Chế tạo mẫu thấu kính biên dạng tự do

2.2.1. Phương pháp chế tạo thấu kính

Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành chế tạo mẫu theo phương pháp phay CNC (CNC là tên viết tắt của Computer Numerical Control tạm dịch là điều khiển chương trình số bằng máy tính) tốc độ cao trên nền vật liệu Poly methyl methacrylate (PMMA) hay còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như: mica, nhựa acrylic, thủy tinh hữu cơ,… Với chiết suất 1.49 tại bước sóng 635nm, nhiệt độ hoạt động lên đến 160oC, độ truyền qua đối với ánh sáng vùng khả kiến khoảng 99%, nhóm nghiên cứu chọn đây là vật liệu chế tạo thấu kính biên dạng tự do.

Thiết bị CNC được chúng tôi sử dụng là thiết bị CNC công nghiệp có kích thước làm việc 300×400×100mm với độ chính xác lên đến 20m. Thiết bị

Mặt thu số 1

Mặt thu số 2 Nguồn sáng

CNC này được đặt tại phòng Laser bán dẫn-Viện Khoa học vật liệu (Xem hình 2.9).

Hình 2.9: Máy CNC 3004001000mm dùng chế tạo biên dạng thấu kính

Chúng tôi sử dụng mũi phay dạng V-bit có góc là 30o và đường kính 0.1mm trong quá trình chế tạo. Sau khi mũi V-bit được sử dụng tạo biên dạng cho thấu kính, mũi phay có đường kính 3mm sẽ được sử dụng để cắt phần thấu kính đã chế tạo thành một đường tròn có đường kính 75mm. Hai loại mũi V- bit và mũi phay 3mmsử dụng chế tạo thấu kínhđược thể hiện trong hình 2.10.

Từ tập hợp các điểm là các tọa độ của biên dạng thấu kính đã được tính toán ở phần trên, chúng tôi tiến hành đưa các tọa độ này vào phần mềm AutoCAD để tạo nên mô hình của thấu kính ở dạng 3D (Xem hình 2.11). Trong quá trình này, thấu kính sẽ được điều chỉnh và xuất ra file 3D dưới định dạng “.stl” (đây là định dạng mà phần mềm tạo code cho máy CNC có thể đọc được).

Hình 2.11: Thiết kế thấu kính trên phần mềm Auto CAD

Khi đã có file 3D của thấu kính, chúng tôi đưa file này vào phần mềm Aspire để mô phỏng lại các bước chế tạo thấu kính và tạo code cho máy CNC. Trong quá trình thực hiện, chúng tôi đặt độ tinh của máy CNC ở mức 20m, bằng với độ chính xác cao nhất mà máy CNC có thể thực hiện được.

Hình 2.12: Mô phỏng đường đi của mũi khoan trong công đoạn tạo

biên dạng bề mặt thấu kính

Hình 2.12 mô phỏng đường đi của mũi khoan khi chế tạo thấu kính trên phần mềm Aspire. Khi đã hoàn thành mô phỏng đường đi của mũi khoan, file

G-code dưới định dạng “.txt” được tạo ra cho phần mềm điều khiển máy CNC có thể đọc và thực thi.

Chế tạo mẫu thấu kính biên dạng tự do dạng kép

Máy CNC thực hiện thao tác chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng kép với mũi V-bit và đường đi của mũi là tổ hợp của các đường thẳng (Xem hình 2.13).

Hình 2.13: Máy CNC đang chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng kép

Chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận

Hình 2.14 cho thấy máy CNC thực hiện thao tác chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận với mũi V-bit và đường đi của mũi là tổ hợp của các hình vuông.

2.2.2. Gia công và hoàn thiện mẫu thấu kính biên dạng tự do

Sau khi các thấu kính đã được tạo biên dạng bằng máy CNC, chúng tôi tiến hành một bước rất quan trọng trong quy trình chế tạo thấu kính đó là quá trình mài đánh bóng thấu kính.

Với quá trình mài thấu kính dạng kép, chúng tôi sử dụng tuần tự các loại giấy nhám nước có độ mịn P400 - 600 – 800 – 1200 – 1500 – 2000 – 3000 – 5000 để giảm độ gồ ghề cho bề mặt thấu kính, công đoạn này kéo dài trong khoảng 2 giờ.

