Bề mặt của cách tử được gia công bằng nhiệt để tạo nên các khối tuần hoàn liên tục. Các khối này cao khoảng 1 micron, gây ra sự chuyển pha bước sóng khoảng 4 đơn vị ở khu vực 400nm và 2 đến 3 đơn vị ở khu vực 700nm.
Ngồi ra, từ hình ảnh này, ta có thể khẳng định:
- Khi sử dụng tổ hợp cách tử với mặt sần của cách tử thứ ba hướng về phía camera, sự kết hợp của sóng ánh sáng sẽ khơng xảy ra trong vật liệu nhựa làm cách tử, mà xảy ra khơng khí.
- Hiện tượng phản xạ sẽ xảy ra giống như khi ánh sáng đi qua tấm kính mỏng và khơng ảnh hưởng tới kết quả hình ảnh thu được.
- Ánh sáng lạc (stray light) xuất hiện do những lỗi gồ ghề trên bề mặt các cách tử. Tuy nhiên chỉ có một phần trăm rất nhỏ những ánh sáng lạc này đi tới được camera và chúng sau này sẽ được mơ hình hóa và xử lý bởi phần mềm đi cùng với thiết bị.
Sử dụng tổ hợp các cách tử truyền qua để thu được một ảnh duy nhất của cả dải phổ vào một thời điểm, sau đó dùng phần mềm phân tích ảnh để cho ra kết quả của tâm và các bậc phổ. Dựa vào hình ảnh thu được, căn chỉnh góc và các đặc điểm cấu tạo của cách tử theo thời gian thực, từ đó chọn ra cấu hình tối ưu cho hệ cách tử. Bên cạnh đó, các cách tử được quét dưới kính hiển vi điện tử kể kiểm tra chính xác cấu tạo bề mặt, giúp cho việc định hình lý thuyết về đường đi của ánh sáng thành phần khi đi qua hệ cách tử. Kết quả thu được lần lượt từ các thí nghiệm là:
Nếu thay đổi góc giữa các cách tử và ghi lại kết quả hình ảnh bằng camera. Kết quả cho thấy mơ hình phổ thu được có sự tuần hồn liên tục. Sự tuần hồn này được lặp lại sau mỗi góc quay 30 độ.
Cấu hình thứ hai cho các bậc phổ sắc nét và tâm phổ nhỏ, không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tràn photon (bão hịa photon) trên ơ nhận của camera.
Khi sử dụng tổ hợp cách tử với mặt sần của cách tử thứ ba hướng về phía camera, sự kết hợp của sóng ánh sáng sẽ khơng xảy ra trong vật liệu nhựa làm cách tử, mà xảy ra khơng khí.
Như vậy hệ thống cách tử sẽ được sắp xếp theo thứ tự ba cách tử sẽ được kết hợp với nhau theo góc lệch 30 độ, mặt nhẵn và mặt sần được đan xen với nhau như phương án 2 trong thí nghiệm thứ hai. Khi đặt vào hệ thống, mặt sần của hệ ba cách tử hướng về phía camera.
3.1.4 Nghiên cứu lựa chọn gương
Trong phần này, thực nghiệm sẽ tiến hành thay đổi các phương án trực chuẩn ánh sáng từ nguồn sáng tới các cách tử nhằm chọn ra phương án cân bằng giữa giá thành và chất lượng.
- Hệ thấu kính
Mơ hình sơ khai của máy đo quang này là quang hệ gồm một lỗ kim (pinhole) và hai thấu kính khơng màu A, B: một đặt giữa nguồn sáng L và mẫu M, một đặt giữa mẫu M và cách tử (hình 3.14 a); và thấu kính đơn lắp đặt trong thiết bị (hình 3.14 b).
a) Hệ thấu kính b) Thấu kính đơn lắp trong thiết bị Hình 3.14: Hình ảnh hệ thấu kính và sơ đồ lắp đặt hệ thấu kính trong thiết bị.
