MỞ ĐẦU Từ xưa đến nay, ánh sáng là một yếu tố quan trọng đối với sự sống, đặc biệt đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Tuy nhiên, đối với mỗi loại thực vật khác nhau và từng giai đoạn phát triển khác nhau, nhu cầu về ánh sáng là khác nhau. Việc kiểm soát độ sáng đối với các giai đoạn phát triển của thực vật được cho là bước tiến rất quan trọng trong ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp. Trong những năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng trong nông nghiệp đã trở nên phổ biến hơn vì tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ dài, khối lượng nhỏ gọn, chỉ số hoàn màu cao và lợi ích môi trường [1,2].
Mặc dù các nhà sản xuất LED và các nhà cung cấp hàng đầu đã đề cao những lợi thế của đèn LED trong các ấn phẩm công nghiệp và danh mục của họ [3], nhưng phân bố dạng Lambert của đèn LED là một nhược điểm khiến chúng hiếm khi được sử dụng trực tiếp cho mục đích chiếu sáng đòi hỏi tính đồng nhất cao. Ánh sáng phát ra từ đèn LED có tính định hướng cao nhưng phân bố dạng Lambert gây ra sự chênh lệch lớn về độ sáng giữa các vùng được chiếu sáng. Vậy nên, nếu như thuần tuý sử dụng đèn LED trong việc chiếu sáng phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật, lượng ánh sáng thực nhận được giữa các vùng chiếu sáng là khác nhau, dẫn đến kết quả thực vật phát triển không đồng đều. Hiện nay, đèn LED tuýp cũng đã được ứng dụng trong chiết sáng cây trồng, độ đồng đều chiếu sáng cao hơn đèn LED thường, tuy nhiên, đèn LED tuýp bị giới hạn trong lĩnh vực chiếu sáng cây trồng trong nhà, không thể đưa ra ngoài trời do gặp vấn đề về kỹ thuật lắp đặt.
Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài ‘‘Thiết kế chế tạo ma trận thấu kính biên dạng tự do nhằm tăng hiệu suất trong chiếu sáng cây trồng” với mục tiêu chế tạo linh kiện quang học thứ cấp cho đèn LED nhằm đạt phân bố có dạng hình vuông và độ đồng đều chiếu sáng cao tại bề mặt chiếu sáng. Nguồn sáng LED cho chiếu sáng cây trồng Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của chiếu sáng LED trong cuộc sống, chiếu sáng bằng đèn LED cũng dần được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Các hãng sản suất nổi tiếng về đèn chiếu sáng như Philips, Panasonic, Rạng Đông,… cũng bắt đầu sản suất những loại đèn đặc biệt cho mục đích này. Đèn LED cho ứng dụng nông nghiệp hiện nay gồm hai loại chính là đèn LED dạng thanh và đèn LED dạng điểm, mỗi loại có đặc điểm, thông số kỹ thuật khác nhau phù hợp với mục đích chiếu sáng nông nghiệp khác nhau.
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[1].
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 450-470 nm và 630- 670 nm.[8] 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. Nguồn sáng dải Đèn LED dạng thanh ứng dụng chiếu sáng nông nghiệp trong nhà được thiết kế với một dãy các chip LED gần nhau. Chính vì vậy, đèn LED dạng thanh có thể đạt độ đồng đều chiếu sáng cao ở một khoảng cách gần, khiến cho các cây nhận được lượng ánh sáng như nhau ở vị trí khác nhau, phù hợp với nuôi cấy cây trồng ở khoảng cách thấp.
Tuy nhiên, khi đưa ra chiếu sáng ngoài trời với diện tích và độ cao lớn, đèn LED dạng thanh gây mất mát lượng lớn ánh 8 sáng không thể chiếu đến cây.1 đưa ra một loại đèn nông nghiệp dạng thanh trong lĩnh vực chiếu sáng nông nghiệp trong nhà.1: Đèn LED dạng thanh ứng dụng chiếu sáng cây trồng 1. Nguồn sáng điểm (LED Spotlight) Nguồn sáng LED chiếu sáng điểm (LED spotlight) hay còn được biết đến với cái tên khác là led buld, là một loại đèn có hình dạng tương đối giống với những loại đèn sợi tóc cổ điển. Điều đặc biệt ở đèn LED Spotlight là ở góc mở của chùm ánh sáng, cấu tạo của đèn LED Spotlight thường bao gồm nguồn nuôi và các chip LED được hàn trên bảng mạch (có thể là chip luxeon, chip dán SMD, hoặc chip dạng COB). Tùy vào mục đích chiếu sáng mà nhà sản xuất có thể thay đổi góc chiếu của đèn từ 5o cho đến 120o.
