BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -----------------------------
DƢƠNG THỊ GIANG 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
Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và
quang tử
Mã số: 9440127
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU QUANG
HỌC, QUANG ĐIỆN TỬ VÀ QUANG TỬ
HÀ NỘI - 2020
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công
nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Quốc Tiến
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phạm Hồng Dương
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ -
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi …
giờ ..’, ngày … tháng … năm 2020….
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, con người sống
và làm việc chủ yếu ở trong nhà dưới môi trường chiếu sáng
nhân tạo. Môi trường 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 cư dân sẽ bị đảo lộn và gây nên rất nhiều hậu quả
về sức khỏe thể chất, sinh lý và tâm lý như mất ngủ, béo phì,
sinh lý kém, hiếm muộn, mệt mỏi, thậm chí ung thư. Chính vì
vậy việc tạo ra một môi trường ánh sáng vì con người để bảo vệ
thị lực mắt và sức khỏe là rất cần thiết.
Trong luận án này, tôi sẽ trình một cách có hệ thống các
vấn đề cần giải quyết trong lĩnh vực chiếu sáng nội thất cho con
người, xuất phát từ các kiến thức về vai trò của ánh sáng đối với
con người. Tiếp theo là thiết kế, chế tạo và ứng dụng các sản
phẩm chiếu sáng rắn trên cơ sở LED kết hợp với linh kiện
quang biên dạng tự do trong chiếu sáng nội thất.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu nâng cao tính năng sử dụng và chất lượng sản
phẩm chiếu sáng 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 LED hiện
hành.
3. Các nội dung nghiên cứu chính
Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-
phosphor.
2
Tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo linh kiện quang
cấu hình tự do (FO) ứng dụng trong chiếu sáng rắn.
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.
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1. Chiếu sáng rắn và nguồn sáng LED
Chiếu sáng rắn với trọng tâm là nguồn sáng LED ra đời đã
mở ra một cuộc cách mạng trong chiếu sáng mà những người
đóng góp quan trọng đã được nhận giải Nobel về Vật lý năm
2014, và năm 2015 được Liên hiệp quốc tế tuyên bố là năm ánh
sáng. Với các ưu thế vượt trội như tiết kiệm năng lượng, hiệu
suất cao, có khả năng thay đổi cấu trúc phổ phát xạ, an toàn với
môi trường và người sử dụng, nguồn sáng LED đã trở thành
nguồn sáng chủ đạo thay thế hầu hết các nguồn sáng truyền
thống khác.
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). Để tạo nên linh kiện phát quang, người ta sử
dụng bán dẫn vùng cấm thẳng 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 được gọi là điôt.
Nhằm mục đích tăng hiệu suất lượng tử của linh kiện, thay
vì sử dụng các bán dẫn đồng chất người 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
3
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 vùng có Eg thấp, gọi là giếng lượng tử. Cấu trúc giếng lượng tử làm tăng xác xuất tái
hợp của các hạt tải, tức làm tăng hiệu suất phát quang của linh
kiện [3].
1.1.2. Vật liệu phosphor
Vật liệu phát quang là thành phần rất quan trọng ảnh
hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất của nguồn sáng
LED. Các hệ vật liệu phát quang thương 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.
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); 2) Chip UV LED
kết hợp với phosphor 3 màu Blue Green Red; 3) Chip BLED
kết hợp với phosphor vàng 560 nm.
Cấu hình LED trắng chuyển đổi (Phosphor converted
White LED - Pc-WLED) là cấu hình chiếm vai trò chủ đạo trên
thị trường đóng gói LED hiện nay với các ưu thế: đơn giản,
chịu được nhiệt độ cao và chất lượng màu ổn định.
1.1.4. Bộ đèn LED (LED Luminaire)
Một bộ đèn LED (LED luminaire) sử dụng trong chiếu
sáng thông thường được cấu tạo từ 4 hợp phần, đó là mô đun
4
LED, nguồn điều khiển (driver), tản nhiệt (heat sink), quang
học (optics).
1.1.5. Các đặc trưng của nguồn sáng LED
Các đặc trưng đánh giá chất lượng và hiệu quả của nguồn
sáng được mô tả bằng các thông số: thông số điện - quang
(quang thông, công suất, hiệu suất quang), thông số màu sắc
(phổ phát xạ, nhiệt độ màu tương quan, hệ số trả màu, độ sạch
màu), cường độ sáng và phân bố cường độ sáng.
