Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED dùng quả cầu

Với mục tiêu xây dựng một hệ đo các thông số quang học của LED dùng quả cầu tích phân và quang phổ kế có độ nhạy cao , nhiễu thấp, hệ đo sẽ có khả năng đo được phổ bức xạ ánh sáng của

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN 4

Danh mục các bảng biểu 5

Lời nói đầu 7

Tóm tắt 9

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 11

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Cơ sở lý thuyết về LED 14

2.1.1 Hoạt động của LED 14

2.1.2 Lớp tráng phủ của LED 15

2.1.3 Màu sắc của LED 16

2.1.4 Tính chất của LED 18

2.1.5 Các tham số cơ bản của LED 19

2.1.6 Phân loại các LED 20

2.1.7 LED hồng ngoại 21

2.1.8 Phương pháp tạo ra LED sáng trắng 23

2.1.9 Các tính chất phổ của LED 27

2.1.10 Ứng dụng của đèn LED 29

2.2 Khái niệm và phương pháp tính các tọa độ màu của LED 32

2.2.1 Khái niệm về tọa độ màu 32

2.2.2 Không gian màu XYZ 33

2.2.3 Giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 35

2.2.4 Những hạn chế của giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 1931 37

2.2.5 Giản đồ màu CIE Luv 38

2.2.6 Phương pháp tính tọa độ màu 39

2.3 Khái niệm và phương pháp tính nhiệt độ màu tương quan CCT 41

2.3.1 Khái niệm về nhiệt độ màu 41

2.3.2 Tính nhiệt độ màu tương quan CCT 42

2.4 Khái niệm và phương pháp tính độ hoàn màu 43

2.4.1 Khái niệm độ hoàn màu 43

2.4.2 Tính hệ số hoàn màu CRI 44

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO CÁC THÔNG SỐ QUANG HỌC CỦA LED SỬ DỤNG QUẢ CẦU TÍCH PHÂN 49

3.1 Sơ đồ khối hệ thống đo 49

3.2 Quả cầu tích phân 50

3.2.1 Cấu trúc quả cầu tích phân 50

3.2.2 Các thông số của quả cầu tích phân 52

3.2.3 Lắp đặt quả cầu và thiết bị 53

3.2.4 Gắn đèn LED vào quả cầu tích phân 53

3.3 Quang phổ kế USB 4000 55

3.3.1 Khái niệm quang phổ kế 55

3.3.2 Giới thiệu về quang phổ kế USB 4000 56

3.3.3 Hoạt động của quang phổ kế USB 4000 57

3.3.4 Các thông số kỹ thuật chủ yếu của quang phổ kế USB 4000 59

3.3.5 Kết nối USB 4000 với máy tính 60

3.4 Bộ phần mềm đo lường SpectraSuite 61

3.4.1 Giới thiệu phần mềm đo lường SpectraSuite 61

3.4.2 Các tính năng của SpectraSuite 61

3.4.3 Các chức năng của bộ phần mềm SpectraSuite 62

3.5 Bộ phần mềm tính toán 63

CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ ĐO BỨC XẠ TUYỆT ĐỐI CỦA LED 64 4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán bức xạ của đèn 64

4.2 Các bước đo bức xạ tuyệt đối bằng phần mềm đo Spectra Suites 65

4.3 Kết quả đo 65

4.3.1 LED trắng sáng 66

4.3.2 OLED vàng ấm (da cam) 67

4.3.3 LED tím 68

4.3.4 LED vàng 68

4.3.5 LED đỏ 69

4.4 Kết luận chương 69

CHƯƠNG V: PHẦN MỀM TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 71

5.1 Xử lý dữ liệu đầu vào 71

5.2 Tính toán thông số LED 72

5.2.1 Nhập dữ liệu đầu vào và các dữ liệu tham chiếu 72

5.2.2 Tính tọa độ màu 74

5.2.3 Tính nhiệt độ màu tương quan CCT 75

5.2.4 Tính hệ số hoàn màu CRI 75

5.3 Phần mềm tính toán và kết quả thông số kỹ thuật của LED 81

5.4 Kết quả và đánh giá 82

5.4.1 LED trắng sáng 83

5.4.2 OLED sáng vàng ấm 84

5.4.3 LED tím 85

5.4.4 LED vàng 86

5.4.5 LED đỏ 87

5.4.6 Nhận xét chung 88

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN 91

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình em thực hiện đề tại Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu Và đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Vũ Thắng đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung của luận văn này

Em xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do em tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra Tất cả đều được em thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn

Em xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này

Tác giả

Danh mục các bảng biểu

Bảng 2.1: Điện áp, màu sắc, vật liệu của các loại LED 18

Bảng 2.2: Điện thế phân cực thuận của LED 18

Bảng 2.3: Bảng vật liệu làm ra LED 20

Bảng 2.4: Bảng số liệu 𝒙(λ), 𝒚 (λ), 𝒛 (λ) tại các bước sóng 40

Bảng 2.5: Bảng phạm vi ứng dụng của các nhóm hoàn màu 44

Bảng 2.6: Bảng số liệu biểu diễn hàm mật độ năng lượng tại từng bước sóng 45

Bảng 2.7: Bảng số liệu biểu diễn phổ phản xạ tại các bước sóng khi đi qua các tấm phải xạ có độ phản xạ khác nhau 47

Bảng 5.1: Tổng hợp các thông số thu được từ các loại LED 89

Danh mục các hình vẽ

Hình 2.4: Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bước sóng 950 nm 22

Hình 2.13: Hạn chế của giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 1931 37 Hình 2.14: Không gian màu CIE LUV[1]

38

Hình 3.3: Hệ thống đo dùng quả cầu tích phân 52 Hình 3.4: Bản vẽ thiết kế mặt cắt ngang, trước và hình ảnh của bộ lắp đặt LED 54

Hình 3.6: Quang phổ kế USB 4000 của hãng OceanOptics trong trạng thái làm việc

57

Hình 4.1: Phổ bức xạ đo được đối với LED ánh sáng trắng 66

Hình 4.4: Phổ bức xạ đo được đối với ánh sáng vàng 68 Hình 4.5: Phổ bức xạ đo được đối với LED ánh sáng đỏ 69 Hình 5.1: 2 file kết quả đo tương ứng với cường độ bức xạ lúc tắt đèn và bật đèn 71

Hình 5.3: Bảng giá trị hàm độ nhạy đối với 3 màu cơ bản (blue, green, red) với từng

Hình 5.17: Chỉ số CRI của các loại LED tương ứng với từng mức điện áp 90

Lời nói đầu

Chiếu sáng hiệu suất cao đã và đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng cả trên thế giới cũng như ở Việt Nam trong thời gian gần đây Trong lĩnh vực này, chiếu sáng rắn (SSL - solid state lighting ), cụ thể hơn là chiếu sáng dùng LED được nhìn nhận như tương lai tiềm năng cho chiếu sáng hiệu suất cao So với các loại nguồn sáng hiệu suất cao phổ biến hiện nay (đèn huỳnh quang , sodium cao áp ), nguồn sáng LED có thế mạnh rõ rệt về hiệu suất phát quang khá cao và ngày càng được cải thiện cùng với sự phát triển của công nghệ

