1、10论文目录1 引言 .2 2 鼠标的发展史 .3 3 发光二极管 . 4 3.1 LED 的结构 . 4 3.2 LED 的发光原理 . 4 3.3 LED 的光学特性 . 5 4 光学透镜 . 7 4.1 光学透镜简介 . 6 4.2 透镜的主要公式 . 7 5 光电传感器 . 9 5.1 光电传感器的工作原理 . 9 5.2 二种光电效应简介 . 9 5.2.1 外光电效应 . 9 5.2.2 内光电效应 . 10 5.3 CMOS 图像传感器 . 11 5.3.1 CMOS 图像传感器工作原理 .12 5.3.2 CMOS 图像传感器阵列结构 . 12 6 总结 . 13 参考文献 .
2、 14 11光电鼠标的光学原理数理学院 物理学专业物071本 陈冲 指导老师：费金喜【摘要】 鼠标作为电脑的主要配件，随着电脑技术的发展，时下最流行的光电鼠标也应该更新换代。光电鼠标的定位原理应用的是光学的知识，其中包括发光二极管，光学透镜，光学传感器等主要的光学器件，因此对上述三者的光学原理进行剖析，有助于对光电鼠标的进一步改良。关键词：光电鼠标；光学；发光二极管；光学透镜；光学传感器Optic Principles of Optical Mouse Chen chong Supervisor:fei jinxi【Abstract】As the development of computer
3、 technology, the mouse, as the main part of the computer, the most popular photoelectric mouse should also be upgraded. The positioning principle of photoelectric mouse applies the optical knowledge which contains the main optical devices such as LED, optical lens, optical sensor and the like. There
4、fore the analysis of the three Principles of Optics above is helpful for the further improvement of the optical mouse.Key：Optical mouse; optic; LED; optical lens; optical sensor121 引言随着电脑的出现，鼠标作为必不可少的器件随之出现，从最原始的一个木盒子鼠标到机械鼠标，再到当前应用最广泛的光电鼠标，鼠标的作用在人们的生活当中可以说相当重要。光电鼠标主要靠LED、光学透镜、光电传感器进行定位。LED的作用是给鼠标提供光
5、源，光学透镜有两面透镜组成，LED射出的光线依次经过两面透镜会聚到光电传感器，传感器有CMOS感光器和数字信号处理器组成，光电传感器会将拍摄的光信号进行放大并投射到CMOS矩阵上而形成帧，然后再将成为帧的图像从光信号转换为电信号，最后传输到数字信号处理器 。但是随着科技的8发展，光电鼠标慢慢的跟不上人们的要求，因此，利用光学的原理对光电鼠标的三种定位器件进行研究，将有利于光电鼠标的进一步发展。2 鼠标的发展史鼠标是 1964 年道格拉斯恩格巴特博士（Douglas Englebart）发明的，到现在已经有 30多年的历史了。1968 年 12 月 9 日，在美国秋季计算机会议上，恩格巴特向与会
6、者展示了他的新发明：用一一个键盘、台显示器和一个粗糙的鼠标器，远程操作 25 公里以外的一台简陋的大型计算机，轰动了当时仍然采用穿孔卡输入的电脑领域。所以很多人都把这一天当作了鼠标的诞生日。在鼠标被发明之前计算机的输入方式大部份以键盘为主，使用者要移动光标须藉由 X 及Y 轴依顺序移动，相当不方便。为了使计算机的操作更加简便，恩格巴特博士发明了鼠标，来代替键盘那繁琐的指令。第一只鼠标是一个小木头盒子。上个世纪 70 年代，美国施乐公司将鼠标进一步的升级，并在 1981 年“施乐之星”电脑操作系统诞生之际推出第一只商业化鼠标。但直到苹果公司以 4 万美元从斯坦福研究所买下了鼠标生产许可证之后，鼠
7、标技术才算是真正的起飞。1999 年微软生产出世界上第一个光学鼠标产品，其中包括 IntelliMouse Explorer。IntelliMouse Optical 和 wheel Mouse Optical。光学鼠标的诞生也成为从 19 世纪60 年代鼠标诞生以来，在鼠标技术上取得的最大进步。 133 发光二极管3.1 LED 的结构50 年前人们已经了解了半导体材料可以产生光线的基础知识，第一个商用二极管产生于1960 年。LED 的内部结构主要是由 PN 结芯片、电极以及光学系统三部分组成。如果在电极上加上正向偏压，分别让电子和空穴注入到 P 区和 N 区，当不平衡的多数载流子和少数载
8、流子复合时，便会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能 。 LED 的发光体芯片的面积为110.12mil （1mil=0.0254mm） ，目前国际上研发了大芯片的 LED，芯片面积达到 40mil 。LED 的2 2发光过程主要包括三个部分：1、正向偏压下载流子注入；2、复合辐射；3、光能传输。微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂中，当电子经过该芯片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量越大，产生光子的能量也就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量越高。光子的橘色光、红色光携带的能
9、量最少。由于不同的材料具有不同的能隙，从而能够发出不同颜色的光 。1不同的半导体中电子和空穴所处的能量状态不同。电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出光的波长越短。磷砷化镓二极管发红光，是鼠标中常用的半导体材料，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。3.2 LED 的发光原理LED 是由-族元素化合物，比如几种半导体材料，像砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等半导体，它的主要结构是 PN 结。所以它具有普通的 PN 结的-特性，就是正向导通，反向截止，击穿特性。除此之外，在一定的外界条件下，它还具有发光这种特性。在正向电压作用下下，电子从 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入
10、 N 区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光，如图 1。图 1假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与夹带空穴直接复合而发光，或者先被发14光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合时在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近 PN 结面数几微米以内产生。理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙 E ，E 的单位为电子伏（eV）：gqhcvnmEgg1240式中 v电子运动
11、速度，h普朗克常量，q载流子所带电荷，c光速，发光的波长。若能产生可见光（波长为 380780nm） ，半导体材料的 E 应在 3.261.63eV 之间。比红光g波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿已经蓝光 LED，鼠标中的普遍为红光 LED。PN结根据其端电压构成一定的势垒；当加正向偏置时势垒下降，P 区和 N 区得多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率 比空穴迁移率大得多，出现大量电子向 P 区扩散，构成对 P 区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴的复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是 PN结发光的原理 。23.3 LED 的光学特性LED 有非可见光（红外光）与可
12、见光两个系列。非可见光系列 LED 可用辐射度来量度其光学特性，可见光系列 LED 可用光度学（对可见光的能量计算计量的学科）来量度其光学特性。1） 发光强度LED 发光强度表征它在某个方向上的发光强弱，由于 LED 在不同的空间角度发光强度相差很多，随之而来是研究 LED 的发光强度分布特性。这个参数实际意义很大，直接影响到 LED 的发光强度分布特性。 发光强度是表征发光器件发光强弱的重要的重要性能。LED 采用的是圆柱、圆球形封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向发光强度最大，其与水平面交角为 90。当偏离法向不同角度时，发光强度也随之变化 。1 发光强度分布。一种在
13、GaP 基片上生成的 GaAsP 的发光分布温度图如图2 所示， 15图 2 谱线宽度为 400 ，发射的角度宽度约为 22，LED 的光通量是集中在一定角度发A射出去的。2） 发光峰值波长及其光谱分布LED 所发的光并非单一波长，其波长基本上按图 3 所示分布。由图 3 可见，无论什么材料制成的 LED，LED 的光谱分布曲线都有一个相对发光强度最强出与之相对应的有一个波长，这个波长叫峰值波长，用 表示。只有单色光才有 波长 。o o1LED 光谱分布于所用化合物半导体种类、性质以及 PN 结结构（外延层厚度、掺杂杂志）有关，而与器件的几何图形、封装方式无关。图 4 绘出集中不同化合物半导体
14、及掺杂制的 LED 光谱响应曲线。在图 4 中：曲线 1 是蓝色 InGaN/GaN LED,发光谱峰 p=460465nm曲线 2 是绿色 GaPN 的 LED，发光谱峰 p=550nm曲线 3 是红色 GaPZn-0 的 LED，发光谱峰 p=680700nm曲线 4 是使用 GaAs 材料的 LED，发光谱峰 p=910nm曲线是 Si 光电二极管，通常做光电接收用、图 4163） 光通量光通量 表征 LED 总光输出的辐射能量，它标志着器件的性能优劣。 为 LED 向各个方向发光的能量之和，它与工作电流有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。LED 的光通量的单位为流明（lm） 。
