Cảm biến quang là gì?

Photodetector, hay còn gọi là cảm biến quang học, là thiết bị dùng để phát hiện ánh sáng hoặc các dạng bức xạ điện từ khác, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện. Đây là thành phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như: Chụp ảnh kỹ thuật số, truyền thông quang học, nghiên cứu khoa học, tự động hóa công nghiệp.

Các loại phổ biến bao gồm điốt quang, transistor quang và ống nhân quang, mỗi loại phù hợp với từng mục đích sử dụng cụ thể. Pin mặt trời, có chức năng chuyển đổi ánh sáng thành điện, cũng là một loại bộ tách sóng quang.

Phân loại Photodetector

Cảm biến quang học có thể được phân loại theo cơ chế hoạt động và cấu trúc thiết bị như sau:

Dựa trên cơ chế hoạt động

Máy dò quang có thể được phân loại theo cơ chế phát hiện của chúng:

• Hiệu ứng quang dẫn: Các máy dò này hoạt động bằng cách thay đổi độ dẫn điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Ánh sáng tới tạo ra các cặp electron-lỗ trống trong vật liệu, làm thay đổi độ dẫn điện của nó. Máy dò quang dẫn thường được chế tạo bằng chất bán dẫn.
• Hiệu ứng quang phát xạ hoặc hiệu ứng quang điện: Photon làm cho các electron chuyển từ vùng dẫn của vật liệu sang các electron tự do trong chân không hoặc khí.
• Hiệu ứng nhiệt: Photon làm cho các electron chuyển sang trạng thái khe hở giữa rồi phân rã trở lại các vùng thấp hơn, tạo ra phonon và do đó tạo ra nhiệt.
• Hiệu ứng phân cực: Photon gây ra sự thay đổi trạng thái phân cực của vật liệu thích hợp, điều này có thể dẫn đến thay đổi chiết suất hoặc các hiệu ứng phân cực khác.
• Hiệu ứng quang hóa: Photon gây ra sự thay đổi hóa học trong vật liệu.
• Hiệu ứng tương tác yếu: photon gây ra các hiệu ứng thứ cấp như trong máy dò lực cản photon hoặc thay đổi áp suất khí trong pin Golay.

Dựa trên cấu trúc thiết bị

Dựa trên cấu trúc thiết bị, bộ tách sóng quang có thể được phân loại thành các loại sau:

• Bộ tách sóng quang MSM: Bộ tách sóng quang kim loại-bán dẫn-kim loại (MSM) bao gồm một lớp bán dẫn kẹp giữa hai điện cực kim loại.
• Điốt quang: Điốt quang là loại bộ tách sóng quang phổ biến nhất.
• Điốt quang tuyết lở (APD): APD là loại điốt quang chuyên dụng tích hợp kỹ thuật nhân tuyết lở.
• Thiết bị ghép điện tích (CCD): CCD là cảm biến hình ảnh được cấu tạo từ một mảng tụ điện nhỏ.
• Cảm biến hình ảnh CMOS (CIS): Cảm biến hình ảnh CMOS dựa trên công nghệ bán dẫn kim loại-ôxít-ôxít bổ sung (CMOS).
• Ống nhân quang (PMT): PMT là loại ống chân không dùng để tách sóng quang.

Thuộc tính

Có một số chỉ số hiệu suất, còn được gọi là hệ số hiệu suất, dùng để phân loại và so sánh các bộ tách sóng quang.

• Hiệu suất lượng tử: Số lượng hạt mang (electron hoặc lỗ trống) được tạo ra trên mỗi photon.
• Độ nhạy: Dòng điện đầu ra chia cho tổng công suất ánh sáng chiếu vào bộ tách sóng quang.
• Công suất tương đương nhiễu: Lượng công suất ánh sáng cần thiết để tạo ra tín hiệu có kích thước tương đương với nhiễu của thiết bị.
• Độ phát hiện: Căn bậc hai của diện tích bộ tách sóng chia cho công suất tương đương nhiễu.
• Độ khuếch đại: Dòng điện đầu ra của bộ tách sóng quang chia cho dòng điện được tạo ra trực tiếp bởi các photon chiếu vào bộ tách sóng, tức là độ khuếch đại dòng điện tích hợp.
• Dòng điện tối: Dòng điện chạy qua bộ tách sóng quang ngay cả khi không có ánh sáng.
• Thời gian đáp ứng: Thời gian cần thiết để bộ tách sóng quang chuyển từ 10% đến 90% công suất đầu ra cuối cùng.
• Phổ nhiễu: Điện áp hoặc dòng điện nhiễu nội tại theo hàm số của tần số. Điều này có thể được biểu diễn dưới dạng mật độ phổ nhiễu.
• Độ phi tuyến: Đầu ra RF bị giới hạn bởi tính phi tuyến tính của bộ tách sóng quang
• Phản hồi theo phổ: Đáp ứng của bộ tách sóng quang theo hàm số của tần số photon.