Theo xu hướng chung sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả, các sản phẩm chiếu sáng rắn dù còn chưa phổ biến nhưng cũng xuất hiện ngày càng nhiều trên thị trường trong nước Ngoài một số sản phẩm nguồn sáng rắn được các đầu tư sản xuất tại Việt Nam hoặc được các công ty nhập khẩu chính thức, phần lớn sản phẩm nguồn sáng và linh kiện LED được nhập lậu (chủ yếu từ Trung Quốc ) Nếu như các sản phẩm nguồn sáng LED được sản xuất và nhập khẩu chính thức đã bước đầu có thể được giám sát chất lượng nhờ có các thiết bị đo chuyên dụng mới được một số đơn vị đầu tư như đã nói ở trên thì toàn bộ các sản phẩm nguồn sáng rắn nhập lậu và đặc biệt là một lượng

vô cùng lớn linh kiện LED kể cả được nhập theo đường tiểu ngạch hay chính ngạch vẫn không có phương thức để kiểm soát chất lượng Lượng LED này đang hàng ngày được cả các đơn vị sản xuất nguồn sáng lớn lẫn các cơ sở sản xuất , dịch vụ qui mô nhỏ đưa vào sử dụng trong các sản phẩm chiếu sáng , trang trí hay quảng cáo Ngay

cả với các đơn vị sản xuất nguồn sáng trong nước , thông số LED cũng chỉ có thể được giám sát thông qua công bố của hãng cung cấp linh kiện Khi thị trường chiếu sáng LED chưa bùng nổ mà giá thành các thiết bị đo thông số quang học chuyên dụng cho LED còn khá cao thì chưa nơi nào đầu tư các thiết bị đo này Vì vậy, có thể khẳng định LED thương phẩm có mặt trên thị trường hiện nay hầu như chưa thể kiểm soát chất lượng Hệ lụy trực tiếp của hiện tượng trên là biến thị trường thiết bị chiếu sáng LED của Việt Nam thành địa điểm lý tưởng tiêu tiêu thụ hàng kém chất lượng , ảnh hưởng trực tiếp tới quyền lợi người tiêu dùng cũng như lợi ích và uy tín của các nhà sản xuất nguồn sáng trong nước Hậu quả lâu dài mà nó để lại là ảnh hưởng tới

niềm tin của người tiêu dùng vào một xu hướng sản phẩm có lợi cho kinh tế và môi trường, kìm hãm sự phát triển của một ngành công nghệ chiếu sáng còn nhiều tiềm năng tại Việt Nam

Luận văn ―Nghiên cứ u chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED dùng quả cầu tích phân‖ vì vậy là một nội dung nghiên cứu cần thiết phải đặt ra ở thời điểm hiện nay Với mục tiêu xây dựng một hệ đo các thông số quang học của LED dùng quả cầu tích phân và quang phổ kế có độ nhạy cao , nhiễu thấp, hệ đo sẽ có khả năng

đo được phổ bức xạ ánh sáng của hầu hết các sản phẩm LED trên thị trường hiện nay (có công suất từ 10 mW trở lên) Với phổ bức xạ ánh sáng đo được, hệ thống tiếp tục phân tích và tính toán để đưa ra các thông số quang học của LED đặc biệt là các yếu

tố ảnh hưởng tới chất lượng nguồn sáng như là nhiệt độ màu tương quan CCT và chỉ

số hoàn mầu Một hệ đo chuyên dụng được xây dựng sẽ trực tiếp làm lành mạnh và minh bạch nguồn thông tin về các sản phẩm chiếu sáng LED , gián tiếp hỗ trợ cho quyền lợi của cả nhà sản xuất nguồn sáng và người tiêu dùng trong nước

Nội dung luận văn nằm trong phần nghiên cứu của đề tài ―Nghiên cứ u chế tạo hệ

đo các thông số quang học của LED dùng quả cầu tích phân‖ mã số B 2013-01-59 do PGS.TS Lê Tuấn thuộc viện vật lý kỹ thuật, trường đại học Bách Khoa Hà Nội là chủ nhiệm đề tài Toàn bộ quyền sở hữu với nội dung trong luận văn thuộc về đề tài Em xin chân thành cám ơn thày Nguyễn Vũ Thắng đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em cũng xin cám ơn thày Lê Tuấn đã hết sức tạo điều kiện và hỗ trợ em trong quá trình hoàn thành luận văn này

Tóm tắt

LED (Light Emitting Diode- Diot phát quang) là các điot có khả năng phát ra ánh sáng, hay tia hồng ngoại, tử ngoại Hiện nay, trên thế giới công nghệ chiếu sáng LED được coi là công nghệ chiếu sáng cho thế kỷ 21 với nhiều ưu điểm vượt trội Đèn LED đang dần dần thay thế đèn huỳnh quang, đèn sợi tóc vốn là những loại đèn chiếu sáng cơ bản và phổ biến trước đây Ngoài ra, LED còn được ứng dụng vào vô

số các lĩnh vực khác Do đó, việc nghiên cứu về LED và nguồn ánh sáng LED phát

ra là rất thực tế, phù hợp với nhu cầu của nền kinh tế đang ngày càng phát triển Trong luận văn này, phần 1 là phần giới thiệu về ý nghĩa của việc thực hiện luận văn với nhu cầu thực tế Sau đó trong phần 2, em trình bày cơ sở lý thuyết về đèn LED và các khái niệm cơ bản về ánh sáng Cơ sở lý thuyết về đèn LED bao gồm tất cả các khía cạnh của đèn LED cơ bản như: hoạt động của LED, màu sắc của LED, tính chất của LED v v Về phần các khái niệm cơ bản về ánh sáng, em đề cập đến các khái niệm về màu sắc như tọa độ màu, độ hoàn màu, nhiệt độ màu Từ các khái niệm đó,

em tiếp tục trình bày về hệ tính toán các thông số kỹ thuật của LED Đầu tiên là cách tính tọa độ màu, sau đó là nhiệt độ màu tương quan và hệ số hoàn màu CRI Phần 3

là phần trình bày chi tiết về việc xây dựng hệ thống đo các thông số quang học của đèn LED Hệ thống đo gồm 4 thành phần chính là nguồn nuôi LED, quả cầu tích phân, máy đo quang phổ và phần mềm điều khiển Sau khi đo và lấy kết quả, kết quả

sẽ được đưa vào phần mềm tính toán để có thể tính ra được các thông số cần thiết để đánh giá chất lượng của LED Việc thí nghiệm sử dụng hệ thống đo bằng quang phổ

kế được miêu tả tại phần 4 bài thí nghiệm cụ thể là đo bức xạ tuyệt đối của đèn LED Với mỗi bài thí nghiệm, em sử dụng nhiều loại đèn LED khác nhau như led trắng, vàng ấm và các loại màu khác Trong phần 5, kết quả đo thu được qua các bài thí nghiệm sẽ được tính toán bằng các công thức đã được nêu tại phần II, cơ sở lý thuyết Và sau đó, ta sẽ đưa ra được các thông số của LED như bức xạ tuyệt đối, tọa

độ màu, nhiệt độ màu, độ hoàn màu Từ các chỉ số đó, ta có thể đưa ra được các khuyến nghị để sử dụng đèn LED cũng như đánh giá được chất lượng các loại LED trên thị trường