Loại thấu kính được lựa chọn phải đảm bảo giảm thiểu quang sai, đặc biệt là quang sai màu đối với toàn bộ dải quang phổ (ánh sáng trắng). Trong thiết kế, vị trí của hai thấu kính này được thay đổi nhằm thu được toàn bộ ánh sáng từ đèn LED đi qua mẫu và tới detector.
Thấu kính sử dụng trong thiết bị phải là thấu kính khơng màu. Loại được chọn là thấu kính kép phủ màng MgF2 có tác dụng chống phản xạ. Hai lớp thấu kính gắn với nhau được tính tốn để loại bỏ quang sai màu và tối ưu cho các ứng
dụng hình ảnh đa sắc. Quang hệ này cho kết quả hình ảnh như mong muốn, nhưng độ lặp lại thấp trong những lần thí nghiệm khác nhau. Phổ thu được khi sử dụng thấu kính Edmund Optic thu được ở hình 3.14.
Hình 3.15: Ảnh phổ thu được khi sử dụng thấu kính đơn.
- Gương parabol lệch tâm
Nhằm thu gọn thiết bị, thay vì quang hệ trải dài theo một trục dọc như phương án 1, gương parabol lệch tâm đã được thử nghiệm (hình 3.15). Thay vì sử dụng hai gương như trong hệ Czerny – Turner, gương parabol lệch tâm vừa có tác dụng trực chuẩn ánh sáng, vừa có tác dụng điều hướng ánh sáng.
Hình 3.16: Vị trí đặt gương parabol lệch tâm (OAP mirror) trong máy chế tạo.
Hình 3.17: Chi tiết thiết kế của gương parabol lệch tâm (Edmund Optic)
Hình 3.18: Ảnh phổ thu được khi sử dụng thấu kính Edmund Optic.
Kết quả hình ảnh như mong muốn, độ lặp lại cao, độ phân giải tốt, tuy nhiên tất cả phụ thuộc vào giá thành và chất lượng của thấu kính này ($800). Phương án này sẽ được ứng dụng vào các phát triển cao cấp hơn sau này của máy quang phổ.
Hình 3.19: Ảnh phổ thu được khi sử dụng thấu kính đơn.
Gương parabol lệch tâm cho kết quả ảnh phổ ổn định, thu gọn sản phẩm hơn và có khả năng sản xuất ở Việt Nam cao hơn so với phương án sử dụng các thấu kính. Giá thành của thiết bị cũng sẽ từ đó mà giảm một cách đáng kể. Hiện tại phương án sản xuất gương là đúc nguyên khối, mô phỏng theo mẫu gương từ nhà sản xuất Edmund Optic. Mặt phản xạ được tráng siêu mỏng bằng từ tính. Tuy nhiên để bắt đầu làm khn đúc, cần phải phân tích thị trường tiềm năng cho sản phẩm để số lượng gương cần sản xuất lên đến con số vài nghìn nhằm bảo tồn nguồn vốn bỏ ra.
Thay đổi các phương án trực chuẩn ánh sáng từ nguồn sáng tới các cách tử nhằm chọn ra phương án cân bằng giữa giá thành và chất lượng. Các thí nghiệm được thực hiện với 3 phương án. Phương án 1 cho độ lặp lại kém, phương án 2 độ lặp lại tốt, hình ảnh như mong muốn nhưn giá thành chế tạo gương cao. Phương án 3 gương parabol lệch tâm cho kết quả ảnh phổ ổn định, thu gọn sản phẩm hơn và có
khả năng sản xuất ở Việt Nam cao hơn so với phương án sử dụng các thấu kính. Giá thành của thiết bị cũng sẽ từ đó mà giảm một cách đáng kể.
Hình 3.20: Ảnh phổ thu được khi sử dụng parabol lệch tâm.
