(Luận văn thạc sĩ) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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 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: Mã số: Vật lý kỹ thuật 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Tống Quang Công Hà Nội – Tháng năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu luận văn cơng trình nghiên cứu dựa tài liệu, số liệu tơi tự tìm hiểu nghiên cứu Chính vậy, kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết chưa xuất nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực sai tơi hồn chịu trách nhiệm Người làm luận văn Kiều Ngọc Minh LỜI CẢM ƠN Luận văn thực Phòng Laser bán dẫn – Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn tới Tiến Sĩ Tống Quang Công, PGS TS Trần Quốc Tiến người thầy hướng dẫn, giúp đỡ cho không gian làm việc chuyên nghiệp suốt trình thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến TS Vũ Ngọc Hải, NCS Vũ Hoàng cán nhân viên Phòng Laser bán dẫn – Viện Khoa học vật liệu tận tình bảo hỗ trợ tơi q trình nghiên cứu thực đề tài Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo giảng dạy năm qua ban Lãnh đạo, phòng Đào tạo, phòng chức Học viện Khoa học Công nghệ giúp đỡ, bảo thời gian học tập Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người thân hỗtrợ giúp đỡ suốt trình học tập thời gian thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2021 Kiều Ngọc Minh MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nguồn sáng LED cho chiếu sáng trồng 1.1.1 Nguồn sáng dải 1.1.2 Nguồn sáng điểm (LED Spotlight) 1.2 Các thông số nguồn đèn điểm chiếu sáng 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 xạ 14 1.3 Tối ưu phân bố quang 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 quang học không tạo ảnh 17 1.3.3 Ứng dụng kỹ thuật quang học không tạo ảnh 18 1.3.4 Cơng cụ tính tốn mơ (Mathlab, Light tools) 19 CHƯƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 24 2.1 Tính tốn, mơ nguồn sáng, linh kiện quang học 24 2.1.1 Tính tốn, thiết kế biên dạng thấu kính 24 2.1.2 Mơ hình dạng quang trình thấu kính biên dạng tự 30 2.2 Chế tạo mẫu thấu kính biên dạng tự 32 2.2.1 Phương pháp chế tạo thấu kính 32 2.2.2 Gia cơng hồn thiện mẫu thấu kính biên dạng tự 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 hoàn thiện hệ đo 38 2.3.3 Xây dựng hệ đo thông số truyền qua thấu kính biên dạng tự 40 2.4 Lắp ráp đèn LED điểm hoàn chỉnh 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Kết đo thông số nguồn sáng điểm (chip LED) 44 3.1.1 Kết đo thông số quang điện chip LED 44 3.1.2 Kết đo phổ chip LED 44 3.2 Kết chế tạo mô phân bố quang lối hệ thấu kính biên dạng tự 45 3.2.1 Kết mơ phỏng, chế tạo thấu kính dạng kép 45 3.2.2 Kết mô phỏng, chế tạo thấu kính dạng ma trận 47 3.2.3 Kết mô khác 48 3.3 Kết đo thơng số thấu kính 50 3.3.1 Kết đo độ truyền qua thấu kính 50 3.3.2 Kết đo phân bố ánh sáng tạo nguồn sáng hệ thấu kính biên dạng tự 51 3.3.3 Phân bố ánh sáng phụ thuộc vào góc nghiêng thấu kính biên dạng tự 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 61 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 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số thiết kế thấu kính dạng kép Bảng 2.2: Thơng số thiết kế thấu kính dạng ma trận Bảng 2.3: Thơng số phép đo phân bố ánh sáng DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1: Đèn LED dạng ứng dụng chiếu sáng trồng Hình 1.2: Đèn LED sử dụng chiếu sáng điều khiển hoa hoa cúc 10 Hình 1.3: Sự khác Lux lumen 11 Hình 1.4: Hình ảnh thể định nghĩa bước sóng 12 Hình 1.5: Sự khác quang học tạo ảnh quang học không