TIR lens – Thiết bị quang học thứ cấp.

Làm thế nào để ánh sáng phát ra từ các chip led có thể tập trung và định hướng chúng đi theo một hướng cụ thể với dạng hình trụ, hình elip sau đó có thể truyền đi xa hơn thì cần phải có các bộ quang học thứ cấp như TIR lens để giải quyết vấn đề này. Bộ phận quang học này thường thấy trong các loại đèn pin siêu sáng và các thiết bị quang học khác. Bài viết dưới đây xin đưa ra một số thông tin giúp bạn tham khảo và hiểu rõ hơn về chúng.

Căn bản.

Các loại led công suất lớn đang sử dụng ngày càng nhiều trong cuộc sống, nó hiện hữu khá nhiều ở các thiết bị đặc biệt là đèn pin siêu sáng, hay các đèn pha lắp đặt ngoài trời để chiếu sáng đường phố, khuôn viên lối đi.

Các loại led này có góc chiếu sáng rộng, nghĩa là ánh sáng phát ra từ led sẽ đi theo nhiều hướng, trong đó lượng ánh sáng mạnh nhất chỉ tập trung ở vùng chiếu sáng có hướng chiếu 0 độ, góc chiếu càng rộng thì cường độ chiếu sáng sẽ càng giảm đi.

Cường độ và góc chiếu sáng

Cường độ và góc chiếu sáng

Từ hình trên ta có thể thấy ví dụ như đối với hướng chiếu 60 độ thì cường độ chùm tia phát ra từ led chỉ còn 50% so với hướng chiếu 0 độ. Ở hướng 20 độ thì gần đạt 90%. Như vậy rõ ràng nếu góc chiếu càng nhỏ thì cường độ sáng phát ra càng lớn, tia sáng tập trung và ánh sáng có thể truyền được đi xa hơn.

Trong nhiều trường hợp, ta muốn ánh sáng từ led phát theo hướng cụ thể nào đó, ví dụ như một chiếc đèn đọc sách nên có ánh sáng tập trung vào một bề mặt nhỏ chỉ để xem những trang sách được rõ ràng, và không muốn ánh sáng lan tỏa ra những khu vực khác. Một ví dụ khác, khi đèn cảnh báo trên xe cảnh sát bật lên, ánh sáng nên tập trung vào một mục tiêu cụ thể và cũng có thể được nhìn ở một khoảng cách xa.

Đọc thêm Tiêu chuẩn ANSI/PLATO FL1 là gì?

Trong cả hai trường hợp, ánh sáng cần phải có định hướng cụ thể. Để đạt được điều này, ta phải dựa vào các thiết bị quang học thứ cấp, có nghĩa chúng là các cấu kiện quang học tách rời với nguồn sáng led cụ thể. Nhờ các bộ phần này, chúng ta có thể tập trung tia sáng từ mọi hướng thành một chùm tia có góc chiếu hẹp hơn, vì thế ánh sáng có thể chiếu đi theo một hướng cụ thể nào đó.

Có hai cách để tập trung hướng chiếu sáng: một là sử dụng bộ gương phản xạ (reflector), hai là sử dụng các ống kính khúc xạ (refractive lens). Một ví dụ điển hình của gương phản xạ là bạn có thể thấy nó trong các đèn pin màu trắng cũ, các tia sáng có góc chiếu rộng sẽ bị phản xạ trên bề mặt sáng bóng của gương và sau đó bị định hướng lại theo một hướng cụ thể.

Reflector điển hình

Reflector điển hình

Một ống kính khúc xạ dựa vào sự thay đổi chỉ số khúc xạ tại bề mặt của thấu kính và môi trường bao quanh (thông thường là không khí) để thay đổi hướng đi của các tia sáng

Refractive lens

Refractive lens

Do sự thay đổi chỉ số khúc xạ, các tia sáng phát ra từ led sẽ bị lệch hướng so với ban đầu khi đi vào môi trường có chiết xuất khác.

TIR Lens là gì?

TIR Lens: Total Internal Reflection Lens (đôi khi còn được gọi là bộ phản xạ TIR hay TIR reflector) là một ống kính phức hợp, nó kết hợp những đặc điểm tốt nhất của gương phản xạ (reflector) và ống kính khúc xạ (refractive lens) để tối đa hóa khả năng định hình chùm tia sáng.

Về mặt thiết kế, TIR lens bao gồm một thấu kính khúc xạ đặt bên trong gương phản xạ. Thấu kính khúc xạ tập hợp và kiểm soát ánh sáng phát ra trực tiếp từ nguồn sáng led. Bộ phản xạ xử lý ánh sáng và định hướng chùm tia. Góc chùm tia phụ thuộc vào độ cong của bề mặt TIR.