1.2. Linh kiện quang học biên dạng tự do FO
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 ưu việt và có tính tích hợp hệ
thống cao. FO được định nghĩa là quang học của các bề mặt
không đối xứng hoặc các hình dạng bất kỳ, được thiết kế chế
tạo bằng các công nghệ không truyền thống, bao gồm: các loại
linh kiện cầu hoặc phi cầu đối xứng quay có mặt cắt ngoài trục
quang (off-axis section), các biên dạng đối xứng quay phi tiêu
chuẩn như hình nón, hình cung nhọn hay hình dạng bất kỳ khác,
và linh kiện FO phù hợp với hình dạng của hệ thống.
FO tạo ra các cơ hội mới cho các nhà thiết kế quang, đồng
thời cũng đưa ra thách thức cho công nghệ chế tạo và phương
pháp đo lường. FO được 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 như phát triển các công cụ chế tác,
5
đo lường, thể hiện qua số lượng hơn 230 công trình công bố
quan trọng, hàng trăm sáng chế và sản phẩm công nghiệp trong
thời gian gần đây.
1.2.2. Ứng dụng linh kiện FO trong chiếu sáng rắn
Ứng dụng của linh kiện FO trong công nghệ chiếu sáng rắn
SSL trên cơ sở 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 trưng quang học của các
chủng loại LED khác nhau.
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], tuy nhiên
phân bố độ rọi không đồng đều vẫn là điểm yếu của hệ thống
chiếu sáng rắn. Việc tích hợp thấu kính FO với nguồn sáng rắn
nhằm mục đích chiếu sáng đồng đều lên trần nhà đang là xu
hướng thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà thiết kế.
1.3. Chiếu sáng
1.3.1. Hệ thống thị giác của con người (Human vision)
Các kết quả nghiên cứu mới đây cho thấy, mắt người
không phải chỉ để nhìn, mà còn là phương tiện kết nối đồng hồ
sinh học bên trong của con người với chu trình tự quay trái đất
và hệ thống mặt trời.
Trong cuộc sống đô thị, khi mà môi trường 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
6
sinh học sẽ bị đảo lộn và gây nên rất nhiều hậu quả về sức khỏe
thể chất, sinh lý và tinh thần.
1.3.2. Ô nhiễm ánh sáng
Trong thời hiện đại và ở các thành phố lớn, con người ngày càng dành nhiều thời gian hơn trong môi trường chiếu
sáng nhân tạo. Sự khác biệt giữa môi trường ánh sáng nhân tạo
và môi trường ánh sáng tự nhiên có thể được coi là ô nhiễm ánh
sáng. Hậu quả của những khác biệt này là một trong các nguyên
nhân gây tật cận thị và các bệnh sinh lý khác của con người như
hoạt động kém, trầm cảm, mất ngủ, bệnh tim, tăng cân và thậm
chí là ung thư [45]. Các yếu tố gây ô nhiễm ánh sáng bắt nguồn
từ hạn chế về tính năng của các loại nguồn sáng, cũng như do
các yếu kém trong thiết kế chiếu sáng.
1.3.3. Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm (HCL)
Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm (HCL-Human
Centric Lighting) là một chủ đề quan trọng nhất và được thảo
luận sôi nổi nhất hiện nay, khi mà cuộc cách mạng công nghiệp
4.0 bắt đầu đi vào cuộc sống. Các nghiên cứu gần đây còn chỉ
ra rằng, sự khác biệt rất lớn giữa môi trường ánh sáng tự nhiên
và môi trường ánh sáng nhân tạo là một trong những tác nhân
gây nên các loại bệnh lệch lạc như cận thị, nhược thị, mất ngủ,
ưng thư, trầm cảm, 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
người làm trung tâm, tức là tạo ra môi trường chiếu sáng nhân
tạo gần giống với môi trường ánh sáng tự nhiên, phù hợp với
nhịp sinh học của con người [106-109].
