thọ của thiết bị.
Bảng 5. 1. Kết quả đo thông số quang – điện cho bộ đèn SkyLED gắn tƣờng chiếu trần
Thông số
T T 1 CCT(K) SkyLED gắn tƣờng 6500 K 6500±300 SkyLED gắn tƣờng 4300 K 4300±200
SkyLED gắn tƣờng ba màu 6500±300; 4300±200; 3000±150.
>80
19±1
>1850 ~97 20±1 1800-2000 95-105
2 CRI 3 Công suất (W) 4 Quang thông (lm) 5 Hiệu suất (lm/W) 6 Kích thƣớc (mm3) 8 Trọng lƣợng (kg) >1800 ~95 1200*57*30 0,5
Phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn đƣợc chúng tôi tiến hành đo trên hệ đo
Goniophotometer tại Trung tâm đo lƣờng tiêu chuẩn Quatest I. Hình 5.4 là kết quả đo
phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn trên hệ tọa độ góc (bên trái) và trên hệ tọa độ vuông
góc (bên phải). Đƣờng cong màu đỏ biểu diễn cƣờng độ sáng trong mặt phẳng vuông
110
góc với trục thiết bị. Cƣờng độ sáng có giá trị cực đại tại góc ~ 12o, là hƣớng chiếu xa
nhất lên trần khi sử dụng bộ đèn gắn tƣờng chiếu trần.
Đƣờng cong màu xanh biểu diễn phân bố cƣờng độ sáng trong mặt phẳng nằm
ngang chứa trục thiết bị. Khi chiếu sáng một mảng trần rộng, các thiết bị chiếu sáng
đƣợc bố trí cả bốn phía xung quanh, các mảng sáng chồng chập lên nhau, tạo ra một
mặt trần phát sáng thứ cấp có phân bố độ chói đồng đều hơn nhiều so với giải pháp sử
dụng đèn LED tube hoặc LED thanh truyền thống.
Hình 5. 4. Kết quả đo phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn SkyLED gắn tƣờng biểu diễn trên toạ độ cực (trái) và toạ độ vuông góc
5.1.2. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL thả trần chiếu sáng gián tiếp
Các loại đèn thả trần hoặc ốp trần hiện nay chủ yếu là các nguồn sáng trực tiếp
chiếu thẳng vào mắt ngƣời sử dụng gây nên hiện tƣợng chói lóa và mất tiện nghi. Một
số loại đèn chùm thả trần sử dụng chao chụp chắn ánh sáng trực tiếp có nhƣợc điểm là
chỉ chiếu sáng cục bộ đƣợc khu vực gần đèn, nhất là khi khoảng cách từ đèn lên đến
trần hạn chế, hơn nữa các chi tiết phức tạp của bộ đèn chùm còn cắt vụn các chùm
sáng, gây lên sự bất đồng đều ánh sáng nghiêm trọng.
Để giải quyết vấn đề chiếu gián tiếp giảm chói lóa cho các loại đèn treo trần, tác
giả Katherina đã đƣa ra giải pháp tích hợp hai nguồn sáng riêng biệt để chiếu sáng
xuống dƣới và lên trần [52, 110]. Gordon L. và các cộng sự đƣa ra kết cấu đèn chiếu
tƣờng tích hợp thấu kính bất đối xứng và phần tử cơ khí có khả năng điều chỉnh góc
chiếu [53] nhằm mục đích chiếu sáng các mảng tƣờng rộng. Các giải pháp này đều sử
111
dụng các thiết bị có kết cấu phức tạp và khó sử dụng, không đƣợc thiết kế để treo lên
trần.
Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo bộ đèn SkyLED mới sử dụng nguồn sáng LED
tích hợp thấu kính bất đối xứng có nhiều ƣu điểm khi chiếu sáng trần nhà. Bộ đèn
SkyLED thả trần chiếu sáng gián tiếp đã đƣợc chúng tôi đăng ký sở hữu trí tuệ [SC 8]
và đã đƣợc chấp nhận đơn, là giải pháp mở rộng phạm vi chiếu sáng so với bộ đèn
SkyLED gắn tƣờng chiếu trần.
Tƣơng tự nhƣ bộ đèn SkyLED gắn tƣờng chiếu trần, bộ đèn LED thả trần chiếu
sáng gián tiếp có kế cấu hoàn toàn mới (Hình 5.5; Hình 5.6) gồm có: hai mô đun LED
(11) gài vào hai phía của máng đèn kiêm hộp tản nhiệt (13, 17), ánh sáng phát ra từ hai
chuỗi LED (13) đƣợc chiếu qua hai thấu kính AL (14). Máng đèn (13, 17) kiêm chức
năng tản nhiệt và hộp chứa nguồn đƣợc làm bằng nhôm, phủ sơn tĩnh điện màu trắng
để tán xạ ánh sáng và cách điện tốt hơn. Các khe cài linh kiện trên máng đèn đƣợc thiết
kế sao cho các chuỗi điôt phát quang (12) và các thấu kính (14) đều nghiêng đi một góc từ 60o đến 66o so với phƣơng nằm ngang, góc thích hợp với việc chiếu sáng trần. Hai
cánh (15) của máng đèn có tác dụng che chắn không cho ánh sáng từ LED và tán xạ
trên mặt thấu kính chiếu vào mắt ngƣời dùng. Cánh (15) đƣợc phủ sơn tĩnh điện màu
trắng để phản xạ một phần chùm sáng có xu hƣớng chiếu vào mắt ngƣời dùng lên trần.
Máng đèn còn có một số chức năng khác là chứa nguồn điện (16) để tăng độ kín IP; có
rãnh chứa dây điện và các lỗ để cố định tấm bịt đầu đèn. Đèn SkyLED đƣợc treo lên
trần nhờ các thanh treo đèn (18).
Hình 5. 5. Cấu trúc 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp. Hình 5. 6. Mặt cắt ngang bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp.
112
Đèn SkyLED thả trần có 3 loại khác nhau: tích hợp mô đun LED và nguồn nuôi
1 màu, 3 màu. Trong phƣơng án đã thực hiện, thấu kính bất đối xứng phiên bản V1
đƣợc sản xuất hàng loạt và sử dụng cho cả 3 loại đèn SkyLED thả trần. Tổng công suất
của cả bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp là 36W.
Hình 5. 7. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED thả trần chiếu gián tiếp một màu CCT= 6500 K (trái) và ba màu CCT= 6500 K, 4300 K và 3000K (phải)
Hình 5.7 là ảnh chụp thể hiện kết cấu của các đèn SkyLED một (nhiệt độ) màu.
Hình 5.7 bên trái là đèn SkyLED nhiệt độ màu CCT= 6500K, với các gói WLED 2835
Samsung LM 281BA+ và nguồn nuôi 36W cấp dòng ~600mA. Ta thấy rằng lối ra của
nguồn nuôi có hai dây xanh đỏ ứng với hai cực +/- của dãy LED (chƣa hàn). Nguồn
nuôi đƣợc cho vào ống nhựa để cách điện, sau đó đƣợc đặt vào hộp nhôm bảo vệ chống
nƣớc và bụi xâm nhập.
Hình 5. 8. Biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng bộ đèn SkyLED thả trần và ảnh chụp 04 bộ đèn thả trần ghép thành hình vuông
113
Phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn đƣợc chúng tôi tiến hành đo trên hệ đo
Goniophotometer tại Trung tâm R&D Chiếu sáng, Công ty CP Bóng đèn phích nƣớc
Rạng Đông. Hình 5.8 là biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng trong các mặt phẳng chính của
bộ đèn thả trần. Đƣờng cong (41, 42) biểu diễn cƣờng độ sáng trong mặt phẳng đứng vuông góc với trục đèn. Cƣờng độ sáng có giá trị cực đại ở góc 10o và 170o so với mặt
ngang, là hƣớng chiếu xa nhất lên trần. Vùng (42) trên đƣờng cong phân bố cƣờng độ
sáng tƣơng ứng với khu vực chiếu gần, vì vậy cƣờng độ chùm sáng yếu tạo ra độ rọi
đồng đều trên trần. Đƣờng cong (43) biểu diễn cƣờng độ sáng trong mặt phẳng ngang, song song với trần nhà, cho ta thấy một vùng sáng rộng với góc mở khoảng 1100. Các
đƣờng phân bố cƣờng độ này đại diện cho đèn thả trần kích thƣớc nhỏ so với khoảng
cách cần chiếu sáng. Trên thực tế khi kích thƣớc dài của đèn so sánh đƣợc với khoảng
cách cần chiếu sáng, phân bố độ rọi trên trần sẽ đều hơn tƣơng ứng với sự chồng chập
của nhiều gói LED kết hợp thành chuỗi LED.
Các thông số quang điện đo đƣợc thể hiện trong Bảng 5.2.
Bảng 5. 2. Kết quả đo thông số quang – điện cho bộ đèn SkyLED thả trần
Thông số
T T 1 CCT(K) SkyLED thả trần 6500 K 6500±300 SkyLED thả trần 4300 K 4300±200
SkyLED thả trần ba màu 6500±300; 4300±200; 3000±150.
>80
38±1
>3900 ~97 40±1 3800-4000 95-105
2 CRI 3 Công suất (W) 4 Quang thông (lm) 5 Hiệu suất (lm/W) 6 Kích thƣớc (mm3) 8 Trọng lƣợng (kg) >3800 ~95 1200*80*30 0,9
Ảnh chụp trần nhà đƣợc gắn bộ 4 đèn SkyLED thả trần (Hình 5.8) cho thấy,
phân bố độ chói trên trần nhà rất tự nhiên, với độ chói phần trung tâm cao nhất, giảm
một cách từ từ về 4 phía. Độ rọi đo đƣợc trên mặt bàn làm việc khi sử dụng bộ đèn vuông để chiếu sáng cho phòng làm việc diện tích 20 m2 thay đổi từ 450 lux đến 550
lux tuỳ theo màu sắc. Chỉ số UGR<13 theo tính toán bằng phần mềm Dialux cho hƣớng nhìn bất lợi nhất là nhìn lên trần. Hệ số năng lƣợng sử dụng là 8 W/m2, nhỏ hơn
114
quy chuẩn Việt nam 13 W/m2 trong khi độ rọi lớn hơn tiêu chuẩn TCVN 7114 là 300
lux cho chiếu sáng lớp học.
5.1.3. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL và NAL thả trần chiếu 3 phía
Bộ đèn SkyLED thả trần chiếu 3 phía (gọi tắt là bộ đèn P3D- LED Pendant
Three Directional LED) là giải pháp kết hợp tính năng chiếu sáng trực tiếp và gián tiếp,
đồng thời loại bỏ hiện tƣợng chói loá gây ra bởi ánh sáng trực tiếp. Đây sẽ là xu hƣớng
thiết kế chủ yếu cho các bộ đèn LED trong tƣơng lai gần, kết hợp tính năng của hai giải
pháp chiếu sáng. Điểm khác biệt quan trọng của chúng tôi là việc sử dụng hai loại thấu
kính bất đối xứng AL cho chiếu sáng gián tiếp và thấu kính NAL góc chiếu hẹp để
phân bố lại hƣớng chiếu. Giải pháp tích hợp này đã đƣợc chúng tôi đăng ký sở hữu trí
tuệ mô tả trong [GPHI 6] và [SC 9], đã đƣợc chấp nhận đơn.
Giải pháp hữu ích [GPHI 6] đề xuất một kết cấu đèn LED có góc chiếu sáng hạn chế dƣới 80o, đồng thời tạo ra phân bố độ rọi đồng đều trên mặt bàn, nhằm tiết kiệm
năng lƣợng, chống chói lóa cho học sinh khi nhìn bảng, góp phần giảm tỷ lệ mắc tật
14
13
15
11
12
17
khúc xạ.
Hình 5. 9. Kết cấu 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu sáng góc hẹp và biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng [GPHI 6]
Nhằm đạt đƣợc mục đích nêu trên, chúng tôi đã đƣa ra một thiết kế thấu kính trụ
đƣợc cắt theo hình dạng đặc biệt, tạo ra tính năng tái phân bố chùm sáng có góc mở <80o để che chắn các tia sáng chiếu trực tiếp vào mắt học sinh khi nhìn bảng. Kết cấu
115
thấu kính góc chiếu hẹp NAL đã đƣợc chúng tôi mô tả trong mục 4.3.2, theo đó chùm
sáng đƣợc tách ra làm hai phần và đƣợc thu hẹp lại. Thấu kính này sau đó đƣợc tích
hợp vào bộ đèn LED chiếu sáng góc hẹp có kết cấu mô tả trên Hình 5.9, theo đó mô
đun LED (11) đƣợc gài vào vào máng đèn kiêm tản nhiệt (12). Cánh (15) của máng đèn còn có tác dụng che chắn các tia sáng chiếu trực tiếp (góc ±70o) vào mắt học sinh
khi nhìn bảng, nhƣ đƣợc vẽ trên biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng của thấu kính NAL
(Hình 5.9). Bộ đèn LED tích hợp thấu kính chế tạo NAL có thể tăng đƣợc độ rọi so với
bộ đèn LED không sử dụng thấu kính. Hơn nữa, nếu bố trí hợp lý chỉ số hạn chế độ
chói UGR dễ dàng đạt đƣợc tiêu chuẩn chiếu sáng tiện nghi cao (<16).
Sáng chế [SC 9] đề xuất một bộ đèn SkyLED thả trần chiếu 3 phía, là giải pháp
kết hợp tính năng chiếu sáng trực tiếp của bộ đèn LED do [GPHI 6] đề xuất, và tính
năng chiếu sáng gián tiếp của bộ đèn SkyLED do [SC 8] đề xuất.
Hình 5. 10. Kết cấu 3D của bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu sáng 3 phía
116
Tƣơng tự nhƣ bộ đèn SkyLED thả trần, bộ đèn P3D-LED thả trần chiếu sáng ba
phía có kết cấu hoàn toàn mới (Hình 5.10) gồm có: ba mô đun LED (21) gài vào ba
phía của máng đèn kiêm hộp tản nhiệt (27), ánh sáng phát ra từ ba mô đun LED (21)
đƣợc chiếu qua hai thấu kính AL (24) và thấu kính (28). Máng đèn (27) kiêm chức
năng tản nhiệt và hộp chứa nguồn đƣợc làm bằng nhôm, phủ sơn tĩnh điện màu trắng
để tán xạ ánh sáng và cách điện tốt hơn. Các cánh (25, 29) của máng đèn có tác dụng
che chắn không cho ánh sáng trực tiếp từ các gói LED và ánh sáng tán xạ trên mặt thấu
kính chiếu vào mắt ngƣời dùng. Máng đèn (27) đƣợc phủ sơn tĩnh điện màu trắng để
phản xạ một phần chùm sáng có xu hƣớng chiếu vào mắt ngƣời dùng lên trần. Máng
đèn còn có một số chức năng khác là chứa nguồn điện (26) để tăng độ kín IP; có rãnh
chứa dây điện và các lỗ để cố định tấm bịt đầu đèn. Đèn P3D- SkyLED đƣợc treo lên
Hình 5. 11. Mô phỏng biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu sáng ba phía trong toạ độ cực và không gian 3D
trần nhờ các thanh treo đèn (210).
Hình 5.11 là hình vẽ mô phỏng biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn P3D-
SkyLED trong toạ độ cực, theo đó 2/3 lƣợng sáng đƣợc chiếu lên trần, tạo thành nguồn
sáng thứ cấp không chói loá, còn 1/3 chiếu sáng trực tiếp vào đối tƣợng, tạo hiệu ứng
3D. Bộ đèn P3D- SkyLED thả trần do sáng chế đề xuất loại bỏ triệt để hiện tƣợng chói
lóa nhờ phần lớn ánh sáng chiếu gián tiếp phối hợp với các cánh chắn ánh sáng trực
tiếp (25, 29), mà không có giải pháp nào trong các sáng chế trƣớc đây đạt đƣợc.
117
Giải pháp sử dụng đèn P3D- SkyLED thả trần do sáng chế [SC-9] đề xuất còn
tạo ra một vùng trần phát sáng thứ cấp rộng có phân bố độ chói đồng đều cao hơn hẳn
các giải pháp bộc lộ trong các sáng chế khác.
5.1.4. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu bảng
Đèn LED chiếu sáng bảng đƣợc chúng tôi nghiên cứu chế tạo theo thiết kế mô
tả trong [GPHI 11], gồm có máng đèn kiêm tản nhiệt (12) làm bằng nhôm, phủ sơn tĩnh
điện [Hình 5.12], có khe gài cho mô đun LED, tƣơng tự nhƣ máng đèn LED tube.
Máng đèn còn có một số chức năng khác là chứa nguồn điện (16) để tăng độ kín IP.
Mô đun LED (11) sử dụng các gói LED Samsung LM281 BA+ đƣợc gài vào khe
máng. Thấu kính bất đối xứng AL mô tả trong mục 4.3.1.
Hình 5. 12. Thiết kế đèn LED chiếu bảng tích hợp thấu kính AL cho Công ty Rạng Đông. Hình 5. 13. Phân bố cƣờng độ sáng đèn LED chiếu bảng trên mô phỏng ba chiều bằng Dialux Evo.
Khác với kết cấu đƣợc mô tả để bảo hộ quyền sở hữu tí tuệ, thiết kế đèn chiếu
bảng để đƣa vào sử dụng thực tế có nhiều chi tiết phụ trợ hơn, nhƣ một phần đƣợc vẽ
trên Hình 5.12. Máng đèn đèn kiêm tản nhiệt (12) không những có khe gài cho mô đun
LED, mà còn có khe gài cho thấu kính bất đối xứng AL. Trên máng đèn (12) còn có
một vây nhỏ (13) chắn ánh sáng trực tiếp từ gói LED vào mắt ngƣời sử dụng. Thấu
kính bất đối xứng AL phiên bản V1 (mô tả trong mục 4.3.1) đã đƣợc sử dụng để chế
tạo khoảng 2000 sản phẩm đèn chiếu bảng. Mô đun LED sử dụng cho đèn chiếu bảng
đƣợc chế tạo từ các gói LED LM281BA+ có CCT=6500 K. Nguồn nguôi sử dụng cũng
là loại nguồn chung với các loại đèn SkyLED cho đèn một (nhiệt độ) màu.
118
Bộ đèn LED chiếu sáng bảng sử dụng thấu kính bất đối xứng sau khi chế tạo đã
đƣợc chúng tôi đem đi đo đạc các thông số quang – điện trên hệ đo quả cầu tích phân
Everfine tại Viện Khoa học vật liệu và đƣờng phân bố cƣờng độ sáng tại Trung tâm
R&D chiếu sáng của Công ty Rạng Đông. Kết quả đo đạc thông số quang điện tƣơng
tự với kết quả đo bộ đèn SkyLED gắn tƣờng chiếu trần (Bảng 5.1) với nhiệt độ màu
CCT=6500K.
Hình 5. 14. Kết quả mô phỏng phân bố độ rọi trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo. Hình 5. 15. Hình ảnh mô phỏng chiếu sáng trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo.
Chúng tôi đã sử dụng phần mềm Dialux để mô phỏng hiệu quả chiếu sáng các
lớp học, phối hợp sử dụng đèn LED chiếu bảng với đèn SkyLED chiếu trần (Hình
5.13). Bản đồ độ rọi trên mặt bảng đƣợc vẽ trên Hình 5.14, ta thấy phân bố cƣờng độ
sáng đồng đều hơn các giải pháp thông thƣờng, đồng thời nâng cao độ rọi trung bình
chiếu lên mặt bảng. Hình ảnh mô phỏng chiếu sáng trên mặt bảng đen bằng phần mềm
Dialux Evo (Hình 5.15) cho chúng ta thấy độ đồng đều của độ chói trên mặt bảng cũng
tốt hơn, phù hợp với kết quả quan sát bằng mắt trên các công trình đã lắp đặt.
Đèn LED có phân bố cƣờng độ sáng bất đối xứng hạn chế chói loá hiệu quả, đạt
tiêu chuẩn TCVN 7118 về UGR=19. Đèn LED do đề tài thiết kế còn tiết kiệm năng
lƣợng do ánh sáng hoàn toàn chiếu lên đối tƣợng, không bị lãng phí. Kết cấu bộ đèn
LED tích hợp thấu kính bất đối xứng đã đƣợc nộp đơn xin bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ
và đã đƣợc chấp nhận đơn hợp lệ [GPHI 11]. Các kết quả này cũng đã đƣợc báo cáo
trong công trình [CT 4].
119
Với các ƣu điểm này, Công ty Rạng Đông đã đƣa vào thƣơng mại hoá, theo đó,
hơn 2000 bộ đèn đã đƣợc lắp đặt trong các lớp học và đang tiếp tục đƣợc nhân rộng.