Trên cơ sở nghiên cứu lựa chọn ảnh phổ thu được từ camera theo tiêu chí thu được phổ đồng đều từ dải ánh sáng đồng tâm, thiết bị sẽ được chế tạo theo phương án đúc khuôn nếu sản xuất đồng loạt. Hiện tại với 5 thiết bị mẫu gương sẽ sử dụng của hãng Edmund Optic.
3.1.5 Nghiên cứu lựa chọn cuvett
Lựa chọn vật liệu làm cuvet
Có rất nhiều loại cuvet dùng cho thiết bị đo quang như cuvet thạch anh, cuvet nhựa hoặc cuvet thủy tinh. Tùy từng vùng phổ mà chọn loại vật liệu nào. Các vùng phổ của từng loại cuvet như sau:
Cuvette thủy tinh: Bước sóng đo chính xác vùng bước sóng: 320 - 2500nm. Cuvette nhựa PS: Bước sóng đo chính xác vùng bước sóng: 340 - 800nm. Cuvette nhựa PMMA: Bước sóng đo chính xác vùng bước sóng: 280 - 800nm.
Các loại vật liệu khác nhau làm cuvet có mức độ hấp thụ các tia sáng vùng UV-VIS khác nhau. Đối với vùng tử ngoại thì ngoại trừ vật liệu cuvet là thạch anh còn lại các loại cuvet khác đều hấp thụ mạnh ánh sáng vùng này. Tuy nhiên, trong vùng khả kiến thì sự truyền qua của ánh sáng là gần 100 %.
Vì thiết bị đo dùng đèn LED có bước sóng nằm trong vùng khả kiến nên có thể chọn cuvet nhựa (nếu đo mẫu là dung dịch nước) hoặc dung mơi hữu cơ thì cần dùng cuvet thủy tinh mà không cần dùng cuvet thạch anh giá thành cao.
Dựa vào nguồn cung ổn định và giá thành rất thấp, hiện chỉ khoảng, cuvet polystyrene trụ vng, cho bước sóng truyền qua từ 488nm đến 633nm đã được lựa chọn. Trên thị trường hiện nay, cuvettes nhựa PS cho máy quang phổ, kích thước phổ biến là 10x10x45 cm, dung tích 2-4 ml - Hộp đựng 100cái. Xuất xứ: Aptaca – Ý hoặc Nhật , Trung Quốc có giá thành khoảng 1- 0,15 USD/chiếc. Do vậy, rất nhiều phịng thí nghiệm hiện nay sử dụng cuvet nhựa dùng một lần.
Lựa chọn bề dày cuvet
Theo định luật Lambe- Bia, độ hấp thụ quang A tỷ lệ thuận với bề dày lớp hấp thụ hay bề dày cuvet theo công thức A= lC. Do vậy chiều dày cuvet càng lớn thì độ nhạy các phép đo quang càng được cải thiện. Các máy đo quang trước đây có rất nhiều loại bề dày lớp hấp thụ khác nhau như 1 cm, 5 cm, 10 cm hay 20 cm.
Với các thế hệ máy đo quang cũ, detector là tế bào quang điện và kỹ thuật đọc tín hiệu là analog thì độ nhạy kém nên nhà sản xuất thường chế tạo các vị trí buồng đo phù hợp với nhiều loại cuvet có bề dày khác nhau. Ngày nay, khi sử dụng detector là nhân quang điện và xử lý tín hiệu dạng digital thì các máy đo quang thế
hệ mới chỉ cịn thiết kế cho cuvet có chiều dày 1 cm và trên thị trường chỉ còn các loại cuvet 1cm.
Trong nghiên cứu của chúng tơi, với mục đích của thiết bị là phải nhỏ gọn và giá thành thấp nên chúng tôi lựa chọn cuvet đã được thương mại hóa hiện nay là 1cm và làm bằng nhựa hoặc thủy tinh tùy theo loại mẫu mà người phân tích sử dụng là dung mơi nước hay dung mơi hữu cơ (hình 3.21).
Hình 3.21: Cuvet lựa chọn cho thiết bị đo quang cầm tay.
Kích thước viền ngồi của cuvet tại đáy là 12.5mm. Riêng phần nhám ở trên dày 0.1mm nên phần miệng cuvet có kích thước 12.6mm.
Buồng cuvet
Sau khi lựa chọn được loại cuvet, vị trí buồng cuvet trong thiết bị đo quang được thiết kế như ở hình 3.21.
Khi đặt vào thiết bị đo, hai cạnh của cuvet tiếp xúc với phần khung thiết bị cố định. Hai cạnh còn lại tiếp xúc với lò xo miếng.
Phần miệng cuvet được gia cố bằng hai miếng nhựa nhỏ liền với vỏ ngoài thiết bị tối hoàn toàn để ngăn hiện tượng tia lạc đi vào buồng tối và làm cho kết quả không tuân theo định luật Lamber- Bia.
Hình 3.22: Vị trí buồng cuvet trong máy đo.
3.1.6 Lựa chọn lắp đặt detector
Một số loại camera đã được thử nghiệm trong quá trình nghiên cứu này, bao gồm các camera 3 Megapixels, 5 Megapixel của Omnivision và MightEx. Loại detector đầu tiên là Omnivision 3 Megapixels điều khiển bởi bảng mạch điện tử đi kèm. Detector thứ hai là MightEx 5 Megapixel. Detector thứ ba là e-Con Systems 5 Megapixel. Loại cuối cùng được sản xuất riêng phù hợp với hệ thống thiết bị gồm bảng điều khiển Cypress Systems với chip Omnivision 5 Megapixels. Đây là các loại camera thường có mặt trong các sản phẩm điện thoại thơng minh và có khả năng trở thành cảm biến quang tạo phổ. [31], [32]
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
i). Camera Omnivision 3 Megapixels cho kết quả ổn định, tuy nhiên, phần tùy chỉnh thời gian phơi sáng và một số yếu tố liên quan không được nhà sản xuất cung cấp nên quá trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào căn chỉnh các thành phần
khác của thiết bị. Mặt khác, với sự phát triển của ngành điện tử trên toàn thế giới, 3 Megapixels trở nên quá thấp đối với hầu hết các loại camera trên thị trường, thậm chí thấp hơn cả camera trên thiết bị di động cellphone, smartphone. Do vậy, nghiên cứu sau này đều sử dụng 5 Megapixels.
ii). Camera MightEx 5 Megapixel cho phép người sử dụng toàn quyền điều khiển các thông số, đặc biệt là thời gian phơi sáng, độ bão hòa của ảnh. Tuy nhiên, bộ điều khiển đi kèm của camera này khá cồng kềnh so với kích thước đã định của thiết bị đo quang phổ. Hơn nữa, giá của MightEx 5 Megapixel cao hơn nhiều so với mục tiêu giá thành thiết bị nên camera này cũng chỉ được sử dụng để nghiên cứu. Tuy vậy, MightEx 5 Megapixel đã hỗ trợ đắc lực cho q trình hồn thiện thuật tốn trong phần mềm và giúp nghiên cứu sâu hơn về vùng tâm ảnh.
iii). Camera e-Con Systems 5 Megapixel được tối ưu hóa để chụp nhanh (snapshot) nhằm thu ngắn thời gian chụp cho mỗi mẫu. Nó hiện là camera dùng phổ biến trong các máy ảnh tầm trung hiện nay. Tuy nhiên, nó khơng đáp ứng đủ yêu cầu về thời gian phơi sáng và dạng dữ liệu thu được chỉ là dạng thu gọn (resized) mà không phải dạng nguyên gốc (raw).