7
Trong luận án này, tôi sẽ tập trung vào việc nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo các nguồn sáng mới trên cơ sở nguồn sáng
LED tích hợp với linh kiện quang biên dạng tự do FO nhằm giải
quyết các vấn đề gây bức xúc trong chiếu sáng như chói lóa,
mất tiện nghi, mất nhịp điệu, bảo vệ thị lực và sức khỏe cho
người sử dụng.
CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP, KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG 2.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm
trợ giúp
Chúng tôi đã sử dụng các phần mềm chuyên dụng như
Excel, Origin để tính toán, phân tích dữ liệu, đặc biệt trong
công đoạn xử lý số liệu đo đạc phổ huỳnh quang, phổ phản xạ,
phổ truyền qua…
Để thiết kế linh kiện quang học hoặc cơ khí, chúng tôi đã
lựa chọn phần mềm Solidworks để thiết kế biên dạng thấu kính,
máng đèn và các chi tiết phụ như bịt đầu đèn, thanh treo…
Sau khi thiết kế biên dạng thấu kính, chúng tôi đã tiến
hành mô phỏng quang để đánh giá hiệu quả phân bố lại ánh
sáng của hệ thấu kính quang học sử dụng các phần mềm mô
phỏng quang như Optgeo, Tracepro, Zeemax…
2.2. Kỹ thuật, công nghệ sử dụng
2.2.1. Chế tạo nguyên mẫu linh kiện FO
Sau khi thiết kế cấu trúc cho linh kiện FO, chúng tôi tiến
hành chế tác nguyên mẫu thấu kính FO sử dụng một trong hai
8
công nghệ: Cắt CNC từ vật liệu PMMA và in 3D sử dụng vật
liệu quang học trong suốt.
Nguyên mẫu thô sau khi chế tạo có nhiều vết xước, cần
phải hoàn thiện bằng 3 phương pháp: mài và đánh bóng; xử lý
nhiệt; phủ màng quang học. Kết quả thực nghiệm cho thấy
phương pháp phủ màng quang học cho hiệu quả tốt nhất.
2.2.2. Chế tạo linh kiện FO bằng công nghệ ép phun nhựa
dẻo
Chúng tôi chỉ sử dụng công nghệ ép nhựa nhiệt dẻo trong
việc chế tạo thấu kính FO và các linh kiện khác trong chuỗi sản
xuất các bộ đèn LED của chúng tôi.
Vật liệu lựa chọn sử dụng phụ thuộc vào nhu cầu và tình
huống sử dụng cụ thể của sản phẩm. Cụ thể, mẫu thấu kính bất
đối xứng và thu hẹp góc chiếu sáng được sản xuất từ vật liệu
PS, còn thấu kính cho đèn dụ cá thì dùng vật liệu PC.
2.2.3. Công nghệ đùn ép nhôm
Để sản xuất quy mô lớn, công nghệ đúc nhôm và công
nghệ đùn ép nhôm được sử dụng thay cho công nghệ cắt gọt
bằng máy công cụ CNC. 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 thương mại hoá sản phẩm.
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 phương pháp và thiết bị của
Phòng Thí nghiệm trọng điểm của Viện Khoa học vật liệu để đo
đạc đặc trưng vật liệu, linh kiện phục vụ cho việc chế tạo các bộ
9
đèn LED tích hợp thấu kính FO. Hệ đo quang huỳnh quang để
khảo sát phổ phát xạ của các vật liệu phosphor cho LED.
Để xác định độ bóng của linh kiện FO sau khi ép phun
nhựa nhiệt dẻo, kính hiển vi điện tử quét FSEM được PTN
trọng điểm trang bị là một thiết bị phù hợp. Thông thường độ
bóng của linh kiện nhựa quang học phổ thông vào khoảng λ/5
đến λ/10 tương đương với 100 nm tới 50 nm.
2.3.2. Các thiết bị đo đặc trưng đèn LED
Hệ đo quả cầu tích phân là tổ hợp các thiết bị đo gồm có:
quả cầu tích phân, phổ kế, đầu đo quang thông, máy tính có hỗ
trợ phần mềm hiện thị, được sử dụng để đo các thông số quang
– điện của nguồn sáng.
Góc quang kế (Goniophotometer): là thiết bị đo phân bố
cường độ sáng theo góc. Kết quả đo được chuẩn hoá và lưu trữ
dưới định dạng IES, theo đó cường độ sáng (đơn vị đo cd) là
một hàm của góc chiếu.