Hiện nay, trong sản xuất nông nghiệp, ví dụ ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng phá đêm kiểm soát sự ra hoa hoặc nhằm mục đích cho cây tăng trưởng tốt hơn tại các nhà vườn, trang trại người ta thường sử dụng đèn LED buld với góc chiếu khoảng 120 o kết hợp với các loại chụp đèn để giảm góc chiếu. Vùng diện tích được chiếu sáng tập trung hơn so với sử dụng đèn LED dạng thanh. Tuy nhiên, đèn LED buld có phân bố cường độ ánh sáng dạng Lambert dẫn đến hiện tượng cây trồng không nhận được lượng ánh sáng đồng nhất tại các vị trí khác nhau. So với đèn LED thanh, đèn LED buld có giá thành rẻ hơn và dễ dang sử dụng với các loại cây 9 trồng ngoài trời.
Cụ thể cây càng gần hình chiếu vuông góc của đèn trên mặt phẳng chiếu, cường độ ánh sáng càng lớn và ngược lại, càng xa thì cường độ sáng càng nhỏ.2 đưa ra đèn LED Spotlight dùng trong chiếu sáng cây hoa cúc và sự phát triển không đồng đều giữa các vùng cây được chiếu sáng.2: Đèn LED sử dụng trong chiếu sáng điều khiển sự ra hoa của cây hoa cúc 1. Các thông số cơ bản của nguồn đèn điểm trong chiếu sáng cây trồng 1. Cường độ chiếu sáng Cường độ ánh sáng: Cường độ ánh sáng của đèn LED là năng lượng của đèn được phát ra theo một hướng nhất định[5]. Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd).
Đèn led có cường độ ánh sáng 1 cd sẽ phát ra 1 lm trên diện tích 1 m2 theo một hướng. Dựa vào cường độ ánh sáng để chọn đèn led phù hợp với mục đích chiếu sáng, diện tích không gian cần chiếu sáng. Độ rọi: 10 Độ rọi hay còn được biết đến là độ tập trung ánh sáng tại một điểm. Là đại lượng đặc trưng cho thông lượng ánh sáng phát ra đo được trên một đơn vị diện tích[5].
Đơn vị đo độ rọi được ký hiệu là Lux. Công thức tính độ rọi: 1lx=1lm/m2. Độ rọi được biết đến là mức độ của ánh sáng khi chiếu trên bề mặt mà người dùng cảm nhận được theo độ mạnh hay yếu. Vì vậy giá trị của độ rọi có thể thay đổi theo khoảng cách, không gian, thành phần bước sóng và nhiệt độ màu của ánh sáng.
Độ rọi là tổng lượng quang thông trên một đơn vị diện tích. Để tính được độ rọi, ta cần biết quang thông của nguồn sáng.3 thể hiện sự khác nhau giữa Lux và lumen, Lux đặc trưng cho thông lượng ánh sáng theo khoảng cách còn lumen đặc trưng cho thông lượng ánh sáng theo góc khối.3: Sự khác nhau giữa Lux và lumen Độ rọi quyết định mức độ ánh sáng mạnh hay yếu theo cảm nhận của con người. Khi khu vực làm việc có độ rọi cao hoặc thấp sẽ gây khó chịu cho mắt người sử dụng, ngược lại với độ rọi hợp lý sẽ giúp tăng khả năng tập trung. Độ rọi và diện tích cần chiếu sáng chính là tiêu chí để xác định số lượng bóng đèn cần sử dụng, tiết kiệm tối đa chi phí cho người sử dụng 1.
Bước sóng ánh sáng Để giải thích nguồn gốc của màu sắc, Robert Hooke (1635–1703) đã phát triển một "lý thuyết xung" và so sánh sự lan truyền của ánh sáng với sự lan truyền của sóng trong nước trong tác phẩm năm 1665 của ông là Micrographia ("Quan sát IX"). Năm 1672, Hooke cho rằng dao động của ánh sáng có thể vuông góc với hướng truyền. Christiaan Huygens (1629–1695) đã đưa ra lý thuyết sóng toán học của ánh sáng vào năm 1678, và xuất bản nó trong cuốn luận thuyết về ánh sáng vào năm 1690. Ông đề xuất rằng ánh sáng 11 được phát ra theo mọi hướng dưới dạng một chuỗi sóng trong một môi trường được gọi là Luminiferous ether.
Vì sóng không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, nên người ta cho rằng chúng chậm lại khi đi vào một môi trường dày đặc hơn.4: Hình ảnh thể hiện định nghĩa của bước sóng Sóng ánh sáng (hoặc một số loại sóng điện từ khác) khi đi vào các môi trường khác môi trường chân không bước sóng của chúng bị giảm do vận tốc giảm trong khi tần số sóng không đổi. Trong môi trường truyền ánh sáng, vận tốc giảm đi n lần với n là chiết suất của môi trường 𝑐 𝑣= (1) 𝑛 Với c là bước sóng ánh sáng truyền trong môi trường chân không, n là chiết suất của môi trường. LED được chế tạo từ vật liệu 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 sóng 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 sáng.