Với thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận, do biên dạng thấu kính sẽ là dạng lõm và có nhiều thấu kính nhỏ nằm trên một thấu kính lớn nên việc sử dụng các loại giấy nhám sẽ khó khăn và khó kiểm soát sự sai khác biên dạng của thấu kính. Chúng tôi sử dụng bột mài GM-I để giảm độ gồ ghề cho bề mặt thấu kính, công đoạn này kéo dài trong khoảng 30 phút (Xem hình 2.15).

Hình 2.15: Các công cụ xử lý bề mặt thấu kính:

a) Giấy nhám nước; b) Bột mài;

Sau khi bề mặt thấu kính đã được xử lý giảm độ gồ ghề bằng các phương pháp mài vật lý, chúng tôi tiến hành đánh bóng bề mặt thấu kính bằng dung dịch chuyên dụng kết hợp bông mài và máy khoan cầm tay. Để thấu kính đạt được độ trong, độ bóng nhất định và đồng đều, quá trình này cần diễn ra liên tục trong khoảng thời gian 3 giờ.

2.3. Kỹ thuật đo đạc

Xuất phát từ yêu cầu đo phân bố cường độ chiếu sáng tại nơi sử dụng, tôi đã tính toán, thiết kế và xây dựng hệ đo phân bố dựa trên phương pháp quét điểm ảnh, với kích thước phù hợp với tính toán cho hệ thấu kính (yêu cầu đạt tối thiểu 70×70cm)

2.3.1. Xây dựng hệ đo phân bố ánh sáng

Sau khi hệ thấu kính phân bố ánh sáng đồng đều cho đèn LED được chế tạo. Sau đó thông số phân bố ánh sáng của hệ đèn đã chế tạo trên diện tích cần chiếu được đo đạc, đối chiếu và so sánh với các kết quả đã được mô phỏng, tính toán và thấu kính thương mại khác.

Do diện tích chiếu sáng là khá rộng và số lượng điểm lấy mẫu cần rất lớn. Vì thế với phương pháp đo bằng tay sẽ rất mất thời gian và không đảm bảo được độ chính xác cao. Chính vì vậy chúng tôi đã tiến hành chế tạo một hệ đo phân bố quang tự động, có thể lấy mẫu nhiều lần độ chính xác cao và thời gian đo đạc được rút ngắn. Hình 2.16 đưa ra sơ đồ các khối trong hệ đo. Bao gồm một máy tính giao tiếp với một ardunio kết hợp với đầu đo photodiode có thể di chuyển trên trục tọa độ XY của mặt phẳng chiếu sáng nhờ hệ cơ khí được điều khiển chính xác bằng motor bước.

Hình 2.16: Sơ đồ hệ đo phân bố quang cho thấu kính

Hệ đo phân bố quang được chúng tôi trực tiếp chế tạo. LED sẽ được nuôi

1m 1m

kính, chùm ánh sáng đi qua sẽ được chiếu trên diện tích 1m x 1m với chiều cao 100cm. Phần diện tích chiếu sáng sẽ được thu thập công suất quang bằng photodiode, photodiode này được đặt trong một hệ trục XY di chuyển được và được điều khiển bằng máy tính. Dữ liệu công suất quang sẽ được xử lý và vẽ lại bằng hình ảnh phân bố 3D qua phần mềm Matlab. Độ đồng đều được tính theo công thức:

𝐻 =𝑃𝑚𝑖𝑛

𝐼𝑎𝑣𝑔 (7)

Trong đó Imin là giá trị cường độ tối thiểu và Iavg là giá trị cường độ trung bình của tất cả các điểm đo.

2.3.2. Lắp ráp và hoàn thiện hệ đo

Hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED kết hợp với thấu kính được đặt trên một giá treo đèn có thể điều chỉnh độ cao. Giá treo đèn được làm bằng vật liệu nhôm định hình, dễ dàng tháo lắp, di chuyển và thay đổi độ cao. Độ cao của giá treo đèn có thể thay đổi trong khoảng từ 0.5-1,5 m.

Hệ dịch chuyển hai chiều kích thước 1m×1m được chúng tôi chế tạo bằng vật liệu nhôm định hình và sử dụng motor bước để di chuyển đầu thu. Hình 2.17 đưa ra hình ảnh thực tế của hệ dịch chuyển.

