Luận văn 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

000 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 13 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 14 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. 15 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. 16 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). 17 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 18 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. 19 Hình 1.17 Bước sóng ánh sáng và sự ảnh hưởng của chúng với thực vật Nếu như vùng bước sóng 450-470nm có tác dụng tốt đến quá trình sinh trưởng, sinh dưỡng thì vùng bước sóng 630-660nm lạ có tác dụng tốt với quá trình phát triển thân, ra hoa và sản xuất chất diệp lục. 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 2.1. Các hệ đo đặc trưng của LED 2.1.1. Hệ đo đặc trưng quang điện của LED công suất cao. Trong chiếu sáng phục vụ nông nghiệp đo công suất quang là rất quan trọng. Công suất quang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phản ứng của các loại cây trồng. Do đó hệ đo phải thiết kế sao cho đạt được kết quả chính xác nhất loại trừ được tối đa các ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài. Hình 2.1 Sơ đồ đo đặc trưng công suất quang của đèn LED Để thực hiện phép đo ta sẽ tăng dòng nuôi đi qua LED từ 0 đến 1000mA và đo công suất quang lối ra thay đổi theo dòng bơm. Nhiệt độ của LED được giữ cố định phù hợp với điều kiện làm việc thực tế do thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi đặc trưng công suất quang của LED. Trong sơ đồ trên nguồn nuôi LED được chúng tôi sử dụng là nguồn dòng một chiều cho dòng ra thay đổi từ 0 đến 5A, độ chia nhỏ nhất là 0,01A. Có thể cho dòng từ từ qua LED hoặc đặt một dòng nhất định sau đó mới được cấp cho LED. Đây là nguồn Thorlabs ITC 4005 do Mỹ sản suất. LED trong các nghiên cứu trên là LED của Nichia do Nhật Bản sản xuất, được bọc thấu kính silicon trong suốt, dòng danh định là 1000mA tuy nhiên có thể hoạt động được ở dòng lên đến 2000mA. Ở điều kiện bình thường LED có thể chịu được nhiệt độ chuyển tiếp khá cao 1350C 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. Ở Nguồn nuôi LED LED Đầu thu công suất quang Nguồn nuôi peltier Peltier Sensor nhiệt độ Đồng hồ đo thế 21 chế độ xung có tp = 10μs và D=0,005 (D được tính bằng thời gian xung cao trên chu kì xung, D=tp /T), chuyển tiếp có thể chịu được dòng 2500mA. Để đo được tín hiệu quang ta sử dụng optical power meter có đầu thu photodiode. Với đầu thu này năng lượng của LED sẽ được chuyển hóa trực tiếp thành điện với hiệu suất cao và dựa và điện thế thu được ta có thể tính ra công suất của chùm sáng. Trong phép đo này chúng tôi sử dụng máy đo công suất quang Newport 842-pe. Máy đo cho phép đo được nhiều bước sóng theo yêu cầu, với độ chính xác 0,1mW và dải đo rộng đến 3W. để xác định nhiệt độ cho LED và hạn chế chịu ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài ta sử dụng peltier. nhiệt độ được điều chỉnh bằng cách điều khiển dòng qua peltier. Tuy nhiên để nhiệt độ được ổn định khi ta tăng hay giảm tải thì ta phải sử dụng sensor nhiệt độ phản hồi và thay đổi dòng tương ứng Hình 2.2 Nguồn THORLABS ITC 4005 Hình 2.3 Máy đo công suất quang Newport 842-PE với đầu thu photodiode 22 2.1.2. Hệ đo phổ của LED công suất cao Phổ là một tham số quan trọng trong thiết kế quang học, mỗi bước sóng khác nhau lại có sự ảnh hưởng khác nhau vào chiết suất vật liệu. Chính vì thế khi có thông số chính xác về phổ của đèn LED sẽ giúp chúng tôi mô phỏng đúng với thực tế nhất. Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ đo phổ của LED công suất cao Cũng tương tự như hệ đo công suất quang. LED được cấp dòng và được đặt nhiệt độ xác định. Ánh sáng lối ra được phân tích thông qua máy phân tích phổ. Máy đo phổ được sử dụng là HR2000+, đi kèm với phần mềm spectra suite. Máy có khả năng phân tích quang phổ dọc theo bước sóng với độ phân giải là 0.2nm. bước sóng đo được nằm chủ yếu trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần (350nm đến 1000nm) Hình 2.5 thiết bị đo phổ ocean optic HR2000+ và phần mềm đo phổ Nguồn nuôi LED LED Phổ kế Nguồn nuôi peltier Peltier Sensor nhiệt độ Đồng hồ đo thế 23 2.2. Xây dựng hệ đo phân bố quang Sau khi chế tạo xong hệ thấu kính phân bố ánh sáng đồng đều cho đèn LED. Bước tiếp theo là đo đạc thông số phân bố ánh sáng của hệ đèn đã chế tạo trên diện tích cần chiếu, đối chiếu và so sánh thấu kính chế tạo với các thông số khác nhau và với các loại thấu kính thương mại khác. Do diện tích chiếu sáng là khá lớn và điểm lấy mẫu cần nhiều số liệu. Vì thế phương pháp đo bằng tay sẽ rất mất thời gian và độ chính xác không cao. Chính vì thế 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. Hệ đo được trình bày như trong hình 2.6 . Bao gồm một máy tính giao tiếp với một card ardunio sử dụng đầu đo photodiode có thể di chuyển trên trục tọa độ xy của mặt phẳng được chiếu sáng nhờ hệ cơ khí được điều khiển chính xác bằng motor bước. Hình 2.6 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 ổn định bằng nguồn dòng trong suốt quá trình khảo sát. Sau khi ghép với thấu kính, chùm ánh sáng đi qua sẽ được chiếu trên diện tích 1m x 1m với các chiều cao khác nhau. 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 24 liệu công suất quang sẽ được xử lý và vẽ lại bằng hình ảnh phân bố 3D qua phần mềm Matlab. Hình 2.7 Hình ảnh hệ đo phân bố quang thực tế 2.3. Chế tạo linh kiện nguyên mẫu bằng thiết bị CNC CNC là chử viết tắt của Computer Numerical control tạm dịch là điều khiển chương trình số bằng máy tính. Hình 2.8 Thiết bị cnc sử dụng trong công nghiệp Được phát minh từ thập niên 1940-1950 bởi phòng thí nghiệm thuộc học viện M.I.T .Mục đích để gia tăng tự động hóa,thay thế cho con người ở nhửng việc có kỹ thuật và mỹ thuật cao và có tính lặp đi lặp lại. Hiện nay các máy móc có xử dụng hình 25 thức CNC, điều khiển bằng chương trình số rất đa dạng và phong phú có thể kể ra như sau: -Gia công cơ khí: Chế tạo các loại khuôn mẩu cho nghành nhựa, khuôn dập. Chế tạo chi tiết máy v.v... -Gia công vật liệu phi kim loại: gỗ, đá, mica cho nghành quảng cáo. Phù điêu cho nghành mỹ thuật v.v... - Các loại máy vẽ, máy cắt de can, cắt vải, cắt khắc da và simili, máy in 3d v.v... -Trong các loại máy móc công nghiệp khác ví dụ các máy in offset công nghiệp có hệ thống CPC (computer printer control) tự động chỉnh màu mực in v.v.. 