5.1.5. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu sáng dụ cá
Trong thời gian gần đây có nhiều công trình nghiên cứu nhằm cải tiến đèn dụ cá
đã đƣợc công bố. Năm 2012, SC Shen và đồng nghiệp đã đƣa ra phƣơng pháp LIDC để
thiết kế đèn LED dụ cá [54]. Năm 2015, Min Fen Lai và cộng sự đã đƣa ra một cấu
trúc thấu kính đa vùng cho một loại đèn LED sử dụng để chiếu sáng lên boong tàu và
xuống mặt biển để dụ cá [55]. Để có thể kiểm soát độ rọi và cấu trúc phổ của các vùng
mặt biển chiếu sáng gần, trung bình và xa, nhóm tác giả Nhật Bản đã đƣa ra một kết
cấu 3 tầng đèn LED với góc phân bố cƣờng độ sáng và phổ ánh sáng khác nhau. Tuỳ
theo tập tính của từng loài hải sản, màu sắc của nguồn sáng cũng nhƣ góc chiếu sáng
đƣợc chọn lựa phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả đánh bắt. Tuy nhiên, ngƣ dân và nhà
sáng chế chƣa đủ năng lực để điều chỉnh các vùng sáng chồng chập lên nhau một cách
trơn tru, không làm cá hoảng sợ dẫn đến tan đàn [56]. Yêu cầu dẫn dụ cá đến gần tàu
đòi hỏi thể tích khối nƣớc đƣợc chiếu sáng là lớn nhất, tức là chiếu sáng phải vừa đi xa,
vừa tản rộng và vừa sâu, tùy theo tập tính của mỗi loài cá. Tính toán cho thấy rằng khi
sử dụng nguồn ánh sáng có cùng lƣợng quang thông, hiệu quả chiếu sáng cao nhất khi
ánh sáng không chiếu lãng phí lên trời hoặc lên boong tàu, ngoài ra khi đèn treo cao,
phân bố đội rọi trên mặt biển theo khoảng cách sẽ đồng đều hơn.
Trong công trình [CT 5], chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo một bộ đèn LED
dẫn dụ cá công suất cao tích hợp thấu kính bất đối xứng hoàn toàn mới có tác dụng
chiếu sáng rộng, chiếu xa với phân bố độ rọi tăng dần khi tiến lại gần tàu, có tác dụng
dẫn dụ đàn cá đến gần tàu để dễ dàng đánh bắt.
Bộ đèn LED dẫn dụ cá tích hợp thấu kính bất đối xứng (FAL LED Fishing
Asymmetric Lens LED) do chúng tôi thiết kế có kết cấu nhƣ trên Hình 5.16 bao gồm:
một mảng nhiều dãy LED mắc song song với nhau hàn dán lên trên tấm mạch in nhôm;
một bộ tản nhiệt; một mảng nhiều thấu kính có cấu trúc bất đối xứng (AL-
Asymmetric Lens) ghép song song với nhau; một vỏ đèn trong suốt bảo vệ chống xâm
nhập bụi và nƣớc; một bộ nguồn nuôi cùng với các phụ kiện khác.
120
Hình 5. 16. Hình ảnh thiết kế bộ đèn FAL LED tích hợp thấu kính bất đối xứng dẫn dụ cá
Mảng LED đƣợc cấu tạo từ các gói LED có nhiệt độ màu thích hợp (CCT từ
4000K đến 6500K), đƣợc hàn dán lên trên tấm mạch in bằng vật liệu nhôm có độ dẫn
nhiệt cao. Mảng LED đƣợc cố định đế tản nhiệt sử dụng keo dẫn nhiệt để giảm nhiệt
trở. Trong phƣơng án này, tản nhiệt đƣợc làm lạnh bằng nƣớc biển với đế nhôm anốt
hoá bề mặt và phủ sơn tĩnh điện ra ngoài để bảo vệ chống ăn mòn. Quá trình trao đổi
nhiệt với nƣớc biển đƣợc thực hiện thông qua bộ trao đổi nhiệt ống ruột gà bằng đồng
đỏ. Nguồn điện nuôi mảng LED với chỉ số chống xâm nhập IP cao (IP66) đƣợc cố định
lên phía sau bộ tản nhiệt. Ánh sáng phát ra từ dãy LED sẽ đƣợc chiếu qua vỏ đèn trong
suốt có tác dụng bảo vệ chống xâm nhập bụi và nƣớc, thông qua gioăng bảo vệ bẳng
silicone. Góc chiếu của bộ đèn LED so với pháp tuyến của mặt biển có thể điều chỉnh
phù hợp thông qua quai treo và ốc cố định.
Trong một nguyên mẫu thí nghiệm, mảng LED có kích thƣớc 186mm x 128mm
gồm có 234 gói LED Samsung LM302B chia làm 18 dãy LED mắc song song (về
mạch điện), mỗi dãy LED gồm 13 gói LED mắc nối tiếp. Các gói LED trắng có kích
thƣớc 3mm*3mm, điện áp hoạt động mỗi gói 6V, dòng nuôi mỗi gói LED đƣợc lựa
chọn là 180 mA, nhiệt độ màu CCT là 4000K và hệ số hoàn màu CRI khoảng 80. Thấu
kính trụ bất đối xứng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp ép phun nhiệt có kích thƣớc dài
165mm, rộng 120mm nhƣ mô tả trên mục 4.3.3. Vật liệu quang học đƣợc lựa chọn để
121
chế tạo thấu kính là nhựa Polycarbonat (PC) có độ trong suốt cao và nhiệt độ hoạt động
≤ 115oC. Nguồn nuôi cấp dòng tổng cộng cho mảng LED là 3,24A, sụt áp 75V, tổng
công suất tiêu thụ của cả bộ đèn là 252W. Ký hiệu nguyên mẫu này là FAL LED. Đặc
điểm chung của đèn LED dẫn dụ cá là sử dụng trong môi trƣờng biển, do đó bên cạnh
việc chống ăn mòn cho các linh kiện chế tạo thì cần có chỉ số bảo vệ IP66, tức là khả
năng chống bụi xâm nhập và chịu đƣợc áp lực nƣớc thấp từ mọi hƣớng. Để bảo vệ
chống xâm nhập cho các gói LED chúng tôi đã sử dụng nắp che (cover trong suốt)
bằng PC kết hợp với gioăng silicone.
Bộ đèn LED dụ cá công suất cao tích hợp thấu kính bất đối xứng do chúng tôi
chế tạo đƣợc đem đi khảo sát các thông số điện – quang tại hệ đo quả cầu tích phân tại
Viện Khoa học vật liệu. Bảng 5.3 là kết quả đo các thông số quang – điện của bộ đèn
LED dụ cá.
Bảng 5. 3. Thông số điện – quang của bộ đèn LED dụ cá
1 Nhiệt độ màu tƣơng quan CCT (K)
3900
2 Chỉ số hoàn màu CRI
84
3 Công suất (W)
250
4 Quang thông (lm)
32000
5 Hiệu suất quang (lm/W)
128
Phân bố quang của bộ đèn LED dẫn dụ cá sử dụng thấu kính bất đối xứng đƣợc
đo đạc trên hệ đo Goniophotometer tại Trung tâm R&D Chiếu sáng Rạng Đông. Hình
5.17 là biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng theo góc của hai loại đèn FAL LED và đèn LED không tích hợp thấu kính, vẽ trên tọa độ cực. Tại góc 15o, cƣờng độ sáng của đèn
FAL có giá trị lớn nhất, vào khoảng gấp 2 lần cƣờng độ sáng của đèn LED không thấu
kính. Phân bố bố cƣờng độ sáng của bộ đèn LED đƣợc đo trên 24 mặt phẳng, cách nhau 15o kinh tuyến, sau đó kết quả đƣợc kết xuất dƣới định dạng IES, là định dạng 3D
sử dụng để mô phỏng môi trƣờng chiếu sáng dùng phần mềm Dialux hoặc các phần
mềm mô phỏng chiếu sáng tƣơng đƣơng.
122
Hình 5. 17. So sánh phân bố cƣờng độ sáng theo góc của đèn FAL LED với đèn LED thông thƣờng Hình 5. 18. Mô phỏng tàu cá chiếu sáng bởi 6 đèn LED 250W (trái) và 6 đèn MH 1270W (phải)
Để so sánh phân bố độ rọi khi sử dụng 6 đèn FAL LED (quang thông 32000lm)
với 6 đèn MH 1270W (quang thông 110000lm), chúng tôi đã sử dụng phần mềm
Dialux mô phỏng hình ảnh chiếu sáng trên mặt biển (Hình 5.18). Tàu cá có chiều dài
15m, rộng 3m, đặt giữa trung tâm của vùng cần chiếu sáng rộng 100m, dài 50m. Hai
loại đèn đƣợc treo hai bên ở chiều cao 3m so với mặt biển, với phân bố cƣờng độ sáng
3D hình quả táo (đối với đèn MH), và hình trái tim dẹt đối với đèn FAL LED. Kết quả
cho thấy đèn FAL LED hiệu quả hơn ở xa tàu, ít sáng hơn và không chiếu lên boong
tàu, hạn chế tác hại về thị giác và sức khoẻ cho ngƣ dân.
Để kết luận, chúng tôi đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công bộ đèn LED
dụ cá tích hợp thấu kính bất đối xứng nhằm phân phối lại ánh sáng đƣa ánh sáng đi xa
nguồn sáng, tăng diện tích mặt biển đƣợc chiếu sáng, từ đó tăng vùng thể tích nƣớc dẫn
dụ cá. Để có phân bố độ rọi trên mặt biển tƣơng đƣơng với 1 đèn MH 1270W cần phải
sử dụng 1,5 đèn FAL LED 150W (225W), tiết kiệm 82% điện năng.
Chiếu sáng sử dụng đèn FAL LED bảo vệ thị lực và sức khoẻ của ngƣ dân do
không chiếu lên boong tàu và mắt ngƣ dân. Chiếu sáng sử dụng đèn FAL LED bảo vệ
môi trƣờng tốt hơn đèn MH do tiết kiệm điện năng.
5.2. Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S (5S Human Centric Lighting).
Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL-Human Centric Lighting) là một
xu hƣớng chiếu sáng mới đƣợc tất cả các nhà khoa học, kiến trúc sƣ và các nhà sản
xuất nguồn sáng LED tập trung phát triển, nhƣ đã mô tả trong phần tổng quan. Chúng
123
tôi đã xác định 5 mục tiêu cụ thể hơn cho HCL và đặt tên là Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S
(Sức khoẻ, Sung sƣớng, Sáng tạo, Sinh sôi và Sống lâu). Giải pháp Chiếu sáng Dƣỡng
sinh 5S do nhóm chúng tôi phát triển tạo ra môi trƣờng ánh sáng trong nhà giống với
bầu trời ban ngày. Phƣơng tiện để tạo ra hệ thống này chủ yếu bao gồm các loại đèn
SkyLED thông minh tích hợp thấu kính bất đối xứng AL, có khả năng điều khiển nhiệt
độ màu và độ rọi theo nhịp ngày đêm. Khi chiếu sáng trần nhà thể tạo ra trần nhà phát
sáng có góc khối chiếu sáng lớn, tƣơng tự nhƣ bầu trời tự nhiên. Phổ ánh sáng tổng hợp
có thể đƣợc điều chỉnh không những từ nguồn sáng SkyLED thông minh, mà còn phối
hợp với cảnh quan bằng cách sử dụng công nghệ in UV lên vải và dán lên trần thạch
cao trần tƣờng. Sự thay đổi cƣờng độ và CCT theo nhịp sinh học ngày đêm đƣợc thực
hiện dễ dàng khi chúng ta sử dụng nguồn nuôi lập trình để điều khiển riêng biệt các
kênh 6500K và 3000K và sử dụng trần nhƣ một bộ trộn ánh sáng.
Xác định các thông số đặc trưng của môi trường ánh sáng
Để làm tiêu chí cho môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo, chúng tôi đã tiến hành
nghiên cứu đặc trƣng của môi trƣờng chiếu sáng tự nhiên bao gồm cƣờng độ ánh sáng,
cấu trúc phổ ánh sáng, phân bố ánh sáng, và màu sắc bề mặt xung quanh. Từ kinh
nghiệm của các kiến trúc sƣ, các kết quả nghiên cứu về môi trƣờng sống, về tác động
của ánh sáng với của hệ thống thị giác và sinh lý của con ngƣời, chúng tôi đã lựa chọn
các thông số đặc trƣng nhất cho giải pháp Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S của chúng tôi.
Lƣợng ánh sáng: Mặc dù độ rọi không phải là thông số đại diện cho lƣợng ánh
sáng đi vào mắt ngƣời trong ngày, nhƣng vì đo độ rọi là một phép đo phổ thông nhất
trong các tiêu chuẩn chiếu sáng, cho nên chúng tôi cũng sẽ sử dụng tiêu chuẩn này để
tham chiếu. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7114 quy định độ rọi tối thiểu trong chiếu
sáng lớp học là 300 lux, còn đối với các hoạt động tinh tế hơn, có thể lên tới 500 lux.
Chúng tôi lựa chọn độ rọi từ 500 lux đến 1000 lux cho môi trƣờng chiếu sáng Dƣỡng
sinh 5S dựa trên 2 lý do. Thứ nhất là độ rọi ban ngày trong vƣờn cây rất cao
(2.000÷10.000 lux). Thứ hai là độ rọi cao làm giảm kích thƣớc đồng tử, hiệu ứng cầu
sai, hạn chế nguy cơ mắc các tật khúc xạ, bảo vệ thị lực của học sinh.
124
Cấu trúc phổ ánh sáng: Ánh sáng có nhiệt độ màu CCT=6500K của bầu trời
giữa trƣa đƣợc coi là ánh sáng tiêu chuẩn D65 để đánh giá màu sắc, còn CCT= 3000K
đƣợc một số ngƣời sử dụng ƣa thích với cảm giác ánh sáng ấm, giống màu của đèn sợi
đốt đã trở nên quen thuộc. Trong quá trình tiến hoá, con ngƣời chủ yếu sống trong
vƣờn cây và trên đồng cỏ, vì vậy phổ ánh sáng D65 hay 3000 K từ bầu trời đi xuống đã
bị thay đổi sau khi tán xạ qua môi trƣờng xung quanh. Chúng tôi đã trình bày kết quả
nghiên cứu này trong công trình [102] và thấy rằng, màu sắc trần, tƣờng, sàn và đồ đạc
trong phòng nếu chọn lựa giống với tự nhiên nhất sẽ nâng cao sức khoẻ và sự sáng tạo.
Giải pháp của chúng tôi là sử dụng các bộ đèn SkyLED đổi 3 màu hoặc SkyLED thông
minh thay đổi liên tục màu sắc và cƣờng độ trong phòng.
Phân bố ánh sáng: Các tiêu chuẩn chiếu sáng quốc gia và quốc tế mới chỉ đề cập
đến phân bố độ rọi trên mặt làm việc sao cho đồng đều nhất mà chƣa hề đề cập đến
phân bố độ chói của nguồn sáng. Tiêu chuẩn duy nhất để đánh giá mức độ tiện nghi là
chỉ số hạn chế chói loá UGR chúng tôi đã đề cập đến trong phần tổng quan. Chiếu sáng
Dƣỡng sinh 5S đƣa ra giải pháp đột phá tạo ra nguồn sáng thứ cấp có góc khối chiếu
sáng rộng (~π sr) xóa bóng của mọi vật và chỉ cần có độ chói thấp vẫn đảm bảo lƣợng
sáng cao.
Màu sắc các bề mặt xung quanh: Giá trị độ rọi chỉ là phƣơng tiện trung gian
trong kỹ thuật chiếu sáng, bởi vì chúng ta chỉ quan sát đồ vật xung quanh khi đƣợc
chiếu sáng, chứ không phải nhìn trực tiếp vào nguồn sáng. Màu sắc và hệ số phản xạ
của các bề mặt sẽ làm thay đổi những gì mắt chúng ta thu nhận đƣợc. Chúng tôi lựa
chọn các màu sáng cho trần, tƣờng, đồ đạc theo tiêu chí sau: hệ số phản xạ R~70%-
90% cho trần, R~60%-80% cho tƣờng và R~30%-60% cho sàn và các đồ đạc khác.
Các tiêu chí này đƣợc khuyến cáo bởi các hiệp hội chiếu sáng CIE, IES bởi nhiều lý
do, từ kết quả nghiên cứu khoa học thấy rằng, mắt ngƣời nhạy cảm với phân bố ánh
sáng tự nhiên và từ kinh nghiệm đúc rút của các nhà kiến trúc (ánh sáng từ phía trên=
ánh sáng thiên giới; ánh sáng ngang= ánh sáng nhân gian; ánh sáng dƣới lên= lửa địa
ngục). Các màu tối tăm chỉ để tạo điểm nhấn hoặc quảng cáo. Môi trƣờng tối tăm
không có tác dụng bảo vệ mắt, kích thích sáng tạo hay dƣỡng sinh.
125
Hình 5. 19. Kịch bản HCL cho công sở, CCT cao nhất lúc 10 giờ; cƣờng độ cao nhất lúc 12 giờ Hình 5. 20. Ảnh chụp phòng làm việc chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S
Nhịp ngày đêm: Để tạo nhịp ngày đêm nhƣ các giải pháp của các nhà sản xuất
nguồn sáng LED theo xu hƣớng HCL đề xuất, chúng tôi cũng sử dụng các nền tảng kết
nối và điều khiển thông minh để chiếu sáng động với nhiều gói sản phẩm khác nhau.
Một trong các kịch bản Chiếu sáng Dƣỡng sinh đƣợc chúng tôi lắp đặt thử nghiệm
đƣợc thể hiện trong Hình 5.20, theo đó nhiệt độ màu CCT đạt đỉnh lúc 10h; cƣờng độ
sáng cao nhất lúc 12h.
5.3. Xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế
5.3.1. Chiếu sáng phòng họp, phòng học.
Mô hình chiếu sáng phòng họp đã đƣợc chúng tôi mô phỏng bằng phần mềm Dialux nhƣ thể hiện trên Hình 5.21, theo đó một phòng họp rộng 43 m2 sử dụng 26 đèn SkyLED gắn tƣờng, tổng công suất 468 W, mật độ công suất chiếu sáng 11 W/m2, đạt
độ rọi trung bình 590 lux.
Hiệu quả của giải pháp chiếu sáng SkyLED phòng họp, phòng học là độ rọi cao,
không chói loá, không đổ bóng, tuỳ chọn 3 màu CCT, tiết kiệm điện năng và tuổi thọ
cao.
Mô hình chiếu sáng phòng học đã đƣợc áp dụng cho nhiều công trình khác nhau
ví dụ nhƣ Trung tâm giáo dục Bé thông minh 536A Minh Khai và số 2A Giảng võ Hà
Nội, đƣợc học sinh và phụ huynh rất thích.
126
Hình 5. 22. Ảnh chụp phòng họp Viện Khoa học Vật liệu chiếu sáng bằng đèn SkyLED
Hình 5. 21. Mô phỏng chiếu sáng phòng họp Viện Khoa học vật liệu.
5.3.2. Chiếu sáng căn hộ, nhà ở.
Đặc điểm của căn hộ là mặt bằng rộng nhƣng trần nhà thấp (từ 2,6 đến 2,9 m),
vì vậy giải pháp truyền thống sử dụng đèn downlight sẽ gây chói loá và phân bố độ rọi
cục bộ, gây ô nhiễm ánh sáng. Giải pháp giấu đèn vào hốc trần thạch cao gây mất mát
rất nhiều bời 2 lý do: phân bố cƣờng độ sáng không thích hợp nhƣ đã mô phỏng và
phân tích trong công trình [CT 2], thêm vào đó vành hộp thạch cao nơi lắp đèn còn che
chắn rất nhiều. Hậu quả là 70% ánh sáng mất mát trong hốc trần, 30% còn lại chỉ chiếu
sáng đƣợc khoảng 30 cm so với khoảng cách 2 m cần đƣợc chiếu sáng đồng đều.
Giải pháp Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S trong căn hộ (Hình 5.23) tạo ra hiệu quả
chiếu sáng ƣu việt hơn hẳn so với các giải pháp chiếu sáng truyền thống khác, đồng
thời tiết kiệm chi phí lắp đặt và sử dụng lâu dài. Độ rọi trung bình đạt 500 lux tuỳ thuộc vào không gian sử dụng, với mật độ năng lƣợng dƣới 10 W/m2, phù hợp với quy chuẩn của Bộ Xây dựng ban hành (<13 W/m2). Phòng khách đạt độ rọi trung bình mặt
ngang 800 lux, mặt đứng 350 lux, có tác dụng nâng cao thị lực, ngăn ngừa tật khúc xạ
và sự phấn khởi của cƣ dân (Hình 5.24). Hơn nữa, hiện tƣợng chói loá đã đƣợc dỡ bỏ
hoàn toàn ngay cả khi bật toàn bộ hệ thống đèn SkyLED.
Trong một gói sản phẩm tiết kiệm, phòng ngủ 15 m2 đƣợc lắp đặt hai hệ thống
chiếu sáng độc lập: 1 bộ đèn SkyLED 10W CCT 3000K tạo ra độ rọi trung bình 50 lux,
sử dụng trƣớc khi ngủ và lúc mới ngủ dạy; 4 bộ đèn SkyLED 18W CCT 6500 K khác
127
đƣợc lắp xung quanh tạo ra độ rọi 250 lux sử dụng khi có các sinh hoạt khác trong
phòng. Giải pháp này cũng hoàn toàn không gây chói loá ngay cả khi nằm trên giƣờng
đọc sách. Trong phƣơng án nâng cấp khác, các bộ đèn thông minh thay đổi đƣợc nhiệt
độ màu và cƣờng độ đƣợc lắp đặt, có thể đạt đƣợc độ rọi cực đại lên tới 500 lux. Hình
5.26 là ảnh chụp phòng bếp sử dụng đèn SkyLED thả trần, khi không có vị trí để gắn
tƣờng các đèn SkyLED, với độ rọi mặt bếp lên tới 800 lux, đảm bảo các thao tác tinh vi
Hình 5. 23. Mô phỏng chiếu sáng một căn hộ tiêu biểu, bao gồm phòng khách, bếp và các phòng ngủ
Hình 5. 24. Ảnh chụp phòng ngủ sử dụng đèn SkyLED CCT 3000 K mắc đầu giƣờng và CCT 6500 K chiếu sáng chung
khi làm bếp.
Hình 5. 26. Ảnh chụp phòng bếp sử dụng đèn SkyLED thả trần CCT 5000 K Hình 5. 25. Ảnh chụp phòng khách sử dụng đèn SkyLED gắn tƣờng đổi màu và bầu trời nhân tạo
Các hiệu quả khác cũng đƣợc ghi nhận khi chiếu sáng căn hộ, đó là khả năng
loại bỏ trần thạch cao ở khu vực trung tâm các phòng, tăng chiều cao sử dụng lên đến
128
tận trần bê tông (3 m tới 3,2 m). Các thiết bị treo trên trần nhƣ quạt trần, điều hoà, đèn
chùm cũng không tạo bóng dƣới ánh sáng của giải pháp Chiếu sáng 5S.
5.3.3. Chiếu sáng cửa hàng, phòng khám bệnh.
Khi đƣợc chiếu lƣớt bằng đèn SkyLED, mặt tiền của cửa hàng hoặc phòng
khám có mảng sáng rộng, đồng đều và hoàn toàn không chói mắt nhƣ ảnh chụp trên
Hình 5.27. Giải pháp này không những làm nổi bật chức năng của cửa hàng, mà còn
góp phần giảm tai nạn giao thông do ánh sáng trực tiếp chiếu vào mắt ngƣời đi đƣờng.
Phía trong các phòng khám răng, phòng xoa bóp hay spa, trần nhà có ánh sáng rất dịu
Hình 5. 27. Ảnh chụp phía bên ngoài phòng chữa răng 45 Tô Hiệu Hà nội, chiếu sáng bằng bộ đèn SkyLED
và đều, tạo cảm giác thƣ giãn và giảm đau cho bệnh nhân.
Hình 5. 28. Trần nhà phòng chữa răng chiếu sáng bằng 4 đèn SkyLED
5.3.4. Chiếu sáng nghệ thuật, tâm linh
Hai giải pháp chiếu sáng khác nhau đã đƣợc chúng tôi áp dụng để chiếu sáng
Đền Chùa, nơi thờ cúng. Đối với các công trình có các tác phẩm nghệ thuật vẽ trên
trần, tƣờng…chúng tôi sử dụng các bộ đèn SkyLED gắn tƣờng để chiếu lƣớt trần, nhƣ
công trình chiếu sáng chùa Quế lâm, Việt trì Phú thọ (Hình 5.29). Yêu cầu về giải pháp
chiếu sáng là không nhìn thấy đèn và ánh sáng trực tiếp. Độ rọi trên mặt sàn đạt 250
lux khi bật tất cả các bộ đèn. Nhóm tƣợng Quán Thế âm đƣợc chiếu sáng rất sáng và
dịu mắt, thể hiện đƣợc tiêu chí nghệ thuật và tâm linh của các Thầy.
129
Hình 5. 30. Ảnh chụp nhóm tƣợng Quán Thế âm chiếu sáng bằng đèn SkyLED Hình 5. 29. Ảnh chụp Hội trƣờng chùa Quế lâm rộng 700 m2 chiếu sáng bằng đèn SkyLED
Đền Hùng có phong cách kiến trúc theo kiểu mái đình truyền thống với bộ
khung bao làm từ vật liệu gỗ quí sẫm màu, vì vậy cần phải tạo ra các bộ đèn có diện
tích chiếu sáng rộng. Chúng tôi đã thiết kế và lắp đặt bộ đèn Bánh chƣng tƣợng trƣng
cho đất có hình vuông và bộ đèn Bánh dày tƣợng trƣng cho trời có hình lục giác, lắp
đèn chiếu hắt từ cạnh dƣới lên (Hình 5.31).
Hình 5. 31. Ảnh chụp các bộ đèn Bánh Trƣng, Bánh dày trong Đền Hùng Phú Thọ
130
Điểm đặc biệt của các bộ đèn Bánh chƣng, Bánh dày là ở ba khía cạnh rất quan
trọng. Về khía cạnh chiếu sáng, góc chiếu của bộ đèn rất rộng, chiếu sáng nóc Đền
Giếng làm rõ kết cấu cổ truyền cũng nhƣ các hoạ tiết chạm khắc, sơn son thếp vàng;
chiếu sáng ngang vào ban thờ và đồ thờ cúng, chiếu xuống dƣới sàn phục vụ ngƣời
quan sát.
Về khía cạnh tiện nghi, do tổng diện tích mặt phát sáng của bộ đèn khoảng 5m2
cho tổng quang thông 5000 lm cho nên ánh sáng phát ra từ mặt phát sáng thứ cấp có độ
chói rất dịu, chỉ vào khoảng 1500cd/m2, gấp 3 lần độ chói của một chiếc TV thông
thƣờng, hơn nữa lại không thấy ánh sáng trực tiếp từ LED nên hiện tƣợng chói loá đã
đƣợc loại bỏ hoàn toàn.
Về khía cạnh trang trí, mặt trên và mặt bên của các bộ đèn đƣợc căng các hình
ảnh in hoạ tiết lên màng polimer co giãn nhiệt, tạo ra một sự linh hoạt khi muốn thay
đổi nội dung hoặc sửa chữa.
Về các nội dung các hoạ tiết, một phƣơng án ƣu tiên đã đƣợc lựa chọn và thử
nghiệm, đó là khắc hoạ lại nét sinh hoạt của nhân dân và quan niệm về trời đất của thời
đại Vua Hùng. Trời Tròn Đất Vuông là quan niệm cổ đại thông qua các câu chuyện
đƣợc kể lại với các nét sinh hoạt chuyển từ săn bắt hái lƣợm sang chăn nuôi trồng trọt.
Với các hoạ tiết lấy cảm hứng từ hoa văn trên trống đồng Ngọc lũ, chúng tôi muốn ôn
lại một thời kỳ văn minh rất sớm của đất nƣớc từ cảnh chăn nuôi, trồng trọt, xay lúa giã
gạo đến việc tìm hiểu hình thái của trời đất. Đây cũng là thông điệp mà Bác Hồ đã căn
dặn trƣớc khi Ngƣời đi xa:‖ Các Vua Hùng đã có công dựng nƣớc, bác cháu ta phải
cùng nhau giữ lấy nƣớc‖.
5.3.5. Bàn học tích hợp hộp sáng chống cận thị
Vấn đề cận thị, nhƣợc thị đã và đang trở nên nghiêm trọng trong những năm gần
đây với nguyên nhân chủ yếu là môi trƣờng và lối sống hiện đại không phù hợp với bộ
gien nguyên thuỷ của con ngƣời. Cho đến nay, có rất nhiều sự đồng thuận về những
nguyên nhân quan trọng nhất gây nên tật cận thị, đó là học sinh nhìn gần quá lâu trong
môi trƣờng chiếu sáng không hợp lý. Chúng tôi đang tập trung giải quyết nguyên nhân
131
gây nên loại tật, bệnh nói trên thông qua Bàn học thông minh tích hợp hộp sáng chống
cận thị mô phỏng bầu trời tự nhiên (gọi tắt là Bàn học chống cận thị). Thiết kế Bàn học
chống cần thị đƣợc mô tả trên Hình 5.32, theo đó các thông số quang điện trong hộp
sáng phải đảm bảo:
- Độ rọi cực đại mặt ngang trên mặt bàn EMH> 900 lux và độ rọi mặt đứng EMV>
400 lux đủ cao để nâng cao hƣng phấn và sáng tạo.
- Độ đồng đều (U uniformity) UMH > 80%, UMV > 30%, cao hơn tiêu chuẩn quốc
tế.
