Giải nhất
Giải nhất

TIR lens mới cho đèn LED công suất cao với giá thành thấp và chiếu sáng đồng đều

Cá nhân: Nguyễn Đoàn Quốc Anh

LĨNH VỰC

Mô tả sản phẩm

Giới thiệu sản phẩm:

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 (light-emitting diode) được coi là một sự thay thế đầy tiềm năng cho công nghệ chiếu sáng trong hiện tại và tương lai [1, 2]. 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 [3], lens dạng tự do [4], lens cho đèn pha [5]. Trong đó, giải pháp TIR lens (total internal reflection lens-thấu kính 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 [6]. 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% [7, 8], đồng dạng chiếu sáng đồng đều tăng từ 60% đến 80% [9, 10]. Trong sáng kiến này, chúng tôi đề xuất một sản phẩm 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, TIR lens mới này đạt được các yêu cầu thiết kế nêu trên. Hơn nữa, sản phẩm mới giảm được 30% chi phí sản xuất, khi triển khai phát triển ra thị trường. Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu công nghệ chiếu sáng, Nhóm nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống điện (PSO), Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Tôn Đức Thắng [11], có những kinh nghiệm như: đã thiết kế thành công freeform lens cho đèn LED chiếu sáng dân dụng; lens cho đèn đường; freeform lens cho tàu đánh cá; đã tăng đồng dạng màu ánh sáng trắng của đèn LED bằng cách thêm SiO2 vào lớp phosphor. Nhóm bắt đầu nghiên cứu và xuất bản các bài báo ISI và hội nghị quốc tế uy tín trong lĩnh vực này từ năm 2015 cho đến nay [12-15]. Đặc biệt, sáng kiến khoa học này đã nhận được bằng sáng chế USPTO (Hoa Kỳ) vào năm 2022 [16]. Vì vậy, nếu được hỗ trợ của chương trình Sáng kiến Khoa học 2023, Nhóm nghiên cứu PSO có thể thương mại hoá sản phẩm TIR lens mới này.

Tính năng cơ bản:

Trong lĩnh vực chiếu sáng dân dụng và công nghiệp, các đèn LED công suất cao đang dần thay thế các loại đèn truyền thống tiêu tốn nhiều năng lượng. Tuy nhiên, bộ đèn LED thương mại mô tả trong hình 6 có một vài hạn chế nhất định: a) độ đồng dạng màu chỉ đạt 0.259, b) lens I (TIR lens thường) không thể phản xạ hoàn toàn ánh sáng phát ra từ gói LED, do đó lens I cần thêm vòng giữ màu trắng để giữ lại tia phát ra ngoài và tập trung phát về phía trước. Nhưng khi sử dụng vòng giữ màu trắng này, hiệu suất đạt được 95.85%, giá thành cao. Một loại TIR lens khác mà không cần sử dụng vòng giữ, được chỉ trong hình 7. TIR lens này là một prism lens cũng được sử dụng cho phản xạ trong toàn phần. Tuy nhiên, với lens dạng lăng kính này, ánh sáng trắng bị tách biệt thành nhiều ánh sáng khác nhau: đỏ, cam, vàng, lục lam, chàm, tím. Trong khi đồng dạng màu ánh sáng trắng đạt được khi các dải màu phải được trộn lẫn một các đồng đều. Kết quả là 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 vòng sáng màu vàng (yellow ring phenomenon) quanh vùng đốm sáng của đèn [17]. Điều này sẽ làm độ đồng dạng màu ánh sáng trắng của đèn LED, gây khó chịu cho người nhìn, và lâu dần gây tật cho mắt [18]. Hơn nữa, đường biên của lens II này không đạt được phản xạ trong toàn phần, (không thể phản xạ ánh sáng tới hoàn toàn, ánh sáng vẫn thoát ra được). Vì vậy, hiệu suất chỉ đạt được (90.32%) thấp hơn lens I. Công nghệ TIR lens mới này có bốn ưu điểm chính: a) Không cần sử dụng vòng giữ, giảm 30% giá thành sản phẩm b) Hiệu suất lớn hơn 95% (đạt yêu cầu kỹ thuật) c) Độ đồng đều phát sáng lớn hơn 0.3 (đạt yêu cầu kỹ thuật) d) Độ đồng dạng màu ánh sáng trắng cao hơn lens II.

Xuất xứ sản phẩm:

Nhóm nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống điện (PSO), Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Tôn Đức Thắng

Mô tả cơ bản:

Mẫu chế tạo TIR lens mới được đính kèm ở hình 1. 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), hình 2. MSOS là bề mặt quang học gồm nhiều cấu trúc micro-lens bên trên để điều chỉnh góc phát ra của tia tới, hình 3. 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, hình 4. 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. Hình 5 mô tả mẫu đèn LED sử dụng TIR Lens mới, sử dụng đèn LED hãng Nichia (Nichia 219A-LED).  

