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 quảđo phổ ánh sáng của đèn LED sử dụng trong thiết kếvà phép đo.
3.2. Kết quả chế tạo và mô phỏng phân bố quang lối ra của hệ thấu kính 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
b) Hai mảng thấu kính được ghép vuông góc với nhau
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 quacủa 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 đánh bóng, có thể dễ dàng thấy được sự khác biệt giữa hai trường hợp.
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
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 97%. Mất mát quang học ngoài sự hấp thụ của vật liệu chế tạo thấu kính, còn do thấu kính chuẩn trực có chùm tia thoát ra không hoàn toàn là chùm song song, một số tia không phải là song song không tuân theo thiết kế ban đầu. Theo kết quả mô phỏng trên hình 3.7, 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% vói cường độ tối thiểu đạt 25 lux và cường độ tối đa đạt 47 lux.
3.2.3. Kết quả mô phỏng khác
Ngoài hai kết quả mô phỏng phân bố ánh sáng của hai thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận và thấu kính biên dạng tự do dạng kép, chúng tôi tiến hành mô phỏng, đánh giá sự phân bố động đều của thấu kính phụ thuộc và góc lệch của thấu kínhbiên dạng tự do và thấu kính chuẩn trực.
Hình 3.8: Phân bố ánh sáng trên mặt thu có (a) d = 2 °; (b) d = 3 °; (c) d = 4 °; (d) Hiệu suất và độđồng đều phụ thuộc vào góc lệch chuẩn trực.
Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của góc giữa thấu kính collimator và hệ thấu kính biên dạng tự do được phân tích về độ đồng đều và hiệu suất. Hình 3.9(d) cho thấy kết quả mô phỏng hiệu suất và độ đồng đều như là một hàm của dung sai góc. Khi góc lệch dcủa các phần tử tăng từ 0° đến 4°, tính đồng nhất sẽ giảm theo. Do sự thay đổi góc giữa các thiết bị quang làm thay đổi góc tới của chùm sáng từ thấu kính chuẩn trực đến thấu kính biên dạng tự do, phân bố sẽ bị lệch sang góc tương ứng, làm giảm tính đồng nhất. Độ lệch cho phép của
d là 1,8 ° miễn là tính đồng nhất và hiệu suất giữ ở mức trên 80%. Hình 3.8(a), 3.8(b) và 3.8(c) là các hiệu ứng của các phân bố đường theo trục X và trục Y trên trung tâm của vùng được chiếu sáng của kết quả mô phỏng cho d là 2°, 3° và 4°.
3.3. Kết quả đo thông số thấu kính
3.3.1. Kết quảđo độ truyền qua của thấu kính
Hình 3.9:Đồ thịđo hiệu suất truyền qua của 2 dạng thấu kính trước khi được xử lý bề mặt
Sau khi thấu kính được chế tạo bởi máy CNC, bề mặt thấu kính có độ gồ ghề lớn, dẫn tới ảnh hưởng tới hiệu suất truyền qua của cả hai thấu kính biên dạng tự do. Với thấu kính biên dạng tự do dạn ma trận, hiệu suất truyền qua đạt khoảng 7% còn với thấu kính tự do dạng kép, giá trị này chỉ đạt 4% với tất cả các giá trị của dòng bơm laser (Xem hình 3.9). Trước khi được xử lý bề mặt, hiệu suất truyền qua của thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận cao hơn hiệu suất truyền qua của thấu kính biên dạng tự do dạng kép. Để có nhiều dữ kiện nhằm mục đích đánh giá hai loại thấu kính, chúng tôi tiến hành đo hiệu suất truyền qua của hai loại thấu kính sau khi đã đánh bóng, xử lý bề mặt.
Hình 3.10:Đồ thịđo hiệu suất truyền qua của 2 dạng thấu kính sau khi được xử lý bề mặt
Sau khi được xử lý bề mặt bằng các phương pháp mài, đánh bóng, cả hai loại thấu kính đã nhẵn bóng hơn, hiệu suất truyền qua cũng tốt hơn. Hiệu suất truyền qua của thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận đạt tới 96.5%, hiệu suất truyền qua của thấu kính tự do dạng kép đạt 93%, điều này phù hợp với các kết quả mô phỏng đã thực hiện (Xem hình 3.10). Sự khác nhau về hiệu suất truyền qua của hai dạng thấu kính do với thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận ánh sáng chỉ phải trải qua một lần vật liệu, lượng ánh sáng phản xạ ngược chỉ mất một lần. Đối với thấu kính biên dạng tự do dạng kép, ánh sáng phải qua hai lần phản xạ ngược do thấu kính tự do dạng kép được ghép từ hai mảng thấu kính, vật liệu chế tạo thấu kính biên dạng tự do dạng kép cũng nhiều hơn so với vật liệu chế tạo thấu kính dạng ma trận nên ánh sáng sẽ bị hấp thụ nhiều hơn với thấu kính dạng kép
3.3.2. Kết quảđo phân bố ánh sáng tạo bởi nguồn sáng và hệ thấu kính biên dạng tự do biên dạng tự do
Hình 3.11: Phân bố ánh sáng của thấu kính biên dạng tự do dạng kép a) Kết quảđo phân bố ánh sáng; b) Hình ảnh thực tế của phân bố; c) Mặt cắt
của phân bố ánh sáng
Phân bố ánh sáng với thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận chúng tôi thu được có dạng hình vuông kích thước 70x70cm phù hợp với thiết kế và kết quả mô phỏng thấu kính. Với khoảng cách từ đèn đến mặt phẳng thu là 70cm, độ đồng đều chiếu sáng đạt tới 78% (Xem hình 3.11).