- Độ chói mặt bàn (luminance): 20 cd/m2 mắt. - Lựa chọn tuỳ biến đƣợc một trong 3 nhiệt độ màu CCT sử dụng tay bấm điều khiển từ xa, 6500 K buối sáng, 4200 K buổi chiều, 3000 K buổi tối. - Góc khối chiếu sáng Ω~π sr, đủ lớn để xoá bóng (shadow-free). - Bố trí góc thƣ giãn dùng gƣơng phẳng để tăng tầm nhìn. Hình 5. 33. Ảnh chụp nguyên mẫu Bàn học
chống cận thị với mô hình bầu trời thu nhỏ. Hình 5. 32. Hình vẽ Bàn chống cận
thị thông minh với hàng rào hồng
ngoại Trong những phiên bản sau, chúng tôi sẽ tích hợp một số tính năng thông minh nhƣ phát hiện thêm tính năng nhắc nhở, can thiệp vào thời gian nghỉ ngơi, tƣ thế làm việc của học sinh. 132 Kết luận chƣơng V Chúng tôi đã chế tạo thành công 06 bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính biên dạng tự do FO có chức năng phân bố ánh sáng bất đối xứng: bộ đèn SkyLED gắn tƣờng chiếu trần, bộ đèn thả trần chiếu hai phía, bộ đèn thả trần chiếu 3 phía, bộ đèn thu hẹp góc chiếu, bộ đèn LED chiếu bảng và bộ đèn LED dụ cá. Thông số quang điện của các bộ đèn khảo sát trên hệ đo quả cầu tích phân Everfine tại Viện Khoa học vật liệu. Phổ phân bố cƣờng độ sáng đƣợc đo tại Trung tâm đo lƣờng tiêu chuẩn Quatest I và Trung tâm R&D Chiếu sáng, công ty CP Bóng đèn Phích nƣớc Rạng Đông. Chúng tôi đã đƣa ra đƣợc các tiêu chí chiếu sáng Dƣỡng sinh phù hợp và thân thiện với con ngƣời nhất: độ rọi chiếu sáng cao (500-1000lux), góc chiếu sáng rộng (~πsr), ánh sáng thay đổi cả phổ và cƣờng độ sáng theo nhịp ngày đêm. Để đánh giá hiệu quả sử dụng cuối cùng, chúng tôi đã tiến hành xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế: chiếu sáng lớp học, nhà ở, cửa hàng, chiếu sáng tâm linh, bàn học chống cận… và đã thu đƣợc nhiều phản hồi tích cực từ phía ngƣời sử dụng. 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Mặc dù các vấn đề đƣợc trình bày trong luận văn này chủ yếu là tổng hợp kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới cũng nhƣ trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi. Tuy nhiên tôi cũng xin đƣợc phép tóm tắt các đóng góp của luận văn này trong các lĩnh vực sau đây: Về phƣơng pháp nghiên cứu: Chúng tôi đã đƣa ra đƣợc một mô hình lý thuyết tổng quát làm tiêu chí để thiết kế mô phỏng các bộ đèn SkyLED có tính năng phân bố đồng đều. Đƣờng cong phân bố cƣờng độ sáng và hàm số tái chuẩn hoá đƣợc đƣa ra dƣới dạng công thức giải tích, bắt nguồn từ dạng hàm Logistic với các giá trị tốc độ biến đổi K, liên quan với tƣơng phản độ chói trong không gian. Kết quả đƣợc công bố trong tạp chí ISI IEEE Photonics J. [CT 2] và đã đƣợc chúng tôi sử dụng để tiếp tục cải tiến biên dạng thấu kính bất đối xứng AL. Chúng tôi cũng đã đƣa ra quy trình mô phỏng quang tia để tối ƣu hoá biên dạng thấu kính AL với kết quả đƣợc công bố trong tạp chí ISI Appl.Sci. [CT 1]. Về kết quả nghiên cứu chế tạo linh kiện: Chúng tôi đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo các 3 loại thấu kính FO: thấu kính bất đối xứng AL, thấu kính chiếu góc hẹp NAL, thấu kính cho đèn LED dụ cá nhằm tạo ra các tính năng phân bố cƣờng độ sáng ƣu việt. Các loại thấu kính FO này đã tái phân bố cƣờng độ sáng, tạo ra các tính năng khác biệt và ƣu việt cho các nguồn sáng LED. Số lƣợng thấu kính đã sản xuất và lắp ráp trong các bộ đèn khoảng 8000 chiếc, với chất lƣợng và độ bền cao. Chúng tôi đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo các loại máng đèn có tính năng tản nhiệt và che sáng, ứng dụng để sản xuất các bộ đèn LED đặc chủng. Kết cấu và chức năng của máng đèn hoàn toàn khác biệt và đã đƣợc đăng ký độc quyền sở hữu trí tuệ khi tích hợp với các linh kiện khác để tạo ra các bộ đèn LED. Về kết quả nghiên cứu chế tạo thiết bị chiếu sáng rắn: Chúng tôi đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo, đo đạc, đánh giá 6 loại đèn SkyLED và đèn LED dụ cá, chiếu bảng với các tính năng quang điện khác nhau. Các loại đèn SkyLED đƣợc sử dụng để chiếu sáng đồng đều trần, tƣờng, loại bỏ chói loá, nâng cao hiệu quả và tiện nghi chiếu sáng. Hộp 134 sáng chống cận thị sẽ góp phần bảo vệ thị lực và nâng cao độ tập trung chú ý của học sinh khi học bài ở nhà. Đèn LED dụ cá công suất cao, tích hợp thấu kính AL có khả năng thay thế đèn Metal-Halide, nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng tới 80%, đồng thời bảo vệ tốt sức khoẻ của ngƣ dân. Số lƣợng đèn LED đã sản xuất và lắp đặt khoảng 4000 bộ, với chất lƣợng và độ bền cao. Đã chuyển giao công nghệ chế tạo đèn LED chiếu bảng cho Công ty Rạng Đông. Kết cấu và hiệu quả của các loại đèn SkyLED, LED dụ cá đã đƣợc báo cáo và bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ thông qua các Hội nghị khoa học, Sáng chế và Giải pháp hữu ích. Về giải pháp chiếu sáng và kết quả lắp đặt thử nghiệm các công trình: Chúng tôi đã xây dựng giải pháp Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S, theo đó ngoài những tiêu chí do xu hƣớng Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm HCL đƣa ra nhƣ chiếu sáng động theo nhịp điệu ngày đêm, độ rọi cao, chúng tôi còn tạo ra môi trƣờng chiếu sáng đồng đều, loại bỏ chói loá, góc chiếu rộng loại bỏ bóng đổ. Chúng tôi đã đã lắp đặt, đo đạc và đánh giá trong khoảng 100 công trình các loại nhƣ lớp học, phòng họp, phòng khám, căn hộ, nhà ở, quán hàng, đền chùa… với tổng số đèn khoảng 3000 chiếc. KIẾN NGHỊ: Các kết quả thu đƣợc của luận văn mới chỉ là bắt đầu cho một xu hƣớng chiếu sáng mới lấy con ngƣời làm trung tâm - Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S. Các kết quả này có thể đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế, cụ thể là: chiếu sáng trực tiếp nên đƣợc thay thế hoàn toàn hoặc phần lớn bằng giải pháp chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S do chúng tôi đề xuất, bào vệ thị lực và sức khoẻ của ngƣời dùng. Downlight LED, Tube LED, Spotlight LED, LED panel để chiếu sáng nội thất. tích hợp vào các bộ đèn LED và hệ thống chiếu sáng. minh. 135 chiếu sáng nông nghiệp để nâng cao hiệu quả chiếu sáng và bảo vệ ngƣời sử dụng. Một số khía cạnh cần hoàn thiện và cải tiến: Biên dạng của thấu kính AL, kích thƣớc và cấu trúc của gói WLED và vị trí đặt gói WLED do với thấu kính cần đƣợc tối ƣu hoá để hàm phân bố cƣờng độ sáng gần nhất với hàm phân bố lý tƣởng thu đƣợc trong công trình [CT2]. Bộ đèn SkyLED có phân bố lý tƣởng sẽ có ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế chiếu sáng, tạo ra môi trƣờng sáng đồng đều hơn, tiết kiệm không gian lắp đặt hơn. Thiết kế các bộ đèn có kết cấu dễ dàng thay thế mô đun LED và nguồn điều khiển sẽ tiết kiệm vật tƣ hơn khi một linh kiện trong bộ đèn hỏng, không cần thay thế tất cả. Chi phí bảo hành cũng sẽ giảm, giống nhƣ việc thay thế bóng đèn trong các bộ đèn truyền thống. Luận văn này đƣợc hoàn thành với sự hỗ trợ nhiều mặt của các đề tài, dự án, của các Viện, các Thầy cô và đồng nghiệp, tuy nhiên để kết quả của luận văn có thể đƣợc tiếp tục phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, chúng tôi xin phép đƣợc tiếp tục nhận đƣợc sự ủng hộ của Viện và các thầy cô, cũng nhƣ hỗ trợ về mọi mặt trong khuôn khổ các dự án nghiên cứu triển khai. 136 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ [CT 1] Duong Thi Giang, Thuy Linh Ta, Tran Quoc Tien, Pham Hong Duong and
Quang Cong Tong, A simple designed lens for Human Centric Lighting using
LEDs, Appl.Sci., 2020, 10(1):343. (IF 2.49) [CT 2] Duong Thi Giang, Thanh Son Pham, Quang Minh Ngo, Van Tang Nguyen,
Tran Quoc Tien and Pham Hong Duong, An alternative approach for high
uniformity distribution of indoor lighting LED, IEEE Photonics J., Apr. 2020,
12(2), 1-10 (IF 2.83) [CT 3] Pham Hong Duong, Duong Thi Giang, Pham Hoang Minh, 5S Human Centric Lighting System, Advances in Applied and Engineering Physics (2020) [CT 4] Duong Thi Giang, Tran Quoc Tien and Pham Hong Duong, Design and
fabrication of LED blackboard washing luminaire combined with linear freeform
lens, Advances in Applied and Engineering Physics (2020) [CT 5] Duong Thi Giang, Tran Quoc Tien, Le Anh Tu and Pham Hong Duong, Design
and fabrication of high power LED fishing lamp combined with asymmetric lens,
Advances in Applied and Engineering Physics (2020) [GPHI 6] D.T. Giang, P.H. Dƣơng, Bộ đèn LED tích hợp thấu kính thu hẹp góc chiếu sáng, Đơn đăng ký GPHI số 2-2017-00182, Đã đƣợc công bố đơn (2019) [SC 7] Dƣơng Thị Giang, Phạm Hồng Dƣơng, Thiết bị chiếu sáng trần nhà tích hợp
điôt phát quang và thấu kính bất đối xứng, Đơn đăng ký sáng chế số 1-2018-
03215, Đã đƣợc chấp nhận đơn (2018) [SC 8] Dƣơng Thị Giang, Phạm Hồng Dƣơng, Đèn LED thả trần tích hợp thấu kính
bất đối xứng, Đơn đăng ký sáng chế số 1-2019-03527, Đã đƣợc chấp nhận đơn
(2019) [SC 9] D.T. Giang, P.H. Dƣơng, T.Q. Tiến, P.H. Minh, L.A. Tú, Bộ đèn LED thả trần
chiếu ba phía, Đơn đăng ký sáng chế số 1-2019-03403, Đã đƣợc chấp nhận đơn
(2019) [SC 10] D.T. Giang, P.H. Dƣơng, L.A. Tú, P.H. Minh, Đèn LED dẫn dụ cá tích hợp
thấu kính bất đối xứng, Đơn đăng ký sáng chế 1-2019-03021, Đã đƣợc chấp nhận
đơn (2019) [GPHI 11] D.T. Giang, P. H. Dƣơng, Đèn LED chiếu sáng bảng tích hợp thấu kính bất
đối xứng, Đơn đăng ký GPHI số 2-2016-00307, Đã đƣợc công bố đơn (2018)
[CT 12] Dƣơng Thị Giang, Lê Anh Tú, Nguyễn Thị Thu Trang, Phạm Thành Huy và
Phạm Hồng Dƣơng, Thiết kế chế tạo đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor,
Advances in Applied and Engineering Physics (2014), pp. 382-388 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Suzuki, M, T. Uenoyama, A. Yanase, First-principles calculations of effective-
mass parameters of AlN and GaN, Phys. Rev. B, 1995, 52 (11), 8132-8139.