Abstract

LED (Light Emitting Diode) is the diode which is capable of emitting light, infrared, and ultraviolet Currently, LED lighting technology is considered the lighting technology for the 21 st century with many outstanding features LEDs are gradually replacing fluorescent lamps, incandescent lamps which are the basic and popular types of lights before In addition, LEDs are also applied in numerous applications in other fields Therefore, studying about LEDs and light source emitted from LEDs is very realistic, consistent with the needs of the developing economy In this project, part 1 is an introduction to the significance of the implementation of the scheme with the actual needs.After that in part 2, I present the theoretical basis of LEDs and the basic concepts of light Theoretical Foundations of LEDs covering all aspects of LEDs such as basic operation of LEDs, the color of the LEDs, characteristic of LEDs, etc As for the basic concepts of light, I am referring to the the concepts of color such as color coordinates, color rendering, color temperature From these concepts, I continually present the method to calculate the technical parameters of LEDs The first is how to calculate the coordinates of color, then the correlated color temperature and coefficient of color rendering CRI Part 3 is a detailed presentation about the construction of the system for measuring the optical parameters of LEDs The measurement system consists of four main components which are the power supply, integrating sphere, spectrometers and software After measuring and retrieve the results, the results will be taken into calculation software that can calculate the necessary parameters to assess the quality of the LED The experiment using the spectrometer is described in part 4 with a specific experiment which are measuring absolute radiation For each experiment, I use different types of LEDs such as white LED, white warm LED and other kinds of color In part 5, the measurement results obtained from these experiments will be calculated by the formula laid down in Part 2, the theoretical basis And then, we will come up with the parameters of the LED such as absolute radiation, color temperature, color rendering From these indicators, we can come up with recommendations to use LED lights as well as evaluate the quality of the LED on the market

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

Với ưu điểm tiết kiệm điện, sử dụng hiệu quả trong chiếu sáng nói chung và chiếu sáng chuyên dụng nói riêng và không gây ô nhiễm môi trường, công nghệ LED là một trong những hướng phát triển quan trọng trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng của nhiều quốc gia Tại Việt Nam, công nghệ LED còn rất mới mẻ Hiệu quả đã có nhưng cũng không ít tồn tại, thách thức cần phải giải quyết trước khi công nghệ này có thể thay thế phương pháp chiếu sáng truyền thống hiện nay.Ở Việt Nam, điện tiêu thụ cho chiếu sáng trên toàn quốc chiếm hơn 25% tổng lượng điện tiêu thụ[11] Việc sử dụng các thiết bị chiếu sáng truyền thống như đèn sợi đốt, đèn Halogen, đèn huỳnh quang compact gây tiêu tốn năng lượng rất cao Công nghệ chiếu sáng bằng LED đã và đang được các nước trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả, được đánh giá là công nghệ chiếu sáng của thế kỷ 21, một trong những hướng phát triển quan trọng trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng của nhiều quốc gia Công nghệ LED nổi trội hơn so với các nguồn sáng thông thường khác bởi hiệu suất phát quang cao, độ rọi tăng, tiết kiệm điện và không gây ô nhiễm môi trường.[15]

Một nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ công bố mới đây, dự báo đến năm 2020 sản phẩm công nghệ LED chiếm trên 70% thị trường chiếu sáng nói chung trên toàn thế giới, doanh thu đạt gần 100 tỷ USD, trong đó châu Á chiếm 45%, châu Âu 25%

và Bắc Mỹ 20% Các quốc gia và vùng lãnh thổ như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan đã hình thành và phát triển mạnh công nghiệp LED Hệ thống chiếu sáng công nghệ LED đang được lắp đạt thử nghiệm tại một số nơi như Tòa nhà Bộ Công thương, Viện KH&CN Việt Nam, một số tuyến đường tại TP.HCM…đều cho kết quả rất khả quan, hiệu suất phát quang liên tục tăng cao lên tới 150Lm/W, độ rọi tăng đến 60%, tiết kiệm điện 30-70% và tuổi thọ đạt từ 30-60 nghìn giờ, gấp 6 lần so với bóng đèn huỳnh quang compact và 60 lần so với bóng đèn sợi đốt [15]

Những phương pháp thắp sáng truyền thống trước đây như dùng đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang đều có những nhược điểm to lớn về tiêu thụ năng lượng và hiệu suất Cụ thể:

Đèn thắp sáng bằng hiệu ứng nóng sáng (luminescence) cho dòng điện chạy qua một sợi đốt rất mảnh làm bằng tungsten (đặt trong bóng thủy tinh đã rút chân không)

để nung lên đến một nhiệt độ rất cao và tạo ra ánh sáng nhìn thấy được Hiệu suất phát sáng rất thấp vì 98% năng lượng bức xạ ra thuộc dải sóng hồng ngoại (bức xạ nhiệt), không nhìn thấy được Hiệu suất này thường chỉ đạt 18 lm/W, (lm là viết tắt của lumen, đơn vị thông lượng ánh sáng trong hệ SI Thông lượng ánh sáng là số đo năng lượng mà một nguốn sáng tỏa ra mọi hướng)

Đèn thắp sáng bằng hiệu ứng huỳnh quang cho truyền điện qua một ống dài hình trụ chứa hơi thủy ngân, tạo ra ánh sáng tử ngoại Ánh sang này bị lớp phốt pho phủ ở mặt trong ống hình trụ hấp thu và tạo ra huỳnh quang Đèn huỳnh quang không phát nhiệt nhiều như đèn nóng sáng, nhưng hiệu suất phát sáng cũng bị giảm sút do tổn hao trong quá trình bức xạ ra ánh sáng tử ngoại và chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy được[13]

Vì vậy để tiết kiệm điện, nước nào cũng nghĩ đến cách tiết kiệm điện chiếu sáng Nhưng tiết kiệm bằng cách cắt điện, giảm điện chiếu sáng dưới mức cần thiết thì ít nước làm vì ảnh hưởng đến xã hội, giao thông, an ninh, giáo dục Hướng quan trọng để tiết kiệm điện chiếu sáng là sử dụng những kỹ thuật chiếu sáng mới, năng lượng điện tiêu thụ ít hơn nhiều nhưng kết quả chiếu sáng không giảm, có khi còn tốt hơn Kỹ thuật chiếu sáng mới nhất, tiết kiệm nhất nhưng lại có hiệu quả cao nhất là

kỹ thuật chiếu sáng bằng chất rắn (SSL - Solid State Lighting) hay nói nôm na chiếu sáng bằng LED (LED: Light emiting diode - điôt phát sáng)

Bộ Năng lượng Mỹ báo cáo rằng nếu 50% việc chiếu sáng ở Mỹ hiện nay được thay thế bằng cách chiếu sáng bằng LED, nước Mỹ vẫn được chiếu sáng như vậy nhưng bớt đi được 41 GW điện (GW: gigawatt - nghìn tỷ watt) Một nhà máy điện cỡ trung bình có công suất cỡ 1GW, vì vậy chỉ thay thế 50% cách chiếu sáng hiện nay bằng cách chiếu sáng dùng LED, nước Mỹ có thể giảm đi 41 nhà máy điện Bỏ đi 41 nhà máy điện, ngoài lợi ích kinh tế, còn đỡ thải ra môi trường một lượng đáng kể khí

CO2 gây hiệu ứng nhà kính [22]

