Thiết kế, chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone​

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

LÊ TRẦN THỊNH

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HỌC SỬ DỤNG
SMARTPHONE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

LÊ TRẦN THỊNH

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG HỌC SỬ DỤNG
SMARTPHONE

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440130.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. MAI HỒNG HẠNH

Hà Nội – Năm 2020


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Mai Hồng Hạnh, người
đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn cũng như
trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường. Từ tận đáy lòng em xin kính chúc cơ
cùng gia đình mạnh khoẻ và đạt được nhiều thành công trong các nghiên cứu mới.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô khoa Vật lý - Trường Đại học
KHTN, đặc biệt là các thầy, cô giáo trong bộ môn Quang lượng tử đã hướng
dẫn tạo mọi điều kiện cho em được học tập và hoàn thành luận văn này.

Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo, các cán bộ Phịng Sau đại học,
Phịng Cơng tác và chính trị sinh viên, trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQGHN đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Hoàng, Tâm và các bạn/em khác trong nhóm
đã ln hỗ trợ nhiệt tình cho tơi/anh trong suốt q trình hồn thành luận văn này.

I also would like to thank International Foundation for Science (IFS),
Stock-holm, Sweden, and by the Organisation for the Prohibition of
Chemical Weapons (OPCW) grant for supporting this work.
Hà Nội, tháng 1 năm 2020
Học viên

Lê Trần Thịnh

i

This research was supported by the International Foundation for Science (IFS),
Stockholm, Sweden, and by the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons
(OPCW), through a grant to Dr. Hanh Hong Mai. Grant NO. I-2-W-6258-1

ii


Mục lục

L˝IC MÌN
MƯC LƯC
Danh s¡ch h…nh v‡
Danh s¡ch b£ng
Danh mưc c¡c k‰ hi»u v
M— U
1 TŒng quan
1.1 Cảm biến quang học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1
1.1.2
1.1.3

1.1.4

iii


Mục lục

1.2 Thiết bị cảm biến quang sử dụ
1.2.1

1.2.2

1.3 Một số chất hữu cơ độc hại có
1.3.1

1.3.2

1.3.3

1.3.4

2 Thüc nghi»m

2.1 Cấu trúc thiết bị cảm biến quan
2.1.1
2.1.2

VNU University of Science

Trang iv


2.2

Chuẩn hóa thiết bị . . . . . . . . .

2.3

Nguồn sáng . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1
2.3.2

3

2.4

Các thiết bị đo kiểm chứng . .

2.5

Ứng dụng xử lí ảnh . . . . . . .

K‚t qu£ v
3.1

Kết quả đo phổ hấp thụ của thiết
3.1.1
3.1.2
3.1.3

3.2

Kết quả đo phổ huỳnh quang c

smartphone . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1
3.3
4

Kết quả đo phổ bằng ứng dụn

K‚t lu“n

T i li»u tham kh£o
DANH MÖC C C C˘NG TR NH KHOA HCCNG Bă LI N
QUAN NLU NV N

v


Danh sách hình vẽ

1.1

Sơ đồ cảm biến quang học. . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Ống nhân quang điện [24]. . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

Sơ đồ nguyên lí hoạt động ống nhân quang điện

1.4

Một số loại điốt quang của hãng Thorlab [36]. .

1.5

Burried channel capacitor CCD pixel [4]. . . . . .

1.6

Cấu trúc của CMOS [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.7

Bộ lọc Bayer và cách thức hoạt động của bộ lọc

1.8

Độ nhạy của cảm biến CMOS khi có bộ lọc Baye

cảm biến CCD sử dụng trong các máy quang p
1.9

Nội suy Bayer để tạo nên màu một điểm ảnh . .

1.10

Hình ảnh của điện thoại thơng minh của một số hãn

1.11

Ánh sáng truyền qua dung dịch . . . . . . . . . . . . .

1.12

Nguyên lý hoạt động của máy đo màu [17]. . . .

1.13

Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để

streptomycin và hình ảnh camera ghi nhận được kh
qua mẫu Streptomycin) [16]. . . . . . . . . . . . . . .
1.14

Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để

tetracycline trong sữa (trái), và sự thay đổi màu sắc

nồng độ tetracycline thay đổi với các màu hộp khá

C và D là các màu sắc khác nhau của hộp đựng h

vi


Danh sách hình vẽ

1.15

Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để
thủy ngân [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.16

Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ [29]. .

