Nghiên cứu chế tạo hệ thấu kính fresnel có cấu trúc micro nano cho phát triển nguồn sáng LED độ đồng đều chiếu sáng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ HOÀNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CÓ CẤU TRÚC
MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ ĐỒNG
ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ HOÀNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CÓ CẤU TRÚC
MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ ĐỒNG
ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUỐC TIẾN

HÀ NỘI - 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn của TS. Trần Quốc Tiến và sự hỗ trợ của nhóm nghiên cứu. Các kết quả đưa ra trong
luận văn này là do tôi thực hiện. Các thông tin, tài liệu tham khảo từ các nguồn sách, tạp
chí, bài báo sử dụng trong luận văn đều được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham
khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường về lời cam đoan này.

Học viên thực hiện

Vũ Hoàng


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận này, tôi đã nhận được sự quan tâm, hỗ trợ và giúp đỡ từ
nhiều cá nhân và đơn vị.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Quốc Tiến, người đã trực
tiếp hướng dẫn, đóng góp ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa
luận này.
Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến TS. Tống Quang Công, KTV. Phạm Văn
Trường cùng các anh chị tại phòng Laser bán dẫn- Viện Khoa học Vật liệu đã luôn động
viên giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện khóa luận này
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong
hơn một năm qua, những người đã truyền đạt kiến thức cần thiết cho tôi trong thời gian
tôi học tập tại trường Đại Học Công Nghệ- ĐH Quốc Gia Hà Nội.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân đã hỗ
trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện khóa luận
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 4 năm 2019
Học viên

Vũ Hoàng


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CÓ CẤU
TRÚC MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ
ĐỒNG ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO
Vũ Hoàng
Khóa 24, ngành Vật liệu công nghệ nano

Tóm tắt luận văn tốt nghiệp
LED trong những năm gần đây đã được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
khác nhau. Với những lợi ích vượt trội về tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, an toàn với
người sử dụng, LED dần thay thế các loại đèn truyền thống khác. Tuy nhiên, LED có
nhược điểm là có phân bố lambertian không đồng đều nên muốn sử dụng LED trong các
yêu cầu khác nhau đòi hỏi cần phải phân bố lại chùm tia phát xạ. Linh kiện quang hình
tự do (freeform optics device) và phương pháp quang học không tạo ảnh (non imaging
optics) là phương pháp được sử dụng chủ yếu để thiết kế thành phần quang học thứ cấp
cho đèn LED do các đặc trưng phân bố của loại đèn này. Luận án này giải quyết một
khía cạnh cụ thể là thiết kế chế tạo hệ thống quang học nhằm tái phân bố lại bức xạ của
LED. Tạo mật độ chiếu sáng đồng đều trên bề mặt chiếu sáng.
Từ khóa: phân bố chiếu sáng LED, quang học không tạo ảnh, thấu kính LED


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ...................................................................................... 3

1.1.

Nguyên lý hoạt động của LED ........................................................................ 3
1.1.1. Các vùng năng lượng ................................................................................ 3
1.1.2. Chuyển tiếp p-n ........................................................................................ 4
1.1.3. Cấu trúc của LED ..................................................................................... 5

1.2.

Các đặc trưng cơ bản của LED ........................................................................ 7
1.2.1. Đặc trưng quang điện ................................................................................ 7
1.2.2. Đặc trưng phổ của LED ............................................................................ 8
1.2.3. Phân bố quang theo góc của LED ............................................................. 9
1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính của LED .................................. 10

1.3.

Các linh kiện quang học ................................................................................ 12
1.3.1. Thấu kính quang học .............................................................................. 12
1.3.2. Quang học không tạo ảnh và linh kiện quang hình tự do ......................... 14
1.3.3. Thấu kính Fresnel ................................................................................... 15

1.4.

LED chiếu sáng nông nghiệp ........................................................................ 17

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM.................................................................. 20
2.1.

Các hệ đo đặc trưng của LED ........................................................................ 20

2.1.1. Hệ đo đặc trưng quang điện của LED công suất cao. .............................. 20
2.1.2. Hệ đo phổ của LED công suất cao .......................................................... 22

2.2.

Xây dựng hệ đo phân bố quang ..................................................................... 23

2.3.

Chế tạo linh kiện nguyên mẫu bằng thiết bị CNC .......................................... 24
2.3.1. Nguyên lý hoạt động của máy CNC ........................................................ 25
2.3.2. Các thông số cơ bản của máy CNC micro-nano ...................................... 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH.............................................. 28
3.1.

