CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH
3.1. Thiết kế mụ phỏng thấu kớnh
Trong phần 3.1, chỳng tụi sử dụng phương phỏp thiết kế quang học để thiết kế hệ phõn bố quang thứ cấp cho một LED đơn. Trong đú hai thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh được sử dụng để phõn bố lại chựm sỏng chuẩn trực, dọc theo hai chiều trong vựng chiếu sỏng để cú được phõn bố đồng đều.
Trong những năm gần đõy, việc sử dụng điốt phỏt sỏng (LED) để chiếu sỏng đó trở nờn rất phổ biến vỡ những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, khối lượng nhỏ và độ hoàn màu cao. Mặc dự những lợi ớch của đốn LED đó được cụng nhận tuy nhiờn mụ hỡnh bức xạ bỏn cầu của đốn LED là một nhược điểm khiến chỳng hầu như khụng được sử dụng trực tiếp cho mục đớch chiếu sỏng với đũi hỏi tớnh đồng nhất cao. Để giải quyết vấn đề này, một số cỏc phần tử quang thứ cấp được sử dụng để phõn phối lại ỏnh sỏng từ nguồn LED đến mục tiờu để tạo sự hiệu quả và thống nhất. Trong hầu hết cỏc trường hợp, thành phần quang thứ cấp được thiết kế cho một đốn LED đơn. Thiết kế phần tử này cú một số phương phỏp cơ bản. Như hội tụ ỏnh sỏng, định luật snell… Kết quả là cải thiện độ đồng đều của độ rọi, độ đồng đều màu và thụng lượng của đốn LED
Tuy nhiờn, hầu hết cỏc phương phỏp sử dụng thiết kế quang học thứ cấp đều cần cỏc tớnh toỏn phức tạp, dẫn đến thiết kế thấu kớnh LED phức tạp và tốn kộm. Ngoài ra, vỡ hạn chế đầu ra cụng suất quang từ một đốn LED, khi chiếu sỏng một khu vực rộng lớn ta cần nhiều module LED để đảm bảo đạt được độ sỏng cần thiết, điều này làm tăng chi phớ cho hệ thống và lắp đặt.
Chớnh vỡ thế chỳng tụi đề xuất một cỏch tiếp cận khỏc cho phõn bố lại ỏnh sỏng đốn LED bằng cỏch thiết kế cỏc thành phần quang học thứ cấp đơn giản. Đốn LED tạo chựm song song bằng một thấu kớnh collimator. sau đú chựm tia song song được phõn bố lại đồng đều trờn diện tớch chiếu bằng hệ quang học bao gồm hai thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh đặt vuụng gúc với nhau.
3.1.1. Thiết kế tổng thể hệ thống phõn bố đồng đều cho đốn LED
Mục tiờu của chỳng tụi là thiết kế một hệ thống chiếu sỏng với hỡnh dạng đơn giản và chi phớ chế tạo thấp bằng cỏch sử dụng một đốn LED. Và quy trỡnh chế tạo thử nghiệm bằng phương phỏp CNC Micro-Nano, bằng cỏch sử dụng một thấu kớnh phẳng lồi dạng tự do làm ống chuẩn trực ỏnh sỏng và một hệ thấu kớnh đụi Fresnel tuyến tớnh để phõn bố ỏnh sỏng thống nhất. Thiết kế tổng thể được trỡnh bày trong hỡnh 3.1. Phần đầu là đốn LED cụng suất cao 3w. Ánh sỏng phỏt ra từ đốn LED được tạo chựm song song bởi thấu kớnh chuẩn trực là một thấu kớnh phẳng lồi. Do phần lớn bộ tạo chựm song song cho LED là gương phản xạ hoặc thấu kớnh, khụng mang lại hiệu quả phõn bố lại chựm tia chuẩn trực tại mục tiờu chiếu sỏng. Sau khi ỏnh sỏng được tạo chựm song song sẽ được phõn bố lại bằng hệ thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh tạo ra chựm tia cú tớnh đồng đều cao trờn diện tớch chiếu.
Hỡnh 3.1 Thiết kế tổng thể của hệ đốn LED chiếu sỏng đồng đều
Cỏc chi tiết của hệ thống như cỏc thành phần quang học và cỏc thụng số được trỡnh bày dưới đõy.