1.17

Bên trong máy quang phổ Ocean Optics USB400

1.18

Một khe hẹp của hãng Thorlab với độ rộng khe là 2

1.19

Một số lăng kính của hãng Thorlab với các vật liệu

1.20

Trong lăng kính tán sắc, chiết suất phụ thuộc vào bư

các màu khác nhau khúc xạ ở các góc khác nhau
trắng bị tách thành phổ [25]. . . . . . . . . . . . . . . .
1.21

Cách tử nhiễu xạ của hãng Thorlab [38]. . . . . .

1.22

(a) Cách tử phản xạ: ánh sáng tới và các tia nhiễu

một phía của cách tử.(b) Cách tử truyền qua: ánh s

nhiễu xạ nằm về hai phía của cách tử [5]. . . . .
1.23

Cách tử nhiễu xạ lý tưởng và cách tử DVD . . . .

1.24

Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để đ

quả thu được từ thiết bị với các dung dịch có nồng đ

từ 4 đến 9 tăng dần tương ứng từ (i) đến (vii) [1
1.25

Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone để

và kết quả thu được từ thiết bị với dung dịch ABTS

glucose theo thời gian [15]. . . . . . . . . . . . . . . . .
1.26

Thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone đa kên

ELISA (trái), và hình ảnh chụp được từ camera c

nồng độ BSA từ 0.125–1.5 mg/mL (phải)[8]. . . .
2.1

Sơ đồ nguyên lý đo phổ hấp thụ của một kênh

2.2

a) Phổ của đèn LED trước (Io) và sau khi đi qua mẫ

damine B (I) được đo bằng thiết bị Avantes, b) Phổ

damine B sau khi được tính tốn . . . . . . . . . . .
2.3

VNU University of Science

Sơ đồ nguyên lý phép đo huỳnh quang của một k

Trang vii


Danh sách hình vẽ

2.4

Mơ hình của tồn bộ thiết bị được dựng bằng phần

2.5

Hình vẽ phối cảnh của bộ phận gá mẫu và nguồn s
cho phép đo hấp thụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.6

Hình vẽ từ trên xuống của bộ phận gá mẫu . . .

2.7

Hình vẽ phối cảnh bộ phận gá mẫu và nguồn sáng

cho phép đo huỳnh quang . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8

Hình vẽ phối cảnh bộ phận cách tử . . . . . . . . .

2.9

Hình ảnh của thiết bị khi chưa lắp thêm phần nguồ

đo huỳnh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10

Hình ảnh của thiết bị khi lắp thêm phần nguồn s
huỳnh quang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.11

Hình ảnh đèn thủy ngân (trái), và phổ đèn thủy ngân

bị Avantes (phải) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12

Phổ đèn thủy ngân thu được từ thiết bị cảm biến qua

phone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.13

Sự phụ thuộc của bước sóng vào vị trí điểm ảnh

2.14

Hình ảnh của laser điơt được sử dụng trong phép đo

và phổ tương ứng của laser điôt (phải) . . . . . . .
2.15

Công suất của laser điot theo thời gian . . . . . . .

2.16

Hình ảnh của đèn LED được gắn trên thiết bị cảm bi

smartphone (trái),và phổ tương ứng của đèn LED (p

bị cảm biến quang (nét liền) và đo bằng thiết bị Ava
2.17

Hai vị trí bước sóng 449 nm và 534 nm trên phổ c

2.18

Tỉ số I=Io theo thời gian (Io là cường độ sáng khi v

2.19

Phổ đèn LED đo bằng thiết bị cảm biến quang tạ

2.20

Bộ thiết bị quang phổ của hãng Avantes. . . . . .

2.21

Thiết bị AvaSpec-ULS2048LTEC-RS-USB2 . .

2.22

Hệ gá mẫu CUV-ALL-UV/VIS (trái), sợi quang FC-

VNU University of Science

Trang viii


Danh sách hình vẽ

2.23 Sơ đồ hệ đo hấp thụ và huỳnh quang sử dụng hệ quang phổ Avantes. .
59

2.24 Ảnh thu được từ đo hấp thụ mẫu Rohdamin B với các nồng độ khác
nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

3.1 a) Phổ hấp thụ của Methyl Orange đo bằng thiết bị cảm biến quang

với các nồng độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. b) Phổ
hấp thụ của Methyl Orange đo bằng thiết bị Avantes với các nồng
độ Methyl Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Methyl Orange bằng thiết bị
cảm biến quang (ký hiệu - hình trịn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu
- hình vng) và đo tại bước sóng 463 nm với các nồng độ Methyl

Orange từ 0.01 mM – 0.035 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 a) Phổ hấp thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị cảm biến quang
với các nồng độ Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. b) Phổ hấp
thụ của Methyl Violet đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ
Methyl Violet từ 0.005 mM – 0.03 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4 Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Methyl Violet bằng thiết bị cảm biến
quang (ký hiệu - hình trịn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu - hình
vng) và đo tại bước sóng 569 nm với các nồng độ Methyl Violet từ