2.4. Xây dựng mô hình chiếu sáng
Mô phỏng môi trường chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux
Evo.
Chúng tôi đã sử dụng phần mềm mô phỏng Dialux Evo để
tính toán các phương án chiếu sáng cho các công trình để đưa ra
phương án lựa chọn tối ưu nhất. Mô hình xây dựng thực tế cho
kết quả tương tự như mô phỏng khi lựa chọn các giá trị mô
phỏng sát với hiện trạng thực tế của mô hình.
10
CHƢƠNG III. THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐÈN LED
TRẮNG CẤU HÌNH REMOTE-PHOSPHOR
3.1. Mở đầu
Các loại LED trắng hiện nay chủ yếu được sản xuất theo
phương pháp phủ phosphor trực tiếp lên chip LED xanh. Với
cấu hình này, phần lớn ánh sáng đi ra từ chip LED, ánh sáng
huỳnh quang bị phản xạ ngược trở lại và gây mất mát. Cấu hình
đưa phopshor ra xa chip LED đã được nhiều tác giả đề xuất, có
tác dụng tăng hiệu suất chiếu sáng và tuổi thọ của bộ đèn [95,
96, 105]. Trong luận án này, chúng tôi đã đề xuất và chế tạo bộ
đèn LED trắng có cấu hình RP (remote-phosphor) có tính năng
ưu việt hơn các cấu hình đã sử dụng trước đây.
3.2. Thiết kế chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình RP
3.2.1. 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 dãy
LED xanh lam là nguồn kích, ống tản nhiệt cho LED, một tấm
dẫn sáng được phủ tổ hợp màng phosphor + tán xạ, tấm tản
sáng, tấm phản xạ.
3.2.2. 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 được 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 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
11
ma trận các chấm chiết – phát sáng được in lên bề mặt của tấm
bằng phương pháp in lưới. Hình dạng, thành phần và kích thước
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.
Ma trận các chấm chiết sáng được chế tạo bằng phương pháp in lưới hỗn hợp vật liệu YAG:Ce3+ và keo EPI (một loại dung môi dùng trong công nghệ in lưới).
3.2.3. Chế tạo đèn LED trắng cấu hình RP
Một tấm dẫn sáng bằng vật liệu PMMA có kích thước 160x270x5 mm3 phía trên có in các chấm phát sáng được gài vào khe cài của ống tản nhiệt, phía dưới có dán mạch in LED.
Loại LED chúng tôi lựa chọn để chế tạo là OSLON của Osram
có hiệu suất đạt khoảng 56%. Chúng tôi đã tiến hành chế tạo
thành công các bộ đèn LED trắng cấu hình RP có màu sắc khác
Hình 3.5. Đèn LED remote – phosphor
nhau (Hình 3.5).
3.2. Đo đạc, khảo sát các thông số quang học của bộ đèn
LED trắng cấu hình RP
Kết quả chụp ảnh huỳnh quang các chấm chiết sáng cho
thấy rằng các hạt phosphor tự sắp xếp và co cụm không đồng
12
đều lại thành từng đám với nhau, tạo thành cấu trúc đa lớp tại
một số vị trí.
Kết quả đo đạc thông số quang học của bộ đèn cho thấy,
khi tăng tỉ lệ phosphor trong hỗn hợp keo/phopshor thì CCT của
bộ đèn giảm xuống nhưng hệ số hoàn trả màu (CRI) của bộ đèn
lại hầu như không thay đổi. Giải pháp nâng cao CRI cho bộ đèn
là bổ sung thêm thành phần phopshor đỏ vào trong hỗn hợp
keo/phosphor đã chế tạo.
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 phương 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 ưu của bộ đèn LED chiếu hắt trần nhà để tạo ra một
nguồn sáng thứ cấp (trần nhà) có cường độ sáng đồng đều nhất
trong một căn phòng có kích thước cố định.
Hình 4.1. Thiết kế biên dạng thấu kính bất đối xứng với độ cong thay đổi.
4.1.1. Thiết kế thấu kính FO
13
Chúng tôi bắt đầu bằng 04 biên dạng thấu kính AL hình trụ
có mặt cắt ngang như trên Hình 4.1. 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.