tạo ảnh 17 Hình 1.6: Tính tốn, mơ vẽ đồ thị phần mềm matlab 20 Hình 1.7: Mơ hình thiết kế phần mềm Light Tools 22 Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết kế đèn LED tăng độ đồng phân bố 24 Hình 2.2: Thấu kính chuẩn trực sử dụng chế tạo đèn 25 Hình 2.3: Ngun tắc thiết kế thấu kính dựa quang hình tự do[3] 25 Hình 2.4: Quy trình tính tốn thấu kính biên dạng tự dạng kép 27 Hình 2.5: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự dạng kép 28 Hình 2.6: Quy trình thiết kế thấu kính biên dạng tự dạng ma trận 30 Hình 2.7: Cấu hình chiếu sáng đèn LED với hệ thấu kính 31 Hình 2.8: Cấu trúc phân tích mát 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 mũi phay 3mm sử dụng chế tạo thấu kính 33 Hình 2.11: Thiết kế thấu kính phần mềm Auto CAD 34 Hình 2.12: Mơ đường mũi khoan cơng đoạn tạo biên dạng bề mặt thấu kính 34 Hình 2.13: Máy CNC chế tạo thấu kính biên dạng tự dạng kép 35 Hình 2.14: Máy CNC chế tạo thấu kính biên dạng tự dạng ma trận 35 Hình 2.15: Các cơng 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 hệ dịch chuyển hai chiều 38 Hình 2.18: Nguồn Thorlabs ITC 4005 39 Hình 2.19: Arduino R3 photodiode sử dụng phép đo 39 Hình 2.20: Sơ đồ hệ đo độ truyền qua thấu kính 40 Hình 2.21: Thiết bị đo cơng suất quang MELLES GRIOT 41 Hình 2.22: Laser diode 650nm cơng suất 200mW 41 Hình 2.23: Thấu kính biên dạng tự thấu kính chuẩn trực sau ghép nối 42 Hình 2.24: Linh kiện đèn LED lắp ráp 42 Hình 3.1: Đồ thị đáp ứng cơng suất phụ thuộc vào dịng ni LED 635nm 44 Hình 3.2: Kết đo phổ ánh sáng đèn LED sử dụng thiết kế phép đo 45 Hình 3.3: Thấu kính biên dạng tự dạng kép 45 Hình 3.4: Kết mơ phân bố chiếu sáng thấu kính biên dạng tự dạng kép 46 Hình 3.5: Mơ phỏng, thiết kế thấu kính biên dạng tự dạng ma trận 47 Hình 3.6: Thấu kính biên dạng tự a) trước b) sau xử lý bề mặt 47 Hình 3.7: Kết mơ phân bố chiếu sáng thấu kính biên dạng tự dạng ma trận 48 Hình 3.8: Phân bố ánh sáng mặt thu có (a) d = °; (b) d = 49 °; (c) d = °; (d) Hiệu suất độ đồng phụ thuộc vào góc lệch chuẩn trực Hình 3.9: Đồ thị đo hiệu suất truyền qua dạng thấu kính trước xử lý bề mặt 50 Hình 3.10: Đồ thị đo hiệu suất truyền qua dạng thấu kính sau xử lý bề mặt 51 Hình 3.11: Phân bố ánh sáng thấu kính biên dạng tự dạng kép a) Kết đo phân bố ánh sáng; b) Hình ảnh thực tế phân bố; c) Mặt cắt phân bố ánh sáng 52 Hình 3.12: Phân bố cường độ ánh sáng thấu kính biên dạng tự dạng ma trận bề mặt cách nguồn sáng 70cm a) Kết đo phân bố ánh sáng; b) Hình ảnh thực tế phân bố; c) Mặt cắt phân bố ánh sáng 53 Hình 3.13: Phân bố ánh sáng góc lệch khác thấu kính chuẩn trực thấu kính biên dạng tự 55 Hình 3.14: Phân bố ánh sáng giá trị góc mở thấu kính chuẩn trực.a) 14O; b) 30O; c) 43O; d) 54O 56 Mathematical Science of Optics in the 17th Century”, Kluwer Academic Publishers, 2004, ISBN 1-4020-2697-8 60 CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ [1] Hoang Vu, Ngoc Minh Kieu, Do Thi Gam, Seoyong Shin, Tran Quoc Tien, Ngoc Hai Vu “Design and Evaluation of Uniform LED Illumination Based on Double Linear Fresnel lenses” Applsci-774614 (2020) 61 applied sciences Article Design and Evaluation of Uniform LED Illumination Based on Double Linear Fresnel Lenses Hoang Vu , Ngoc Minh Kieu 2,3 , Do Thi Gam , Seoyong Shin 1, * , Tran Quoc Tien 2,3, * and Ngoc Hai Vu 5, * * Department of Information and Communication Engineering, Myongji University, 116 Myongji-ro, Cheoin-gu, Yongin, Gyeonggi-do 17058, Korea; vuhoangims@gmail.com Institute of Materials Science, Vietnam Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi 1000, Vietnam; minhkn@ims.vast.ac.vn Vietnam Academy of Science and Technology, Graduate University of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi 11307, Vietnam Vietnam Academy of Science and Technology, Center for High Technology Development, Hanoi 11307, Vietnam; honggam@htd.vast.vn Faculty of Electrical and Electronics Engineering and Phenikaa Institute for Advanced Study, Phenikaa University, Yen Nghia, Ha-Dong District, Hanoi 12116, Vietnam Correspondence: sshin@mju.ac.kr (S.S.); tientq@ims.vast.ac.vn (T.Q.T.); hai.vungoc@phenikaa-uni.edu.vn (N.H.V.) Received: 31 March 2020; Accepted: May 2020; Published: May 2020 Abstract: Redistribution of LED radiation in lighting is necessary in many applications In this article, we propose a new optical component design for LED lighting to achieve a higher performance The design consists of a commercial collimator and two linear Fresnel lenses The LED radiation is collimated by a collimator and redistributed by double linear Fresnel lenses to create a square-shaped, uniform distribution The linear Fresnel lenses design is based on Snell’s law and the “edge-ray principle” The optical devices are made from poly methyl methacrylate (PMMA) using a high-speed computer numerical control (CNC) machine The LED prototypes with complementary optics were measured, and the optical intensity distribution was evaluated The numerical results showed we obtained a free-form lens that produced an illumination uniformity of 78% with an efficiency of 77% We used the developed LED light sources for field experiments in agricultural lighting The figures of these tests showed positive effects with control flowering criteria and advantages of harvested products in comparison with the conventional LED sources This allows our approach in this paper to be considered as an alternative candidate for highly efficient and energy-saving LED lighting applications Keywords: geometric optical design; illumination design; light-emitting diodes; non-imaging optics Introduction In recent years, LEDs have been used in many different fields With the highlight of energy savings, long life, and safety for users [1,2], LEDs are replacing other traditional lamps However, LEDs have disadvantages of a wide beam angle (from 120◦ to 150◦ ) depending on the type of LEDs [3] and have Lambertian distributions Illumination should be redistributed using an integrated primary optical system or secondary optical system to control distribution shape and uniformity [4] Utilizing free-form optics is a new trend to design secondary optical components for LEDs The advantages of free-form optics are their unique design, compact size, and precise irradiation control [5] In order to design a free-form lens, various methods have been proposed For example, the Miñano group developed the simultaneous multiple-surface method (SMS method) [6] to design Appl Sci 2020, 10, 3257; doi:10.3390/app10093257 www.mdpi.com/journal/applsci ... tạo thấu kính biên dạng tự dạng kép Chế tạo thấu kính biên dạng tự dạng ma trận Hình 2.14: Máy CNC chế tạo thấu kính biên dạng tự dạng ma trận 35 Hình 2.14 cho thấy máy CNC thực thao tác chế tạo. .. 3.2 Kết chế tạo mô phân bố quang lối hệ thấu kính biên dạng tự 3.2.1 Kết mơ phỏng, chế tạo thấu kính dạng kép Hình 3.3: Thấu kính biên dạng tự dạng kép a) Một mảng thấu kính b) Hai mảng thấu kính. .. phỏng, chế tạo thấu kính dạng ma trận a) b) Hình 3.5: Mơ phỏng, thiết kế thấu kính biên dạng tự dạng ma trận a) Hình ảnh 3D mơ hình dạng thấu kính b) Hình ảnh 3D mơ tả thấu kính ghép nối với thấu kính