Thiết kế mô phỏng thấu kính ......................................................................... 28
3.1.1. Thiết kế tổng thể hệ thống phân bố đồng đều cho đèn LED .................... 29
3.1.2. LED luxeon 3W ...................................................................................... 29


3.1.3. Thấu kính chuẩn trực .............................................................................. 30
3.1.4. Thiết kế hệ thấu kính Fresnel tuyến tính ................................................. 32
3.2.

Chế tạo hệ thấu kính fresnel bằng phương pháp CNC ................................... 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 39
4.1.

Các đặc trưng của LED công suất cao ........................................................... 39
4.1.1. Đặc trưng công suất phụ thuộc vào dòng bơm P-I của LED 630nm ........ 39
4.1.2. Đặc trưng dòng thế I-V của LED 630nm ................................................ 39
4.1.3. Đặc trưng phổ LED 630nm ..................................................................... 40

4.2.

Kết quả đo phân bố quang của hệ thấu kính Fresnel ...................................... 41
4.2.1. Hình thái thấu kính ................................................................................. 42
4.2.2. Kết quả đo phân bố quang của LED khi chưa có thấu kính ..................... 43
4.2.3. Kết quả đo phân bố quang của đèn LED khi đi qua thấu kính hội tụ ....... 44
4.2.4. Kết quả đo phân bố quang của đèn LED khi đi qua hệ thấu kính Fresnel 44

4.3.

So sánh kết quả độ đồng đều với thấu kính thương mại ................................. 46

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 49


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng đã
trở nên phổ biến hơn vì tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, kích thước và khối lượng
nhỏ, chỉ số hoàn màu cao và thân thiện với môi trường. Mặc dù các nhà sản xuất và
nghiên cứu LED đã chỉ ra những ưu điểm của LED trong những nghiên cứu cũng như
trong catalog của họ tuy nhiên LED vẫn tồn tại những nhược điểm. Do tính chất bức xạ
bán cầu nên chúng ít được sử dụng trực tiếp trong các mục đích chiếu sáng đòi hỏi sự
thống nhất cao. Để giải quyết vấn đề này, một số thành phần quang học thứ cấp đã được
bổ sung vào mô hình chiếu sáng để phân bố lại ánh sáng từ nguồn LED đến vị trí mục

tiêu một cách hiệu quả và thống nhất
Đèn LED cũng bắt đầu được sử dụng trong nông nghệp như chiếu sáng phá đêm,
kích thích tăng trưởng, nuôi cấy mô và rất nhiều ứng dụng khác. Nhóm nghiên cứu của
chúng tôi cũng đã có nghiên cứu trong việc sử dụng LED vào chiếu sáng phá đêm điều
khiển sự ra hoa của cây hoa cúc, bước đầu đã đạt được một số kết quả rất khả quan. Tuy
nhiên khi chiếu sáng cho cây hoa cúc, chúng tôi đã gặp một vấn đề liên quan tới phân
bố quang của đèn LED. Do phân bố quang của đèn LED là không đều, năng lượng quang
tập trung chủ yếu ở giữa diện tích chiếu và giảm dần khi ra xa. Chính vì thế, sự điều
khiển ra hoa là không đồng đều. Phần diện tích được chiếu sáng mạnh hơn sẽ gây ức
chế ra hoa tốt hơn, phần rìa của luống hoa nhận được ít ánh sáng hơn nên bị ra hoa sớm,
không tốt cho việc tăng sản lượng cũng như chất lượng hoa. Dựa trên những vấn đề còn
tồn tại đã thúc đẩy nhóm nghiên cứu của chúng tôi phải tìm ra giải pháp để nâng cao
tính đồng đều chiếu sáng của đèn LED giúp nâng cao hiệu quả việc ứng dụng của đèn
LED trong nông nghiệp.
Phương án đầu tiên chúng tôi nghĩ đến là sử dụng các thấu kính có sẵn trên thị
trường để phân bố lại ánh sáng. Giúp việc chiếu sáng trên luống cây đồng đều hơn.
Chúng tôi đã thử nghiệm một số thấu kính như thấu kính cầu, thấu kính củ lạc hay chụp
tán xạ. Mặc dù kết quả có khả quan hơn nhưng việc lắp ráp các loại thấu kính này với
cấu hình đèn của chúng tôi là rất khó, cách sắp xếp đèn để tạo phân bố đều khá phức
tạp, không phù hợp để ứng dụng hàng loạt. Chính vì thế chúng tôi tiến hành nghiên cứu