Hình 2.17: Hình ảnh của hệ dịch chuyển hai chiều

Nguồn nuôi LED được chúng tôi sử dụng trong phép đo là nguồn Thorlabs ITC 4005 (Xem hình 2.18) cho dòng ra một chiều có thể thay đổi từ

0 đến 5 A, độ chia nhỏ nhất là 0,01 A. Có thể cho dòng từ từ qua LED hoặc đặt một dòng nhất định sau đó mới được cấp cho LED. Chip LED sử dụng trong các phép đo trên là LED của hãng Nichia do Nhật Bản sản xuất, được bọc silicon trong suốt, dòng danh định là 1000 mA tuy nhiên có thể hoạt động được ở dòng lên đến 2000 mA và có góc mở là 120o. Ở điều kiện bình thường LED có thể chịu được nhiệt độ chuyển tiếp khá cao 135oC cho những ứng dụng đặc biệt trong thời gian ngắn, tuy nhiên với điều kiện như vậy tuổi thọ của LED không quá 100 giờ.

Hình 2.18: Nguồn Thorlabs ITC 4005

Phép đo sử dụng vi điều khiển Arduino R3 kết hợp với photodiode, cho phép đo cường độ chiếu sáng với độ phân giải 10 bit (Xem hình 2.19).

khoảng thời gian 100 ms. Bảng dưới đây đưa ra thông số đo phân bố ánh sáng cho thấu kính biên dạng tự do.

Bảng 2.3:Thông số phép đo phân bố ánh sáng

Chiều cao treo đèn 70 cm

Diện tích đo 90x90 cm

Khoảng cách lấy mẫu 1 cm

Cường độ dòng điện 500 mA

2.3.3. Xây dựng hệ đo thông số truyền qua của thấu kính biên dạng tự do

Một trong những thông số quan trọng để đánh giá thấu kính là độ truyền qua, với mục đích chiếu sáng, độ truyền qua của thấu kính càng tốt, lượng ánh sáng bị mất mát càng nhỏ, chất lượng của thấu kính càng cao. Chúng tôi đề xuất một hệ thử nghiệm đo độ truyền qua như trong hình 2.20 và sử dụng một Laser diode bước sóng 650 nm, một Power meter để đo công suất ánh sáng.

Hình 2.20: Sơ đồ hệ đo độ truyền qua của thấu kính

Laser 650 nm được sử dụng trong thí nghiệm này là laser diode công suất tối đa 200 mW với dòng ngưỡng 60 mA có thể chịu được cường độ dòng điện lên đến 400mA (Xem hình 2.22). Máy đo công suất quang MELLES GRIOT (Xem hình 2.21) đầu thu đĩa nhiệt được sử dụng trong thí nghiệm này.

Power meter

Hình 2.21: Thiết bị đo công suất quang MELLES GRIOT.

Hình 2.22: Laser diode 650nm công suất 200mW

Đầu tiên, chúng tôi tiến hành đo công suất thực của laser diode với cường độ dòng điện thay đổi từ 0-400 mA. Tiếp theo, vị trí của Laser và đầu thu được giữ nguyên, đặt thấu kính biên dạng tự do đã chế tạo vào giữa laser và đầu thu sao cho công suất laser thu được là lớn nhất, tiếp tục tiến hành thay đổi cường độ dòng điện cấp cho laser từ 0-400 mA và đo công suất quang thu được. Hiệu suất truyền qua của thấu kính biên dạng tự do đã chế tạo được tính theo công thức:

Trong đó P0 là công suất quang thu được khi chưa đặt thấu kính, Pout là công suất quang thu được khi tia laser đi qua thấu kính.

2.4. Lắp ráp đèn LED điểm hoàn chỉnh

Để đảm bảo chip LED đặt đúng vị trí thiết kế của thấu kính chuẩn trực, chúng tôi tiến hành chế tạo một dụng cụ cố định ví trí chip LED đồng thời được liên kết với thấu kính chuẩn trực bằng một loại keo chịu nhiệt (Xem hình 2.23).

Hình 2.23: Thấu kính biên dạng tự do và thấu kính chuẩn trực

sau khi được ghép nối

Hình 2.24: Linh kiện của đèn LED được lắp ráp.

Sau khi đèn LED đã được thử nghiệm với các phép đo trên, chúng tôi tiến hành lắp ráp đèn với các linh kiện: vỏ tản nhiệt, nguồn đèn, hệ thấu kính và vỏ

bảo vệ đèn. Để đảm bảo Chip LED hoạt động tốt với thông số quang điện và thời gian sử dụng được lâu, chúng tôi cấp cho Chip LED một dòng điện có cường độ 500mA được cấp từ một bộ chuyển đổi dòng xoay chiều AC-220V sang dòng một chiều DC (Xem hình 2.24). Ngoài ra, để bảo vệ các linh kiện quang học và điện tử trước các tác động của thời tiết, bụi bẩn, va đập chúng tôi sử dụng vỏ đèn bằng nhựa chịu lực.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả đo thông số nguồn sáng điểm (chip LED) 3.1.1. Kết quả đo thông số quang điện của chip LED

Đèn LED khác biệt với LASER là không có dòng ngưỡng phát. Khi tăng cường độ dòng điện nuôi, cường độ quang lối ra cũng sẽ thay đổi theo. Sau đây là kết quả đo công suất (P) phụ thuộc vào dòng nuôi (I) của LED 635nm được sử dụng trong thí nghiệm.

