CHƯƠNG 1.3 Bộ phận thu nhận và xử lí tín hiệu Bộ phận thu nhận và xử lí tín hiệu là các linh kiện điện tử cho phép thu nhận ánh sáng (photon) rồi chuyển đổi thành tín hiệu điện (electron). Bộ phận này có thể là linh kiện thuộc lớp ống chân không như ống nhân quang điện hay lớp linh kiện bán dẫn như photodiode, CCD, CMOS, .1 Ống nhân quang điện Ống nhân quang điện hay PMT (photomultiplier tube) là một linh kiện điện tử thuộc lớp ống chân không, tuy nhiên nó đặc biệt cực kỳ nhạy với ánh sáng trong vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần. Ống nhân quang điện cho phép nhân dòng điện được tạo ra bởi ánh sáng lên 100 triệu lần (160 dB) do đó nó có thể nhận biết đến từng photon riêng lẻ khi ánh sáng tới vô cùng yếu [24].2: Ống nhân quang điện [24]. Ống nhân quang điện thông thường được cấu tạo như hình 1.5, bao gồm một ống thủy tinh được hút chân không, một photocathode, một anode, rất nhiều dynode và một số linh kiện bổ trợ khác.
Khi các photon tới photocathode, các electron của photocathode sẽ hấp thụ năng lượng của photon và thoát khỏi nguyên tử. Bản thân photocathode được làm từ vật liệu cảm quang thích hợp có công thoát electron thấp VNU University of Science Trang 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN do đó electron dễ dàng bật khỏi photocathode. Eletron phát xạ sau đó sẽ được điều hướng và gia tốc bởi điện trường của thấu kính tĩnh điện và di chuyển tới dynode.
Khi đập vào dynode, electron làm bật ra thêm electron mới (electron thứ cấp) với hệ số nhân phụ thuộc vật liệu phủ mặt dynode và động lượng electron, và thường cỡ 5 lần. Dãy dynode có hình dạng và vị trí thích hợp nhằm thực hiện nhiều lần khuếch đại, và kết thúc ở anode, tạo ra dòng xung điện.3: Sơ đồ nguyên lí hoạt động ống nhân quang điện [24]. Sở hữu độ khuếch đại cao, nhiễu thấp, đáp ứng siêu nhanh cùng dải tần số làm việc lớn, tất cả những điều này khiến cho ống nhân quang điện hiên nay vẫn giữ vai trò quan trọng không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực như các thiết bị của ngành vật lý hạt cơ bản, thiên văn, chẩn đoán y tế, thiết bị nhìn đêm.2 Điốt quang Điốt quang (photodiode) là một linh kiện bán dẫn có cấu trúc là lớp hoạt động tiếp giáp p-n. Khi ánh sáng (photon) chiếu vào, bên trong điốt sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống do hiệu ứng quang điện trong.
Nếu sự hấp thụ xảy trong vùng nghèo của lớp tiếp giáp hay vùng khuếch tán, điện trường của vùng nghèo làm các hạt mang điện VNU University of Science Trang 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN dịch chuyển, lỗ trống về anode còn điện tử về cathode, làm phát sinh dòng điện [23].4: Một số loại điốt quang của hãng Thorlab [36]. Thông thường thì điốt có dòng điện dò, ở điốt quang gọi là dòng tối, là dòng khi không có photon chiếu vào. Dòng điện qua điốt quang là tổng của dòng quang điện và dòng dò.
Để tăng độ nhạy cảm biến thì công nghệ chế tạo phải hạn chế được dòng dò. Điốt quang có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin, điều khiển,. liên quang đến ánh sáng. Tùy vào mục đích sử dụng mà điốt quang được chế tạo bằng các loại vật liệu khác nhau dẫn đến việc có các vùng hoạt động riêng biệt.
VNU University of Science Trang 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chất bán dẫn Ký hiệu hóa học Vùng bước sóng Silicon Si 190 - 1100 Germani Ge 400 - 1700 Arsenua indi InAs 800 - 2600 Sulfua chì(II) PbS 1000 – 3500 Tellua cadmi-thủy ngân HgCdTe 400 – 14.000 Tellua cadmi CdTe 5000 – 20.1: Một số loại vật liệu thường được dùng trong chế tạo điốt quang [23].3 CCD Cảm biến CCD (Charged Coupled Device) hay linh kiện điện tử kép được phát minh năm 1970 bởi Willard Boyle và George Smith tại Bell Laboratories, USA (Nobel 2009). CCD ban đầu được phát triển làm bộ nhớ dạng thanh ghi dịch, tuy nhiên việc linh kiện này nhạy với ánh sáng cho thấy một tiềm năng lớn. Nó đã tạo nên một cuộc cách mạng về máy ảnh, chụp ảnh số.
VNU University of Science Trang 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hình 1.5: Burried channel capacitor CCD pixel [4]. Mỗi điểm ảnh của CCD là một tụ điện MOS (Metal - kim loại, Oxide - oxit và Semiconductor - bán dẫn). Như trên hình vẽ tụ điện MOS bao gồm một phiến silic bán dẫn loại p-n.
Trên bề mặt silic loại n có một lớp oxit cách điện và một màng mỏng kim loại trên nó. Khi một điện thế được đặt vào hai đầu của tụ MOS, nó sẽ sinh ra một điện trường làm cho điện tử linh động của bán dẫn bị hút về điện cực đồng thời đẩy lỗ trống ra xa. Kết quả là hình thành một vùng nghèo hạt tải trong bán dẫn, đồng thời về mặt điện thế, vùng nghèo tương ứng với hố thế do đó nếu có electron được sinh ra trong đó thì sẽ bị giữ lại. Khi có ánh sáng (photon) chiếu vào, các điện tử sinh ra do hiệu ứng quang điện ở vùng nghèo này bị giữ lại, nói cách khác tụ điện được tích điện.