 (a) Thiết kế MSOC, có ba bước như sau: xác định kích thước tổng thể (chiều cao, bán kính, bề dày của lens I), tính toán và tối ưu hóa độ cong của bề mặt MSOC bằng cách điều chỉnh các thông số dựa vào kết quả mô phỏng phân bố chiếu sáng và ba hàm f1(x), f2(x), f3(x),…, đường cong mỗi phân khúc được biểu diễn bởi mỗi hàm fi(x). MSOC không cần hỗ trợ của vòng giữ.

 (b) Thiết kế MSOS, có hai bước như sau: xây dựng tối thiểu hai ma trận micro-lens gốc, tối ưu hóa hình dạng và kích thước của các ma trận micro-lens đó, bằng cách xác định góc các quay ma trận dựa vào thuật toán tối ưu hóa toàn cục. Cuối cùng, hiệu suất quang học và độ chiếu sáng đồng đều được xác định và so sánh với yêu cầu thiết kế.

Yêu cầu đối với cơ sở hạ tầng cần thiết để triển khai ứng dụng sản phẩm:

Để để triển khai ứng dụng sản phẩm, chúng tôi có trong phòng thí nghiệm phần mềm bản quyền chuyên dụng quang học như: LightTools 9.0, TracePro, SolidWorks. Ngoài ra, nhóm đã có những trang bị máy đo thiết yếu phục vụ nghiên cứu như sau:
a) Lux kế T-10A: dùng để đo độ rọi của đèn ở khoảng cách định sẵn
b) Quả cầu đo HIS1000: dùng để đo quang thông, nhiệt độ màu tương quan (CCT), chỉ số hoàn màu (CRI) của đèn
c) Máy đo phân bố cường độ ánh sáng IGM-500: dùng để đo cường độ phân bố góc ánh sáng của đèn.

Sản phẩm được phát triển trong khoảng thời gian: Trên 3 năm

Số người tham gia làm: 3

Sản phẩm có mặt trên thị trường hoặc đưa vào ứng dụng rộng rãi trong khoảng thời gian: 1 năm

Phạm vi thị trường và ngành ứng dụng:

TIR lens mới thuộc lĩnh vực công nghệ chiếu sáng: ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp, nông nghiệp và ngư nghiệp. Ví dụ: công nghệ TIR mới này có thể ứng dụng trong các đèn ô tô hoặc đèn xe máy, nội dung này được trình bày trong bằng sáng chế USPTO (US 11,264,545 B2).

Tiêu chí tự đánh giá sản phẩm ý tưởng dự thi

Tính sáng tạo, đổi mới và công nghệ:

Vấn đề sử dụng đèn LED chiếu sáng dân dụng và công nghiệp đang gặp khó khăn bởi các lí do như: 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. Qua khảo sát nội dung các nghiên cứu triển khai ứng dụng đèn LED tại Việt Nam trong những năm gần đây [19-21], vấn đề về phân bố cường độ ánh sáng và đồng dạng màu ánh sáng trắng của đèn LED đang là vấn đề cấp thiết và khó khăn thực hiện. Sáng kiến khoa học này mới và quan trọng trong công nghệ chiếu sáng.

Tính ứng dụng:

Hiện nay, nước ta có nhiều trường đại học và công ty nghiên cứu ứng dụng đèn LED. Nhìn chung, mục tiêu các nghiên cứu là tăng hiệu quả chiếu sáng và giảm chi phí vận hành. Với mục tiêu đó, 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 [19-21]. Tuy nhiên, sản phẩm công nghệ về lens để tăng quang hiệu và tiết kiệm chi phí vẫn là lĩnh vực mới ở Việt Nam. Do đó, công nghệ TIR lens mới này chính là sản phẩm có triển vọng kinh doanh, sử dụng đơn giản, dễ dàng triển khai có thể áp dụng rộng rãi, đem lại giá trị kinh tế cho xã hội và cho cộng đồng.

Tính hiệu quả:

Hình 6 chỉ ra các thành phần của một loại đèn LED thương mại công suất cao: lens I, vòng giữ và gói 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. Ở đây, độ chiếu sáng đồng đều của đèn LED là tỷ số của lượng ánh sáng tối thiểu và lượng ánh sáng trung bình [22]. Dựa trên kết quả đo lường thực nghiệm ở hình 8, hình 9 và hình 10, có thể kết luận rằng 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%. Kết quả thực nghiệm 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 1 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), như chỉ trong hình 9. Vì vậy, 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.