Hình 3.1: Đồ thị sự đáp ứng công suất phụ thuộc vào dòng nuôi của

LED 635nm

Trên đồ thị Hình 3.1, LED 635nm công suất quang tại 1000mA là 600mW khi đó thế trên led đạt 2.32V. Hiệu suất quang là 30,6%. Công suất nhiệt khoảng 1700mW.

3.1.2. Kết quả đo phổ chip LED

Để đảm bảo chip LED sử dụng có thông số đúng với thiết kế, chúng tôi tiến hành khảo sát phổ ánh sáng của chip LED, kết quả thu được như trong hình 3.2. Với phổ ánh sáng có đỉnh phổ là 635 nm, độ bán rộng phổ là 20nm, bước sóng này phù hợp với bước sóng sử dụng trong thiết kế thấu kính.

Hình 3.2: Kết quả đo phổ ánh sáng của đèn LED sử dụng trong

thiết kế và phép đo.

3.2. Kết quả chế tạo và mô phỏng phân bố quang lối ra của hệ thấu kính biên dạng tự do biên dạng tự do

3.2.1. Kết quả mô phỏng, chế tạo thấu kính dạng kép

Hình 3.3:Thấu kính biên dạng tự do dạng kép a) Một mảng thấu kính

mắt thường, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến thẩm mĩ và chất lượng chiếu sáng (hiệu suất truyền qua). Sau khi được xử lý bề mặt, thấu kính có được độ trong nhất định, tăng hiệu suất truyền qua của thấu kính. Hình 3.4 đưa ra hình ảnh của một mảng thấu kính sau khi được xử lý bề mặt và hai mảng thấu kính biên dạng tự do sau khi được ghép vuông góc với nhau.

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng phân bố chiếu sáng của

thấu kính biên dạng tự do dạng kép.

Dựa trên cách thức tính suy hao và độ đồng đều đã được nêu ở phần trên, chúng tôi đưa ra đánh giá về thấu kính biên dạng tự do thông qua mô phỏng trên phần mềm Light Tools. Hiệu suất truyền qua của hệ thấu kính bao gồm thấu kính chuẩn trực và thấu kính biên dạng tự do sử dụng vật liệu PMMA đạt 93%. Mất mát quang học ngoài sự hấp thụ của vật liệu chế tạo thấu kính, còn do chùm tia đi ra từ thấu kính chuẩn trực không hoàn toàn song song. Theo kết quả mô phỏng trên hình 3.4, sự phân bố tạo thành hình vuông có kích thước 70x70cm ở độ cao 70cm, phù hợp với hình dạng thiết kế. Độ đồng đều độ rọi trên bề mặt đo đạt 80% với cường độ tối thiểu đạt 15 lux và cường độ tối đa đạt 42 lux.

3.2.2. Kết quả mô phỏng, chế tạo thấu kính dạng ma trận

Hình 3.5: Mô phỏng, thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận

a) Hình ảnh 3D mô phỏng hình dạng thấu kính

b) Hình ảnh 3D mô tả thấu kính ghép nối với thấu kính chuẩn trực

Hình 3.5 đưa ra bản thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận, bản thiết kế ở dạng 3D này cho phép kiểm tra sai khác so với thiết kế bạn đầu.Sau khi kiểm tra đối chiếu, bản thiết kế 3D không có sự khác biệt so với thiết kế của thấu kính. Sau khi đưa ra kết luận về sự sai khác giữa bản thiết kế và mô phỏng 3D của thấu kính, chúng tôi tiến hành chế tạo thấu kính bằng phương pháp gia công CNC.

Hình 3.6: Thấu kính biên dạng tự do a) trước và b) sau khi xử lý bề mặt

Nhìn vào hình 3.6 của thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận trước và

Sau khi được đánh bóng, thấu kính có được độ trong nhất định, tăng hiệu suất truyền qua của thấu kính.

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng phân bố chiếu sáng của thấu kính biên dạng tự

do dạng ma trận