Với thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận, chúng tôi tiến hành đo đạc phân bố chiếu sáng tại bề mặt đo và đưa ra kết quả như sau:
a) b)
Hình 3.12: Phân bốcường độ ánh sáng của thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận tại bề mặt cách nguồn sáng 70cm.
a) Kết quảđo phân bố ánh sáng; b) Hình ảnh thực tế của phân bố; c) Mặt cắt của phân bố ánh sáng
Phân bố ánh sáng với thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận chúng tôi thu được có dạng hình vuông kích thước 70x70cm phù hợp với thiết kế và kết quả mô phỏng thấu kính. Với khoảng cách từ đèn đến mặt phẳng thu là 70cm, độ đồng đều chiếu sáng đạt tới 79%.
Nhìn chung, với hai thiết kế thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận và thấu kính tự do dạng kép, độ đồng đều chiếu sáng là tương đương nhau (79% và 78%) tuy nhiên với thấu kính tự do dạng ma trận hiệu suất chiếu sáng sẽ cao hơn do hiệu suất truyền qua của thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận cao hơn hiệu suất truyền qua của thấu kính biên dạng tự do dạng kép (Xem hình 3.12).
a) b)
3.3.3. Phân bố ánh sáng phụ thuộc vào góc nghiêng giữa thấu kính biên dạng tự do và thấu kính chuẩn trực dạng tự do và thấu kính chuẩn trực
Trong quá trình lắp ráp các linh kiện quang học trong hệ đề xuất, không tránh khỏi một số sai lệch dẫn đến ảnh hưởng tới thiết kế quang ban đầu. Chúng tôi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của phân bố ánh sáng vào góc lệch giữa thấu kính chuẩn trực và thấu kính biên dạng tự do, các kết quả đạt được như sau:
Khi thay đổi góc lệch d giữa thấu kính chuẩn trực và thấu kính biên dạng tự do, hình dạng của phân bố ánh sáng phù hợp với kết quả đã được mô phỏng. Góc lệch d càng lớn, hình dạng của phân bố càng có xu hướng lệnh về một bên (cường độ ánh sáng tập trung về một phía), khi đó sự chênh lệch giữa điểm có cường độ sáng lớn nhất và cường độ sáng nhỏ nhất càng lớn. Dẫn đến độ đồng đều chiếu sáng tại mặt thu càng giảm. Độđồng đều chiếu sáng tại các góc lệch 2O, 3O, 4O lần lượt là 75%, 65%, 50% (Xem hình 3.13).
Hình 3.13: Phân bố ánh sáng tại các góc lệch khác nhau giữa thấu kính chuẩn trực và thấu kính biên dạng tự do.
a) d=2O; b) d=3O; c) d=4O;
Do vậy với thiết kế thấu kính biên dạng tự do trong luận văn này, khi tiến
d = 2 ° H= 75% d = 3 ° H= 65% d= 4 ° H= 50% a) b) c)
kính biên dạng tự do và mặt phẳng của thấu kính chuẩn trực là hai mặt phẳng song song với nhau.
3.3.4. Phân bố ánh sáng phụ thuộc vào vị trí đặt chip LED
Để kiểm tra sự thay đổi của phân bố ánh sáng khi thay đổi vị trí đặt chip LED, chúng tôi tiến hành thay đổi vị trí đặt chip LED này, điều này dẫn tới sự thay đổi góc mở của của thấu kính chuẩn trực, vì vậy với góc mở của thấu kính chuẩn trực là 14O, 30O, 43O, 54O vị trí tương ứng của chip LED cách vị trí thiết kế lần lượt là 1mm, 3mm, 4mm, 5mm.
Hình 3.14: Phân bố ánh sáng tại các giá trị góc mở của thấu kính chuẩn trực.a) 14O; b) 30O; c) 43O; d) 54O.