1


một loại thấu kính mới cho phép phân bố lại ánh sáng phát ra từ đèn LED cho ra phân
bố đồng đều trên diện tích chiếu, dễ dàng lắp đặt và chi phí thấp.
Nắm bắt những tiến bộ về cơ khí chế tạo, các công cụ về mô phỏng ánh sáng
cũng như thông tin trên internet. Chúng tôi quyết định nghiên cứu chế tạo thấu kính cho
LED công suất cao bằng phương pháp CNC micro-nano. Với cấu trúc dựa trên quang
học không tạo ảnh để tạo ra sản phẩm gọn nhẹ, thời gian tạo mẫu nhanh, chi phí thấp và

dễ dàng để ứng dụng trên quy mô rộng.

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1.

Nguyên lý hoạt động của LED

1.1.1. Các vùng năng lượng
Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn
điện và chất cách điện, có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một
điều kiện khác sẽ không dẫn điện. Như ta đã biết thì tính dẫn điện của vật liệu rắn được
giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những
mức năng lượng gián đoạn khác nhau( trạng thái kích thich, trạng thái cơ bản hay trạng
thái dừng). Nhưng trong vật rắn khi các nguyên tử hay phân tử sắp xếp với nhau trở
thành tinh thể thì các mức năng lượng này phủ lên nhau trở thành vùng năng lượng:
Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng
lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà
điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có
nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện
tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không
có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha
tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách
giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng
cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện
hoặc không dẫn điện.

Như vậy tính chất dẫn điện của chất rắn được giải thích như sau:
Kim loại: là chất luôn tồn tại điện tử tự do trong vùng dẫn
Điện môi: là chất có vùng dẫn trống hoàn toàn hay không có điện tử trong vùng
dẫn, vùng hóa trị được lấp đầy hoàn toàn và độ rộng vùng cấm lớn hơn 3eV
Chất bán dẫn: là chất có cấu trúc tương tự như điện môi nhưng độ rộng vùng cấm
nhỏ hơn 3eV. ở điều kiện thường, chất bán dẫn không dẫn điện. Khi chất bán dẫn bị kích
3


thích ( nhiệt, quang,….) do độ rộng vùng cấm hẹp. các điện tử nhận năng lượng chuyển
từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Lúc này chất bán dẫn có thể dẫn điện.
Chuyển tiếp p-n được hình thành khi ghép nối 2 loại bán dẫn pha tạp loại p và
loại n
1.1.2. Chuyển tiếp p-n
Các nguồn phát quang trên cơ sở vật liệu bán dẫn hầu hết dựa trên chuyển tiếp pn, để tạo được bán dẫn loại p hay loại n người ta sé pha tạp những tạp chất phù hợp. sau
khi ghép hai chất bán dẫn trên với nhau ta sẽ nhận được chuyển tiếp p-n. ranh giới lớp
tiếp xúc được gọi là lớp tiếp xúc công nghệ.
N

P

Lớp tiếp xúc
Hình 1.1 Sơ đồ chuyển tiếp p-n
Miền p là miền có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III (pha tạp axepto) thiếu
điện tử, phần tử dẫn điện chủ yếu là lỗ trống và chiếm giữ các trạng thái năng lượng
trong vùng hóa trị.
Miền n là miền có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V (pha tạp dono) dư điện
tử, phần tử dẫn điện chủ yếu là điện tử và chiếm giữ các trạng thái năng lượng trong
vùng dẫn
Xác suất chiếm trạng thái năng lượng của điện tử và lỗ trống được xác định theo

hàm phân bố fermi-dirac
f(E)={1+exp[(E-Ef)/KT]}-1

(1)

trong đó: Ef là mức fecmi, K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối.