0.005 mM – 0.03 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.5 a) Phổ hấp thụ của Rodamine B đo bằng thiết bị cảm biến quang với
các nồng độ Rodamine B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. b) Phổ hấp thụ
của Rodamine B đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Rodamine

B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.6
Đường chuẩn đo phổ hấp thụ của Rhodamine B bằng thiết bị cảm
biến quang (ký hiệu - hình trịn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu hình vng) và đo tại bước sóng 563 nm với các nồng độ Rhodamine

B từ 0.0025 mM – 0.009 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

VNU University of Science

69

Trang ix


Danh sách hình vẽ

3.7 a) Phổ huỳnh quang của Coumarin đo bằng thiết bị cảm biến quang với
các nồng độ Coumarin từ 0.002 mM – 0.017 mM. b) phổ huỳnh quang
của Coumarin đo bằng thiết bị Avantes với các nồng độ Coumarin

từ 0.002 mM – 0.017 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.8
Đường chuẩn đo phổ huỳnh quang của Coumarin bằng thiết bị cảm
biến quang (ký hiệu - hình trịn) và bằng thiết bị Avantes (ký hiệu hình vng) và đo tại bước sóng 526 nm với các nồng độ Coumarin

từ 0.002 mM – 0.017 mM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.9
Giao diện của Ứng dụng (App) sau khi xử lý ảnh và cho ra đồ thị biểu
diễn phổ hấp thụ theo bước sóng của Rohdamin B ở sáu kênh.
..
74

VNU University of Science

..

Trang x

Danh sách bảng

1.1 Một số loại vật liệu thường được dùng trong chế tạo điốt quang [23]. .
10

3.1 Nồng độ các mẫu Methyl Orange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

3.2 Nồng độ các mẫu Methyl Violet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

3.3 Nồng độ các mẫu Rhodamine B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

3.4 Nồng độ các mẫu Coumarin
....................
70

..

3.5 Nồng độ các mẫu Rhodamine B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73


xi

Danh mục các kí hiệu và chữ viết tắt

PLA - Polylactic Acids
CCD - Charge Coupled Device - linh kiện tích điện kép
CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - bán dẫn oxit kim loại

bù
LOD - Limit of detection - giới hạn phát hiện
AuNP - Gold nanoparticle - hạt nano vàng

ELISA - Enzyme-linked Immunosorbent assay - xét nghiệm miễn dịch
enzyme pha rắn
LED - Light Emitting Diode - điốt phát quang

xii


MỞ ĐẦU

Ở

Việt Nam trong thời gian gần đây, các thông tin về ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt

xuất hiện tràn ngập trên các báo đài. Tại các khu công nghiệp hàng trăm đơn vị sản xuất
lớn nhỏ, hàng tấn nước thải chưa qua xử lí hoặc chưa xử lí theo đúng quy trình đã được
xả trực tiếp vào đường ống, các chất ô nhiễm hữu cơ, các kim loại đã thâm nhập vào
nguồn nước. Không chỉ ở các khu công nghiệp thì ngay các làng nghề thủ cơng truyền
thống hay khu chăn nuôi, chế biến thực phẩm nước thải từ các hoạt động sản xuất khơng
được xử lí cũng được thải trực tiếp ra môi trường, đặc biệt chúng thường nằm ngay trong

khu dân cư [1]. Ơ nhiễm nước khơng chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến mơi trường mà cịn là
mối nguy hại lớn với sức khỏe người dân. Theo thống kê mỗi năm có đến 9000 người
chết vì ơ nhiễm nguồn nước, và phát hiện 100.000 trường hợp ung thư mỗi năm mà
nguyên nhân chính là do sử dụng nguồn nước ô nhiễm [2]. Khảo sát 37 xã mang tên
“làng ung thư” đã có 1.136 người chết vì các bệnh ung thư. Ngồi ra, cịn có 380 người ở
các xã lân cận cũng chết bởi ung thư [3].
Hiện nay, để đánh giá mức độ ơ nhiễm đã có rất nhiều phương pháp lý, hóa được
đưa vào sử dụng. Trong các phương pháp lý nổi bật là phép đó quang học (huỳnh quang,
hấp thụ, truyền qua), đây là những một trong những phép đo nhanh, chính xác, khơng
phá hủy mẫu và thường được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu, xác định định lượng sự có
mặt của các chất trong mẫu ở nồng độ rất thấp. Để tiến hành các phép đo này, người ta
thường sử dụng các thiết bị phân tích quang phổ đắt tiền và được đặt cố định trong
phịng thí nghiệm. Mặc dù các thiết bị này có độ nhạy, độ tin cậy cao, và khả năng xác
định sự có có mặt của các chất ở nồng độ rất thấp nhưng chúng