Khi góc mở của thấu kính chuẩn trực bị thay đổi, hình dạng của phân bố ánh sáng tại mặt thu không còn giống với thiết kế ban đầu của thấu kính biên
a) b)
dạng tự do. Phân bố theo hình vuông ban đầu bị méo dần khi góc mở tăng lên. Khi góc mở là 14 độ, 2 trên 4 cạnh của phân bố đã bị thay đổi chiều dài, đến khi góc mở là 54 độ, Phân bố ánh sáng tại mặt thu đã gần như trở thành một hình elip (Xem hình 3.14). Ngoài ra độ đồng đều chiếu sáng trên cùng đơn vị diện tích bị giảm rõ rệt khi so sánh với thiết kế. Độ đồng đều chiếu sáng giảm mạnh khi thau đổi góc mở 14O; 30O; 43O; 54Otương ứng với độ đồng đều chiếu sáng trên diện tích 70x70cm là 73%; 62%, 56%; 45%.
Với thiết kế thấu kính biên dạng tự do trong luận văn này, khi tiến hành lắp ráp thực nghiệm, cần lắp ráp sao cho vị trí chip LED vào đúng vị trí đặt chip LED được thiết kế của thấu kính chuẩn trực. Điều này cho kết quả đúng với thiết kế và đạt hiệu quả chiếu sáng cao hơn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong luận văn này, chúng tôi đã thực hiện được một số kết quả cụ thể như sau:
1. Hoàn thiện nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hai dạng linh kiện quang học thứ cấp cho đèn LED mục đích đạt độ đồng đều chiếu sáng cao bao gồm thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận và thấu kính biên dạng tự do dạng kép. − Tính toán, mô phỏng chùm tia phát xạ từ đèn LED 635nm khi đi qua hệ thấu kính phân bố ánh sáng đồng đều.
− Thấu kính chế tạo cho tỷ lệ ánh sáng truyền qua cao >90%.
− Thấu kính chế tạo có cấu trúc bề mặt không bị nứt vỡ, được đánh bóng và xử lý bề mặt đạt yêu cầu sử dụng làm linh kiện quang học.
2. Chế tạo hoàn thiện chip LED ghép với hệ thống quang học thứ cấp phân bố lại ánh sáng tạo độđồng đều trên diện tích chiếu sáng.
− Đo phân bố ánh sáng của LED trong cả hai cấu hình: thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận và thấu kính biên dạng tự do dạng kép.
− So sánh với kết quả mô phỏng, hình ảnh phân bố chiếu sáng và độ đồng đều phân bốđạt kết quảtương đồng với nội dung tính toán mô phỏng. 3. Khảo sát một số yếu tố gây ảnh hưởng tới độ đồng đều chiếu sáng và hình dạng của vùng chiếu sáng:
− Độđồng đều chiếu sáng giảm khi xuất hiện góc lệch giữa thấu kính chuẩn trực và thấu kính biên dạng tự do.
− Độ đồng đều chiếu sáng và hình dạng của vùng chiếu sáng bị thay đổi khi chip LED không được đặt đúng vị trí thiết kế.
− Thông số của đèn Led ảnh hưởng tới thiết kế quang học của thấu kính. 4. Sau khi khảo sát hai mẫu thấu kính chúng tôi đưa ra một số so sánh về
ưu nhược điểm của hai mẫu thấu kính biên dạng tự do.
− Thấu kính biên dạng tự do dạng ma trận: cách chế tạo phức tạp, dễ sai hỏng nhưng bù lại hiệu suất truyền qua tốt hơn, nguyên vật liệu sử dụng dung chế tạo thấu kính ít hơn.
− Thấu kính biên dạng tự do dạng kép: đơn giản trong việc gia công, chế tác nhưng hiệu suất truyền qua thấp hơn và tiêu tốn nhiều nguyên vật liệu hơn so với thấu kính dạng ma trận.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Giang, D.T.; La, T.L.; Tien, T.Q.; Duong, P.H.; Tong, Q.C. “A simple designed lens for human centric lighting using LEDs”. Appl. Sci. 2020, 10, 343.
[2]. Giang, D.T.; Pham, T.S.; Ngo, Q.M.; Nguyen, V.T.; Tien, T.Q.; Duong,
P.H. “An Alternative Approach for High Uniformity Distribution of Indoor Lighting LED”. IEEE Photonics J. 2020, 12.
[3]. Vu, N.H.; Pham, T.T.; Shin, S. “LED uniform illumination using double linear freeform lenses for energy saving”. Energies 2017, 10, 2091.
[4]. Wang, K.; Chen, F.; Liu, Z.; Luo, X.; Liu, S. “Design of compact freeform lens for application specific light-emitting diode packaging”. Opt.