Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý "Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng" trình bày các nội dung chính sau: Nguồn sáng LED cho chiếu sáng cây trồng; Tính toán, mô phỏng nguồn sáng, linh kiện quang học; Kết quả chế tạo và mô phỏng phân bố quang lối ra của hệ thấu kính biên dạng tự do.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Kiều Ngọc Minh THIẾT KẾ CHẾ TẠO MA TRẬN THẤU KÍNH BIÊN DẠNG TỰ DO NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT TRONG CHIẾU SÁNG CÂY TRỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ Hà Nội – Tháng 9 năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Kiều Ngọc Minh THIẾT KẾ CHẾ TẠO MA TRẬN THẤU KÍNH BIÊN DẠNG TỰ DO NHẰM TĂNG HIỆU SUẤT TRONG CHIẾU SÁNG CÂY TRỒNG Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Tống Quang Công Hà Nội – Tháng 9 năm 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu. Chính vì vậy, các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn chịu trách nhiệm. Người làm luận văn Kiều Ngọc Minh
LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại Phòng Laser bán dẫn – Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam. Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới Tiến Sĩ Tống Quang Công, PGS. TS. Trần Quốc Tiến những người thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi một không gian làm việc chuyên nghiệp trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS. Vũ Ngọc Hải, NCS. Vũ Hoàng cùng các cán bộ nhân viên Phòng Laser bán dẫn – Viện Khoa học vật liệu đã tận tình chỉ bảo và hỗ trợ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong hơn một năm qua cùng ban Lãnh đạo, phòng Đào tạo, các phòng chức năng của Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong thời gian tôi học tập tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân đã hỗtrợ và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 9 năm 2021 Kiều Ngọc Minh
MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................ 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... 4 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 8 1.1. Nguồn sáng LED cho chiếu sáng cây trồng ...................................... 8 1.1.1. Nguồn sáng dải.......................................................................................... 8 1.1.2. Nguồn sáng điểm (LED Spotlight) ......................................................... 9 1.2. Các thông số cơ bản của nguồn đèn điểm trong chiếu sáng cây trồng ............................................................................................................ 10 1.2.1. Cường độ chiếu sáng .............................................................................. 10 1.2.2. Bước sóng ánh sáng ................................................................................ 11 1.2.3. Phân bố ánh sáng..................................................................................... 13 1.2.4. Cường độ bức xạ ..................................................................................... 14 1.3. Tối ưu phân bố quang của nguồn sáng điểm sử dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh .......................................................................... 15 1.3.1. Khái niệm quang học không tạo ảnh..................................................... 15 1.3.2. Linh kiện quang học trong quang học không tạo ảnh ......................... 17 1.3.3. Ứng dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh....................................... 18 1.3.4. Công cụ tính toán mô phỏng (Mathlab, Light tools) ........................... 