3.1.2. LED luxeon 3W
LED sử dụng làm trong thiết kế là LED cụng suất cao cú đế để tản nhiệt. Bước súng 630nm. Dũng nuụi danh định 1A. Được chế tạo bởi hóng Nichia (Nhật Bản).
Hỡnh 3.2 : LED sử dụng trong chế tạo hệ thống phõn bố đồng đều
a, Hỡnh ảnh thực tế LED 630nm 3W b, Phõn bố quang theo gúc của LED 3.1.3. Thấu kớnh chuẩn trực
Thấu kớnh chuẩn trực là một thành phần quang học thu thập cỏc tia từ nguồn LED và làm chệch hướng chỳng để trở thành cỏc tia song song. Một thấu kớnh chuẩn trực điển hỡnh cú thể được xõy dựng đơn giản bởi một gương parabol hoặc thấu kớnh, và nguồn sỏng được đặt tại tiờu điểm của nú. Những loại thấu kớnh chuẩn trực thụng thường chỉ hoạt động với một nguồn sỏng cú gúc mở nhỏ. Một đốn LED điển hỡnh với một gúc mở 1200 khụng thể được chuẩn trực hiệu quả bởi cỏc thấu kớnh chuẩn trực thụng thường này. Do đú, chỳng tụi thiết kế một thấu kớnh phẳng lồi bằng phương phỏp quang hỡnh tự do. Phương phỏp thiết kế của thấu kớnh dạng quang hỡnh tự do được mụ tả trong Hỡnh 3.3
Thấu kớnh phẳng lồi bao gồm hai bề mặt: một mặt phẳng và bề mặt dạng tự do. Thấu kớnh phẳng lồi trong nghiờn cứu của chỳng tụi là đối xứng xoay.
Trong một hệ thống đối xứng xoay. Giả sử rằng một đốn LED chip là một nguồn điểm. Đốn LED ở trong khụng khớ với chỉ số khỳc xạ n0 và thấu kớnh chuẩn trực làm bằng nhựa cú chiết suất n1. Nguồn LED được đặt trong điểm O. OAn là một tia tới, tới bề mặt phẳng với gúc tới là αn. OAn bị khỳc xạ thành tia AnBn tại điểm An trờn bề mặt phẳng của thấu kớnh. Theo định luật Snell ta cú phương trỡnh sau:
n0(sin αn) = n1 (sin βn ) (9)
Tất cả cỏc tia sỏng phỏt ra từ LED cú đường dẫn quang từ nguồn tới mặt súng. Theo bảo tồn đường quang thu được theo phương trỡnh sau:
(10)
Trong đú OA0 là tia tới ban đầu dọc theo trục x và A0B0 là tia khỳc xạ của bề mặt phẳng. Khi gúc tới là 0 độ, nú đi thẳng. OA0 = d0 là khoảng cỏch từ đốn LED đến bề mặt phẳng và A0 B0 = d1 là chiều dài của thấu kớnh phẳng. Tất cả cỏc điểm trờn đường cong tự do cú thể được tớnh bằng cỏch giải phương trỡnh (9) và (10).
Do đú, toàn bộ đường cong dạng tự do cú thể thu được bằng cỏch thu thập tọa độ của cỏc điểm. Toàn bộ bề mặt thấu kớnh được xõy dựng bằng cỏch xoay cấu hỡnh cong 2D trong 3D bằng phần mềm mụ phỏng quang (LightTools). Hỡnh 3.4 cho thấy một mụ hỡnh của thấu kớnh chuẩn trực dạng tự do này với phương phỏp dũ tia. Nếu nguồn sỏng là một nguồn điểm, thấu kớnh chuẩn trực được cú thể cho ra chựm tia song song một cỏch hoàn hảo. Tuy nhiờn, trong nghiờn cứu này, chip LED (1 ì 1 mm) khụng thể được coi là nguồn điểm hoàn hảo. Do đú, chựm đầu ra từ thấu kớnh chuẩn trực khụng phải là chựm song song; nú cú một gúc phõn kỳ nhỏ. Sự di chuyển của chựm tia được phỏt ra từ một nguồn nhỏ, đi qua thấu kớnh thấu kớnh chuẩn trực rất phức tạp và khụng thể tớnh được bằng lý thuyết. Chớnh vỡ thế, chỳng tụi mụ phỏng sử dụng phần mềm LightTools được tiến hành để tớnh toỏn độ phõn kỳ của chựm đầu ra. Chỳng tụi thu được phõn kỳ chựm đầu ra là 7,50. Ảnh hưởng của chựm tia chuẩn trực khụng lý tưởngvề hiệu quả và tớnh đồng nhất của hệ thống chiếu sỏng được thảo luận trong Phần 4.
Hỡnh3.4 Chựm ỏnh sỏng sau khi đi qua thấu kớnh chuẩn trực Thụng số của thấu kớnh phẳng lồi sau khi tớnh toỏn, mụ phỏng
Thụng số kỹ thuật Giỏ trị
Gúc mở của LED (gúc thu của thấu kớnh) 1200
Chỉ số khỳc xạ của thấu kớnh (PPMA) 1,49
Khoảng cỏch từ nguồn sỏng đến thấu kớnh (d0) 5mm
Độ dày của thấu kớnh phẳng lồi (d1) 100mm
Đường kớnh của thấu kớnh (d) 100mm
3.1.4. Thiết kế hệ thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh
Chựm đốn LED sau khi đi qua thấu kớnh tạo song song cần phõn bố lại đồng đều trờn diện tớch chiếu sỏng. Sự phõn bố đồng đều của ỏnh sỏng là một vấn đề quan trọng trong chiếu sỏng rắn. Trong trường hợp của chỳng tụi, nguồn sỏng cú kớch thước nhỏ (1 ì 1mm) với cường độ cao, sau đú được phõn bố lại thành một chựm ỏnh sỏng LED chuẩn trực. Hầu hết cỏc thiết kế phõn bố ỏnh sỏng điển hỡnh được sử dụng trong kỹ thuật chiếu sỏng LED khụng hỗ trợ phõn bố lại chựm sỏng chuẩn trực cho diện tớch chiếu sỏng
đồng đều. Trong nghiờn cứu này, chỳng tụi thiết kế một hệ thống quang học phõn bố lại ỏnh sỏng chuẩn trực tạo sự đồng đều trờn diện tớch chiếu sỏng. Thiết kế này dựa trờn sự đặc biệt của thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh cú thể làm rộng chựm tia chuẩn trực. Cỏc thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh cú thể chuyển hướng cỏc tia tới chuẩn trực dọc theo một chiều. Cỏc thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh được đề xuất bao gồm nhiều phõn đoạn và mỗi phõn đoạn là một thấu kớnh lồi nhỏ. Cỏc chựm tia song song đi qua thụng qua mỗi phõn đoạn được hội tụ ở tiờu cự cú độ dài rất ngắn và làm tăng kớch thước chựm tia. Hai thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh được đặt vuụng gúc cú thể chuyển hướng ỏnh sỏng chuẩn trực đồng đều trờn vựng chiếu sỏng hai chiều. chỳng tụi đó ỏp dụng phương phỏp SMS để tớnh toỏn đường cong của bề mặt thấu kớnh Fresnel. Phương phỏp thiết kế SMS để tớnh toỏn cỏc thành phần quang học khụng tạo ảnh đó được phỏt triển vài năm trước và được sử dụng rộng rói trong cỏc ứng dụng năng lượng mặt trời và ỏnh sỏng Quỏ trỡnh thiết kế cho một phõn đoạn được mụ tả trong Hỡnh 3.5 (a). một số định nghĩa được mụ tả bao gồm AL BL là tia đến phớa cạnh trỏi, ARBR là tia đến phớa cạnh phải của một phõn khỳc, RR’ kớch thước chiếu sỏng. Tia AL BL bờn trỏi bị làm lệch sang phớa bờn phải của đường RR’. Tương tự, ARBR tia phải bị lệch về phớa ngoài cựng bờn trỏi của đường RR’. Hai tia ALR’ và ARR cắt nhau tại điểm F, là tiờu điểm của một phõn khỳc thấu. Mọi tia giữa ALBL và ARBR phải được tập trung tại F sau khi chỳng bị khỳc xạ trờn bề mặt của phõn khỳc. Những tia này đến được mặt phẳng chiếu sỏng sau khi đi qua F. Do đú, tất cả cỏc tia được phõn bố lại sau khi đi qua phõn đoạn.
Vỡ tất cả cỏc tia đều tập trung vào F, chỳng phải thỏa món định luật về độ dài đường quang (OPL) bảo tồn; xem phương trỡnh (11)
(11) trong đú n0, n1 lần lượt là cỏc chỉ số khỳc xạ của khụng khớ và vật liệu thấu kớnh Fresnel. Dựa trờn trờn cỏc phương trỡnh này, tất cả cỏc tọa độ của đường cong bề mặt thấu kớnh được tớnh toỏn. Tọa độ của tất cả đường cong cỏc phõn đoạn khỏc của thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh được tớnh bằng quy trỡnh tương tự. hỡnh 3.5 (b) trỡnh bày một thấu kớnh Fresnel và phõn bố ỏnh sỏng của chựm tia sau khi đi qua.
(a) (b)
(c)
Hỡnh 3.5 Mụ phỏng chựm tia sỏng sau khi đi qua hệ thấu kớnh Fresnel
Chỳng tụi đặt hai thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh vuụng gúc để truyền ỏnh sỏng vào cỏc vựng chiếu sỏng hai chiều, như trong Hỡnh 3.5(c). Và bờn cạnh là hỡnh phúng đại
xõy dựng Phần mềm thiết kế Fresnel cú thể chỉ định cỏc đặc điểm của thấu kớnh Fresnel kộp bằng cỏch kiểm soỏt một số điều kiện đầu vào, chẳng hạn như vị trớ của thấu kớnh Fresnel, kớch thước của thấu kớnh Fresnel, số lượng phõn đoạn trong thấu kớnh và kớch thước của mặt phẳng chiếu sỏng. Phương phỏp này linh hoạt vỡ hai thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh là được sử dụng để phõn phối lại ỏnh sỏng dọc theo hướng ngang và dọc. Kớch thước (chiều rộng và chiều dài) của mặt phẳng chiếu sỏng cú thể được thay đổi tự do bằng cỏch thay đổi cỏc điều kiện ban đầu. Một khớa cạnh khỏc trong thiết kế của chỳng tụi là nú cú thể chiếu sỏng mục tiờu khụng chỉ khi nguồn sỏng nằm trờn trục đối xứng, nhưng cũng cú khi nú nằm ngoài trục đối xứng của mặt phẳng chiếu sỏng, như trong Hỡnh 3.6.
(a) (b) Hỡnh 3.6 Cấu hỡnh chiếu sỏng của đốn LED với hệ thấu kớnh Fresnel
(a)Nguồn sỏng nằm trong trục đối xứng (b) nguồn sỏng nằm ngoài trục đối xứng 3.2. Chế tạo hệ thấu kớnh fresnel bằng phương phỏp CNC
Sau khi mụ phỏng bằng phần mềm LighTools. Kết quả của thấu kớnh sẽ là file chứa tọa độ của mặt cắt thấu kớnh. Qua những số liệu đú. Chỳng tụi chuyển file số liệu thành hỡnh ảnh 3D bằng phần mềm Auto Cad. Sau đú trớch xuất số liệu bản vẽ để xử lý trờn phần mềm mụ phỏng CNC. Phần Mềm autocad cho phộp chỳng tụi thu thập cỏc giỏ trị của bản vẽ như độ cong, kớch thước tổng thể, kớch thước từng phần, cỏc điểm sai lệch trờn mụ phỏng cũng được xử lý trờn autocad.
Hỡnh 3.7 Thấu Kớnh Fresnel sau khi xử lý bằng phần mềm Auto Cad Sử dụng phần mềm autocad chỳng tụi chuyển bản vẽ từ phần mềm lighttool ở dạng 2D sang dạng 3D. Cấu trỳc gồm cỏc rónh Fresnel tuyến tớnh cú kớch thước mỗi rónh 10mm. mỗi thấu kớnh Fresnel dạng hỡnh vuụng cú 10 rónh dài 100mm. Kớch thước một thấu kớnh sẽ là 100mm x100mm. Sau đú bản vẽ được chuyển sang định dạng bitmaps để cú thể xử lý số liệu sang code mỏy CNC micro-nano.