4.1.2. Mô phỏng độ rọi trên trần và dưới mặt sàn
Chúng tôi tiến hành mô phỏng phân bố cường độ sáng trên
trần nhà và phân bố độ rọi dưới mặt sàn với các điều kiện như sau: kích thước của phòng: 4x4 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 dưới mặt sàn.
Kết quả mô phỏng phân bố cường độ sáng trên trần và
phân bố độ rọi dưới mặt sàn nhà cho thấy, trong 4 mẫu thấu
kính AL có biên dạng bất đối xứng đã lựa chọn thì mẫu thấu
kính có biên dạng B4 cho kết quả tốt nhất. Chúng tôi đã lựa
chọn mẫu thấu kính này cho các tính toán tiếp theo về tối ưu
hóa khoảng cách và góc treo đèn.
4.1.3. Tối ưu hoá đa đặc trưng
Sau khi lựa chọn được biên dạng B4, chúng tôi tiếp tục mô
phỏng sự phụ thuộc của độ đồng đều vào khoảng cách và góc
chiếu để tối ưu 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 thước 4*4*3 m3 bằng cách thay đổi khoảng cách từ đèn tới trần. Kết quả mô phỏng cho thấy độ đồng đều tăng khi khoảng cách từ đèn tới trần tăng. Tối ƣu hoá yếu tố góc chiếu: Chúng tôi đã đánh giá kết quả chiếu sáng một căn phòng có kích thước 4*4*3 m3, khoảng
14
cách từ đèn tới trần là 0,4m và thay đổi góc chiếu của đèn. Kết quả cho thấy góc 60o là tối ưu.
Kết luận: Trong công trình [CT 1] chúng tôi đã đề xuất
một phương pháp mô phỏng vẽ tia để tối ưu hoá biên dạng thấu
kính AL phù hợp với một mô hình chiếu sáng tiêu biểu. Hạn
chế của phương 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 đưa
ra các tiêu chí tổng quát.
4.2. Tính toán lý thuyết đƣa ra tiêu chí thiết kế thấu kính
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
cường độ sáng có độ đồng đều cao. Đây là một phương pháp
phân tích lý thuyết nhằm tạo ra tiêu chí để thiết kế các bộ đèn
LED tích hợp thấu kính FO có đường cong phân bố cường độ
sáng lý tưởng.
4.2.1. Mô hình và phân tích lý thuyết
Mô hình cần được chiếu sáng của chúng tôi là một căn
phòng có chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều lần, theo đó trần
(ceiling) được chiếu sáng bằng hai nguồn sáng LED có chiều
dài bằng chiều dài của căn phòng. Độ rọi trên trần nhà sẽ được
tính theo công thức:
Trong đó: L – chiều rộng căn phòng và được chia thành n
phần, mỗi phần có kích thước ∆L; θi - góc giữa ΔLi và nguồn
15
sáng; αi - góc giữa ΔLi và nguồn sáng cạnh phải ΔLi và tường
bên.
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của vị trí lắp
đặt LED và kích thước phòng đến phân bố độ rọi bằng cách
thay đổi các thông số h và L khác nhau. Kết quả cho thấy khi tỷ
số h/L tăng thì độ đồng đều tăng.
4.2.2. Cách tiếp cận thay thế cho hệ thống chiếu sáng đồng
đều
Chúng tôi nhận thấy rằng không thể đạt được một hệ thống
chiếu sáng gián tiếp có phân bố đồng đều khi sử dụng hai dãy
đèn LED dài thông thường. Yêu cầu đề xuất một phương pháp
thiết kế và tiếp cận lý thuyết hoàn toàn mới nhằm tạo ra một
căn phòng có trần nhà được chiếu sáng đồng đều, trở thành
nguồn sáng thứ cấp thân thiện với người sử dụng.
Để nhận được 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 được biểu
diễn dưới dạng:
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.
Hình 4.14 (a) minh hoạ đường 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
16
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 phương
nằm ngang, vẽ trong toạ độ vuông góc và toạ độ cực của một
nguồn sáng LED tích hợp với hệ thấu kính FO 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.
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.