Tiềm năng phát triển:

a) Nhóm nghiên cứu tối ưu hoá hệ thống điện (PSO) hiện có 03 thành viên tham gia phát triển sản phẩm này [11]: 1. TS. Nguyễn Đoàn Quốc Anh – Nhóm nghiên cứu tối ưu hoá hệ thống điện (PSO), trường ĐH Tôn Đức Thắng, với hơn 08 năm nghiên cứu về LED công suất cao, nâng cao: hiệu suất, đồng dạng phát sáng, đồng dạng màu của LED bằng free-form lens, SiO2,..., TS. Quốc Anh là nhà sáng chế công nghệ TIR lens này, vai trò chính trong việc phát triển sản phẩm TIR lens mới. 2. TS. Trần Đình Cương - Nhóm nghiên cứu tối ưu hoá hệ thống điện (PSO), trường ĐH Tôn Đức Thắng. TS có hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực kỹ thuật điện: thiết bị, điều khiển, chiếu sáng. Tiến sĩ đã xuất bản hơn 10 bài báo hội nghị quốc tế có uy tín và 3 bài ISI trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Trong kế hoạch phát triển sáng kiến công nghệ TIR lens, TS. Cương đảm nhận vai trò chế tạo. 3. TS. Hồ Đăng Sang – Khoa Điện-Điện tử, trường ĐH Tôn Đức Thắng, với hơn 15 năm kinh nghiệm và nghiên cứu của anh tập trung vào lĩnh vực kỹ thuật điện: mô phỏng, điều khiển, chiếu sáng. TS. Sang phụ trách mô phỏng và thí nghiệm. b) Sáng kiến TIR lens mới này đã nhận được Bằng sáng chế USPTO (Hoa Kỳ) [16] Tên bằng sáng chế: Light Bar and Exterior Lighting Assembly for an Automotive Vehicle Comprising the Same Tên nhà sáng chế: Quoc Anh Doan Nguyen Mã số bằng sáng chế: US 11,264,545 B2 Ngày cấp: 01/03/2022 Tóm lại, sản phẩm TIR lens này được phát triển bởi nhóm tác giả có đủ năng lực để biến ý tưởng thành hiện thực. Hơn nữa, sản phẩm đã nhận được bằng sáng chế USPTO có uy tín khoa học. Vì hai lý do đó, sáng kiến khoa học này có tiềm năng thu hút đầu tư, đưa sản phẩm này ra thị trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Thế Đan, “Tái tạo ánh sáng tự nhiên từ công nghệ đèn LED mới” VnExpress, 2022. 2. Phan Xuan Le, Ho Dang Sang, Nguyen Doan Quoc Anh and Hsiao-Yi Lee, "Triple-layer remote phosphor structure: A potential packaging configuration to enhance both color quality and lumen efficiency of 6,000–8,500 K WLEDs," Materials Science-Poland 39, no.4, 458-466, 2021. 3. Hsi-Chao Chen, Jun-Yu Lin, and Hsuan-Yi Chiu, “Rectangular illumination using a secondary optics with cylindrical lens for LED street light,” Opt. Express 21, 3201-3212, 2013. 4. Yi Ding, Xu Liu, Zhen-rong Zheng, and Pei-fu Gu, “Freeform LED lens for uniform illumination,” Opt. Express 16, 12958–12966, 2008. 5. Fei Chen, Kai Wang, Zong Qin, Dan Wu, Xiaobing Luo, and Sheng Liu, “Design method of high-efficient LED headlamp lens,” Opt. Express 18, 20926-20938, 2010. 6. Zheng Zhenrong, Hao Xiang, and Liu Xu, “Freeform surface lens for LED uniform illumination,” Appl. Opt. 48, 6627-6634, 2009. 7. Jin-Jia Chen, Chin-Tang Lin, “Freeform surface design for a light-emitting diode–based collimating lens,” Proc. SPIE 49, 093001, 2010. 8. Jin-Jia Chen, Te-Yuan Wang, Kuang-Lung Huang, Te-Shu Liu, Ming-Da Tsai, and Chin-Tang Lin, “Freeform lens design for LED collimating illumination,” Opt. Express 20, 10984-10995, 2012. 9. Axel Bäuerle, Adrien Bruneton, Rolf Wester, Jochen Stollenwerk, and Peter Loosen, “Algorithm for irradiance tailoring using multiple freeform optical surfaces,” Opt. Express 20, 14477-14485, 2012. 10. Thuc Minh Bui, Phan Xuan Le, Dinh Hoang Bach, Nguyen Doan Quoc Anh, " Application of triple-layer remote phosphor configuration results in the color quality and luminous efficiency enhancement of WLEDs," TELKOMNIKA 17, no.6: 2885~2894, 2019. 