Có thể hình dung lượng khí CO2 thải ra làm tổn hại môi trường qua số liệu lấy từ báo cáo của cơ quan năng lượng quốc tế IEA năm 2006: để có điện thắp sáng như hiện nay trên toàn thế giới mỗi năm phải thải ra 1900 nghìn tỷ tấn khí CO2, ba lần lớn hơn lượng khí CO2 do máy bay trên toàn thế giới thải ra, bằng 70% lượng khí CO2 do tòan bộ xe ô tô thải ra trong 1 năm [22]

Tóm lại, có thể không giảm yêu cầu chiếu sáng mà chỉ thay đổi cách chiếu sáng nhờ dùng đèn LED điện năng tiêu thụ giảm đáng kể, lượng khí CO2 làm ô nhiễm môi trường cũng giảm đáng kể

Dù rằng LED được phát minh từ 20 năm trở về trước, các ứng dụng của đèn LED còn được tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Chính vì những lợi ích to lớn đó, việc nghiên cứu và phát triển các đề tài về LED là rất cần thiết và phù hợp với nhu cầu của thị trường Trong luận văn này, em xây dựng một hệ thống đo phổ bức xạ của đèn LED và từ đó tính toán ra các thông số quang học của LED Dựa vào các thông số quang học đó, người tiêu dùng có thể nắm được nhiều hơn các thông tin về loại đèn LED mình sử dụng cũng như các nhà nghiên cứu

có thể dựa vào các thông số đó để phát triển, tìm ra các ứng dụng mới cho từng loại LED

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong chương này, phần đầu tiên nói đến các cơ sở lý thuyết về đèn LED Sau đó

tác giả tiếp tục trình bày các khái niệm và phương pháp tính toán các thông số quang học của LED gồm có tọa độ màu, nhiệt độ màu và độ hoàn màu Dựa vào phương pháp tính toán này, phần mềm tính toán sẽ xử lý các kết quả đo để tính toán ra các thông số quang học của đèn LED [16]

2.1 Cơ sở lý thuyết về LED[10]

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoa ̣i , tử ngoa ̣i Cũng giống như điốt , LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loa ̣i P ghép với một khối bán dẫn loại N Được biết tới từ những năm đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn và cho hiệu quả chiếu sáng cao

2.1.1 Hoạt động của LED

Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và

dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó) [9]

Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng phát ra

sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí Các chất bán dẫn như SiO2 có chiết suất rất cao khi chưa có lớp tráng phủ Điều này sẽ ngăn cản phô ton đi

ra khỏi chất bán dẫn Đặc điểm này ảnh hưởng đến hiệu suất LED và tế bào quang điện Chiết suất của SiO2 là 3.96(590 nm), còn không khí là 1.0002926

Nói chung, chỉ có những phô ton vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới cỡ vài

độ thì mới có thể thoát ra ngoài Những phô ton này sẽ tạo thành 1 chùm sáng dưới dạng hình nón Những phô ton không thể thoát ra ngoài sẽ chui ngược vào bên trong chất bán dẫn

Những phô ton phản xạ toàn phần có thể thoát ra ngoài qua các mặt khác của chất bán dẫn nếu góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không hấp thụ hoàn toàn các phô ton Tuy nhiên, với LED đều vuông góc ở tất cả các mặt thì ánh sáng hoàn toàn không thể thoát ra và sẽ biến thành nhiệt làm nóng chất bán dẫn

Hình dáng lý tưởng cho phép tối đa phát sáng là dạng vi cầu, là các hình cầu có kích thước siêu nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm trung tâm và điện cực cũng phải chạm điểm trung tâm Tất cả ánh sáng phát ra sẽ vuông góc toàn

bộ bề mặt quả cầu, do đó sẽ không có phản xạ Bán cầu cũng có thể cho kết quả tương tự nếu mặt lưng hoàn toàn phẳng để phản xạ hoàn toàn các tia phát về phía mặt lưng

2.1.2 Lớp tráng phủ của LED

Rất nhiều LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt vì 3 mục đích

 Hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn

 Dây dẫn bên trong LED rất mỏng sẽ được bảo vệ tốt hơn

 Lớp nhựa sẽ đóng vai trò như là môi trường trung gian Chiết suất của vỏ nhựa

sẽ thấp hơn chiết suất bán dẫn nhưng cao hơn không khí

Lý do thứ ba sẽ gia tăng khả năng phát sáng của LED vì nó sẽ như 1 thấu kính phân kỳ, cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn có thể lọt ra ngoài không khí

2.1.3 Màu sắc của LED

Màu sắc của LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bởi bước sóng của ánh sáng được phát ra LED truyền thống được làm từ 1 số chất bán dẫn vô

cơ Bảng dưới đây trình bày các loại màu sắc cùng với bước sóng, điện áp và vật liệu:

Màu

sắc

Bước sóng [nm]

Điện áp

Hồng

ngoai Λ > 760 ΔV < 1.63 Gallium arsenide (GaAs)

Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)

Gallium(III) phosphide (GaP)

Gallium(III) phosphide (GaP)

Gallium(III) phosphide (GaP)

Aluminium gallium phosphide (AlGaP)

Hồng multiple

types ΔV ~ 3.3

Blue with one or two phosphor layers:

yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards,

or white with pink pigment or dye

Trắng Broad

spectrum ΔV = 3.5 điốt xanh da trời/UV kết hợp với lớp phủ cho

màu vàng

Bảng 2.1: Điện áp, màu sắc, vật liệu của các loại LED [10]

2.1.4 Tính chất của LED

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1.5 đến 3V Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao Do đó, LED dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra

Bảng 2.2: Điện thế phân cực thuận của LED [2]

Đặc tuyến V – A của LED giống của diode thông thường

Điện áp phân cực thuận UD =1.6V – 3V; điện áp phân cực ngược Ung= 3V – 5V; dòng ID khoảng vài chục mA

Hình 2.1: Đặc tuyến Von – Ampe của LED

2.1.5 Các tham số cơ bản của LED

 Nhiệt độ

Khoảng nhiệt độ làm việc của LED : -600C đến +800

C LED rất nhạy với nhiệt độ Nhiệt độ càng tăng bước sóng của LED càng ngắn (bước sóng giảm 0.02 μm- 0.009 μm/ 0C) đồng thời điện áp phân cực cho điôt có thể bị giảm (khoảng từ 1.3mV đến 2.3 mV/0C) Độ rộng vùng cấm của các vật liệu càng lớn thì năng lượng được giải phóng ra càng lớn và bức xạ được phát ra có bước sóng càng ngắn

Nhiệt độ tăng dẫn tới cường độ bức xạ quang giảm (1% / 0C)

 Công suất phát xa vài trăm mW đến vài W

 Vật liệu

Về nguyên tắc tất cả các chuyển tiếp P – N đều có khả năng phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận nhưng chỉ có một số loại vật liệu tái hợp trực tiếp mới cho hiệu suất tái hợp cao

Với sự thay đổi đa dạng của màu sắc, nhưng LED đa màu có thể được thiết kế để sản xuất những mẫu mới lạ [12]

Một số loại LED đơn giản:

Loại tái hợp

Gallium

– Nitrit

Bảng 2.3: Bảng vật liệu làm ra LED [10]