19 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ............................................. 24 2.1. Tính toán, mô phỏng nguồn sáng, linh kiện quang học ................ 24 2.1.1. Tính toán, thiết kế biên dạng của thấu kính .......................................... 24 2.1.2. Mô phỏng hình dạng và quang trình của thấu kính biên dạng tự do .. 30 2.2. Chế tạo mẫu thấu kính biên dạng tự do ......................................... 32 2.2.1. Phương pháp chế tạo thấu kính.............................................................. 32 2.2.2. Gia công và hoàn thiện mẫu thấu kính biên dạng tự do ...................... 36 2.3. Kỹ thuật đo đạc ................................................................................. 37 2.3.1. Xây dựng hệ đo phân bố ánh sáng ........................................................ 37 2.3.2. Lắp ráp và hoàn thiện hệ đo ................................................................... 38 1
2.3.3. Xây dựng hệ đo thông số truyền qua của thấu kính biên dạng tự do . 40 2.4. Lắp ráp đèn LED điểm hoàn chỉnh................................................. 42 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 44 3.1. Kết quả đo thông số nguồn sáng điểm (chip LED) ........................ 44 3.1.1. Kết quả đo thông số quang điện của chip LED .................................... 44 3.1.2. Kết quả đo phổ chip LED....................................................................... 44 3.2. Kết quả chế tạo và mô phỏng phân bố quang lối ra của hệ thấu kính biên dạng tự do .................................................................................. 45 3.2.1. Kết quả mô phỏng, chế tạo thấu kính dạng kép.................................... 45 3.2.2. Kết quả mô phỏng, chế tạo thấu kính dạng ma trận ............................. 47 3.2.3. Kết quả mô phỏng khác.......................................................................... 48 3.3. Kết quả đo thông số thấu kính......................................................... 50 3.3.1. Kết quả đo độ truyền qua của thấu kính ............................................... 50 3.3.2. Kết quả đo phân bố ánh sáng tạo bởi nguồn sáng và hệ thấu kính biên dạng tự do............................................................................................................... 51 3.3.3. Phân bố ánh sáng phụ thuộc vào góc nghiêng giữa thấu kính biên dạng tự do và thấu kính chuẩn trực ............................................................................... 54 3.3.4. Phân bố ánh sáng phụ thuộc vào vị trí đặt chip LED .......................... 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 59 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................................... 61 2
DANH MỤC VIẾT TẮT COB: Chips On Board CNC: Computer Numerical Control CRI: Color Rendering Index LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LCD: Liquid-crystal Display LED: Light-Emitting Diode PAR: Photosynthetically Active Radiation PE: Photon Efficacy PMMA: Poly Methyl Methacrylate PPF: Photosynthetic Photon Flux PPFD: Photosynthetic Photon Flux Density SMD: Surface-Mount Device 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số thiết kế thấu kính dạng kép Bảng 2.2: Thông số thiết kế thấu kính dạng ma trận Bảng 2.3: Thông số phép đo phân bố ánh sáng DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1: Đèn LED dạng thanh ứng dụng chiếu sáng cây trồng 9 Hình 1.2: Đèn LED sử dụng trong chiếu sáng