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của máy CNC Để điều khiển máy CNC người ta thường xử dụng chương trình được lập bằng ký hiệu chuyên biệt là mã G (G code). Khi máy nhận được dòng lệnh G code đưa vào nó sẽ di chuyển đến vị trí mới mà dòng lệnh quy định. Ví dụ ta có dòng lệnh: G0x10y30 thì khi đó trục x sẽ di chuyển 10 mm và trục y sẽ di chuyển 30 mm. Thoạt nhìn thì thấy đơn giản, nhưng bên trong máy sẽ vận hành như sau: Máy tính của máy CNC sẽ phân tích dòng lệnh và phát ra tín hiệu xung (tín hiệu rời rạc) và motor sẽ chạy theo số xung máy tính phát ra đó. - Phần mềm CAM: Để hoạt động theo các yêu cầu kỹ thuật với vận tốc và gia tốc tối ưu, và các chế độ cắt gọt khác nhau cho các vật liệu khác nhau thì ta có các phần mềm cam, độc lập với máy CNC. Ví dụ với nghành chế tạo cơ khí ta có MASTER CAM, đối với nghành mỹ thuật ta có ART CAM v.v.... Tương ứng với từng chi tiết gia công các phần mềm cam này sẽ quy định chế độ cắt gọt, bước tiến dao, tốc độ quay của trục chính v.v...và xuất ra file G CODE .Sau đó ta đưa file này vào máy CNC để điều khiển gia công chi tiết. 2.3.2. Các thông số cơ bản của máy CNC micro-nano a, Hướng (trục) chuyển động Hướng (trục) chuyển động là những trục có thể lập trình được trên máy CNC. Trục chuyển động được ký hiệu bằng các chữ cái và có thể khác nhau trên các máy. Tuy vậy vẫn có một số quy ước chung, ví dụ X, Y, Z, U, V và W cho các chuyển động thẳng 26 và A, B, C cho các trục quay. Nếu có lệnh X3.5 có nghĩa là chương trình yêu cầu máy chạy trục X tới tọa độ 3.5 đơn vị đo (mm hoặc inch), giả thiết chúng ta đang làm việc ở chế độ tuyệt đối, hoặc chạy trục X thêm 3.5 đơn vị đo, nếu chúng ta đang làm việc ở chế độ gia tăng. Chuyển động quay cũng cần ký hiệu trục và góc quay (tính bằng độ). Ví dụ nếu đang ở chế độ tuyệt đối thì lệnh B45 sẽ quay quanh trục Y tới vị trí góc 45o tính từ điểm 0 của chương trình. b, Điểm tham chiếu cho các trục Hầu hết các máy CNC sử dụng một vị trí xuất phát hay tham chiếu (reference) chung cho các trục. Trong tiếng Anh vị trí này có nhiều tên gọi khác nhau: zero return position, grid zero position, home position. Dù gọi bằng cách nào đi nữa thì vị trí tham chiếu này phải được xác định rất chính xác. Thông thường mỗi khi bật máy, bàn máy sẽ tự động chạy về vị trí cơ sở này và sau đó bộ điều khiển sẽ đồng bộ lại các chuẩn với chuẩn tham chiếu của máy. c, Các hệ thống phụ trợ cho máy Bên cạnh các thành phần chính mà máy CNC nào cũng có, các hãng sản xuất có thể thực hiện các yêu cầu riêng biệt theo đặt hàng như băng tải phoi, bàn xoay NC, hệ thống làm mát bổ sung, hệ thống tự động đo bù dao, thay bàn máy tự động v.v Các thiết bị hỗ trợ này cần được mô tả đầy đủ trong catalogue của nhà sản xuất máy hoặc của bên thứ ba (nhà sản xuất phụ độc lập). d, Các chức năng lập trình được khác Khi lập trình gia công luôn có những chức năng nào của máy CNC lập trình được và lệnh nào thực hiện nó. Ở những máy CNC rẻ tiền, có nhiều chức năng phải kích hoạt bằng tay qua bộ điều khiển. Còn với các máy CNC cao cấp hầu như toàn bộ các chức năng của máy có thể thực hiện qua chương