2.1.6 Phân loại các LED

LED bức xạ ánh sáng nhìn thấy sử dụng trong báo hiệu, màn hình, quảng cáo… còn LED bức xạ ánh sáng trong vùng hồng ngoại dùng trong các hệ thông thông tin quang hoặc các hệ thống tự động điều khiển hoặc bảo mật

Để việc sử dụng được đơn giản và gọn nhẹ người ta thương ghép nhiều LED với nhau, nếu ghép các cực anot với nhau thì các đầu điều khiển đi vào các catot (điều khiển bằng xung âm) và LED gọi là anot chung Nếu ghép các cực catot với nhau thì cực điều khiển đi vào anot (điều khiển bằng xung dương) và LED gọi là catot chung Người ta thường tạo LED theo LED theo cấu trúc sau: [4]

Hồng ngoại ít bị suy giảm khi qua khói bụi và chất bán dẫn nên LED hồng ngoại

có hiều suất cao

Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản giống với các LED chỉ thị Chỉ có một điểm khác biệt là một mặt của bán dẫn được mài nhẵn làm gương phản chiếu để đưa ánh sáng ra khỏi LED theo một chiều với độ tập trung cao

Do đặc điểm cấu tạo đặc biệt nền LED hồng ngoại tạo ra ánh sáng nằm trong vùng hồng ngoại Ngoài ra, những tia có hướng đi vào trong lớp bán dẫn sẽ gặp gương phản chiếu và bị phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng một hướng Việc này sẽ tăng hiệu suất một cách đang kể cho LED Tia hồng ngoại có khả năng xuyên qua chất ban dẫn tốt hơn so với ánh sáng nhìn thấy nên hiệu suất phát của LED hồng ngoại cao hơn rất nhiều so với LED phát sáng màu

Hình 2.3: Cấu tạo LED hồng ngoại bước sóng 980nm

Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1.43 eV tương ứng với bức xạ bước sóng khoảng 900nm

Hình 2.4: Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bước sóng 950 nm

Trong GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lương tính với tạp chất Silic là GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N được hình thành Tùy theo nồng độ pha tạp chất Silic ta có bức xạ với bước sóng phù hợp với các điểm cực đại của các detector (LED thu) Mặt dưới của LED được mài nhẵn tạo thành một gương phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N

Hình sau mô tả nguyên lý đấu nối LED hồng ngoại trong mạch điện

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của LED hồng ngoại

Khi phân cực thuận cho điôt, các hạt dẫn đa số sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P-N, chúng tái hợp với nhau và phát ra bức xạ hồng ngoại Các tia hồng ngoại bức xạ theo nhiều hướng khác nhau Những tia hồng ngoại có hướng đi vào trong các lớp chất bán dẫn, gặp gương phản chiếu sẽ được phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng hướng với các tia khác Điều này làm tăng hiệu suất của LED

Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống như ánh sáng nhìn thấy, nghĩa

là nó có khả năng hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự… Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại rất khác ánh sáng nhìn thấy ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đó

có chất bán dẫn Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn LED chỉ thị vì tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các bán dẫn để ra ngoài Tuổi thọ của LED hồng ngoại dài đến 100.000 giờ LED hồng ngoại không phát ra ánh sáng nhìn thấy nên rất có lợi trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý

2.1.8 Phương pháp tạo ra LED sáng trắng[3]

Năm 1993 Shuji Nakamura đã chế tạo được đèn LED cho ánh sáng xanh lam rất sáng

đã hé mở ra nhiều cách từ LED tạo ra ánh sáng trắng Một số cách chủ yếu như sau:

- Dùng ba LED màu đỏ, lục, lam (RGB - red, green, blue), trộn bao màu lại với

nhau, có được ánh sáng trắng:

Phương pháp này thường được biết đến với tên gọi RGB system

Bởi vì những cần mạch điện tử để điều khiển việc trộn màu và khuếch tán của các màu sắc khác nhau Thêm nữa, các đèn LED màu sắc khác nhau thường có mô hình phát xạ hơi khác nhau (dẫn đến sự biến đổi của màu sắc tùy thuộc vào hướng) ngay

cả khi chúng được thực hiện như một đơn vị duy nhất, do đó phương pháp này hiếm khi được sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng Tuy nhiên, phương pháp này đặc biệt hữu dụng trong một số lĩnh vực vì tính linh hoạt của pha trộn màu sắc khác nhau và về nguyên tắc, cơ chế này cũng có hiệu quả lượng tử cao hơn trong sản xuất ánh sáng trắng

Có một số loại LED trắng: LED trắng hai màu (dichromatic), LED trắng ba màu (trichromatic), và LED trắng bốn màu (tetrachromatic) Một số yếu tố quan trọng quyết định các phương pháp sản xuất LED trắng là: độ ổn định màu sắc, khả năng dựng hình màu, và hiệu quả chiếu sáng Thông thường, hiệu quả chiếu sáng cao đồng nghĩa với khả năng dựng hình màu thấp hơn, như vậy cần cân bằng giữa các yếu tố

Ví dụ, các đèn LED trắng hai màu có hiệu quả chiếu sáng tốt nhất (120 lm/W), nhưng khả năng dựng hình màu thấp nhất Tuy nhiên, mặc dù đèn LED trắng tetrachromatic

có khả năng dựng hình màu tuyệt vời nhưng thường có hiệu quả chiếu sáng kém LED trắng ba màu có cả tốt hiệu quả chiếu sáng (> 70 lm/W) và khả năng dựng hình màu

Đèn LED đa màu sắc không chỉ đơn thuần là một phương tiện để tạo ánh sáng trắng mà còn là một phương tiện mới để tạo ánh sáng màu sắc khác nhau Mọi màu sắc mà ta nhìn thấy được đều được hình thành bằng cách trộn một lượng khác nhau của ba màu cơ bản Điều này cho phép điều chỉnh màu sắc chính xác Đèn LED đa màu sắc nên có ảnh hưởng sâu sắc đến các phương pháp cơ bản sử dụng để sản xuất

và kiểm soát màu sắc ánh sáng Tuy nhiên, trước khi loại đèn LED này có thể đóng một vai trò trên thị trường, một số vấn đề kỹ thuật cần giải quyết bao gồm các loại này năng lượng phát xạ của LED phân rã theo cấp số nhân với nhiệt độ tăng cao, dẫn đến một sự thay đổi đáng kể trong sự ổn định màu sắc Vấn đề như vậy ngăn cản việc sản xuất công nghiệp.Vì thế, nhiều thiết kế mới nhằm giải quyết vấn đề này đã được

đề xuất và đang được nghiên cứu bởi các nhà khoa học

Hình 2.6: Phổ của ba màu LED cơ bản [10]

- Phosphor-based LEDs:

Phương pháp này bao gồm việc phủ đèn LED một màu (chủ yếu là đèn LED màu xanh làm bằng InGaN) bằng chất lân quang màu sắc khác nhau để tạo thành ánh sáng trắng Một phần nhỏ của ánh sáng màu xanh trải qua sự thay đổi Stokes được chuyển đổi từ các bước sóng ngắn thành bước sóng dài Tùy thuộc vào màu sắc của đèn LED ban đầu, chất lân quang màu sắc khác nhau có thể được sử dụng Nếu một số lớp phosphor màu sắc riêng biệt được áp dụng, phổ phát ra được mở rộng, nâng cao hiệu quả các chỉ số hoàn màu (CRI) giá trị của một cho LED