điều khiển sự ra hoa 10 của cây hoa cúc Hình 1.3: Sự khác nhau giữa Lux và lumen 11 Hình 1.4: Hình ảnh thể hiện định nghĩa của bước sóng 12 Hình 1.5: Sự khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không 17 tạo ảnh Hình 1.6: Tính toán, mô phỏng và vẽ đồ thị trên phần mềm matlab 20 Hình 1.7: Mô hình được thiết kế trên phần mềm Light Tools 22 Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết kế đèn LED tăng độ đồng đều phân bố 24 Hình 2.2: Thấu kính chuẩn trực sử dụng trong chế tạo bộ đèn 25 Hình 2.3: Nguyên tắc thiết kế thấu kính dựa trên quang hình tự do[3] 25 Hình 2.4: Quy trình tính toán thấu kính biên dạng tự do dạng kép 27 Hình 2.5: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng kép 28 Hình 2.6: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận 30 Hình 2.7: Cấu hình chiếu sáng của đèn LED với hệ thấu kính 31 Hình 2.8: Cấu trúc phân tích mất mát và phân tích tia 32 Hình 2.9: Máy CNC 3004001000mm dùng chế tạo biên dạng 33 thấu kính Hình 2.10: Mũi V-bit và mũi phay 3mm sử dụng chế tạo thấu kính 33 4
Hình 2.11: Thiết kế thấu kính trên phần mềm Auto CAD 34 Hình 2.12: Mô phỏng đường đi của mũi khoan trong công đoạn tạo 34 biên dạng bề mặt thấu kính Hình 2.13: Máy CNC đang chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng 35 kép Hình 2.14: Máy CNC đang chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng 35 ma trận Hình 2.15: Các công cụ xử lý bề mặt thấu kính 36 Hình 2.16: Sơ đồ hệ đo phân bố quang cho thấu kính 37 Hình 2.17: Hình ảnh của hệ dịch chuyển hai chiều 38 Hình 2.18: Nguồn Thorlabs ITC 4005 39 Hình 2.19: Arduino R3 và photodiode sử dụng trong phép đo 39 Hình 2.20: Sơ đồ hệ đo độ truyền qua của thấu kính 40 Hình 2.21: Thiết bị đo công suất quang MELLES GRIOT 41 Hình 2.22: Laser diode 650nm công suất 200mW 41 Hình 2.23: Thấu kính biên dạng tự do và thấu kính chuẩn trực 42 sau khi được ghép nối Hình 2.24: Linh kiện của đèn LED được lắp ráp 42 Hình 3.1: Đồ thị sự đáp ứng công suất phụ thuộc vào dòng nuôi của 44 LED 635nm Hình 3.2: Kết quả đo phổ ánh sáng của đèn LED sử dụng trong 45 thiết kế và phép đo Hình 3.3: Thấu kính biên dạng tự do dạng kép 45 Hình 3.4: Kết quả mô phỏng phân bố chiếu sáng của thấu kính biên 46 dạng tự do dạng kép. Hình 3.5: Mô phỏng, thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma 47 trận 5
Hình 3.6: Thấu kính biên dạng tự do a) trước và b) sau khi xử lý bề 47 mặt Hình 3.7: Kết quả mô phỏng phân bố chiếu sáng của thấu kính biên 48 dạng tự do dạng ma trận Hình 3.8: Phân bố ánh sáng trên mặt thu có (a) d = 2 °; (b) d = 49 3 °; (c) d = 4 °; (d) Hiệu suất và độ đồng đều phụ thuộc vào góc lệch chuẩn trực. Hình 3.9: Đồ thị đo hiệu suất truyền qua của 2 dạng thấu kính 50 trước khi được xử lý bề mặt Hình 3.10: Đồ thị đo hiệu suất truyền qua của 2 dạng thấu kính 51 sau khi được xử lý bề mặt Hình 3.11: Phân bố ánh sáng của thấu kính biên dạng tự do dạng 52 kép a) Kết quả đo phân bố ánh sáng; b) Hình ảnh thực tế của phân bố; c) Mặt cắt của phân bố ánh sáng Hình 3.12: Phân bố cường độ ánh sáng của thấu kính biên dạng tự 53 do dạng ma trận tại bề mặt cách nguồn sáng 70cm. a) Kết quả đo phân bố ánh sáng; b) Hình ảnh thực tế của phân bố; c) Mặt cắt của phân bố ánh sáng Hình 3.13: Phân bố ánh sáng tại các góc lệch khác nhau giữa thấu 55 kính chuẩn trực và thấu kính biên dạng tự do. Hình 3.14: Phân bố ánh sáng tại các giá trị góc mở của thấu kính 56 chuẩn trực.a) 14O; b) 30O; c) 43O; d) 54O. 6