4


Đối với chất bán dẫn khi không pha tạp thì mức femi nằm trong vùng cấm. khi
pha tạp thì mức femi có xu hướng chuyển dịch ra ngoài vùng cấm. cụ thể là mức femi
chuyển dịch vào vùng dẫn đối với bán dẫn loại n và vùng hóa trị đối với bán dẫn loại p.
trong điều kiện bình thường ở trạng thái cân bằng nhiệt thì mức fecmi của miền p và
miền n trùng nhau
(Efv = Efc)

(2)

Khi một thiên áp thuận đặt lên chuyển tiếp p-n, sự cân bằng bị phá vỡ và Efv ≠
Efc . Đồng thời các hạt tải cơ bản (điện tử trong miền n và lỗ trống trong miền p) có khả
năng xích lại gần lớp tiếp xúc công nghệ và hàng rào thế năng giảm đi. Lúc này phần
lớn các hạt tải cơ bản có năng lượng đủ lớn để vượt qua hàng rào thế năng. Dòng điện
bắt đầu được sinh ra do sự khuếch tán của hạt tải. dòng điện I tăng theo hàm mũ cùng
với sự tăng thế V đặt lên lớp chuyển tiếp:
I=Is[exp(qV/kBT)-1]

(3)

Với Is là dòng bão hòa, phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống.

Trong quá trình này điện tử và lỗ trống hiện diện đồng thời trên lớp chuyển tiếp.
những điện tử và lỗ trống đó có thể tái hợp thông qua bức xạ tự do hoặc bức xạ cưỡng
bức và phát ra ánh sáng. Đây chính là nguồn phát quang bán dẫn
1.1.3. Cấu trúc của LED
Về cấu trúc, LED có thể được chia làm 2 loại:
- LED phát xạ mặt SLED (surface LED)
- LED phát xạ cạnh ELED (edge LED)
LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) là loại LED có ánh sáng được phát ra ở
phía mặt của LED. Hình 1.2 minh hoạ một loại SLED, được gọi là LED Burrus do cấu
trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson Trong cấu trúc này vùng phát
xạ ánh sáng (vùng phát quang) của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằng cách
sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P. Do đó, tại vùng tích
cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn[2].

5


Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản của một SLED
LED phát xạ cạnh ELED (Edge LED) là loại LED có ánh sáng ở phía cạnh của
LED (hình 1.3). Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) phủ kín mặt
trên và đáy của LED. Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) rất mỏng. Lớp
tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa bởi hai lớp bán
dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng trong
ELED. Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyền dọc theo trong
ống dẫn sóng này. Kết quả là, ánh sáng được phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát
xạ ở phía cạnh của LED. Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp
và góc phát quang nhỏ. Thích hợp sử dụng trong thông tin quang[2].

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một ELED
Hiện nay để tăng hiệu suất phát quang của LED thì cấu trúc chủ yếu là cấu trúc

dị thể khép với cấu trúc giếng lượng tử. Trong cấu trúc này điện tử và lỗ trống được
giam giữ tốt hơn trong vùng tích cực nằm giữa hai lớp chuyển tiếp nên hiệu suất phát
quang cao hơn.
6


1.2.

Các đặc trưng cơ bản của LED

1.2.1. Đặc trưng quang điện
Công suất quang lối ra là tính chất quan trọng của LED và các nguồn phát quang
khác. Có thể tính được công suất nội sinh của bức xạ tự phát. Tại một dòng bơm I nào
đó tốc độ tiêm hạt tải sẽ là I/q. Ở trạng thái dừng , tốc độ tái hợp của các cặp điện tử - lỗ
trống thông qua quá trình tái hợp bức xạ và không bức xạ bằng tốc độ tiêm hạt tải I/q.
vì hiệu suất lượng tử nội ηint (ηint = Nph/Ne) xác định phần các cặp điện tử lỗ trống tái
hợp thông qua bức xạ tự phát nên tốc độ sinh photon sẽ là ηintI/q. Vì vậy công suất quang
nội sẽ là:
Pint = ηint(ħω/q)I

(4)

Với ħω là năng lượng photon. q là điện tích điện tử. nếu ηext là phần các photon
thoát ra khỏi linh kiện khi đó công suất phát quang sẽ là:
Pe = ηext ηint (ħω/q)I

(5)

ηext được gọi là hiệu suất lượng tử ngoại. ηext có thể tính toán trên cơ sở xem xét
sự hấp thụ nội và sự phản xạ trên các mặt phân cách bán dẫn- không khí. Hiệu xuất

lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc của nguồn
quang. Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác nhau.
Công xuất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý tưởng,
đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình 1.5:

Hình 1.5 Đồ thị công suất quang phụ thuộc vào dòng bơm điều kiện lý tưởng
7


Đặc trưng quang điện còn được thể hiện qua đặc trưng dòng thế I-V. Mỗi chất
bán dẫn khác nhau sẽ cho một thế chuyển tiếp khác nhau. Thế này là đặc trưng cho vật
liệu. Khi được thiên áp thuận bằng điện thế bên ngoài hàng rào thế năng của lớp chuyển
tiếp giảm đi. Sự giảm này dẫn đến việc khuếch tán điện tử và lỗ trống qua lớp chuyển
tiếp. Dòng điện bắt đầu được sinh ra và tăng theo hàm mũ với sự tăng thế đặt lên chuyển
tiếp:
I=Is[exp(qV/kBT)-1]

(6)

Với Is là dòng bão hòa, phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống.
Do hệ số khuếch tán của các chất bán dẫn là khác nhau nên mỗi chất bán dẫn sẽ có một
thế chuyển tiếp đặc trưng.
1.2.2. Đặc trưng phổ của LED
LED được chế tạo từ chất bán dẫn. Do đó, các điện tử nằm trong một vùng năng
lượng chứ không phải ở một mức năng lượng.
+ Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống
mức năng lượng Ei trong vùng hóa trị sẽ tạo ra photon có bước sóng. Do có nhiều
mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiều bước sóng
ánh sáng được tạo ra.
+ Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị không đều nhau,

dẫn đến công suất phát quang tại các bước song không đều nhau.
Độ bán rộng của phổ quang được định nghĩa là khoảng bước sóng do nguồn LED
phát ra có công xuất bằng 0,5 lần công xuất đỉnh (hay giảm 3dB).
+ Độ bán rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn
quang. Ánh sáng có bước sóng 1,3µm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có
độ rộng phổ từ 50-60nm. LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs phát ra ánh sáng
có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần sao với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP.
Phổ quang của LED có độ bán rộng phổ  có thể tính gần đúng theo công thức
 [m]  2 [m] (3kT/hc) [eV]

8

(7)


Với  là bước sóng danh định của LED, k- hằng số Bolzman và T là nhiệt độ
chuyển tiếp, h - hằng số Plank, c - tốc độ ánh sáng.

Hình 1.6 Phổ phát xạ của một số LED màu
1.2.3. Phân bố quang theo góc của LED
Tất cả các LED đều có một phân bố quang nhất định gọi là phân bố trường xa.
Phân bố này phụ thuộc vào góc chiếu của LED và khoảng cách của LED đến mặt thu.
Tổng công suất quang được tính bằng cách lấy tích phân trên một diện tích của một hình
cầu:
(8)
Với I(λ) là cường độ ánh sáng quang phổ(W/cm2) và A là diện tích bề mặt hình
cầu thu ánh sáng.
Phân bố quang của mỗi LED khác nhau sẽ khác nhau tùy vào cấu trúc của LED
cũng như cửa sổ phát sáng hay quy cách đóng vỏ. Thông thường góc chiếu của LED vào
khoảng 120o đến 140o.

9


(a)

(b)

Hình 1.7 Phân bố quang theo góc của LED
(a) LED 3W do hãng Nichia chế tạo (b) Bridgelux LED của hãng Digikey
1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính của LED
LED cũng như vật liệu bán dẫn khác luôn bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ.
Biết được sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tính của LED sẽ giúp ta ứng dụng thuận
tiện và đảm bảo cho LED hoạt động tốt.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ vào đặc trưng quang điện LED
Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất phát quang của LED. Điều này liên quan
đến sự giảm hiệu suất lượng tử nội của LED. Khi nhiệt độ tăng các điện tử nhận thêm
được năng lượng sẽ nhảy lên các mức năng lượng cao hơn trong vùng dẫn. Khi điện tử
và lỗ trống bơm vào thì điện tử ở sát vùng cấm sẽ có xác suất tái hợp cao hơn. Khi nhiệt
độ tăng các điện tử nhận thêm năng lượng sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, ở
trạng thái này xác suất tái hợp sẽ giảm làm công suất giảm theo.
-Ảnh hưởng của nhiệt độ vào bước sóng
Năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn có giảm khi nhiệt độ tăng lên. Điều này
có thể được hiểu tốt hơn nếu ta xem xét rằng khoảng cách giữa các nguyên tử tăng khi
biên độ của dao động nguyên tử tăng do năng lượng nhiệt tăng lên. Hiệu ứng này được
định lượng bằng hệ số mở rộng tuyến tính của vật liệu. Một khoảng cách giữa các nguyên
tử tăng làm giảm khả năng nhìn thấy các electron trong vật liệu, do đó làm giảm kích
thước của năng lượng. Một điều chế trực tiếp của khoảng cách giữa các nguyên tử, chẳng
hạn như bằng cách áp dụng nén cao (kéo) căng thẳng, cũng làm tăng (giảm) của vùng
cấm.

