Công nghệ đèn LED thông minh hiệu suất chiếu sáng cao

Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ (TS) Nguyễn Đoàn Quốc Anh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Tôn Đức Thắng (TPHCM) đã nghiên cứu thành công công nghệ TIR lens cho đèn LED nhằm tăng hiệu suất chiếu sáng.

TS. Nguyễn Đoàn Quốc Anh cho biết, đèn LED (light-emitting diode) là công nghệ chiếu sáng có nhiều ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, nhưng nhược điểm là chất lượng ánh sáng chưa cao, giá thành cao so với các loại đèn khác. Một số giải pháp khắc phục nhược điểm là TIR lens (total internal reflection lens - thấu kính phản xạ trong toàn phần). Giải pháp này có 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.

Để nâng cao chất lượng ánh sáng cho đèn LED, nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện TIR lens với hiệu suất cao. Tại đèn LED thông thường, sẽ có một vòng giữ bao quanh TIR lens 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% - 94%, đồng dạng chiếu sáng đồng đều tăng từ 60% - 80%. Sản phẩm của nhóm nghiên cứu có hiệu suất phát sáng E ≥ 95%; độ tăng chiếu sáng đồng đều cao hơn so với đèn LED thương mại thấp nhất 97%.

Ở đèn LED thông thường, ánh sáng trắng bị tách biệt thành nhiều ánh sáng khác nhau: Đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Đồng dạng màu ánh sáng trắng đạt được khi các dải màu phải được trộn lẫn một cách đồng đều. Các tia màu vàng và màu xanh đi qua lens này bị khúc xạ theo các hướng khác nhau. Cấu trúc không tối ưu này có thể gây ra hiện tượng không mong muốn như gây khó chịu cho người nhìn, và lâu dần gây tật cho mắt.

Công nghệ TIR lens của nhóm nghiên cứu không cần sử dụng vòng giữ, giảm 30% giá thành sản phẩm, hiệu suất lớn hơn 95% (đạt yêu cầu kỹ thuật). Độ đồng đều phát sáng lớn hơn 0,3 (đạt yêu cầu kỹ thuật).

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). MSOS là bề mặt quang học gồm nhiều cấu trúc micro-lens bên trên để điều chỉnh góc phát ra của tia tới. 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. 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.

Theo nhóm nghiên cứu, vấn đề sử dụng đèn LED chiếu sáng dân dụng và công nghiệp đang gặp khó khăn bởi giá thành đầu tư cao, quang hiệu thấp, đồng dạng phát sáng thấp. Do vậy, công nghệ TIR lens mới này giúp giảm giá thành, tăng hiệu suất và đồng dạng phát sáng có ý nghĩa quan trọng đối với việc nâng cao chất lượng, ứng dụng đèn LED.

Ở Việt Nam đã có nhiều trường đại học và công ty nghiên cứu ứng dụng đèn LED để giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả chiếu sáng. Phương pháp mà các nghiên cứu đưa ra đó là: Thay đổi sự phân bố đèn; khảo sát sự thay đổi màu sắc; hoặc độ rọi của đèn. Chưa có nghiên cứu về công nghệ TIR lens để tăng quang hiệu và tiết kiệm chi phí.

Mấu chốt khiến đèn LED có giá thành thương mại cao là vòng giữ và LED ánh sáng trắng. Vòng giữ lens I này làm chi phí sản xuất bộ đèn LED này tăng lên. Dựa trên kích thước của lens I này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế TIR lens mới, không cần sử dụng vòng giữ, giảm giá thành bộ đèn mà chất lượng ánh sáng lại tăng lên.

Cụ thể, kết quả đo lường thực nghiệm cho thấy, có sự khác biệt đáng kể về sự chiếu sáng đồng đều và hiệu suất của lens I và lens II. Ví dụ, đối với bề mặt đích 500 mm², độ chiếu sáng đồng đều và hiệu suất của lens I lần lượt là 0,259 và 95,85%, trong khi đó lens II chỉ đạt được 0,06 và 90,32%.

So sánh sự đồng đều phân bố ánh sáng, chỉ số đồng dạng phát sáng khi sử dụng TIR lens mới vượt trội hơn so với lens I là 122,4% và lens II là 495,3% ở bề mặt chiếu sáng 500 mm2. Sự phân bố không đồng đều của bức xạ ánh sáng xanh và ánh sáng vàng là nguyên nhân gây ra hiện tượng ánh sáng màu vàng (làm cho độ đồng dạng màu ánh sáng trắng thấp).

Công nghệ TIR lens mới giúp tăng đồng dạng màu ánh sáng trắng, nghĩa là lens mới có thể phân bố lại bức xạ ánh sáng xanh và bức xạ ánh sáng vàng, từ đó nâng cao chất lượng màu ánh sáng trắng.

"Ngoài chiếu sáng công cộng, TIR lens mới có thể ứng dụng trong các đèn ô tô hoặc đèn xe máy, tạo ra ánh sáng chất lượng cao mà có giá thành rẻ”, TS Quốc Anh nói.