1


thường cồng kềnh, chi phí cao và bản thân các phép đo phải được thực hiện bởi các
kỹ thuật viên có tay nghề, trình độ cao trong ngành quang học. Với mong muốn khắc
phục những khó khăn này, các nhà khoa học đang hướng tới việc phát triển các thiết
bị quang học cầm tay, nhỏ gọn, với độ tin cậy cao, đặc biệt là phát triển các cảm biến
quang học cầm tay sử dụng điện thoại thông minh (smartphone) [9][10][7][6].
Trong những năm gần đây, smartphone đang dần trở nên phổ biến và là một phần
trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Smartphone ngày càng được trang bị những
vi xử lí mạnh mẽ với khả năng tính tốn cực lớn cùng với đó là những cơng nghệ bên

trong smartphone cung cấp nhiều tính năng cho các ứng dụng khác nhau. Đặc biệt
các smartphone hiện nay đều được tích hợp thêm camera (máy ảnh kĩ thuật số). Với
sự phát triển của công nghệ cảm biến ảnh CMOS, chất lượng của các camera trên

smartphone đang có những cải tiến và nâng cấp vượt trội. Nhiều nhóm nghiên cứu
trên thế giới hiện đang tích cực phát triển hoặc chuyển đổi smartphone thành cơng cụ
cảm biến quang học cho các ứng dụng khác nhau như đo quang phổ [9], đo độ màu
[10], cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt [7], nhận diện thuốc [6].

Nguyên lý hoạt động của các thiết bị này đó là sử dụng một nguồn sáng ở
bên ngoài (LED, Laser, nguồn đèn) chiếu vào mẫu, ánh sáng sau khi tương tác
với mẫu sẽ được đưa qua hệ thống thấu kính và cách tử để tán xạ và cuối cùng là
được chiếu tới CMOS của smartphone. Các CMOS này có thể được sử dụng như
một đầu dò (detetor) để xử lý các tín hiệu quang học đưa với độ tin cậy cao. Cùng
với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CMOS kết hợp những đặc tính nổi bật
của smartphone như có khả năng kết nối internet, các phần mềm ứng dụng thông
minh, dễ sử dụng, hiển thị dễ dàng nên các thiết bị cảm biến quang học dựa trên
điện thoại thông minh có những đặc tính nổi trội như giá thành rẻ, nhỏ gọn, dễ sử
dụng, dễ vận chuyển và thân thiện với người dùng.
Mặc dù các thiết bị quang học được phát triển dựa trên smartphone có những ưu
điểm nổi bật, hứa hẹn nhiều tiềm năng nhưng đây vẫn là một hướng nghiên mới và

2


Danh sách bảng
việc ứng dụng các thiết bị này trong khoa học và trong cuộc sống trên thế giới
và đặc biệt tại Việt Nam cịn rất hạn chế. Do đó tác giả đã đưa ra đề tài: "Thiết
kế, chế tạo cảm biến quang học sử dụng smartphone", nhằm hướng tới
việc tạo ra một thiết bị sử dụng smartphone để xác định nồng độ các chất hữu
cơ độc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thực phẩm
như Rohdamin B, Methyl Violet, Methyl Orange và Coumarin trong nước.
Thiết bị sử dụng cách tử nhiễu xạ từ DVD, phần khung được làm từ vật liệu
Polylactic Acids (PLA) sử dụng cơng nghệ in 3D. Thiết bị có băng thơng 300nm (từ

400nm đến 700nm) với độ phân giải 0,168 nm/pixel. Đặc biệt thiết bị cho phép đo
được nhiều mẫu trong một phép đo giúp tiết kiệm thời gian nhưng vẫn giữ được
thiết kế đơn giản. Sau khi được chế tạo thiết bị được thử nghiệm trong việc xác
định nồng độ các chất hữu cơ độc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và
cơng nghiệp thực phẩm. Độ chính xác của thiết bị được đánh giá thông qua việc
so sánh với kết quả thu được từ thiết bị đo trong phòng thí nghiệm.