trình gia công. Người vận hành máy chỉ việc gá phôi và cuối cùng là lấy chi tiết đã gia công xong ra khỏi máy. Một khi chương trình gia công đã chạy, người vận hành có thể chuyển sang làm việc khác. Dưới đây chúng ta sẽ biết thêm một số chức năng và lệnh thường gặp nhất. - Điều khiển trục chính. Ký hiệu “S” được dùng để xác định vòng quay của trục chính với đơn vị là vòng/phút (RPM – Recycle Per Minute). Lệnh M03 điều khiển trục 27 quay cùng chiều kim đồng hồ, còn M04 – quay ngược chiều kim đồng hồ; M05 dừng quay. Với máy tiện, nhiều khi cần sử dụng chức năng điều chỉnh vòng quay sao cho vận tốc dài không đổi. Khi đó tốc độ trục chính được đo bằng m/phút (MPM) hoặc fit mặt/phút (surface feet per minute – SFPM). - Thay dao tự động (Trung tâm gia công). Ký hiệu T kèm theo số chỉ cho máy biết dao ở hộc số mấy được dùng. Hầu hết các máy sử dụng lệnh M06 để thực hiện lệnh thay dao. - Thay dao tự động (Trung tâm tiện). Ký hiệu T kèm theo 4 chữ số để xác định dao tiện. hai chữ số đầu xác định trạm dao và hai số cuối xác định hộc dao trên trạm đó. Ví dụ dao T0101 chỉ dao số 1 ở trạm số 1. - Điều khiển tưới dung dịch. Lệnh M07 phun dung dịch dạng sương, M08 tưới tràn; còn M09 ngừng phun. - Thay bàn tự động. Lệnh M60 thường dùng cho việc thay bàn máy tự động. 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH 3.1. Thiết kế mô phỏng thấu kính Trong phần 3.1, chúng tôi sử dụng phương pháp thiết kế quang học để thiết kế hệ phân bố quang thứ cấp cho một LED đơn. Trong đó hai thấu kính Fresnel tuyến tính được sử dụng để phân bố lại chùm sáng chuẩn trực, dọc theo hai chiều trong vùng chiếu sáng để có được phân bố đồng đều. Trong những năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng đã trở nên rất phổ biến vì những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, khối lượng nhỏ và độ hoàn màu cao. Mặc dù những lợi ích của đèn LED đã được công nhận tuy nhiên mô hình bức xạ bán cầu của đèn LED là một nhược điểm khiến chúng hầu như không được sử dụng trực tiếp cho mục đích chiếu sáng với đòi hỏi tính đồng nhất cao. Để giải quyết vấn đề này, một số các phần tử quang thứ cấp được sử dụng để phân phối lại ánh sáng từ nguồn LED đến mục tiêu để tạo sự hiệu quả và thống nhất. Trong hầu hết các trường hợp, thành phần quang thứ cấp được thiết kế cho một đèn LED đơn. Thiết kế phần tử này có một số phương pháp cơ bản. Như hội tụ ánh sáng, định luật snell Kết quả là cải thiện độ đồng đều của độ rọi, độ đồng đều màu và thông lượng của đèn LED Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp sử dụng thiết kế quang học thứ cấp đều cần các tính toán phức tạp, dẫn đến thiết kế thấu kính LED phức tạp và tốn kém. Ngoài ra, vì hạn chế đầu ra công suất quang từ một đèn LED, khi chiếu sáng một khu vực rộng lớn ta cần nhiều module LED để đảm bảo đạt được độ sáng cần thiết, điều này làm tăng chi phí cho hệ thống và lắp đặt. Chính vì thế chúng tôi đề xuất một cách tiếp cận khác cho phân bố lại ánh sáng đèn LED bằng cách thiết kế các thành phần quang học thứ cấp đơn giản. Đèn LED tạo chùm song song bằng một thấu kính collimator. sau đó chùm tia song song được phân bố lại đồng đều trên diện tích chiếu bằng