10


Sự phụ thuộc nhiệt độ của năng lượng vùng cấm đã được thực nghiệm xác định
bằng biểu thức sau:

(9)
Với α và β là các hằng số ứng với mỗi chất bán dẫn khác nhau

Hình 1.8 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ một số chất bán dẫn
-Ảnh hưởng của nhiệt độ vào thời gian sống
Tuổi thọ của đèn LED thường rất cao thường được công bố khoảng 20.000 đến
100.000 giờ tùy theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất tuy nhiên tuổi thọ sẽ bị giảm mạnh khi
LED được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ vào thời gian sống của LED
11


Như hình 1.9 thì mặc dù LED có thể hoạt động ở nhiệt độ cao nhưng thời gian
sống của LED sẽ giảm mạnh khi tăng nhiệt độ. Khi nhiệt độ chuyển tiếp vào khoảng
90oC đến 120oC với dòng 1,5A thời gian sống có thể lên đến 60000 giờ. Khi lên 150oC
thời gian sống chỉ còn 10000 giờ.
Như vậy LED bị ảnh hưởng khá lớn bởi nhiệt độ. Nhiệt độ càng thấp thì càng ổn
định và tuổi thọ lớn. do đó đảm bảo nhiệt độ làm việc cho LED là yếu tố quan trọng
trong module LED.
1.3.

Các linh kiện quang học

1.3.1. Thấu kính quang học
Thấu kính là một khối vật chất trong suốt. Được giới hạn bởi hai mặt cong hoặc
một mặt phẳng và một mặt cong.
Trong quang học, một thấu kính là một dụng cụ quang học dùng để hội tụ hay
phân kỳ chùm ánh sáng, nhờ vào hiện tượng khúc xạ, thường được cấu tạo bởi các mảnh
thủy tinh được chế tạo với hình dạng và chiết suất phù hợp. Khái niệm thấu kính cũng
được mở rộng cho các bức xạ điện từ khác, ví dụ, thấu kính cho vi sóng được làm bằng
chất nến. Trong ngữ cảnh mở rộng, các thấu kính làm việc với ánh sáng và bằng kỹ thuật
truyền thống được gọi là thấu kính quang học.
Các loại thấu kính khác nhau sẽ cho đường đi của ánh sáng khác nhau tùy thuộc
vào cấu trúc của thấu kính nhưng chủ yếu đc chia làm hai dạng như sau:
a, Thấu kính hội tụ
+ Đặc điểm của thấu kính hội tụ
Thấu kính hội tụ thường dùng có phần rìa mỏng hơn phần giữa

Hình 1.10 Mặt cắt các loại thấu kính hội tụ

12


Một chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính hội tụ cho chùm tia ló
hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính.
+ Các đại lượng và đường truyền của ba tia sáng đặc biệt

Hình 1.11 Các đại lượng của thấu kính hội tụ
Ta có:
- Δ là trục chính
- O là quang tâm
- F là tiêu điểm vật của thấu kính, F′ là tiêu điểm ảnh
- Khoảng cách OF=OF′= f là tiêu cự của thấu kính

+ Đường truyền của ba tia sáng đặc biệt qua thấu kính hội tụ:
- Tia tới đến quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng theo phương của tia tới.
- Tia tới song song với trục chính thì tia ló đi qua tiêu điểm.
- Tia tới qua tiêu điểm thì tia ló song song với trục chính.
b, Thấu kính phân kỳ
+ Đặc điểm của thấu kính phân kì
Thấu kính phân kì thường dùng có phần rìa dày hơn phần giữa

