Tài liệu 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