Hạn chế của phương pháp này là sự mất nhiệt từ sự thay đổi Stokes và vấn đề suy hao khác liên quan đến phosphor Hiệu năng sáng của đèn LED loại này so với đèn LED thông thường phụ thuộc vào sự phân bố phổ của ánh sáng của đèn sau khi phủ phosphor và bước sóng ban đầu của đèn LED (chưa phủ phosphor) Ví dụ, hiệu quả

chiếu sáng của một YAG điển hình (led vàng phủ phosphor) dao động từ 3 đến 5 lần

so với hiệu quả chiếu sáng của màu xanh ban đầu LED vì mắt con người nhạy cảm hơn với màu vàng hơn là màu xanh Do sự đơn giản của phương pháp này vẫn là phương pháp phổ biến nhất để làm cho cường độ cao đèn LED màu trắng Thiết kế

và sản xuất của một nguồn ánh sáng hoặc vật cố ánh sáng bằng cách sử dụng phát đơn sắc với phosphor đơn giản và rẻ hơn so với một hệ thống RGB phức tạp, và phần lớn các đèn LED trắng cường độ cao hiện nay trên thị trường được sản xuất theo phương pháp này

Trong số các thách thức đang phải đối mặt để nâng cao hiệu quả của nguồn ánh sáng trắng LED dựa trên là sự phát triển của chất lân quang hiệu quả hơn Như năm

2010, hiệu quả nhất vẫn là YAG phosphor (phủ phosphor vàng), với ít hơn 10% suy hao từ quá trình chuyển đổi Stoke Suy hao do tổn thất quang nội bộ do tái hấp thu trong chip LED và trong vỏ LED tự nó chiếm thường thêm 10% đến 30% Hiện nay, trong lĩnh vực phát triển LED phosphor, nhiều nỗ lực đang được chi cho việc tối ưu hóa các thiết bị để sản lượng ánh sáng cao hơn và nhiệt độ hoạt động cao hơn Ví dụ, hiệu quả có thể được nâng lên bằng cách điều chỉnh thiết kế vỏ tốt hơn hoặc bằng cách sử dụng một loại phosphor phù hợp hơn Quá trình phủ bảo giác thường được sử dụng để giải quyết vấn đề thay đổi độ dày phosphor

Một số đèn LED đóng vỏ InGaN đèn LED xanh bên trong lớp epitaxy của phosphor Ngoài ra, các đèn LED có thể được kết hợp với phosphor từ xa, một mảnh polycarbonate phủ phosphor được hình thình phía trước Phủ phosphor từ xa cung cấp ánh sáng khuếch tán hơn, có nhiều ứng dụng

- Dùng OLED tức là LED hữu cơ: Vì là chất hữu cơ nên dễ tạo ra trong đó những

hạt phát ra ánh sáng lục, ánh sáng đỏ và ánh sáng lam Tổng hợp ánh sáng phát ra từ

ba loại hạt đó cho ra ánh sáng trắng Đèn OLED có ưu điểm là mỏng, giá thành thấp, điện áp hoạt động nhỏ, góc phát lớn

- Quantum dot LED: đang thử nghiệm

Hiện naycách dùng LED màu lam có phủ lớp phôtpho để cho ánh sáng màu lục và màu đỏ cộng lại thành ánh sáng trắng là đơn giản, phổ cập, có hiệu quả hơn cả Hầu

hết LED trắng đang dùng hiện nay là được chế tạo theo cách này Tuy nhiên nhiều cách chế tạo LED trắng khác đang được đẩy mạnh nghiên cứu nhằm làm cho cách chiếu sáng bằng LED có nhiều ưu việt hơn

2.1.9 Các tính chất phổ của LED[3]

Phân bố phổ của ánh sáng được LED phát ra khác xa phổ ánh sáng của các loại nguồn sáng thông thường Công suất phát xạ thường là cho các ánh sáng đơn sắc (bức xạ laser) hay với vùng phổ hẹp hơn của đèn huỳnh quang, chưa nói đến của đèn sợi đốt

Ánh sáng phát ra của LED thông thường có độ rộng vùng phổ hẹp vào cỡ trong khoảng giữa 20 nm và 50 nm, với đỉnh phổ nằm ở vùng UV gần, vùng nhìn thấy được, hay vùng hồng ngoại gần của phổ ánh sáng

Các phân bố phổ điển hình được chỉ ra trên Hình 2.7

Hình 2.7: Phân bố phổ của các LED

Phân bố phổ điển hình của các LED thông thường Độ rộng phổ thường chỉ nằm trong khoảng 20-50 nm, với đỉnh phổ nằm ở vùng UV gần, hoặc vùng ánh sáng nhìn thấy được, hoặc vùng hồng ngoại gần

Các tính chất phổ của bức xạ từ LED là quan trọng đối với các nhà sản xuất trong thiết kế và kiểm soát quá trình công nghệ ché tạo, người tiêu dùng dựa vào chúng để lựa chọn loại LED thích hợp với nhu cầu sử dụng của mình Các đặc trưng phổ chủ yếu của LED được liệt kê dưới đây:

Độ rộng nửa đỉnh phổ (Full Width Half Max - FWHM):

Độ rộng nửa đỉnh phổ λ0.5 được tính toán bằng cách lấy hiệu của hai bước sóng ở hai bên đỉnh phổ λp và tại giá trị nửa chiều cao đỉnh phổ:

λ0.5 = λ'0.5 - λ''0.5 (2.1) Bước sóng giữa λm:

Bước sóng giữa là giá trị trung bình cộng của hai bước sóng nửa chiều cao đỉnh phổ, lấy về hai bên đỉnh phổ λ'0.5 và λ''0.5

bước sóng chủ yếu Đại lượng này đo các phản xạ màu do LED tác động lên mắt người

Độ sạch (tinh khiết):

Độ sạch (tinh khiết) được xác định là tỷ số khoảng cách của nguồn sáng so sánh (thường chọn một cách ngẫu nhiên là nguồn sáng E) với các tọa độ màu đo được của LED trên giản đồ màu

Phần lớn các LED đều là các nguồn phát xạ dải hẹp, với độ sạch gần bằng 100%, nghĩa là màu sắc không thể phân biệt khác được từ tia đơn sắc Các nguồn đa sắc có

độ sạch (tinh khiết) thấp, tiệm cận đến zero

2.1.10 Ứng dụng của đèn LED

Với nhiều cái ―nhất‖ và ―siêu‖ như: tuổi thọ cao nhất, có lời cho sức khỏe nhất, siêu sáng, siêu tiết kiệm điện … LED đã mang lại lợi ích vô cùng to lớn cho nhân loại

Sau đây là những lĩnh vực mà LED có ảnh hưởng lớn và sâu sắc đối với đời sống của con người:

 Bảng điện tử đèn LED

Với những khả năng ưu việt, đèn led được ứng dụng trong bảng điện tử ma trận các bản điện tử nay được dung phổ biến trong các hoạt động thông tin, quảng cáo, thương mại như: nhà ga, sân bay, ngân hang, giao thông, trung tâm thương mại, siêu thị, bưu điện

Hình 2.8: Bảng điện tử LED

 LED dây trang trí ngoài trời (LED trip)

LED dây trang trí ngoài trời là giải pháp trang trí hiệu quả cho các tòa nhà, cửa hàng, siêu thị và những ứng dụng trang trí khác trên đường phố thậm trí phương tiện giao thông Đặc điểm của sản phẩm LED trang trí này là những bóng LED SMD được dán trên bề mặt dây và được phủ nhựa mềm bảo vệ nên rất nhỏ gọn và tiêu thụ ít điện năng đảm bảo thẩm mỹ cho bề mặt trang trí ngay cả khi hệ thống đèn không hoạt động

 Led ứng dụng trong y học

Công nghệ điều biến tế bào dựa trên cơ sở ánh sáng không nhiệt LED được áp dụng phổ biến trong lĩnh vực y khoa, đặc biệt hiệu quả trong lĩnh vực làm đẹp vấn đề cải thiện tình trạng lão hóa da, nhất là nám da của chị em sẽ có them giải pháp tích cực

để lựa chon

 Trang trí nội thất

Những bồn tắm vòi sen và bàn ghế… phát sáng Làm đèn pha oto hoặc đèn chiếu hậu ưu điểm của nó là khối lượng nhẹ, tuổi thọ cao, cường độ sáng lớn rất thời trang

Ánh sáng của led khá mạnh( mang ít nhiệt) nên những chiếc xe thiết kế dựa vào led thường mang dáng vẻ trừu tượng, viến tưởng, huyền bí

Hình 2.9: LED trang trí

 Led trong các thiết bị điện tử

Với kích thước nhỏ và giá thành tương đối thấp, các nhà sản xuất có khả năng đặt đèn led bên trong máy MP3 điện thoại di động và những sản phẩm cầm tay khác chỉ với chi phí vài USD

 LED ứng dụng vào màn hình LCD

LED khi ứng dụng vào màn hình LED có nhiều ưu điểm:

- Khắc phục các lỗi khi biểu hiện hình ảnh tĩnh của màn LCD

- Cải thiện khả năng thể hiện màu sắc giúp cho dải màu trở nên phong phú

- Thay thế hệ thống đèn huỳnh quang bằng đèn LED để dễ điều chỉnh màu sắc

- Được trang bị chiếc nón đội đầu để che ánh sáng mặt trời- tác nhân chính làm giảm độ trung thực của màu sắc

 LED 3D quảng cáo

Đi cùng với sự phát triển của công nghệ 3D, các thiết bị sản xuất và hiển thị hình ảnh 3D đang rất được ưa chuộng trên thị trường hiện nay Để đáp ứng nhu cầu của khách hàng về khả năng hiển thị 3D dành cho quảng cáo – hiển thị, hãng Seekway đã phát triển công nghệ mới: SEEKWAY 3D LED CUBE

Công nghệ này cho phép hiển thị hình ảnh nhiều mô hình 3D với tốc độc 15 đến

30 khung hình mỗi giây, có thể chuyển động bất kỳ hướng nào nhờ điều khiển bằng phần mềm trên máy tính hoặc thẻ nhớ Nhờ đó khác hàng có thể hiển thị hình ảnh về sản phẩm, logo công ty, chữ 3D … trên bảng quảng cáo.Các hiệu ứng hình ảnh 3D trong các buổi hòa nhạc, sự kiện Sản phẩm rất phù hợp để đặt ở vị trí hành lang khách sạn, quán bar, các chương trình giải trí cần hiệu ứng 3D tạo nên sự khác biệt, bạn cũng có thể sử dụng trong các triển lãm, hội nghị phát hành sản phẩm, dùng để trang trí nội thất… Tương lai không xa, chúng ta có thể chiếu phim 3D trên màn hình led rộng hàng nghìn mét vuông như đang thực hiện trên LED 2D hiện nay

2.2 Khái niệm và phương pháp tính các tọa độ màu của LED

2.2.1 Khái niệm về tọa độ màu

Số chỉ tọa độ là số lượng của ba màu nhất định khi hỗn hợp với nhau sẽ nhận được màu cho trước.Ba màu dùng để tạo nên các màu khác gọi là những màu cơ bản Tồn tại rất nhiều bộ ba màu cơ bản khác nhau.Yêu cầu nguyên tắc của ba màu cơ bản là không màu nào trong số chúng có thể được tạo thành bởi hai màu còn lại.Nói cách khác, những màu cơ bản phải là những màu độc lập

Ba màu cơ bản thường được dùng trong thực tế là ba màu R, G, B Những bức xạ

λR, λG, λB tương ứng với ba màu cơ bản được gọi là những bức xạ cơ bản

Số lượng những màu của bức xạ đơn sắc được đo bằng độ chói (Bλ nít), hoặc độ chói phát xạ Be

λ W/sr.m2 Về thực chất không có gì khác nhau giữa hai đại lượng trên, vì đại lượng Bλ được xác định theo Be

λ và ngược lại (Bλ = 683 Beλ.Vλ) Nhưng khi nói tới số lượng màu phải nói tới Bλ Những đại lượng Be

λ chỉ dùng để xác định

số lượng bức xạ

Tọa độ màu riêng là tọa độ của những bức xạ đơn sắc với độ chói phát xạ đơn vị Tọa độ màu riêng được xác định bằng thực nghiệm Những tọa độ màu riêng chỉ rõ

phải hỗn hợp những màu cơ bản với số lượng như thế nào để nhận được màu của những bức xạ đơn sắc với độ chói đơn vị

Như ta đã biết, ánh sáng từ một nguồn sáng đã cho là một phổ phát xạ gồm rất nhiều bước sóng, ứng với mỗi bức sóng là một tọa độ màu riêng Để tính toán những tọa độ màu của nguồn sáng đã cho người ta thường liệt tọa độ màu riêng vào những bảng bức xạ đơn sắc với bước sóng cách nhau từng 5 đến 10nm Để tính toán các kích thích màu cơ bản (X, Y, Z) bằng cách nhân tọa độ màu riêng với cường độ phát

xạ rồi cộng tích của chúng Từ các kích thích màu cơ bản ta tính được tọa độ màu của nguồn sáng theo công thức:

Z Y X

X x





Z Y X

Y y

2.2.2 Không gian màu XYZ

Bộ ba giá trị RGB không thể tạo ra một mô hình màu chuẩn Vì vậy, khi sử dụng các công thức toán học để chuyển hóa các dữ liệu RGB sang một hệ thống chỉ sử dụng các giá trị dương Theo đó, bộ ba giá trị màu mới sẽ là XYZ Không gian màu XYZ được xem là tiêu chuẩn vàng để đánh giá màu sắc, vì nó có thể đánh giá gần như toàn bộ tất cả màu sắc mà con người nhận định được, thậm chí có thể xác định cả những màu sắc mà chúng ta không thể tạo ra hoặc quan sát thấy Để có thể hình dung

dễ hơn, hình dưới đây cho chúng ta thấy không gian màu lập phương RBG như một mảnh cắt nhỏ của không gian màu XYZ Những giá trị của XYZ không tương ứng trực tiếp với RBG, nhưng có thể xem là xấp xỉ tương đương RBG Chúng vốn thu được từ sự kích thích các tế bào « cone » L, M, S ở người quan sát chuẩn Đặc biệt, không gian màu XYZ sẽ được thiết kế sao cho giá trị Y cũng đồng thời phản ánh độ sáng của màu sắc (brightness) [7]