Luận văn bao gồm 4 chương:
• Chương 1: Tổng quan
Trình bày tổng quan về cảm biến quang học cũng như nguyên lý hoạt
động chung thiết bị cảm biến quang sử dụng smartphone dựa trên
phép đo độ màu và phép đo quang phổ. Trình bày một số ứng dụng
của các thiết bị cảm biến quang dựa trên smartphone.
• Chương 2: Thực nghiệm
Trình bày quy trình xây dựng thiết bị cảm biến quang sử dụng
smartphone dựa trên phép đo quang phổ và chuẩn hóa thiết bị.
• Chương 3: Kết quả và thảo luận
Khảo sát thiết bị cảm biến quang dựa trên smartphone. Trình bày kết quả thu
được từ phép đo hấp thụ và huỳnh quang để xác định nồng độ các chất hữu cơ
độc hại, bị cấm trong công nghiệp dệt nhuộm và công nghiệp thực phẩm như

VNU University of Science

Trang 3


Danh sách bảng
Rohdamin B, Methyl Violet, Methyl Orange và Coumarin trong nước.
• Chương 4: Kết luận
Kết luận chung của tồn luận văn.

VNU University of Science

Trang 4


Chương 1 Tổng quan

1.1 C£m bi‚n quang håc
Cảm biến quang học là một thiết bị có khả năng cung cấp thơng tin từ tín hiệu
quang học. Cảm biến quang học có khả năng thu nhận tin hiệu quang từ các đối
tượng cần nhận biết sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể xử lí và đọc được.

So với các loại cảm biến khác như cảm biến điện tử, điện hóa, hóa học hoặc
cơ học, cảm biến quang nổi bật với những ưu điểm như cho kết quả nhanh, chính
xác, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngồi và đặc biệt là khơng phá hủy mẫu.
Cảm biến quang học được sử dụng nhiều trong hóa phân tích và vật lý, như đo
phổ huỳnh quang, phổ tán xạ Raman, đo độ màu và bề mặt cộng hưởng plasmon.
Cảm biến quang học sẽ bao gồm 3 bộ phận chính như trong hình 1.1: (1) Bộ
phận nhận biết dùng để tạo ra các tín hiệu quang đặc trưng của các đối tượng cần
nhận biết. (2) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu đóng vai trị chuyển đổi tín hiệu phức
tạp thành tín hiệu đã được phân tách. (3) Bộ phận thu nhận và xử lí tín hiệu đóng
vai trị tiếp nhận các tín hiệu quang và chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể xử lí
và đọc được, từ đây đưa ra thông tin về đối tượng cần nhận biêt.

5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.1: Sơ đồ cảm biến quang học.

1.1.1 Bº ph“n nh“n bi‚t
Bộ phận nhận biết có chức năng tương tác với các đối tượng cần nhận biết được
đưa vào hệ thống cảm biến nhằm tạo ra tín hiệu quang đặc trưng. Các đối tượng nhận
biết là các mẫu chất hóa học dưới những dạng như dung dịch, dạng màng, bột, ...

Trong các cảm biến đo phổ huỳnh quang, bộ phận nhận biết là nguồn
sáng có khả năng kích thích mẫu để tạo ra ánh sáng huỳnh quang. Trong
các cảm biến đo độ màu và đo phổ hấp thụ, bộ phận nhận biết là nguồn
sáng có phổ nằm trong vùng hấp thụ của mẫu.

1.1.2 Bº ph“n chuy”n

Œi t‰n hi»u

Tín hiệu quang từ bộ phận nhận biết đi tới bộ phận chuyển đổi thường là ánh sáng
đa sắc. Các ánh sáng này sau khi ra khỏi bộ phận chuyển đổi sẽ trở thành các tia đơn
sắc. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu thường là một hệ thống các linh kiện quang học.

VNU University of Science

Trang 6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1.3 Bº ph“n thu nh“n v xß l‰ t‰n hi»u
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 kin bỏn dn nh photodiode, CCD, CMOS, ...

1.1.3.1 ăng nhƠn quang

i»n

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 vơ cùng yếu [24].

Hình 1.2: 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 cơng thoát electron thấp

VNU University of Science

Trang 7


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.

Hình 1.3: Sơ đồ ngun 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 trị quan trọng khơng thể thay thế trong nhiều lĩnh vực như các thiết bị của
ngành vật lý hạt cơ bản, thiên văn, chẩn đốn y tế, thiết bị nhìn đêm...

1.1.3.2

iŁt 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


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
dịch chuyển, lỗ trống về anode còn điện tử về cathode, làm phát sinh dịng điện [23].

Hình 1.4: Một số loại điốt quang của hãng Thorlab [36].

Thông thường thì điốt có dịng điện dị, ở điốt quang gọi là dịng tối, là
dịng khi khơng 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 cơng nghệ chế
tạo phải hạn chế được dịng dị.
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


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Bảng 1.1: Một số loại vật liệu thường được dùng trong chế tạo điốt quang [23].

1.1.3.3 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