Có thể bạn quan tâm Đèn pin siêu sáng chất lượng

Việc sử dụng kết hợp đặc tính phản xạ và khúc xạ cho phép điều chỉnh quang sai tốt hơn hẳn so với việc chỉ sử dụng một trong hai. Thông thường ống kính TIR thiết kế đối xứng xoay được nên có thể được thiết kế theo mảng để chứa được nhiều led. Ống kính TIR là giải pháp tối ưu để tạo ra chùm sóng tròn mượt với độ rộng góc FWHM nhỏ. Ống kính TIR thường được đúc từ polyme như PMMA (Polymethyl methacrylate) acrylic và polycarbonate.

TIR lens

TIR lens

TIR là gì?

TIR là hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra khi một tia sáng chạm vào mặt phân cách giữa hai môi trường ở một góc lớn hơn góc tới hạn so với pháp tuyến của bề mặt. Hiện tượng này chỉ xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường chiết suất lớn hơn sang môi trường chiết suất kém hơn.

Giải thích tượng phản xạ toàn phần_TIR

Giải thích hiện tượng phản xạ toàn phần TIR

Điều kiện cần: n1 > n

Nếu góc tới < Θc thì tia sáng sẽ bị khúc xạ.

Nếu góc tới > Θc thì tia sáng sẽ bị phản xạ.

Các loại TIR lens.

Khái niệm FWHM (Full Width Half Maximum).

Độ rộng góc của TIR lens thường được tính bằng cách lấy điểm có cường độ sáng mạnh nhất làm trục chính, sau đó kéo về 2 phía đối xứng của trục chính và đo lường tại 2 điểm mà tại đó cường độ giảm đi một nữa, giá trị này gọi là FWHM hay độ rộng tại một nữa giá trị cực đại.

FWHM

FWHM

TIR lens được phân loại dựa vào hiệu suất quang học. Kích cỡ của lens và Led tác động đến hiệu suất này, thông số góc FWHM chỉ thể hiện phần nào và không thể đảm bảo tính chính xác

Các loại lens.

RS SS D M O W
phạm vi FWHM 4 độ – 25 độ 8 độ – 25 độ 8 độ – 25 độ 18 độ – 35 độ 8 độ – 20 độ, 40 độ – 50 độ 35 độ – 80 độ
Đỉnh Cd/lm rất cao cao trung bình thấp thấp rất thấp
Phối màu không thấp trung bình trung bình thấp trung bình

Real Spot (RS) lens.

Ống kính RS là thiết bị quang học có điểm chiếu nhỏ nhất trong các loại ống kính. Mục đích chính của loại nào là để tạo ra đỉnh cd/lm cao và loại trừ các yếu tố mà có khả năng gây hiện tượng trộn màu. Điều này dẫn đến những vấn đề nhỏ khó chịu trong việc pha trộn ánh sáng. Dễ dàng nhận ra ống kính kiểu này vì nó có bề mặt được đánh bóng hoàn toàn và một vài loại có lỗ rỗng ở giữa

Smooth Spot (SS) lens.

Sự khác biệt chính giữa SS và RS là bề mặt nhô lên được đánh bóng của ống kính SS. Loại này cho phép phân phối ánh sáng chất lượng tốt hơn, nhưng lại làm giảm đỉnh cd/lm và chùm tia rộng hơn.

Real Spot

Real Spot

 

Smooth Spot

Smooth Spot

Diffused Spot (DS) lens.

Ống kính DS có sự phân bổ ánh sáng mịn nhất so với RS, SS. Cd/lm thấp hơn so với ống kính SS nhưng góc FWHM thì bằng nhau. Bề mặt phía trên có khả năng khuếch tán ánh sáng giúp pha trộn màu sắc nhưng đồng thời làm tăng khả năng chói sáng.

Medium lens.

Sự phân bố ánh sáng của ống kính Medium nằm giữa ống kính Spot (SS, RS) và Wide.

Diffused Spot Lens

Diffused Spot Lens

 

Medium Lens

Medium Lens

Oval lens.

Sự phân bố ánh sáng giống như hình ovan, hẹp một trục và rộng hơn ở trục còn lại.

Wide lens.

Ống kính Wide có sự phân bố ánh sáng rộng nhất trong các loại ống kính. Càng nhiều từ W thì ống kính phân bổ ánh sáng càng rộng.

Oval Lens

Oval Lens

 

Wide Lens

Wide Lens

Trên đây là những thông tin căn bản về TIR lens và một số loại lens trên thị trường, các bạn có thể tìm hiểu các thông tin khác như chip led, led driver hay pin lithium là những bộ phận chính của đèn pin siêu sáng tại chuyên mục Đèn pin.

Các đường link tham khảo.

Guide to Tir lens

How to choose TIR lenses for high power LEDs

Tác giả Tăng Đạt.

Bạn hãy chia sẽ bài viết này nếu thấy hữu ích.
0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x