hệ quang học bao gồm hai thấu kính Fresnel tuyến tính đặt vuông góc với nhau. 29 3.1.1. Thiết kế tổng thể hệ thống phân bố đồng đều cho đèn LED Mục tiêu của chúng tôi là thiết kế một hệ thống chiếu sáng với hình dạng đơn giản và chi phí chế tạo thấp bằng cách sử dụng một đèn LED. Và quy trình chế tạo thử nghiệm bằng phương pháp CNC Micro-Nano, bằng cách sử dụng một thấu kính phẳng lồi dạng tự do làm ống chuẩn trực ánh sáng và một hệ thấu kính đôi Fresnel tuyến tính để phân bố ánh sáng thống nhất. Thiết kế tổng thể được trình bày trong hình 3.1. Phần đầu là đèn LED công suất cao 3w. Ánh sáng phát ra từ đèn LED được tạo chùm song song bởi thấu kính chuẩn trực là một thấu kính phẳng lồi. Do phần lớn bộ tạo chùm song song cho LED là gương phản xạ hoặc thấu kính, không mang lại hiệu quả phân bố lại chùm tia chuẩn trực tại mục tiêu chiếu sáng. Sau khi ánh sáng được tạo chùm song song sẽ được phân bố lại bằng hệ thấu kính Fresnel tuyến tính tạo ra chùm tia có tính đồng đều cao trên diện tích chiếu. Hình 3.1 Thiết kế tổng thể của hệ đèn LED chiếu sáng đồng đều Các chi tiết của hệ thống như các thành phần quang học và các thông số được trình bày dưới đây. 3.1.2. LED luxeon 3W LED sử dụng làm trong thiết kế là LED công suất cao có đế để tản nhiệt. Bước sóng 630nm. Dòng nuôi danh định 1A. Được chế tạo bởi hãng Nichia (Nhật Bản). 30 Hình 3.2 : LED sử dụng trong chế tạo hệ thống phân bố đồng đều a, Hình ảnh thực tế LED 630nm 3W b, Phân bố quang theo góc của LED 3.1.3. Thấu kính chuẩn trực Thấu kính chuẩn trực là một thành phần quang học thu thập các tia từ nguồn LED và làm chệch hướng chúng để trở thành các tia song song. Một thấu kính chuẩn trực điển hình có thể được xây dựng đơn giản bởi một gương parabol hoặc thấu kính, và nguồn sáng được đặt tại tiêu điểm của nó. Những loại thấu kính chuẩn trực thông thường chỉ hoạt động với một nguồn sáng có góc mở nhỏ. Một đèn LED điển hình với một góc mở 1200 không thể được chuẩn trực hiệu quả bởi các thấu kính chuẩn trực thông thường này. Do đó, chúng tôi thiết kế một thấu kính phẳng lồi bằng phương pháp quang hình tự do. Phương pháp thiết kế của thấu kính dạng quang hình tự do được mô tả trong Hình 3.3 Hình 3.3 Nguyên tắc thiết kế thấu kính phẳng lồi dựa trên quang hình tự do 31 Thấu kính phẳng lồi bao gồm hai bề mặt: một mặt phẳng và bề mặt dạng tự do. Thấu kính phẳng lồi trong nghiên cứu của chúng tôi là đối xứng xoay. Trong một hệ thống đối xứng xoay. Giả sử rằng một đèn LED chip là một nguồn điểm. Đèn LED ở trong không khí với chỉ số khúc xạ n0 và thấu kính chuẩn trực làm bằng nhựa có chiết suất n1. Nguồn LED được đặt trong điểm O. OAn là một tia tới, tới bề mặt phẳng với góc tới là αn. OAn bị khúc xạ thành tia AnBn tại điểm An trên bề mặt phẳng của thấu kính. Theo định luật Snell ta có phương trình sau: n0(sin αn) = n1 (sin βn ) (9) Tất cả các tia sáng phát ra từ LED có đường dẫn quang từ nguồn tới mặt sóng. Theo bảo tồn đường quang thu được theo phương trình sau: (10) Trong đó OA0 là tia tới ban đầu dọc theo trục x và A0B0 là tia khúc xạ của bề mặt phẳng. Khi góc tới là 0 độ, nó đi thẳng. OA0 = d0 là khoảng cách từ đèn LED đến bề mặt phẳng và A0 B0 = d