Kết luận: Bằng phương pháp phân tích toán học, chúng tôi
đã đưa ra công thức tổng quát cho bộ đèn LED để đạt được độ
đồng đều tuyệt đối, dựa trên dạng hàm Logistic với các tốc độ
biến đổi k khác nhau. Kết quả tính toán một số trường hợp từ
k=1 đến k=5 cho thấy k càng lớn thì tốc độ biến đổi càng
nhanh, vì vậy để thuận tiện cho việc thiết kế thấu kính FO nên
lựa chọn giá trị k nhỏ.
Một kết quả khác của phương pháp phân tích toán học
trong [CT 2] là các dạng biểu đồ phân bố cường độ sáng theo
góc của nguồn sáng LED tích hợp thấu kính với các tốc độ biến
17
đổi k khác nhau. Các biểu độ phân bố cường độ sáng lý thuyết
thu được này cho phép so sánh trực tiếp với các biểu đồ phân
bố cường độ sáng đo được của các bộ đèn thực tế.
4.3. Chế tạo linh kiện quang biên dạng tự do
4.3.1. Thấu kính biên dạng bất đối xứng AL
Thấu kính biên dạng bất đối xứng AL được thiết kế bằng
phương pháp kinh nghiệm, dựa theo ý tưởng đã được bảo hộ
trong Giải pháp hữu ích [GPHI-11]. Biên dạng thấu kính AL
được chia làm ba phần: phần hội tụ 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 4.19a. Thấu kính AL phiên bản V1 được chế tạo bằng
phương pháp ép phun nhựa nhiệt dẻo, với vật liệu ban đầu là PS
(Hình 4.19 b).
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.
4.3.2. Thấu kính góc chiếu hẹp (NAL – narrow angle lens)
Phiên bản đầu tiên V1 của thấu kính góc chiếu hẹp NAL
được thiết kế dựa theo ý tưởng đã được bảo hộ trong Giải pháp
hữu ích [GPHI 6], theo quy trình công nghệ đã được 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 dưới 80o, đồng thời tạo ra phân bố độ rọi đồng đều trên mặt
18
bàn, nhằm tiết kiệm năng lượng, chống chói lóa cho học sinh
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 .
khi nhìn bảng, góp phần giảm tỷ lệ mắc tật khúc xạ
Hình 4.27 là ảnh chụp một số thấu kính NAL được chế tạo
bằng phương pháp ép phun nhựa nhiệt dẻo, cùng với hình ảnh
3D của biểu đồ phân bố cường độ IES của bộ đèn LED tích hợp
thấu kính.
4.3.3. Thấu kính FO cho đèn tàu cá
Hình 4.29. Mẫu thấu kính FO cho đèn tàu cá sau khi chế tạo
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. Bề mặt thấu kính trụ được 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. Thấu kính trụ bất đối xứng được
19
chế tạo bằng phương pháp ép phun nhiệt có kích thước dài
165mm, rộng 120mm và tiết diện như trên Hình 4.29.
CHƢƠNG V. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ ĐÈN
SKYLED TÍCH HỢP THẤU KÍNH FO VÀ XÂY
DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH THỰC TẾ
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
Bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần do chúng tôi thiết kế
(Hình 5.1) và chế tạo (Hình 5.3) [SC7] sử dụng nguồn sáng
LED tích hợp với thấu kính bất đối xứng AL nhằm mục tiêu
phân bố lại ánh sáng, khắc phục các vấn đề chói lóa, mất tiện
Thấu kính
Nguồn nuôi
1
1
Tản nhiệt
Mô đun LED
Hình 5.3. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED một màu gắn tường chiếu trần
Hình 5.1. Cấu trúc 3D của bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần Các thông số quang – điện của bộ đèn được đo trên hệ đo
nghi của các loại đèn hiện có trên thị trường.
quả cầu tích phân tại Viện Khoa học vật liệu. Kết quả đo cho
thấy các thông số của bộ đèn đều đạt các tiêu chuẩn quy định:
nhiệt độ màu CCT 5054K, CRI~85, hiệu suất quang E =
97lm/W, tổng công suất của bộ đèn là 18W.