Phân nhóm

Được phân loại theo cơ chế, máy dò quang bao gồm các thiết bị sau:

Phân nhóm dựa vào phát xạ quang hoặc quang điện

• Ống nhân quang điện
• Máy dò ion hóa khí
• Ống quang điện chứa một quang catốt
• Máy dò tấm vi kênh.

Phân nhóm dựa vào chất bán dẫn

• Cảm biến điểm ảnh chủ động (APS)
• Bức xạ Cadmium Zinc Telurid
• Máy dò hồng ngoại HgCdTe.
• Thiết bị ghép điện tích (CCD)
• Điện trở quang hoặc Điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR)
• Điốt quang
• Transistor quang
• Quang dẫn chấm lượng tử hoặc Điốt quang
• Máy dò bán dẫn
• Máy dò trôi silicon (SDD)

Phân nhóm dựa vào nhiệt

• Máy đo bức xạ điện từ đo công suất bức xạ điện từ chiếu tới
• Máy dò nhiệt độ thấp
• Máy dò nhiệt điện
• Tấm nhiệt điện phát hiện bức xạ điện từ
• Tế bào Golay phát hiện photon

Phân nhóm dựa vào quang hóa

• Các tế bào thụ cảm ánh sáng trong võng mạc phát hiện ánh sáng thông qua
• Các máy dò hóa học, chẳng hạn như các tấm phim ảnh, trong đó một phân tử halogen bạc được phân tách thành một nguyên tử bạc kim loại và một nguyên tử halogen.

Phân nhóm dựa vào phân cực

• Hiệu ứng khúc xạ quang được sử dụng trong lưu trữ dữ liệu toàn ảnh.
• Các bộ tách sóng quang nhạy cảm với phân cực sử dụng vật liệu dị hướng quang học để phát hiện các photon có phân cực tuyến tính mong muốn.

Ứng dụng

Các thiết bị cảm biến ánh sáng – đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

• Thiết bị điện tử tiêu dùng: Được sử dụng trong các cảm biến CCD và CMOS của máy ảnh, thiết bị lưu trữ quang học như đầu đọc CD/DVD.
• Viễn thông: Ứng dụng trong truyền dữ liệu tốc độ cao qua cáp quang (fiber optic communication).
• Nghiên cứu khoa học: Dùng trong quang phổ học (spectroscopy), phát hiện hạt (particle detection) và thiên văn học (astronomy).
• Tự động hóa công nghiệp: Ứng dụng trong máy quét mã vạch, hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng quang học.
• Thiết bị y tế: Sử dụng trong các thiết bị như máy đo nồng độ oxy trong máu (pulse oximeter) và ống nội soi (endoscope).
• Giám sát môi trường: Được tích hợp trong cảm biến đo chất lượng không khí và nước, thiết bị dự báo thời tiết.

Những tiến bộ và xu hướng tương lai

Các phát triển gần đây trong công nghệ cảm biến quang học bao gồm:

• Cảm biến tốc độ cao: Được phát triển để phục vụ truyền tải dữ liệu quang học nhanh hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các hệ thống viễn thông tốc độ cao.
• Cảm biến lượng tử: Ứng dụng trong máy tính lượng tử và mã hóa lượng tử, nơi yêu cầu phát hiện ánh sáng cực kỳ nhạy và chính xác ở cấp độ photon đơn lẻ.
• Vật liệu mới: Sử dụng các vật liệu tiên tiến như hợp chất hữu cơ và perovskite để chế tạo cảm biến có tính linh hoạt cao, phù hợp với thiết bị điện tử dẻo, cảm biến đeo, hoặc thiết bị uốn cong.
• Tích hợp trí tuệ nhân tạo: Kết hợp cảm biến với các công nghệ AI để xử lý hình ảnh nâng cao, đặc biệt trong các hệ thống tự động, xe tự lái, và robot công nghiệp thông minh.

Trong tương lai, các hướng nghiên cứu trọng tâm bao gồm: Tăng độ nhạy của cảm biến, giảm nhiễu, mở rộng dải bước sóng khả dụng