11. Nhóm nghiên cứu tối ưu hoá hệ thống điện (PSO), https://feee.tdtu.edu.vn/khoa-hoc-cong-nghe/nhom-nghien-cuu/nhom-nghien-cuu-toi-uu-hoa-he-thong-dien-pso 12. Nguyen Thi Phuong Loan, Nguyen Doan Quoc Anh, Nguyen Cong Trang and Lee Hsiao-Yi. "Better color distribution uniformity and higher luminous intensity for LED by using a three-layered remote phosphor structure" Materials Science-Poland 40, no.1 (2022): 60-67. 13. Phan Xuan Le, Tran Thanh Trang, Nguyen Doan Quoc Anh, Hsiao-Yi Lee and Le Van Tho. "Comparison between SEPs of CaCO3 and TiO2 in phosphor layer for better color uniformity and stable luminous flux of WLEDs with 7,000 K" Materials Science-Poland 40, no.1 (2022): 1-8. 14. Nguyen Thi Phuong Loan, Nguyen Doan Quoc Anh, “Enhancing optical performance of dual-layer remote phosphor structures with the application of LaAsO4:Eu3+ and Y2O3:Ho3+,” Optoelectronics and Advanced Materials - Rapid Communications, 15, 1-2, January-February 2021, pp.71-78 (2021). 15. Guo-Feng Luo, Nguyen Thi Phuong Loan, Van Tho Le, Nguyen Doan Quoc Anh and Hsiao-Yi Lee. "Enhancement of color quality and luminous flux for remote-phosphor LEDs with red-emitting CaMgSi2O6:Eu2+,Mn2+" Materials Science-Poland 38, no.3 (2020): 409-415. 16. Light bar and exterior lighting assembly for an automotive vehicle comprising the same, https://patents.google.com/patent/US20210184089A1/en?oq=15191487 17. Nguyen Doan Quoc Anh, Min-Feng Lai, Hsin-Yi Ma, and Hsiao-Yi Lee, “Design of a free-form lens for LED light with high efficiency and uniform illumination,” Applied Optics, vol. 53, no. 29, pp.H140-H145, 10 October 2014. 18. Nguyen Doan Quoc Anh, Min-Feng Lai, Hsin-Yi Ma & Hsiao-Yi Lee, “Enhancing of correlated color temperature uniformity for multi-chip white-light LEDs by adding SiO2 in phosphor layer,” Journal of the Chinese Institute of Engineers, vol. 38, 14 October 2014. 19. Đỗ Thị Gấm, “Nghiên cứu phát triển và triển khai ứng dụng các mô hình chiếu sáng điều khiển quang chu kỳ bằng đèn LED chuyên dụng nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất hoa cúc thương mại tại khu vực Tây Nguyên,” https://vast.gov.vn/web/guest/tin-chi-tiet/-/chi-tiet/nghien-cuu-phat-trien-va-trien-khai-ung-dung-cac-mo-hinh-chieu-sang-%C4%91ieu-khien-quang-chu-ky-bang-%C4%91en-led-chuyen-dung-nham-nang-cao-hieu-qua-san-xuat-hoa-cuc-thuong-mai-tai-khu-vuc-tay-nguyen--20040-403.html. 20. Duy Linh, “Ứng dụng đèn LED nâng cao hiệu quả khai thác hải sản (đối với nghề chụp mực bốn tăng gông, vây, câu, mành) trên tàu đánh bắt hải sản tỉnh Bình Thuận”, https://binhthuan.gov.vn/1321/32532/67224/607987/khoa-hoc-va-cong-nghe/so-khoa-hoc-va-cong-nghe-to-chuc-nghiem-thu-nhiem-vu-khoa-hoc-va-cong-nghe-cap-tinh-ung-dung-den.aspx 21. Ninh Hoàng Hạnh, “Nghiên cứu bộ tiêu chuẩn đèn LED đối với công trình công cộng”, https://moc.gov.vn/tl/tin-tuc/64766/nghien-cuu-bo-tieu-chuan-den-led-doi-voi-cong-trinh-cong-cong.aspx. 22. Thuc Minh Bui, Phan Xuan Le, Dinh Hoang Bach, Nguyen Doan Quoc Anh, "The usage of dual-layer remote phosphor configurations in enhancing color quality and luminous flux of WLEDs," TELKOMNIKA 17, no.6 (2019): 2931-2939.

Tài liệu mô tả kỹ thuật cơ bản và hướng dẫn sử dụng sản phẩm:

https://patents.google.com/patent/US20210184089A1/en?oq=15191487