Phân bố cường độ sáng của bộ đèn được đo trên hệ đo
Goniophotometer tại Trung tâm đo lường tiêu chuẩn Quatest 1
20
5.1.2. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính NAL
Giải pháp hữu ích [GPHI 6] đề xuất một kết cấu đèn LED có góc chiếu sáng hạn chế dưới 80o, đồng thời tạo ra phân bố độ rọi đồng đều trên mặt bàn, nhằm tiết kiệm năng lượng, chống
chói lóa cho học sinh khi nhìn bảng, góp phần giảm tỷ lệ mắc
tật khúc xạ.
5.1.3. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu sáng dụ cá.
Bộ đèn LED dẫn dụ cá tích hợp thấu kính bất đối xứng
(FAL LED Fishing Asymmetric Lens LED) do chúng tôi thiết
kế 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 nước; một bộ nguồn nuôi
cùng với các phụ kiện khác.
5.2. Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S
Xác định các thông số đặc trưng của môi trường ánh sáng
Để làm tiêu chí cho môi trường chiếu sáng nhân tạo, chúng
tôi đã tiến hành nghiên cứu đặc trưng của môi trường chiếu
sáng tự nhiên bao gồm cường độ ánh sáng, cấu trúc phổ ánh
sáng, phân bố ánh sáng, và màu sắc bề mặt xung quanh.
Lƣợng ánh sáng: từ 500 lux đến 1000 lux.
Cấu trúc phổ ánh sáng: sử dụng các bộ đèn SkyLED đổi
3 màu hoặc SkyLED thông minh thay đổi liên tục màu sắc và
cường độ trong phòng.
21
Phân bố ánh sáng: góc khối chiếu sáng rộng (~π sr) xóa
bóng của mọi vật và chỉ cần có độ chói thấp vẫn đảm bảo lượng
sáng cao.
Nhịp ngày đêm: Để tạo nhịp ngày đêm như các giải pháp
của các nhà sản xuất nguồn sáng LED theo xu hướng 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.
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 được chúng tôi mô
phỏng bằng phần mềm Dialux, theo đó một phòng họp rộng 43 m2 sử dụng 26 đèn SkyLED gắn tường, tổng công suất 468 W, mật độ công suất chiếu sáng 11 W/m2, đạt độ rọi trung bình 590 lux. Mô hình thực tế được chúng tôi xây dựng tại Viện Khoa
học vật liệu.
5.3.2. Chiếu sáng căn hộ, nhà ở.
Giải pháp Chiếu sáng Dưỡng sinh 5S trong căn hộ tạo ra
hiệu quả chiếu sáng ưu 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 lượng dưới 10 W/m2, phù hợp với quy chuẩn của Bộ Xây dựng ban hành (<13 W/m2). 5.3.5. Bàn học tích hợp hộp sáng chống cận thị.
Vấn đề cận thị, nhược thị đã và đang trở nên nghiêm trọng
trong những năm gần đây với nguyên nhân chủ yếu là môi
trường và lối sống hiện đại không phù hợp với bộ gien nguyên
22
thuỷ của con người. 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 trường chiếu sáng không
hợp lý. Chúng tôi đang tập trung giải quyết nguyên nhân 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 (Hình
Hình 5.32. Hình vẽ Bàn chống cận thị thông minh với hàng rào hồng ngoại.
Hình 5.33. Ảnh chụp nguyên mẫu Bàn học chống cận thị với mô hình bầu trời thu nhỏ.
3.54).
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
- Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công bộ đèn LED
trắng cấu hình Remote-phosphor sử dụng tấm dẫn sáng phẳng
có in ma trận các tấm chiết sáng.
- Chúng tôi đã tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo 3
loại thấu kính quang học biên dạng tự do.
+ đã đưa ra được một mô hình lý thuyết tổng quát làm tiêu
chí để thiết mô phỏng các bộ đèn SkyLED có tính năng
phân bố đồng đều và kết quả đã được công bố trong các tạp
chí quốc tế ISI [CT 1] và [CT 2].
+ đã thiết kế, chế tạo các nguyên mẫu thấu kính FO: thấu
kính bất đối xứng AL, thấu kính chiếu góc hẹp NAL, thấu
23
kính cho đèn LED dụ cá nhằm tạo ra các tính năng phân bố
cường độ sáng ưu việt.
- Chúng tôi đã thiết kế, chế tạo các loại đèn SkyLED và
xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế.