MỞ ĐẦU Từ xưa đến nay, ánh sáng là một yếu tố quan trọng đối với sự sống, đặc biệt đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Tuy nhiên, đối với mỗi loại thực vật khác nhau và từng giai đoạn phát triển khác nhau, nhu cầu về ánh sáng là khác nhau. Việc kiểm soát độ sáng đối với các giai đoạn phát triển của thực vật được cho là bước tiến rất quan trọng trong ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp. Trong những năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng trong nông nghiệp đã trở nên phổ biến hơn vì tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ dài, khối lượng nhỏ gọn, chỉ số hoàn màu cao và lợi ích môi trường [1,2]. Mặc dù các nhà sản xuất LED và các nhà cung cấp hàng đầu đã đề cao những lợi thế của đèn LED trong các ấn phẩm công nghiệp và danh mục của họ [3], nhưng phân bố dạng Lambert của đèn LED là một nhược điểm khiến chúng hiếm khi được sử dụng trực tiếp cho mục đích chiếu sáng đòi hỏi tính đồng nhất cao. Ánh sáng phát ra từ đèn LED có tính định hướng cao nhưng phân bố dạng Lambert gây ra sự chênh lệch lớn về độ sáng giữa các vùng được chiếu sáng. Vậy nên, nếu như thuần tuý sử dụng đèn LED trong việc chiếu sáng phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật, lượng ánh sáng thực nhận được giữa các vùng chiếu sáng là khác nhau, dẫn đến kết quả thực vật phát triển không đồng đều. Hiện nay, đèn LED tuýp cũng đã được ứng dụng trong chiết sáng cây trồng, độ đồng đều chiếu sáng cao hơn đèn LED thường, tuy nhiên, đèn LED tuýp bị giới hạn trong lĩnh vực chiếu sáng cây trồng trong nhà, không thể đưa ra ngoài trời do gặp vấn đề về kỹ thuật lắp đặt. Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài ‘‘Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng” với mục tiêu chế tạo linh kiện quang học thứ cấp cho đèn LED nhằm đạt phân bố có dạng hình vuông và độ đồng đều chiếu sáng cao tại bề mặt chiếu sáng. 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nguồn sáng LED cho chiếu sáng cây trồng Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của chiếu sáng LED trong cuộc sống, chiếu sáng bằng đèn LED cũng dần được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Các hãng sản suất nổi tiếng về đèn chiếu sáng như Philips, Panasonic, Rạng Đông,… cũng bắt đầu sản suất những loại đèn đặc biệt cho mục đích này. Đèn LED cho ứng dụng nông nghiệp hiện nay gồm hai loại chính là đèn LED dạng thanh và đèn LED dạng điểm, mỗi loại có đặc điểm, thông số kỹ thuật khác nhau phù hợp với mục đích chiếu sáng nông nghiệp khác nhau. Bóng đèn led chiếu sáng được dùng trong nhiều ngành nông nghiệp cho thấy được những ưu việt tuyệt vời của nó. Với những đặc điểm nổi trội hơn hẳn các loại đèn chiếu sáng khác về cả hiệu quả, tính năng…, đèn LED hiện nay đã dần thay thế hoàn toàn được các loại đèn chiếu sáng thông thường trước đây. Đây chính là sản phẩm chiếu sáng hàng đầu trong các ngành công nghiệp hay nông nghiệp chiếu sáng hiện đại. Tại thời điểm hiện tại, đèn LED có khá nhiều các loại đèn khác nhau như đèn LED dây, đèn led tuýp hay các loại đèn âm trần, điều này là đặc biệt phù hợp đối với các nhu cầu sử dụng khác nhau của con người trong nhiều lĩnh vực khác nhau[1]. Đèn LED sử dụng trong nông nghiệp có đặc điểm riêng về bước sóng, để có hiệu ứng tốt hơn với cây trồng con người đã tiến hành nghiên cứu và phát hiện ra cây trồng có phản ứng tích cực với vùng bước sóng 450-470 nm và 630- 670 nm.[8] Chính vì thế các loại LED sử dụng trong nông nghiệp chủ yếu sử dụng 2 loại bước sóng này. Tùy thuộc vào từng loại cây và mục đích khác nhau mà tỷ lệ giữa 2 loại bước sóng này cũng khác nhau. 1.1.1. Nguồn sáng dải Đèn LED dạng thanh ứng dụng chiếu sáng nông nghiệp trong nhà được thiết kế với một dãy các chip LED gần nhau. Chính vì vậy, đèn LED dạng thanh có thể đạt độ đồng đều chiếu sáng cao ở một khoảng cách gần, khiến cho các cây nhận được lượng ánh sáng như nhau ở vị trí khác nhau, phù hợp với nuôi cấy cây trồng ở khoảng cách thấp. Tuy nhiên, khi đưa ra chiếu sáng ngoài trời với diện tích và độ cao lớn, đèn LED dạng thanh gây mất mát lượng lớn ánh 8