15、光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED 的光通量最大约 1lm,白光 LED 的 =1.51.8lm（小芯片） ，对于 1mm1mm 的功率级芯片制成白光 LED，其 =18lm 。14 光学透镜4.1 光学透镜简介光电鼠标的光学透镜系统通常由两面透镜组成的。发光二极管射出的光线先通过一面透光镜照亮鼠标底部表面，而经底部反射回来的投影再经过另外一面透镜汇聚到光学传感器的小孔里。作为光线传递的必经之路，透镜系统的重要性就不言而喻了 。由两个折射面包围一种透8明介质形成的光学零件。单透镜可以作为一个最简单的光组。因为加工和检验比较简便的原因，透镜大多数以球面为主。透镜中
16、的光焦度为正着称为正透镜，因为能对光束起到会聚作用，所以又称为会聚透镜。在光电鼠标中的两面透镜正是会聚透镜。按照形状的不同，正透镜又可以分为双凸、平凸、和月凸三种类型 。34.2 透镜的主要公式如图 5 所示，两个折射面的半径分别为 和 ，厚度为 d,透镜玻璃的折射01r2r度为 n.设透镜在空气中，那么有 ， ， 。由单个折射面的焦距公式可以1nn21得到透镜的两个折射面的焦距： 17图 5 ， 1-1nrf1nrf， 2f 12nrf或 者 11rnf 22rf和 是第一和第二折射球面的光焦度。透镜的光学间隔 为12 1-21ndrfd于是透镜的焦距为 fdnrff 1122设 ， ，把上
17、述写成光焦度的形式1r2r=2121dnn212n利用 和 可得决定焦点位置的 和 的公式1fdl 2flF Fl 11dnfdflF182211dnffdlF根据上述公式，可以对各种透镜的基点位置进行具体地分析，以便于对透镜光学性质的了解。35 光电传感器5.1 光电传感器的工作原理光电传感器能够将光信号转换成电信号输出，它是以光为媒，以光电效应为基础的传感器。也就是说，光电效应即为光电器件在光能的激发下产生某些电特性的变化。那为什么光电器件会产生光电效应呢？当前的物理学界认为，光是由分离的能量团（光子）组成的，光子具有波和粒子的特性。把光看成一个波群，这个波群可以认为是一个频率为 的振荡。
18、当光照射物体时，相当于一连串具有 h 能量的光子轰击物体（h 为普朗克常量，h=6.62610 , 为入射光的频率） ，由于光子与物质间的连接体是电子，则组成物体的s34J电子吸收光子能量，才能发生相应电特性的变化 。45.2 二种光电效应简介5.2.1 外光电效应在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应也叫光电发射效应。它是在 1887 年德国科学家赫兹发现的。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。众所周知，每个光子具有的能量为 式中，E 为光子能量； 为光子波长；hchv为普朗克常量；c 为光速（m/s）;v 为光子频率。一个电子要从金属或半导体表面逸出时克服表面势
19、垒所需作的功称为逸出功 A，亦称功函数，它的值与材料有关，还和材料的表面状态有关。若逸出电子的动能 ，则由能量守恒定律201mv可以得到 式中， 为电子的静止质量， ； 为电AmvhE201 kg319.0v子逸出物体时的初速度。上式称为爱因斯坦的光电效应方程。能够使光电元件产生光电子发射的光的最低频率称为红限频率，用 表示，由上式可以得到它的值为 。0 hAv019不同的物质具有不一样的红线频率。当入射光的频率低于红限频率时，不论入射光多强，照射的时间多久，都不能激发出光电子；当入射光频率高于红限频率时，不管它多么微弱，也会使被照射的物体激发光子。光越强，单位时间里入射的光子数就越多，激发出
20、的电子数目就越多，因此光电流也就越大，光电流与入射光成正比。从光开始照射到释放光电子这一过程几乎在瞬间发生，所需的时间不超过 。s9-1045.2.2 内光电效应通过入射光子引起物质内部产生光生载流子，这些光生载流子引起物质电学性质发生变化，这种现象称为内光点效应。内光电效应是在光子与被晶格原子或掺入的杂质原子所束缚的电子相互作用的基础上产生的，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两种。绝大多数的高电阻率半导体，受光照吸收光子能量以后，产生电阻率降低而易于导电的现象，这种现象称为光电导效应。这里没有电子从物质内部向外发射，仅仅改变物质内部的电阻。其工作原理为在入射光作用下，电子吸收光子能量，从价带激发到导带，过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料的电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子得能量 应该要大于禁带宽度 ，如图 6 所示，0EgE即光的波长应小于某一临界波长ghc12390式中， 为禁带宽度 eV, , 为临界波长，也成为截止波长。根据半gEJeV196.10导体材料不同的禁带宽度可以得到相应的临界波长。图 7 为光电导元件的工作电路示意图。图中光电导元件与偏置电源及负载电阻 串联。LR当光电导元件在一定强度下的连续照射下，元件达到平衡状态时，输出的短路电流hcdUePi20