+ đã thiết kế, chế tạo và khảo sát các bộ đèn SkyLED, đèn
LED dụ cá, chiếu bảng với các tính năng quang điện khác
nhau, được bảo hộ quyền sở hữu trí tuệ thông qua các Sáng
chế và Giải pháp hữu ích.
+ đã xây dựng giải pháp Chiếu sáng Dưỡng sinh 5S, đã lắp
đặt, đo đạc và đánh giá trong khoảng 100 công trình với
tổng số đèn khoảng 3000 chiếc. Các giải pháp này đã sẵn
sàng để chuyển giao công nghệ.
KIẾN NGHỊ:
Các kết quả thu được của luận văn mới chỉ là bắt đầu cho
một xu hướng chiếu sáng mới lấy con người làm trung tâm -
Chiếu sáng Dưỡng sinh 5S.
Luận văn này được hoàn thành với sự hỗ trợ nhiều mặt của
các đề tài, dự án, của các Viện và các Thầy cô như trong phần
cảm ơn, tuy nhiên để kết quả của luận văn có thể được tiếp tục
phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, chúng tôi xin
phép được tiếp tục sự ủng hộ của Viện và các thầy cô, cũng như
hỗ trợ về mọi mặt trong khuôn khổ một dự án nghiên cứu triển
khai.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Về phƣơng pháp nghiên cứu: Chúng tôi đã đưa ra được
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.
24
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 cường độ
sáng ưu việt. Các loại thấu kính FO này đã tái phân bố cường
độ sáng, tạo ra các tính năng khác biệt và ưu việt cho các nguồn
sáng 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 được sử
dụng để chiếu sáng đồng đều trần, tường, loại bỏ chói loá, nâng
cao hiệu quả và tiện nghi chiếu sáng.
Về giải pháp chiếu sáng: Chúng tôi đã xây dựng giải pháp
chiếu sáng Dưỡng sinh 5S và tiến hành lắp đặt đánh giá cho
khoảng 100 công trình các loại như lớp học, phòng họp, phòng
khám, căn hộ, đền chùa…
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
[CT 1] D. T. Giang, T. Linh T., et al, A simple designed lens for Human Centric Lighting using LEDs, Appl.Sci., 2020, 10(1):343 (IF 2.49)
[CT 2] D. T. Giang, T. Son P., et al, An alternative approach for high uniformity distribution of indoor lighting LED, IEEE Photonics J., Vol. 12, No 2, Apr. 2020 (IF 2.83)
[CT 3] P. H. Duong, D. T. Giang, P. H. Minh, 5S Human Centric Lighting System, Advances in Applied and Engineering Physics (2019)
[CT 4] D. T. Giang, T. Q. Tien and P. H. Duong, Design and fabrication of LED blackboard washing luminaire combined with linear freeform lens, Advances in Applied and Engineering Physics (2019)
25
[GPHI 6] D.T. Giang, P.H. Dương, Bộ đèn LED tích hợp thấu kính thu hẹp góc chiếu sáng, Đơn đăng ký GPHI số 2-2017-00182, Đã được công bố đơn (2019)
[SC 7] D. T. Giang, P. H. Dương, 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 được chấp nhận đơn (2018) [SC 8] D. T. Giang, P. H. Dương, Đèn LED thả trần tích hợp thấu kính bất đối xứng, Đơn đăng ký sáng chế số 1-2019-03527, Đã được chấp nhận đơn (2019)
[SC 9] D.T. Giang, P.H. Dương, at el, Bộ đèn LED thả trần chiếu ba phía, Đơn đăng ký sáng chế số 1-2019-03403, Đã được chấp nhận đơn (2019)
[SC 10] D.T. Giang, P.H. Dương, 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 được chấp nhận đơn (2019)
[GPHI 11] D.T. Giang, P. H. Dương, Đèn LED chiếu sáng bảng tích hợp thấu kính bất đối xứng, Đơn đăng ký GPHI số 2-2016- 00307, Đã được công bố đơn (2018)
[CT 12] D. T. Giang, L. A. Tú, at el, Thiết kế chế tạo đèn LED trắng in Applied and
cấu hình Remote-phosphor, Advances Engineering Physics (2014), pp. 382-388
[CT 5] D. T. Giang, et al, Design and fabrication of high power LED fishing lamp combined with asymmetric lens, Advances in Applied and Engineering Physics (2019)