sáng không thể chiếu đến cây. Hình 1.1 đưa ra một loại đèn nông nghiệp dạng thanh trong lĩnh vực chiếu sáng nông nghiệp trong nhà. Hình 1.1: Đèn LED dạng thanh ứng dụng chiếu sáng cây trồng 1.1.2. Nguồn sáng điểm (LED Spotlight) Nguồn sáng LED chiếu sáng điểm (LED spotlight) hay còn được biết đến với cái tên khác là led buld, là một loại đèn có hình dạng tương đối giống với những loại đèn sợi tóc cổ điển. Điều đặc biệt ở đèn LED Spotlight là ở góc mở của chùm ánh sáng, cấu tạo của đèn LED Spotlight thường bao gồm nguồn nuôi và các chip LED được hàn trên bảng mạch (có thể là chip luxeon, chip dán SMD, hoặc chip dạng COB). Tùy vào mục đích chiếu sáng mà nhà sản xuất có thể thay đổi góc chiếu của đèn từ 5o cho đến 120o. Hiện nay, trong sản xuất nông nghiệp, ví dụ ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng phá đêm kiểm soát sự ra hoa hoặc nhằm mục đích cho cây tăng trưởng tốt hơn tại các nhà vườn, trang trại người ta thường sử dụng đèn LED buld với góc chiếu khoảng 120 o kết hợp với các loại chụp đèn để giảm góc chiếu. Vùng diện tích được chiếu sáng tập trung hơn so với sử dụng đèn LED dạng thanh. Tuy nhiên, đèn LED buld có phân bố cường độ ánh sáng dạng Lambert dẫn đến hiện tượng cây trồng không nhận được lượng ánh sáng đồng nhất tại các vị trí khác nhau. So với đèn LED thanh, đèn LED buld có giá thành rẻ hơn và dễ dang sử dụng với các loại cây 9
trồng ngoài trời. Cụ thể cây càng gần hình chiếu vuông góc của đèn trên mặt phẳng chiếu, cường độ ánh sáng càng lớn và ngược lại, càng xa thì cường độ sáng càng nhỏ. Hình 1.2 đưa ra đèn LED Spotlight dùng trong chiếu sáng cây hoa cúc và sự phát triển không đồng đều giữa các vùng cây được chiếu sáng. Hình 1.2: Đèn LED sử dụng trong chiếu sáng điều khiển sự ra hoa của cây hoa cúc 1.2. Các thông số cơ bản của nguồn đèn điểm trong chiếu sáng cây trồng 1.2.1. Cường độ chiếu sáng Cường độ ánh sáng: Cường độ ánh sáng của đèn LED là năng lượng của đèn được phát ra theo một hướng nhất định[5]. Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd). Đèn led có cường độ ánh sáng 1 cd sẽ phát ra 1 lm trên diện tích 1 m2 theo một hướng. Dựa vào cường độ ánh sáng để chọn đèn led phù hợp với mục đích chiếu sáng, diện tích không gian cần chiếu sáng. Độ rọi: 10
Độ rọi hay còn được biết đến là độ tập trung ánh sáng tại một điểm. Là đại lượng đặc trưng cho thông lượng ánh sáng phát ra đo được trên một đơn vị diện tích[5]. Đơn vị đo độ rọi được ký hiệu là Lux. Công thức tính độ rọi: 1lx=1lm/m2. Độ rọi được biết đến là mức độ của ánh sáng khi chiếu trên bề mặt mà người dùng cảm nhận được theo độ mạnh hay yếu. Vì vậy giá trị của độ rọi có thể thay đổi theo khoảng cách, không gian, thành phần bước sóng và nhiệt độ màu của ánh sáng. Độ rọi là tổng lượng quang thông trên một đơn vị diện tích. Để tính được độ rọi, ta cần biết quang thông của nguồn sáng. Hình 1.3 thể hiện sự khác nhau giữa Lux và lumen, Lux đặc trưng cho thông lượng ánh sáng theo khoảng cách còn lumen đặc trưng cho thông lượng ánh sáng theo góc khối. Hình 1.3: Sự khác nhau giữa Lux và lumen Độ rọi quyết định mức độ ánh sáng mạnh hay yếu