Hình 1.12 Mặt cắt của một số loại thấu kính phân kỳ
13


Chùm tia tới song song với trục chính của thấu kính cho chùm tia ló phân kì
+ Các đại lượng và đường truyền của tia sáng đặc biệt
Đường truyền của hai tia sáng đặc biệt qua thấu kính phân kì:
-Tia tới song song với trục chính là tia ló kéo dài đi qua tiêu điểm
- Tia tới đến quang tâm thì tia ló tiếp tục truyền thẳng theo phương của tia tới.
1.3.2. Quang học không tạo ảnh và linh kiện quang hình tự do
Quang học không tạo ảnh (còn gọi là quang học anidolic) là nhánh quang học
liên quan đến sự chuyển đổi tối ưu của bức xạ ánh sáng giữa một nguồn và một mục
tiêu. Không giống như quang học tạo ảnh truyền thống, các kỹ thuật liên quan không cố
gắng tạo lại một ảnh của nguồn. Thay vào đó, một hệ thống quang học được tối ưu hóa
để truyền bức xạ quang từ nguồn tới mục tiêu mong muốn. Quang học không tạo ảnh
được phát triển chủ yếu trong khuôn khổ quang học hình học. Quang học không tạo ảnh
bắt đầu phát triển vào giữa những năm 1960 với ba các nhóm nghiên cứu độc lập khác
nhau của V. K. Baranov, M. Ploke, và R. Winston và dẫn đến sự phát triển độc lập của
các bộ tập trung dựa trên quang học không tạo ảnh đầu tiên. Nói chung, các hệ thống
quang học không tạo ảnh thay thế một đối tượng và một mặt phẳng hình ảnh trong hệ
thống quang học hình ảnh bằng một nguồn sáng và một diện tích thu tương ứng. Quang
học không tạo ảnh có thể chuyển hiệu quả tổng công suất phát sáng từ nguồn sang diện

tích thu mà không cần hình thành hình ảnh. Do đó, quang học không tạo ảnh phù hợp
với năng lượng mặt trời các ứng dụng và ứng dụng chiếu sáng. Về mặt ứng dụng năng
lượng mặt trời, quang học không tạo ảnh quang học giúp cải thiện một số khía cạnh của
thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời như góc giới hạn, tỷ lệ nồng độ, phân phối chiếu
xạ, vv, mà không thể giải quyết bằng quang học tạo ảnh. Về mặt thiết kế chiếu sáng như
hướng dẫn ánh sáng, đèn pha ô tô, tinh thể lỏng đèn nền hiển thị, màn hình bảng điều
khiển được chiếu sáng, vv, không tạo ảnh là sự lựa chọn tối ưu cho phương pháp thiết
kế.

14


Hình 1.13 Sự khác nhau giữa quang học không tạo ảnh và quang học tạo ảnh
Trong luận án này, chúng tôi sẽ trình bày quy trình nghiên cứu chế tạo hệ thấu
kính cho đèn LED đơn dựa trên cơ sở quang học không tạo ảnh. Quang học không tạo
ảnh sẽ giúp giảm bớt vật liệu chế tạo, các tính toán thấu kính dựa trên lý thuyết quang
tia, chiết suất giúp dễ dàng tính toán và mô phỏng chùm tia sau khi đi qua hệ thống
quang học.
1.3.3. Thấu kính Fresnel
Thấu kính Fresnel là một loại thấu kính có bề mặt ghép lại từ các phần của mặt
cầu, làm giảm độ dày của thấu kính và do đó giảm trọng lượng, và độ tiêu hao ánh sáng
do sự hấp thụ của thủy tinh làm kính. Thấu kính này do Augustin-Jean Fresnel chế tạo,
với ứng dụng ban đầu dành cho hải đăng.
Thấu kính Fresnel giúp giảm lượng vật liệu cần thiết so với thấu kính thông
thường bằng cách chia thấu kính thành một bộ các phần hình khuyên đồng tâm. Một
thấu kính Fresnel lý tưởng sẽ có vô số phần. Trong mỗi phần, độ dày tổng thể được giảm
so với một thấu kính đơn giản tương đương. Điều này có hiệu quả phân chia bề mặt liên
tục của một thấu kính tiêu chuẩn thành một tập hợp các bề mặt có cùng độ cong, với sự
không liên tục từng bước giữa chúng.

15


Trong một số thấu kính, các bề mặt cong được thay thế bằng các bề mặt phẳng,
với một góc khác nhau trong mỗi phần. Một thấu kính như vậy có thể được coi là một
loạt các lăng kính được sắp xếp theo kiểu vòng tròn, với các lăng kính dốc hơn ở các
cạnh và một tâm phẳng hoặc hơi lồi. Trong các thấu kính Fresnel đầu tiên, mỗi phần
thực sự là một lăng kính riêng biệt. Thấu kính Fresnel sau khi phát triển thành công đã
được sản xuất rất rộng rãi: được sử dụng cho đèn pha ô tô, thấu kính thu tín hiệu, v.v.
hiện nay, thiết bị phay điều khiển bằng máy tính (CNC) có thể được sử dụng để sản xuất
các thấu kính phức tạp hơn.