Vậy vùng nghèo hay tụ điện tích điện do ánh sáng dọi vào tạo ra, ánh sáng càng mạnh thì tụ điện tích điện càng nhiều. Cuối cùng, điện tích ở mỗi tụ sẽ được đưa ra ngoài trở thành tín hiệu điện áp, lưu trữ rồi xuất ra khỏi cảm biến dưới dạng tín hiệu tương tự [4]. VNU University of Science Trang 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Cảm biến CCD mảng đơn (một chiều) được dùng trong các máy fax, máy scan, và máy đo quang phổ.
Cảm biến CCD mảng hai chiều được sử dụng trong máy quay, máy ảnh kĩ thuật số, webcam, .4 CMOS Cảm biến CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) hay bán dẫn oxit kim loại bù là một loại cảm biến hình ảnh được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số. Chúng được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1993 tại phòng thí nghiệm Jet Propulsion Laboratory (JPL) với mục tiêu sản xuất một cảm biến có hiệu suất tương đương với các cảm biến CCD. Tương tự như CCD, cảm biến CMOS cũng bao gồm các phẩn tử nhạy cảm với ánh sáng tạo thành một mảng, mỗi phần tử có khả năng tạo ra tín hiệu tỷ lệ thuận với ánh sáng tới. Tuy nhiên về cấu trúc và cách thức hoạt động của CMOS thì có sự khác biệt so với CCD.
Mỗi điểm ảnh của CMOS là một photodiode ghép nối với một mạch tích hợp (IC) bao gồm một tụ điện cùng nhiều transistor bổ trợ xung quanh. Ban đầu tụ điện sẽ được nạp đầy bằng một điện thế. Khi quá trình thu ánh sáng băt đầu, điện tích của tụ điện sẽ từ từ chuyển sang photodiode, tốc độ chuyển này tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng tới. Kết thúc quá trình thu ánh sáng, điện tích còn lại trong tụ sẽ được đọc và chuyển đổi thành tín hiệu số [4].
VNU University of Science Trang 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hình 1.6: Cấu trúc của CMOS [4]. Cảm biến CMOS với tốc độ chuyển đổi tín hiệu nhanh nên được sử dụng trong các máy ảnh kĩ thuật số, máy quay phim với tốc độ cao,. Các phần tử của cảm biến CMOS hay CCD chỉ có thể thu được ánh sáng.
Để có thể chụp ảnh có màu sắc, người ta phủ lên trên cảm biến một bộ lọc Bayer giúp các phần tử này có thể thu được những màu riêng biệt. Bộ lọc Bayer gồm các mảng Red, Green, và Blue được xếp xen kẽ với nhau như hình 1. VNU University of Science Trang 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hình 1.7: Bộ lọc Bayer và cách thức hoạt động của bộ lọc [19].
Mỗi mảng Red, Green, và Blue có độ nhạy riêng với từng vùng bước sóng và thường có dạng như hình 1. Do sự có thêm bộ lọc Bayer, độ nhạy của cảm biến CMOS bị ảnh hưởng dẫn đến có những vùng kém nhạy vào khoảng 500 nm và 570 nm.8: Độ nhạy của cảm biến CMOS khi có bộ lọc Bayer và độ nhạy của cảm biến CCD sử dụng trong các máy quang phổ VNU University of Science Trang 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hình 1.9: Nội suy Bayer để tạo nên màu một điểm ảnh Màu sắc của một điểm ảnh được tính theo nội suy Bayer căn cứ trên tín hiệu thu được từ bốn phần tử xung quanh với các giá trị của RGB (hình 1. Cường độ ánh sáng (Luminance) có thể được tính từ các giá trị RGB thông qua công thức [11]: Luminance = 0.4 Các thông số của cảm biến quang học 1.1 Độ nhạy, khoảng hoạt động và giới hạn phát hiện Độ nhạy có thể được hiểu là sự thay đổi tín hiệu quang đo được tương ứng với sự thay đổi lượng chất của đối tượng cần nhận biết.
Tùy thuộc vào bản chất của đối tượng cần nhận biết và quá trình chuyển đổi tín hiệu có thể xây dựng được đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của tín hiệu đầu ra và nồng độ của đối tượng, đồ thị này gọi là "đồ thị hiệu chỉnh" - đường chuẩn (calibration curve). Khoảng hoạt động của cảm biến là khoảng tuyến tính của đồ thị hiệu chỉnh; và độ dốc của đoạn tuyến tính này chính là độ nhạy của cảm biến. Giới hạn phát hiện (limit of dectection - LOD) là giá trị nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện sự hiện diện đối tượng cần nhận biết nhưng không cần định lượng nồng độ chính xác. LOD của cảm biến đối với một đối tượng cần nhận biết được tính VNU University of Science Trang 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN toán theo công thức [30]: Sd LOD = 3.2) b Với Sd là độ lệch chuẩn b là độ dốc của đường chuẩn 1.2 Độ chọn lọc và tin cậy Độ chọn lọc là mức độ tương tác của cảm biến với các đối tượng cụ thể cần nhận biết và hạn chế sự tương tác với các đối tượng khác. Do kết quả phép đo phụ thuộc vào ánh sáng kích thích từ cấu trúc nguyên tử riêng biệt của mỗi chất nên cảm biến quang có tính chọn lọc cao. Độ tin cậy của cảm biến được đánh giá thông qua độ chọn lọc và khả năng lặp lại.