Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật liệu quang học, Quang điện tử và quang tử: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài 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. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật liệu quang học, Quang điện tử và quang tử: 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

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO 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 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 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. 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.
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: L f  x   k  x  x0  1 e 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 khi nhìn bảng, góp phần giảm tỷ lệ mắc tật khúc xạ 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 . 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