Sau các thử nghiệm với các loại camera và bộ điều khiển trên, chip Omnivision đã được chọn để sử dụng, nhưng số Megapixel là 5; đi kèm với bảng mạch được thiết kế riêng, đặc biệt cho các tùy chỉnh của máy ở mức giá thành hợp lý Cypress Systems. Khi bán trên thị trường, camera này đi kèm bảng mạch điện tử để đấu nối với nguồn ni thiết bị (hình 3.23) và đặt mua tại địa chỉ: http://www.e- consystems.com/webstore.asp#USB2.
a) Camera e-Con Systems 5 Megapixel USB 2.0 Camera e-CAM51_USB 5.0 MP HD USB Camera Board
5.0 MP UVC and UAC auto focus HD camera module works with USB interfaces that supports high speed
Quantity Price/Unit Credit card/Paypal
5 units* $79
250 units $65
1000 units $49
5000 units $35
* Ships Immediately **
b)Thông số kỹ thuật camera trên trang web.
Hình 3.23: Sơ đồ chi tiết Camera (a) và thông số cụ thể camera lựa chọn trong thiết bị chế tạo (b)
3.2 Ứng dụng phần mềm Spectroburst để xử lý tín hiệu hình ảnh
3.2.1 Ngun tắc xây dựng
Phần mềm có nhiệm vụ cơ bản là thu nhận và xử lý tín hiệu đo, chuyển từ dữ liệu ảnh sang dữ liệu số và xây dựng mối quan hệ giữa dữ liệu thu được với nồng độ chất phân tích trong mẫu, kết hợp với các chức năng lưu trữ. [25]
+ Sau khi chụp bức ảnh có màu sắc là các dải màu đơn sắc sau khi ánh sáng trắng đi qua mẫu rồi qua cách tử, thì tiến hành phân tích màu sắc trên mỗi điểm ảnh của bức ảnh chụp mẫu thành 3 thành phần màu cơ bản (red, green, blue).
+ Cường độ ánh sáng của bức ảnh được tính là tổng của 3 thành phần màu này
Itotal = Ired + Igreen + Iblue
+ Xác định được cường độ ánh sáng tại mỗi điểm ảnh (I ) Tính độ hấp thụ A(λ)=ε(λ)bC theo cơng thức
ε(λ)bC=-log10(I(λ)/I0(λ))
trong đó:
λ là bước sóng được chọn để đo định lượng, thường là bước sóng cực đại (I0) là cường độ ánh sáng thu được từ ảnh chụp mẫu trắng hoặc từ phần đen của bức ảnh
(I ) là cường độ các điểm thuộc dải phổ
Tại mỗi bước sóng, sẽ thu được một giá trị độ hấp thụ quang theo phương pháp trên và sẽ vẽ được độ hấp thụ quang.
Để tăng độ nhạy của thiết bị phân tích, hình ảnh thu được là tập hợp các bậc phổ khác nhau từ tâm bức ảnh ra ngồi (hình 3.42).
Hình 3.24: Hình ảnh chụp được về màu sắc của ánh sáng trắng sau khi qua mẫu và qua cách tử.
Trong ảnh chụp, bậc 0 là tâm ảnh. Từ bậc 1 đến bậc 3 là các bậc khả dụng, tính từ tâm ảnh ra ngồi. Bằng cách hiệu chỉnh nguồn sáng sẽ thu được các bậc phổ với cường độ sáng giảm dần và chiều dài dải phổ tăng – chính điều này làm tăng độ nhạy thiết bị.
Ngồi ra, mặc dù hình ảnh mang tính đối xứng cao (về lý thuyết, chỉ 1/8 ảnh đã có thể cho kết quả) nhưng tồn bộ các bậc phổ đều được tính tốn và lấy kết quả trung bình để tăng độ chụm của kết quả đo. Mặt khác, độ lặp lại của các hình ảnh thu được giữa các lần chụp cùng một mẫu, phụ thuộc vào:
- Vị trí camera, độ lệch tâm, xoay ảnh… sẽ được xử lý bằng phương pháp phân tích dữ liệu ảnh để ứng với mọi vị trí camera, hướng xoay v.v… đều cho ra một kết quả.