theo cảm nhận của con người. Khi khu vực làm việc có độ rọi cao hoặc thấp sẽ gây khó chịu cho mắt người sử dụng, ngược lại với độ rọi hợp lý sẽ giúp tăng khả năng tập trung. Độ rọi và diện tích cần chiếu sáng chính là tiêu chí để xác định số lượng bóng đèn cần sử dụng, tiết kiệm tối đa chi phí cho người sử dụng 1.2.2. Bước sóng ánh sáng Để giải thích nguồn gốc của màu sắc, Robert Hooke (1635–1703) đã phát triển một "lý thuyết xung" và so sánh sự lan truyền của ánh sáng với sự lan truyền của sóng trong nước trong tác phẩm năm 1665 của ông là Micrographia ("Quan sát IX"). Năm 1672, Hooke cho rằng dao động của ánh sáng có thể vuông góc với hướng truyền. Christiaan Huygens (1629–1695) đã đưa ra lý thuyết sóng toán học của ánh sáng vào năm 1678, và xuất bản nó trong cuốn luận thuyết về ánh sáng vào năm 1690. Ông đề xuất rằng ánh sáng 11
được phát ra theo mọi hướng dưới dạng một chuỗi sóng trong một môi trường được gọi là Luminiferous ether. Vì sóng không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, nên người ta cho rằng chúng chậm lại khi đi vào một môi trường dày đặc hơn.[13] Hình 1.4: Hình ảnh thể hiện định nghĩa của bước sóng Sóng ánh sáng (hoặc một số loại sóng điện từ khác) khi đi vào các môi trường khác môi trường chân không bước sóng của chúng bị giảm do vận tốc giảm trong khi tần số sóng không đổi. Trong môi trường truyền ánh sáng, vận tốc giảm đi n lần với n là chiết suất của môi trường 𝑐 𝑣= (1) 𝑛 Với c là bước sóng ánh sáng truyền trong môi trường chân không, n là chiết suất của môi trường. LED được chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Do đó, các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức năng lượng. Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vùng hóa trị sẽ tạo ra photon có bước sóng . Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra. Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị không đều nhau, dẫn đến công suất phát quang tại các bước sóng không đều nhau. Độ bán rộng của phổ quang được định nghĩa là khoảng bước sóng do nguồn LED phát ra có công xuất bằng 0,5 lần công xuất đỉnh (hay giảm 3dB). Độ bán rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn sáng. Ví dụ: ánh sáng có bước sóng 1,3 µm do LED chế tạo bằng vật liệu bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ 50-60 nm còn LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs phát ra ánh 12
sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần so với LED được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn InGaAsP. Thực vật có nhu cầu về quang phổ chọn lọc trong quá trình tăng trưởng của chúng. Trong quá trình quang hợp, cây có thể hấp thụ khoảng 60% các bước sóng trong phạm vi quang phổ nhìn thấy (380-760 nm). Hai khu vực đỉnh hấp thụ, đèn đỏ và cam với bước sóng từ 610-720 nm (đỉnh = 660 nm) và đèn xanh và tím trong khoảng 400-510 nm (đỉnh = 450 nm), đã trở thành nhu cầu không thể thiếu của thực vật. Cây hấp thụ ít hơn ở cùng phổ ánh sáng 510- 610nm (đèn vàng và xanh lá cây). Các nguồn sáng nhân tạo có thể được phát triển cho 2 dải bức xạ này (400-510 nm và 610-720 nm) làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong chiếu sáng cây trồng. Ngoài ra, thực vật có nhu cầu về bức xạ ánh sáng khác nhau ở các giai đoạn tăng trưởng khác nhau. Ví dụ, ánh sáng xanh với bước sóng khoảng 450nm có thể giúp nảy mầm và ánh sáng đỏ khoảng 630nm có thể tạo điều kiện cho quá trình quang hợp, nảy mầm, ra hoa và đậu quả. Dựa trên đặc điểm này, các loại thực vật khác nhau có nhu cầu về bức xạ ánh sáng khác nhau. Ví