2. Nakamura et al., Nitride semiconductor light-emitting device, US 6,900,465B2, 2005. 3. E. F. Schubert, Light-emitting diodes – Second edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2006.
4. Data sheet LM301B-CRI 80.
5. 6. J.P. Freyssinier, The class A color designation for light source, DOE SSL R&D
Workshop, Hilton Long Beach, CA, January 2013.
F. Vienot, G. Coron, and B. Lavedrine, LED as a tool to enhance fade colours of
museums artefacts, J. Cult. Herit., 2011, 12(4), 431-440. 7. Manufacturing Roadmap SSL research and development, US DOE August 2014.
8. ZG Liu, S Liu, et al, Measurement and Numerical Studies of Optical Properties
of YAG:Ce Phosphor for White Light-Emitting Diode Packaging, Applied Optics,
2010, 49 (2), 247-257 9. Y.-Q. Li, Phosphor Manufacturing Update from Intematix, in DOE SSL Manufacturing R&D Workshop, San Diego, CA, May 2014. 10. Zhu Y and Narendran N., Investigation of Remote phosphor White Light LED with Multi-phosphor Layer, Jpn. J. Appl. Phys., 2010, 49, 100203. 11. LED-based Illumination Systems, edited by Jianzhong Jiao, Proc. of SPIE Vol. 12. 8835, 883504 · © 2013 SPIE
Indika U. Perera and N. Narendran , Thermal management of the remote
phosphor layer in LED systems, Proc. SPIE 8835, LED-based Illumination
Systems, 883504 (30 September 2013). 13. F.Z. Fang X.D., Zhang A. et al, Manufacturing and measurement of freeform
optics, CIRP Annal – Manufacturing Technology, 2013, 62, 823-846. 14. Zhang XD, Fang FZ, Wang HB, Wei GS, et al, Ultra-precision Machining of
the Cylindrical Coordinate Method. Journal Sinusoidal Surfaces Using
Micromechanics and Mircoengineering, 2009, 19:054004. 15. Brecher C, Lange S, Merz M, Niehaus F, et al, Based Ultraprecision Free-form
Machining. CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2006, 55(1), 547–550.
16. Benítez P, Minano JC, The Future of Illumination Design, Optics and Photonics News, 2007, 18(5), 20–25. 17. Timinger AL, Muscaweek JA, Ries H, Designing Tailored Free-form Surfaces for General Illumination, Proceedings of the SPIE, 2003, 5186, 128–132. 18. Ding Y, Liu X, Zheng ZR, Gu PF, Freeform LED Lens for Uniform Illumination, Optics Express, 2008, 16(17), 12958–12966. 19. Parkyn B, Pelka D, Free-form Illumination Lenses Designed by a Pseudo-
the SPIE, 2006, rectangular Lawnmower Algorithm, Proceedings of
6338:633803. 138 20. Wang K, Chen F, Liu ZY, Luo XB, et al, Design of Compact Freeform Lens for
Application Specific Light-emitting Diode Packaging, Optics Express, 2010,
18(2), 413–425. 21. Luo Y, Feng ZX, Han YJ, Li HT, Design of Compact and Smooth Free-form
Optical System with Uniform Illuminance for LED Source, Optics Express, 2010,
18(9), 9055–9063. 22. Winston R, Min˜ano JC, Benı´tez P, Nonimaging Optics, Elsevier, 2005.
23. Brinksmeier E, Mutlugunes Y, Klocke F, Aurich JC, Shore P, Ohmori H, Ultra-
precision Grinding, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2010, 59(2),
652–771. 24. Schinker MG, Sub-surface Damage Mechanisms at High-speed Ductile
Machining of Optical Glasses, Journal of the International Society for Precision
Engineering and Nanotechnology, 1991, 13(3), 208–218. 25. Baumer S, Handbook of Plastic Optics, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, 2005. 26. Huang CN, Investigation of injection molding process for high precision polymer lens manufacturing, The Ohio State University, 2008. 27. Savio E, de Chiffre L, Schmitt R, Metrology of Freeform Shaped Parts, CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2007, 56(2), 810–835. 28. Binnig G, Rohrer H, Gerber C, Weibel E, Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy, Physical Review Letters, 1982, 49(1), 57–61. 29. Danzebrink HU, Koenders L, Wilkening G, Yacoot A, Kunzmann H, Advances in
Scanning Force Microscopy for Dimensional Metrology, CIRP Annals –
Manufacturing Technology, 2006, 55(2), 841–879. 30. Gao F, Leach RK, Petzing J, Coupland JM, Surface Measurement Errors Using
Commercial Scanning White Light Interferometers, MST 19 Id015303, 2008.
31. Leach P, Surface metrology with nanometre accuracy: euspen topical meeting: structured and freeform surfaces, 2012. 32. Malacara D, Optical Shop Testing, Wiley-Interscience, 2007, ISBN 978-0- 470135-96-9. 33. Burge JH, Wyant JC, Use of Computer Generated Holograms for Testing Aspheric Optics, Proceedings of the SPIE, 2004, 5494, 45–50. 34. Millerd J, Brock N, Hayes J, North-Morris M, Novak M, Wyant JC, Pixelated
Phase-mask Dynamic Interfero-meter, Proceedings of the SPIE, 2004, 5531,
304–314. 35. Fan KC, Fei YT, Yu XF, Chen YJ, Wang WL, Chen F, Liu YS, Development of a
Low-cost micro-CMM for 3D Micro/nano Measurements, Measurement Science
and Technology, 2006, 17(3), 524–532. 36. Moreno I, Sun CC, Modeling the Radiation Pattern of LEDs, Optics Express, 2008, 16(3), 1808. 37. Sun LW, Jin SZ, Cen SY, Free-form Microlens for Illumination Applications, Applied Optics, 2009, 48(29), 5520–5527. 38. Proceeding of the International Conference on Optical Design and Fabrication, 9–13 July 2017, Denver, Colorado, United States. 139 39. A Garcia-Saenz et al., Evaluating the Association between Artificial Light-at-
Night Exposure and Breast and Prostate Cancer Risk in Spain (MCC-Spain
Study), Environmental Health Perspectives, 2018, 047011-1. 40. Mure, L.S et al., Melaopsin bistability: a fly’s eyes technology in human retine, PloS ONE, 2009, 4, e5991. 41. Berson, D. M., Dunn, F. A. & Takao, M., Science, 2002, 295, 1070-1073.
42. Howard Hughes, Biological clock in mammals, Biointeractive. Medical Institute. Retrieved 5 May 2015. 43. TCVN 7114-1: 2008 (ISO 8995-1: 2002/Cor – 1: 2005) Phần 1: Trong nhà. Ban
kỹ thuật Tiêu chuẩn TCVN/TC 159 ―Ecgonomi‖ biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn
Đo lƣờng Chất lƣợng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố 44. Brien A. Holden, Timothy R. Fricke et al., Global Prevalence of Myopia and
High Myopia and Temporal Trends from 2000 through 2050, Ophthalmology,
2016, 123, 1036-1042. 45. TA LeGates, DC Fernandez, and S Hattar, Light as a central modulator of circadian rhythms, sleep and affect, Nat Rev Neurosci., 2014, 15 (7), 443–454. 46. D. Lieberman, The Story of Human Body: Evolution, Health, and Disease, 2013.
47. Zelinski, EL, The trouble with circadian clock dysfunction: Multiple deleterious
effects on the brain and body, Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 2014,
40 (40), 80–10. 48. Sadra Sadeghi et al., Quantum Dot White LEDs with High Luminous Efficiency, Optica, 2018, 5(7), 793-802. 49. A. McCarthy, J. Romero-Vivas, C. O’Hara, N. Rebrova, L. Lewis, S. P. Hegarty,
LED-based collimating line-light combining freeform and fresnel optics, IEEE
Photon. J., 2018, 10(6), 8201713. 50. C. C. Sun, X. H. Lee, I. Moreno, C. H. Lee, Y. W. Yu, T. H. Yang, T. Y. Chung,
Design of LED street lighting adapted for free-form roads, IEEE Photon. J.,
2017, 9(1), 8200213. 51. T. X. Lee, B. S. Chen, High uniformity and tolerance design for direct-lit LED
backlight illumination using Lagrange interpolation, J. Disp. Technol., 2016,
12(11), 1403-1410. 52. Katherina Keller, Manfred Petschulat, Luminaire Having Separate Lamps for Direct Lighting and Indirect Lighting, US 20110051402 A1. 53. Gordon L. Swisha, Joseph J. LoMenzo, David M. Aikens, Wall wash lighting fixture, US20130120974 A1. 54. S.C. Shen and H.J. Huang, Design of LED fishing lighting attractor using
horizontal/vertical LIDC mapping method, Optics Express, 2012, 20(24), 26135-
26146. 55. Min Fen Lai et al., Design of multisegmented freeform lens for LED fishing/working lamp with high efficiency, Applied Optics, 2015, 54(28).
56. Patent, Fishing light device and fishing using the same, JPWO2006123449A1
57. Luo, Y.; Feng, Z.; Han, Y.; Li, H., Design of compact and smooth free-form
optical system with uniform illuminance for LED source, Opt. Express 2010, 18,
9055–9063 140 58. Gissibl, T.; Thiele, S.; Herkommer, A.; Giessen, H., Sub-micrometre accurate
free-form optics by three-dimensional printing on single-mode fibres, Nat.
Commun. 2016, 7, 11763. 59. Boyce, P. Editorial, Exploring human-centric lighting, Light. Res. Technol. 2016, 48, 101. 60. Figueiro, M.G., An Overview of the Effects of Light on Human Circadian
Rhythms: Implications for New Light Sources and Lighting Systems Design. J.