Hình 1.14 Thấu kính Fresnel sử dụng trong ngọn hải đăng và cấu trúc điển hình
Thiết kế thấu kính Fresnel cho phép giảm đáng kể độ dày (và do đó khối lượng
và khối lượng vật liệu), tuy nhiên cũng làm giảm chất lượng hình ảnh của thấu kính, đó
là lý do tại sao các ứng dụng hình ảnh chính xác như chụp ảnh thường vẫn sử dụng thấu
kính thông thường lớn hơn.
Thấu kính Fresnel thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa; kích thước của
chúng thay đổi từ lớn (ngọn hải đăng) đến trung bình (thiết bị hỗ trợ đọc sách, máy chiếu
kính ngắm OHP) đến nhỏ (kính quang học). Trong nhiều trường hợp chúng rất mỏng và
phẳng, với độ dày trong phạm vi từ 1 đến 5 mm (0,04 đến 0,2 in).

16


Hình 1.15 Thấu kính Fresnel hội tụ ánh sáng mặt trời
1.4.

LED chiếu sáng nông nghiệp
Hiện nay, đèn led chiếu sáng không chỉ được dùng trong chiếu sáng trong gia

đình mà chúng còn được dùng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp, nông
nghiệp hay các ngành khoa học khác.
Đèn led chiếu sáng có đặc điểm chiếu sáng rất tốt, đem lại nguồn năng lượng và
ánh sáng cao. Do vậy, chúng rất có ích trong việc cải thiện năng suất cây trồng một cách
tự nhiên mà không cần phải sử dụng thêm các loại thuốc kích thích hay phân bón hóa
học gì. Có rất nhiều ứng dụng của đèn led đã được đưa vào sử dụng trong nông nghiệp.
Chẳng hạn như đèn led chiếu sáng được đưa vào để thúc đẩy sản xuất cà chua hay nhiều
loại cây khác.

Hình 1.16 Đèn LED trong nuôi cấy giống cây trồng
17


Vào mùa đông, khi thời tiết quá lạnh, đèn LED lại tiếp tục phát huy tác dụng khi
giúp sưởi ấm các loại hoa, để chúng được nở vào đúng thời điểm như hoa đào, hoa ly,
hoa lan,…. Không chỉ dừng lại ở đó, các ánh sáng khác nhau của đèn còn có thể giúp
cho quá trình quang hợp của các loại cây diễn ra một cách nhanh hơn, cây sẽ sống và
phát triển tốt hơn rất nhiều. Với loại đèn chiếu sáng này, các trang trại sản xuất rau sạch
trong nhà kính cũng có thể sử dụng để giúp cho quá trình phát triển của các loại rau trở
nên nhanh hơn, đồng thời đem lại nguồn rau sạch ngon hơn, đảm bảo tiến độ phát triển
và năng suất của chúng.
Bóng đèn led chiếu sáng được dùng trong nhiều ngành nông nghiệp cho thấy
được những ưu việt tuyệt vời của nó. Với những đặc điểm nổi trội hơn hẳn các loại đèn
chiếu sáng khác về cả hiệu quả, tính năng…, đèn LED hiện nay đã dần thay thế hoàn
toàn được các loại đèn chiếu sáng thông thường trước đây. Đây chính là sản phẩm chiếu
sáng hàng đầu trong các ngành công nghiệp hay nông nghiệp chiếu sáng hiện đại. Tại
thời điểm hiện tại, đèn LED có khá nhiều các loại đèn khác nhau như đèn LED dây, đèn
led tuýp hay các loại đèn âm trần, điều này là đặc biệt phù hợp đối với các nhu cầu sử
dụng khác nhau của con người trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Đèn LED sử dụng trong nông nghiệp có đặc điểm riêng về bước sóng, để có hiệu
ứng tốt hơn với cây trồng con người đã tiến hành nghiên cứu và phát hiện ra cây trồng
có phản ứng tích cực với vùng bước sóng 450-470nm và 630-670nm. Chính vì thế các
loại LED sử dụng trong nông nghiệp chủ yếu sử dụng 2 loại bước sóng này. Tùy thuộc
vào từng loại cây và mục đích khác nhau mà tỷ lệ giữa 2 loại bước sóng này cũng khác
nhau.

18