dụ, thực vật mọng nước và thân rễ có nhu cầu cao hơn về ánh sáng xanh trong khi thực vật mà hoa và quả thích ánh sáng đỏ. Các loại cây cân bằng khác đòi hỏi cả bức xạ đỏ và xanh. 1.2.3. Phân bố ánh sáng Góc chiếu sáng là góc nằm giữa hai mặt phẳng có cường độ sáng tối thiểu bằng 50% cường độ sáng mạnh nhất ở vùng sáng trung tâm. Phương pháp nhận diện góc chiếu đơn giản nhất bằng việc dùng bộ đèn chiếu sáng lên tường, sẽ nhìn thấy các vùng chiếu sáng lớn, nhỏ, mạnh yếu khác nhau. Các nguồn sáng tuy giống nhau những khi góc chiếu khác nhau, sẽ cho kết quả khác nhau. Góc chiếu sáng càng lớn cường độ sáng vùng trung tâm càng nhỏ và vùng sáng càng rộng[3]. Phân bố quang của mỗi LED khác nhau sẽ khác nhau tùy vào cấu trúc của LED cũng như cửa sổ phát sáng hay quy cách đóng vỏ. Có 3 loại góc chiếu sáng cơ bản phù hợp với tùy mục đích sử dụng: Góc chiếu hẹp, góc chiếu trung bình, góc chiếu rộng 13
+) Góc chiếu hẹp: 3o-8o: Các loại đèn có góc chiếu hẹp như trên thường được thiết kế chuyên dụng cho chiếu sáng cột, tạo điểm nhấn. +) Góc chiếu trung bình: 10o-60o: Các góc chiếu này là các góc chiếu thông dụng đối với các loại đèn rọi (spotlight). +) Góc chiếu rộng: trên 60o: Góc chiếu này tạo ánh sáng tỏa đều với vùng sáng rộng, vì vậy các loại đèn này phù hợp khi lắp đặt tại các không gian yêu cầu góc chiếu sáng rộng để chiếu sáng cho một vùng không gian lớn. Khi đèn led có góc chiếu càng nhỏ ánh sáng sẽ tập trung tại một khu vực. Góc chiếu sáng rộng ánh sáng sẽ phân tán đồng đều rộng ra xung quanh. 1.2.4. Cường độ bức xạ Thực vật và con người có sự cảm nhận đối với ánh sáng khác nhau. Con người và nhiều động vật khác sử dụng cảm quan của mắt trong điều kiện ánh sáng tốt để cảm nhận màu sắc và ánh sáng. Mắt con người nhạy cảm với ánh sáng màu xanh lá cây hơn ánh sáng xanh hoặc đỏ. Các loại máy đo Lux và cường độ ánh sáng(cd) thường được sử dụng đo đạc cho các ứng dụng chiếu sáng thương mại với sự khác biệt giữa 2 đại lượng này là đơn vị diện tích (Lux sử dụng lumen/m2 và cd sử dụng lumen/ft2). Sử dụng các loại máy đo Lux và cd để đo cường độ ánh sáng của hệ thống chiếu sáng nông nghiệp sẽ đưa ra kết quả khác nhau tùy thuộc vào phổ của nguồn sáng, ngay cả khi đang đo cùng cường độ. Vấn đề cơ bản với việc sử dụng máy đo Lux và cd khi đo cường độ ánh sáng của hệ thống chiếu sáng trong nông nghiệp là sự thiếu chính xác khi đo bức xạ vùng ánh sáng màu xanh (400 - 500 nm) và đỏ (600 - 700 nm) trong quang phổ vùng nhìn thấy. Con người có thể không nhạy cảm trong việc nhận thức ánh sáng ở những khu vực này, nhưng thực vật rất nhạy cảm trong việc sử dụng ánh sáng đỏ và xanh để thúc đẩy quang hợp. Đây là lý do tại sao lumens, Lux và cd không được sử dụng làm số liệu cho ánh sáng sử dụng trong nông nghiệp. PAR (Photosynthetically Active Radiation) PAR còn được biết đến với tên bức xạ hoạt động quang hợp thể hiện phạm vi dải phổ của bức xạ mặt trời trong vùng 400-700nm mà thực vật có thể sử dụng cho quá trình quang hợp. Trong chiếu sáng nông nghiệp PAR là một trong 14