Light Vis. Environ. 2013, 37, 51–61. 61. Zielinska-Dabkowska, K.M., Make lighting healthier, Nature 2018, 553, 274– 276. 62. Rea, M.; Figueiro, M.; Bullough, J., Circadian photobiology: An emerging
framework for lighting practice and research, Light. Res. Technol. 2002, 34,
177–187. 63. Bodrogi, P.; Vinh, Q.T.; Khanh, T.Q., Opinion: The usefulness of light sources in human centric lighting, Light. Res. Technol. 2017, 49, 292. 64. Jiang, J.; To, S.; Lee, W.B.; Cheung, B., Optical design of a freeform TIR lens for LED streetlight, Optik-Int. J. Light Electron Opt. 2010, 121, 1761–1765 65. Fang, F.; Cheng, Y.; Zhang, X., Design of freeform optics. Adv. Opt. Technol. 2013, 2, 445–453. 66. Coluccelli, N., Nonsequential modeling of laser diode stacks using Zemax:
Simulation, optimization, and experimental validation, Appl. Opt. 2010, 49,
4237–4245. 67. Ding, Y.; Liu, X.; Zheng, Z.R.; Gu, P.F., Freeform LED lens for uniform illumination, Opt. Express 2008, 16, 12958–12966. 68. Essameldin, M.; Fleischmann, F.; Henning, T.; Lang, W., Design and evaluation
of a freeform lens by using a method of luminous intensity mapping and a
differential equation. Proc. SPIE 2017, 10110, 1011006-1. 69. Zheng, Z.; Xiang, H.; Xu, L, Freeform surface lens for LED uniform illumination, Appl. Opt. 2009, 48, 6627–6634. 70. Ries, H.; Muschaweck, J., Tailored freeform optical surfaces, J. Opt. Soc. Am. A 2002, 19, 590–595 71. Ma, D.; Feng, Z.; Liang, R., Freeform illumination lens design using composite ray mapping, Appl. Opt. 2015, 54, 498–503. 72. Luo, Y.; Feng, Z.; Han, Y.; Li, H., Design of compact and smooth free-form
optical system with uniform illuminance for LED source, Opt. Express 2010, 18,
9055–9063. 73. Chin, T.Y.; Saif, A.E.A.; Poopalan, P., Apparent Uniform of Light Emission from
Multiple Spot Sources, In Proceedings of the 2013 IEEE 4th International
Conference on Photonics (ICP), Melaka, Malaysia, 28–30 October 2013; pp.
297–299. 74. Lai, M.F.; Chen, Y.C.; Anh, N.D.Q.; Chen, T.Y.; Ma, H.Y.; Lee, H.Y., Design of
asymmetric freeform lens for low glared LED street light with total internal
reflection, Opt. Express 2016, 24, 1409–1415. 141 75. Lee, X.-H.; Moreno, I.; Sun, C., High-performance LED street lighting using microlens arrays, Opt. Express 2013, 21, 10612–10621. 76. Lee, H.E.; Lee, S.H.; Jeong, M.; Shin, J.H.; Ahn, Y.; Kim, D.; Oh, S.H.; Yun,
S.H.; Lee, K.J., A photostimulation using monolithic flexible vertical AlGaInP
light-emitting diodes, ACS Nano 2018, 12, 9587–9595. 77. Lee, H.E.; Choi, J.; Lee, S.H.; Jeong, M.; Shin, J.H.; Joe, D.J.; Kim, D.; Kim,
C.W.; Park, J.H.; Lee, J.H.; et al., Monolithic Flexible Vertical GaN Light-
Emitting Diodes for a Transparent Wireless Brain Optical Stimulator, Adv.
Mater. 2018, 30, 1800649. 78. A. McCarthy, J. Romero-Vivas, C. O’Hara, N. Rebrova, L. Lewis, and S. P.
Hegarty, LED-based collimating line-light combining freeform and fresnel optics,
IEEE Photon. J., vol. 10, no. 6, Dec. 2018, Art. no. 8201713. 79. C. C. Sun et al., Design of LED street lighting adapted for free-form roads, IEEE Photon. J., vol. 9, no. 1, Feb. 2017, Art. no. 8200213. 80. T. X. Lee and B. S. Chen, High uniformity and tolerance design for direct-lit
LED backlight illumination using lagrange interpolation, J. Disp. Technol., vol.
12, no. 11, pp. 1403–1410, 2016. 82. 81. Z. Qin, K. Wang, F. Chen, X. Luo, and S. Liu, Analysis of condition for uniform
lighting generated by array of light emitting diodes with large view angle, Opt.
Express, vol. 18, no. 16, pp. 17460–17476, 2010
I. Moreno, “Illumination uniformity assessment based on human vision,” Opt.
Lett., vol. 35, no. 23, pp. 4030–4032, 2010 83. J. Dong, W. Driel, and G. Zhang, Automatic diagnosis and control of distributed
solid state lighting system,” Opt. Express, vol. 19, no. 7, pp. 5772–5784, 2011.
84. R. Wu, Z. Zheng, H. Li, and X. Liu, Optimization design of irradiance array for
LED uniform rectangular illumination, Appl. Opt., vol. 51, no. 13, pp. 2257–263,
2012. 85. D. Ma, Z. Feng, and R. Liang, Freeform illumination lens design using composite ray mapping, Appl. Opt., vol. 54, no. 3, pp. 498–503, 2015. 86. N. H. Vu, T. T. Pham, and S. Shin, LED uniform illumination using double linear Fresnel lenses for energy saving, Energies, vol. 10, no. 12, 2017, Art. no. 2091. 87. Z. M. Zhu, X. Sun, and B. Peng, Rectangular illumination based on diffuse
reflective off-axis surface, IEEE Photon. J., vol. 9, no. 4, Aug. 2017, Art. no.
6500808. 88. K. Wang, D. Wu, Z. Qin, F. Chen, X. Luo, and S. Liu, New reversing design
method for LED uniform illumination, Opt. Express, vol. 19, no. S4, pp. A830–
A840, 2011. 89. R. Hu, H. Zheng, C. Ji, S. Liu, and X. Luo, A method to design freeform lens for
uniform illumination in direct-lit LED backlight with high distance-height ratio,
in Proc. Int. Conf. Electron. Packag. Technol. High Density Packag., pp. 1474–
1478, 2012. 90. Z. Zhu, D. Ma, Q. Hu, Y. Tang, and R. Liang, Catadioptric freeform optical
system design for LED off-axis road illumination applications, Opt. Express, vol.
26, no. 2, pp. A54–A65, 2018. 142 91. A. J. W. Whang, Y. Y. Chen, and Y. T. Teng, Designing uniform illumination
systems by surface-tailored lens and configurations of LED arrays, J. Disp.
Technol., vol. 5, no. 3, pp. 94–103, 2009. 92. Z. Zhen, X. Hao, and X. Liu, Freeform surface lens for LED uniform illumination, Appl. Opt., vol. 48, no. 35, pp. 6627–6634, 2009. 93. C. Liou and C. Tsou, Compact dual-LED packaging with a 3-D free-form lens for
uniform rectangular illumination, IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf.
Technol., vol. 8, no. 4, pp. 578–587, Apr. 2018. 94. SSL Reasearch and Developpment Plan, US DOE June 2016.
95. 2019 Lighting R&D Opportunities, US DOE January 2020.
96. Kim J K, Luo H, Schubert E F, Cho J, Sone C and Park Y, Strongly enhanced
phosphor efficiency in GaInN White light- emitting diodes using remote phosphor
configuration and diffuse reflector cup. J. Appl.Phys. — Express Lett. 44 L649
(2005) 97. Steven C. Allen and Andrew J. Steckl, A nearly ideal phosphor converted WLED - Appl. Phys. Lett. 92 (2008), 143309. 98. Rachod Boonsin, ―Development of rare-earth-free phosphors for LED-based lighting devices‖, PhD Thesis 2016 U Clemont-Ferrant. 99. Nguyễn Quang Liêm (2011), Chấm lượng tử bán dẫn CdSe, CdTe, InP và
CuInS2: chế tạo, tính chất quang và ứng dụng – NXB Khoa học Tự nhiên và
Công nghệ, ISBN: 978-604-913-029-8 100. Nikhil Taskar, Paul Ford, David R. Pfund, Total internal reflective (TIR) optic light assembly - US Patent 8.465,190 B2 (2013) 101. Bozhang Xu, Huangfeng Pan, Zuping He, Spread light lens and led strip lights having same, US Patent 0377258 A1 (2016) 102. Fawei Zhang, Zhaoyong Zheng, Feng Ji et al, Lens, LED module and illumination
system with asymmetric lighting distribution, US Patent 9360169 B2 (2016)
103. Phạm Hồng Dƣơng, Dƣơng Thị Giang, Phạm Hoàng Minh, Lê Anh Tú, Đỗ Ngọc
Chung, Nguyễn Hoàng Ân, Nguồn sáng xanh và chiếu sáng xanh, Advances in
Applied and Engineering Physics (2018), pp. 7-14 104. Baumer S (2005) Handbook of Plastic Optics, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA. 105. Huang CN (2008), Investigation of injection molding process for high precision polymer lens manufacturing, The Ohio State University. 106. Mueller-March R., Mueller G O and Krames M R 2004 – Phosphor materials
and combinations for illumination graded white pcLED – Third Int. Conf. Solid
State Lighting (San Diego C A, August 2003) Proc. SPIE 5187 115. 107. U.S. Patent 2007/7234855 B2
108. https://www.mitsubishielectric.com/news/2018/0927.html
109. http://barrisol.com/uk/stretch-ceiling/lighting/leds.
110. http://www.lighting.philips.com.eg/products/onespace.
111. Katrerina Keller, Luminaire Having Separate Lamps for Direct Lighting and Indirect Lighting, US Patent - 0051402 A1 (2012)- Đối với phòng họp, phòng học, căn hộ, nhà ở, phòng khám bệnh, giải pháp
- Các bộ đèn SkyLED chiếu trần (Uplight LED) có thể thay thế cho các loại đèn
- Các tính năng đổi màu, dimmable, kết nối, điều khiển thông minh cần đƣợc
- Thay thế các loại đèn bàn bảo vệ mắt bằng các hộp sáng chống cận thị thông
- Sử dụng các loại đèn tích hợp thấu kính FO phù hợp trong chiếu sáng dụ cá và