Hình 2.10: Không gian màu XYZ [1]

3 giá trị kích thích màu X,Y,Z được tính theo công thức:

S(λ) = Phổ năng lượng tương quan của nguồn sáng chuẩn CIE

3 phổ độ nhạy của mắt người x, y, z : tương ứng với mỗi bước sóng xác định được

3 giá trị độ nhạy của mắt người

Tích phân tính giá trị 3 màu kích thích có thể tính xấp xỉ bằng tổng đại số, được thể hiện bởi công thức sau:

𝑍 = 380780𝑆 𝜆 , 𝑅 𝜆 𝑧 ∆𝜆 (2.10)

2.2.3 Giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY

Thu đƣợc các giá trị của bộ ba XYZ để xây dựng không gian màu XYZ chỉ là một phần để có thể định nghĩa và xác định màu Bản chất màu sắc sẽ trở nên trực quan và

dễ tiếp cận hơn nếu gắn liền với các thông số phản ánh sắc màu (hue), độ kết tủa màu (chroma) Vì vậy, năm 1931, CIE sẽ dùng các bộ ba giá trị XYZ để thiết lập 1 tập hợp mới các tọa độ kết tủa màu sắc xyz nhằm mục đích có thể vẽ 1 giản đồ màu sắc, gọi là giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 1931 (CIE 1931 xyY or chromisity chart) [8]

Hình 2.11: Giản đồ kết tủa màu sắc CRI xyY [1]

Giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY là một giản đồ 2 chiều của không gian màu XYZ ba chiều, có hình dạng móng ngựa, với các tọa độ x và y, đƣợc thiết lập cho toàn bộ các thông số về sắc màu (hue), độ kết tủa màu (chromia) Các giá trị x và y

tương ứng với các sắc màu (ví dụ như đỏ - cam) cũng như với độ bão hòa của màu sắc

Đường quang phổ (spectral locus) là tên gọi dùng để chỉ đường cong rìa ngoài của hình móng ngựa Ở đây, chúng ta sẽ tìm thấy những màu sắc đơn sắc (độ bão hòa màu sắc cao nhất) Càng đi vào trung tâm của giản độ, màu sắc sẽ càng giảm bớt độ bão hòa Màu trắng được xác định nằm ở tọa độ x/3 và y/3 Đường thẳng nằm dưới cùng cũng giản đồ hình móng ngựa được gọi là đường màu tía (line of purples) (màu

đỏ và lam trộn vào nhau) Đường thẳng này thể hiện màu sắc được hình thành từ sự trộn lẫn với tỉ lệ khác nhau của 2 màu đơn sắc ở góc Nó thể hiện những điểm cuối cùng của quang phổ khả kiến Nhờ những điểm trên, giản đồ CIE xyY cho thấy màu sắc có thể được hình thành từ sự trộn lẫn các màu sắc khác với nhau, điều mà không gian màu lập phương RBG không cho thấy

Chiều thứ 3 còn lại của không gian XYZ được thể hiện thông qua thông số Y trên giãn đồ CIE xyY, thể hiện độ sáng của màu sắc Thang đo của giá trị Y sẽ trải dài từ điểm trắng của một đường thẳng vuông góc với mặt phẳng xy và có giá trị từ 0 đến

100 Giá trị Y càng lớn, màu sắc sẽ càng sáng hơn, phạm vi màu sắc (gam màu) sẽ giảm Và khi Y = 100, không gian màu chỉ còn là một màu bạc trắng sáng ở ngay gốc trung tâm

Như vậy, bằng cách sử dụng các giá trị xyz, bất cứ màu sắc nào cũng có thể được xác định và so sánh với màu sắc khác Đây cũng chính là toàn độ mục địch của hệ thống màu chuẩn CIE

Xác định nhiệt độ màu bằng giản đồ CIE xyY: các đường đẳng nhiệt là những đường tuyến tính trên giản đồ

Hình 2.12: Nhiệt độ màu bằng giản đồ CIE xyY [1]

2.2.4 Những hạn chế của giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 1931

Giản đồ kết tủa màu CIE xyY vẫn còn được sử dụng đến ngày nay song nó vẫn có hai hạn chế lớn Thứ nhất là phạm vi quan sát bó hẹp của người quan sát chuẩn, chỉ

có khoảng 2° Trong những phiên bản sau này (CIE 1960, 1964, 1976), phạm vi quan sát đã được nâng lên 10° Có những công thức cho phép chuyển đổi giữa các hệ

thống màu sắc này

Hình 2.13: Hạn chế của giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 1931 [1]

Hạn chế thứ hai là tính không tuyến tính của giản đồ này Nghĩa là, khoảng cách giữa hai điểm trên giản đồ không thể hiện một cách hệ thống mức độ khác biệt màu sắc của hai điểm đó Nói cách khác, khoảng cách giữa hai điểm khác với mức độ

khác biệt màu sắc của hai điểm đó Ví dụ theo hình trên đây, điểm A cách điểm B 1 khoảng cách bằng với khoảng cách điểm C và điểm D Tuy nhiên mức độ khác biệt màu sắc của A và B (hơi khác biệt) lại khác hoàn toàn so với mức độ khác biệt của C

và D (khác biệt rõ) Những hệ thống giản đồ màu sau này (CIE Luv và CIE Lab) cho phép khắc phục hạn chế trên

2.2.5 Giản đồ màu CIE Luv

Không gian màu CIE LUV được tạo thành qua sự chuyển đổi từ không gian màu CIE XYZ nhưng sử dụng công thức chuyển đổi khác Ba trục toạ độ được xác định bởi các giá trị L, u và v

Hình 2.14: Không gian màu CIE LUV [1]

Không gian màu CIE LUV thường được dùng cho việc đánh giá màu trên màn hình (thí dụ như trên máy quét hay máy tính) Ưu điểm của nó là có sự chuyển đổi tuyến tính để tất cả các tính cân đối của không gian màu CIE được giữ nguyên

Trong đó: X/Xn Y/Yn Z/Zn > 0.01

Các giá trị kích thích Xn ,Yn , Zn thể hiện màu sắc của vật trắng chuẩn Thông thường vật trắng chuẩn được xác định khi chiếu một trong những nguồn sáng chuẩn theo tiêu chuẩn CIE (C hoặc D65) hoặc ánh sáng tự nhiên, phản xạ đến mắt người quan sát với hệ số tán xạ - phản xạ hoàn hảo (100%, R=1) Với các điều kiện này, Xn,Yn , Znlà các giá trị 3 màu kích thích của nguồn sáng chuẩn với Yn = 100

Xác định nhiệt độ màu bằng giản đồ CIE Luv sẽ dễ dàng hơn khi đường đẳng nhiệt là những đường thẳng

Hình 2.15: Giản đồ CIE Luv [1]

2.2.6 Phương pháp tính tọa độ màu

Các giá trị kích thích màu (tristimulus values) của nguồn sáng:

  

 z d I

Trong đó:

- I(λ) là phổ mật độ công suất của nguồn sáng

- x (λ), y (λ), z (λ) lần lƣợt là các hàm độ nhạy của mắt đối với 3 màu cơ

bản (blue, green, red)