những thông số quan trong cần quan tâm. PAR được định lượng bởi các cảm biến lượng tử. PPF (Photosynthetic Photon Flux) PPF được định nghĩa là thông lượng photon quang hợp. PPF đo tổng lượng PAR mà nguồn sáng có thể cung cấp được mỗi giây. Phép đo này thường được đo bằng quả cầu tích phân. Đơn vị của PPF là micromoles trên giây (μmol/s). đây cũng là một thông số quan trọng cần quan tâm trong chiếu sáng nông nghiệp. PPF không thể hiện lượng ánh sáng chiếu vào cây, nhưng đây là một số liệu cần thiết để đánh giá hiệu quả của hệ thống chiếu sáng cây trồng. PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density) PPFD là mật độ thông lượng quang hợp. PPFD đo lượng PAR thực sự đến cây trồng, hoặc có thể nói: "số lượng photon hoạt động quang hợp rơi trên một bề mặt nhất định mỗi giây". PPFD là một phép đo tại một vị trí cụ thể trên tán cây của và nó được đo bằng micromoles trên một mét vuông mỗi giây (μmol / m2/s) PE (Photon Efficacy) Photon Efficacy đề cập đến mức độ hiệu quả của một hệ thống chiếu sáng nông nghiệp trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành photon của PAR. Nhiều nhà sản xuất chiếu sáng trong nông nghiệp sử dụng tổng công suất điện làm số liệu để mô tả, đánh giá cường độ ánh sáng. Tuy nhiên, những số liệu này thực sự không cho biết bất cứ điều gì vì watt là một phép đo công suất điện tiêu thụ, không phải đầu ra ánh sáng. Nếu PPF của ánh sáng được biết đến cùng với công suất đầu vào, có thể tính toán mức độ hiệu quả của hệ thống chiếu sáng trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành PAR 1.3. Tối ưu phân bố quang của nguồn sáng điểm sử dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh 1.3.1. Khái niệm quang học không tạo ảnh Hệ thống quang học có thể được chia thành hai loại: quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh. Các hệ thống, thiết bị quang học tảo ảnh phổ biến: máy ảnh, kính hiển vi, kính thiên văn,.v.v. các hệ thống, thiết bị này truyền hình ảnh rõ ràng của đối tượng tới cảm biến, màn hình hoặc người quan sát. Tuy 15
nhiên nhiều ứng dụng không yêu cầu tạo ra hình ảnh, thay vào đó ánh sáng được truyền với mục đích xác định. Quang học không tạo ảnh (còn gọi là quang học anidolic) là nhánh quang học liên quan đến sự truyền bức xạ tối ưu giữa nguồn sáng và đầu thu. Không giống như quang hình truyền thống, quang học không tạo ảnh không cố tạo thành hình ảnh của nguồn sáng, thay vì đó, một hệ thống quang học được thiết kế để tối ưu hóa quá trình truyền bức xạ từ nguồn sáng đến mặt phẳng chiếu sáng một cách có chủ ý. Quang học không tạo ảnh được phát triển chủ yếu trong khuôn khổ quang học hình học. Quang học không tạo ảnh bắt đầu phát triển vào giữa những năm 1960 với ba các nhóm nghiên cứu độc lập khác nhau của V. K. Baranov, M. Ploke, và R. Winston và dẫn đến sự phát triển độc lập của các nhánh khác dựa trên quang học không tạo ảnh đầu tiên[7]. Các hệ thống quang học không tạo ảnh thay thế một đối tượng và một mặt phẳng hình ảnh trong hệ thống quang học tạo ảnh bằng một nguồn sáng và một diện tích thu tương ứng. Quang học không tạo ảnh có thể chuyển hiệu quả tổng công suất phát sáng từ nguồn sang diện tích thu mà không cần hình thành hình ảnh. Do đó, quang học không tạo ảnh phù hợp với các ứng dụng thu năng lượng mặt trời và các ứng dụng chiếu sáng. Về mặt ứng dụng trong thu năng lượng mặt trời, quang học không tạo ảnh quang học giúp cải thiện một số khía cạnh của thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời như góc giới hạn, tỷ lệ, phân bố ánh sáng, v.v., mà không thể giải quyết bằng quang học tạo ảnh. Về mặt thiết kế chiếu sáng như định hướng ánh sáng, đèn pha ô tô, chiếu sáng màn hình bảng điều khiển, v.v., Quang học không tạo ảnh là sự lựa chọn tối ưu cho phương pháp thiết kế. Hình 1.5 thể hiện một khía cạnh khác nhau giữa quang học tạo ảnh và quang học không tạo ảnh. Quang học không tạo ảnh sẽ giúp giảm bớt vật liệu chế tạo, các tính toán tối ưu thấu kính dựa trên lý thuyết quang tia, chiết suất giúp dễ dàng tính toán và mô phỏng chùm tia sau khi đi qua hệ thống quang học. 16