Để xử lý số liệu bản vẽ chỳng tụi sử dụng phần mềm aspire chuyển số liệu sang code để dựng trờn mỏy CNC. Code dựng cho mỏy CNC gồm cú 3 phần tương ứng với 3 giai đoạn chế tạo khỏc nhau.
- Phần đầu tiờn là giai đoạn chạy thụ với step 1mm nhằm khắc hỡnh dạng tổng quỏt của thấu kớnh.
- Phần thứ 2 chỳng tụi tiến hành chạy tinh với step 100àm để tạo nờn cấu trỳc vũng cung của thấu kớnh
- Phần thứ 3 chỳng tụi tiến hành chạy tinh với step 5 àm đề đỏnh búng cấu trỳc thấu kớnh.
Hỡnh 3.8 Thấu Kớnh trong phần mềm aspire để tạo code chạy mỏy CNC Sau khi cú code để chạy mỏy CNC. Chỳng tụi tiến hành chế tạo thử nghiệm thấu kớnh đó mụ phỏng. Thấu kớnh sẽ được chế tạo trờn vật liệu khối là acrylic. Kớch thước tổng thể 10 x 10 x 0,5 cm. Được khắc cỏc rónh Fresnel tuyến tớnh. Thiết bị CNC được sử dụng để chế tạo là mỏy CNC PROXXON của Đức, cú kớch thước làm việc là 200 x 100 x50 mm. Mỏy được vận hành bằng step motor cú bước chia rất nhỏ 5àm/step. Cấu trỳc thấu kớnh sau khi chế tạo bằng mỏy cnc sẽ cú độ gồ ghề xấp xỉ bằng bước chia của mỏy cnc là 5àm.
Hỡnh 3.9 Tấm acrylic được sử dụng để chế tạo thấu kớnh Fresnel
Lựa chọn acrylic để chế tạo thấu kớnh cú những đặc điểm rất vượt trội so với cỏc vật liệu khỏc như thủy tinh hay thạch anh ở điểm acrylic cú giỏ thành rất rẻ, dễ dàng mua được ở mọi nơi. Tớnh chất quang học tốt, gia cụng đơn giản. Đối với thủy tinh hay
thạch anh mặc dự độ bền tốt hơn, tớnh chất quang học tốt hơn nhưng gia cụng cần cụng nghệ đỳc hay tạo hỡnh rất khú khăn. Khối lượng của thấu kớnh bằng thủy tinh cũng cao hơn và giỏ thành để chế tạo mẫu cao. Khụng phự hợp với nghiờn cứu của chỳng tụi.
Bờn cạnh đú, acrylic cú thể gia cụng bằng phương phỏp khắc, thời gian chế tạo mẫu nhanh, chế tạo cỏc mẫu cú cấu trỳc khỏc nhau chỉ cần thay đổi code chạy mỏy, khụng cần chế tạo khuụn đỳc. Điều này là rất quan trọng trong việc chế tạo mẫu thử cần thay đổi thiết kế nhiều lần.
Hỡnh 3.10 Thiết bị CNC micro-nano chế tạo thấu kớnh
Thiết bị CNC micro-nao Proxxon MF70 là thiết bị CNC ba trục làm việc với phần mềm Mach3. Cho phộp chế tạo những cấu trỳc nhỏ với độ chớnh xỏc cao. Động cơ trục chớnh cụng suất 100W đễ dàng sử dụng với cỏc loại vật liệu mềm nhứ gỗ, acrylic, hợp kim nhụm và một số vật liệu khỏc. Kớch thước làm việc của thiết bị là 15x20x7cm. Hoàn toàn phự hợp cho chế tạo thử nghiệm thấu kớnh Fresnel vật liệu acrylic.
Do độ gồ ghề của thấu kớnh sau khi khắc bằng mỏy CNC là khỏ lớn, vỡ thế để thấu kớnh cú thể sử dụng được chỳng tụi cần phải làm mịn bề mặt và đỏnh búng bề mặt đó được khắc của thấu kớnh.
Để làm mịn và đỏnh búng bề mặt thấu kớnh chỳng tụi thử nghiệm nhiều phương phỏp khỏc nhau, từ xử lý nhiệt, mài. Dựng húa chất ăn mũn cho đến phủ búng. Kết quả