Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo TIR lens mới cho đèn LED công suất cao

Với nhiều ưu điểm vượt trội về hiệu suất, tuổi thọ, độ bền, tiết kiệm điện năng và thân thiện với môi trường, đèn LED được coi là một sự thay thế đầy tiềm năng cho công nghệ chiếu sáng trong hiện tại và tương lai.

Tuy nhiên để công nghệ đèn LED phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn, việc đưa ra các giải pháp làm tăng chất lượng ánh sáng và giảm giá thành của đèn LED là rất cần thiết. Một số giải pháp đó là: sử dụng kết hợp lens hình trụ, lens dạng tự do, lens cho đèn pha. Trong đó, giải pháp TIR lens (lens phản xạ trong toàn phần) với đèn LED được cho là có nhiều ưu điểm như: thuật toán đơn giản, hiệu suất cao, nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng đèn LED.

Ngoài ra, TIR lens có thể hiệu chỉnh tia sáng tới với góc rộng hơn các gương phản xạ truyền thống hay các loại lens khác. Tuy nhiên, khi đường biên của TIR lens không đạt được phản xạ trong toàn phần, ánh sáng vẫn thoát ra được, gây giảm hiệu suất phát sáng.

Vì vậy, để hoàn thiện TIR lens với hiệu suất cao, một vòng giữ bao quanh TIR lens thường được sử dụng để giữ ánh sáng thoát ra.

Từ các nghiên cứu trên thế giới về TIR lens cho thấy, hiệu suất phát quang đạt được từ 81% đến 94%, đồng dạng chiếu sáng đồng đều tăng từ 60% đến 80%. Trong đề tài nghiên cứu cơ bản này, chúng tôi đề xuất một TIR lens mới theo các yêu cầu thiết kế như sau:

(a) Hiệu suất phát sáng E ≥ 95%;

(b) Độ tăng chiếu sáng đồng đều cao hơn so với đèn LED thương mại thấp nhất 97%;

(c) TIR lens mới không cần tới vòng giữ màu trắng. Vì vậy, nghiên cứu cơ bản này đạt được các yêu cầu thiết kế như trên thì có thể giảm được chi phí sản xuất, khi đề tài được thực hiện nghiên cứu triển khai ứng dụng.

Thiết kế TIR lens mới bao gồm thiết kế ống chuẩn trực đa phân khúc (MSOC) và thiết kế bề mặt quang học đa cấu trúc (MSOS). MSOC là bề mặt quang học gồm nhiều phân khúc để thực hiện phản xạ toàn bộ ánh sáng tới, bề mặt này có nhiều phân khúc để việc điều chỉnh hướng ánh sáng trở nên dễ dàng.

MSOS là bề mặt quang học gồm nhiều cấu trúc micro-lens bên trên để điều chỉnh góc phát ra của tia tới. Các tia tới sau khi được điều chỉnh hướng đi lần 1 nhờ MSOC, thì lần 2 được điều chỉnh nhờ MSOS để tăng đồng dạng phát sáng.

Với mục tiêu của đề tài tập trung vào hai vấn đề chính: Dựa vào định luật Snell, thiết kế TIR lens mới để toàn bộ tia tới phản xạ trong toàn phần. Do đó, TIR lens mới không cần hỗ trợ của vòng giữ, giảm giá thành sản phẩm; Dựa vào lý thuyết Monte Carlo và định luật bảo toàn năng lượng để đề xuất mô hình mô phỏng. Từ đó, chúng ta có thể phân tích hướng, hiệu suất phát sáng từ các bộ đèn dùng các TIR lens thường.

Từ kết quả đó, chúng tôi đề xuất TIR lens mới có thể hiệu chỉnh hướng đi của tia sáng để tăng đồng dạng phát sáng, tăng đồng dạng màu, mà vẫn giữ hiệu suất cao. Nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ trì đề tài Qũy phát triển khoa học và công nghệ quốc gia cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Đoàn Quốc Anh thực hiện.

Đề tài đã đạt được các mục tiêu đề ra đó là:

1) Thiết kế lens mới không cần vòng giữ để giảm giá thành sản phẩm;

2) Lens mới có thể hiệu chỉnh hướng đi của tia sáng để tăng đồng dạng phát sáng, tăng đồng dạng màu, mà vẫn giữ hiệu suất cao.

Bên cạnh việc thiết kế lens mới, việc cải thiện vật liệu chế tạo lens cũng được thực hiện với các mục tiêu nghiên cứu như ban đầu đặt ra.

Với các đề xuất mới về ứng dụng vật liệu, nhóm nghiên cứu đã đề xuất các phương phát mới để cải thiện lens cho đèn LED.

Các bài báo đã công bố trong thời gian thực hiện đề tài cho thấy rằng: kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học, giá trị thực tiễn và khả năng ứng dụng cao: Kết quả đề tài đã có 3 bài báo công bố trong tạp chí ISI với hệ số trích dẫn cao. Ngoài ra đề tài cũng công bố 1 bài báo thuộc danh mục Scopus, 1 bài báo ở tạp chí trong nước và 3 bài ở hội nghị khoa học quốc tế.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15239/2018) tại Cục Thông tin KH&CNQG.

Nguồn: Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia