物理學(xué)畢業(yè)論文光電鼠標(biāo)的光學(xué)原理

1、論文目錄1 引言2 2 鼠標(biāo)的發(fā)展史3 3 發(fā)光二極管 4 3.1 led的結(jié)構(gòu) 4 3.2 led的發(fā)光原理 4 3.3 led的光學(xué)特性 5 4 光學(xué)透鏡 7 4.1 光學(xué)透鏡簡介 6 4.2 透鏡的主要公式 7 5 光電傳感器 9 5.1 光電傳感器的工作原理 9 5.2 二種光電效應(yīng)簡介 9 5.2.1 外光電效應(yīng) 9 5.2.2 內(nèi)光電效應(yīng) 10 5.3 cmos圖像傳感器 11 5.3.1 cmos圖像傳感器工作原理12 5.3.2 cmos圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu) 12 6 總結(jié) 13 參考文獻(xiàn) 14 光電鼠標(biāo)的光學(xué)原理 數(shù)理學(xué)院 物理學(xué)專業(yè)物071本 指導(dǎo)老師【摘要】 鼠標(biāo)作為電腦的

2、主要配件，隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，時下最流行的光電鼠標(biāo)也應(yīng)該更新?lián)Q代。光電鼠標(biāo)的定位原理應(yīng)用的是光學(xué)的知識，其中包括發(fā)光二極管，光學(xué)透鏡，光學(xué)傳感器等主要的光學(xué)器件，因此對上述三者的光學(xué)原理進(jìn)行剖析，有助于對光電鼠標(biāo)的進(jìn)一步改良。關(guān)鍵詞：光電鼠標(biāo)；光學(xué)；發(fā)光二極管；光學(xué)透鏡；光學(xué)傳感器optic principles of optical mouse chen chong supervisor:fei jinxi【abstract】as the development of computer technology, the mouse, as the main part of the comput

3、er, 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. therefore the analysis of the three principles of optics ab

4、ove is helpful for the further improvement of the optical mouse.key：optical mouse; optic; led; optical lens; optical sensor1 引言隨著電腦的出現(xiàn)，鼠標(biāo)作為必不可少的器件隨之出現(xiàn)，從最原始的一個木盒子鼠標(biāo)到機(jī)械鼠標(biāo)，再到當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的光電鼠標(biāo)，鼠標(biāo)的作用在人們的生活當(dāng)中可以說相當(dāng)重要。光電鼠標(biāo)主要靠led、光學(xué)透鏡、光電傳感器進(jìn)行定位。led的作用是給鼠標(biāo)提供光源，光學(xué)透鏡有兩面透鏡組成，led射出的光線依次經(jīng)過兩面透鏡會聚到光電傳感器，傳感器有cmos感光器和數(shù)字信號處

5、理器組成，光電傳感器會將拍攝的光信號進(jìn)行放大并投射到cmos矩陣上而形成幀，然后再將成為幀的圖像從光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器。但是隨著科技的發(fā)展，光電鼠標(biāo)慢慢的跟不上人們的要求，因此，利用光學(xué)的原理對光電鼠標(biāo)的三種定位器件進(jìn)行研究，將有利于光電鼠標(biāo)的進(jìn)一步發(fā)展。2 鼠標(biāo)的發(fā)展史鼠標(biāo)是1964年道格拉斯恩格巴特博士（douglas englebart）發(fā)明的，到現(xiàn)在已經(jīng)有30多年的歷史了。1968年12月9日，在美國秋季計(jì)算機(jī)會議上，恩格巴特向與會者展示了他的新發(fā)明：用一一個鍵盤、臺顯示器和一個粗糙的鼠標(biāo)器，遠(yuǎn)程操作25公里以外的一臺簡陋的大型計(jì)算機(jī)，轟動了當(dāng)時仍然采用穿孔卡輸

6、入的電腦領(lǐng)域。所以很多人都把這一天當(dāng)作了鼠標(biāo)的誕生日。在鼠標(biāo)被發(fā)明之前計(jì)算機(jī)的輸入方式大部份以鍵盤為主，使用者要移動光標(biāo)須藉由x及y軸依順序移動，相當(dāng)不方便。為了使計(jì)算機(jī)的操作更加簡便，恩格巴特博士發(fā)明了鼠標(biāo)，來代替鍵盤那繁瑣的指令。第一只鼠標(biāo)是一個小木頭盒子。上個世紀(jì)70年代，美國施樂公司將鼠標(biāo)進(jìn)一步的升級，并在1981年“施樂之星”電腦操作系統(tǒng)誕生之際推出第一只商業(yè)化鼠標(biāo)。但直到蘋果公司以4萬美元從斯坦福研究所買下了鼠標(biāo)生產(chǎn)許可證之后，鼠標(biāo)技術(shù)才算是真正的起飛。1999年微軟生產(chǎn)出世界上第一個光學(xué)鼠標(biāo)產(chǎn)品，其中包括intellimouse explorer。intellimouse opt

7、ical和wheel mouse optical。光學(xué)鼠標(biāo)的誕生也成為從19世紀(jì)60年代鼠標(biāo)誕生以來，在鼠標(biāo)技術(shù)上取得的最大進(jìn)步。 3 發(fā)光二極管3.1 led的結(jié)構(gòu)50年前人們已經(jīng)了解了半導(dǎo)體材料可以產(chǎn)生光線的基礎(chǔ)知識，第一個商用二極管產(chǎn)生于1960年。led的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由pn結(jié)芯片、電極以及光學(xué)系統(tǒng)三部分組成。如果在電極上加上正向偏壓，分別讓電子和空穴注入到p區(qū)和n區(qū)，當(dāng)不平衡的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子復(fù)合時，便會以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能。led的發(fā)光體芯片的面積為10.12mil（1mil=0.0254mm），目前國際上研發(fā)了大芯片的led，芯片面積達(dá)到40mil。led

8、的發(fā)光過程主要包括三個部分：1、正向偏壓下載流子注入；2、復(fù)合輻射；3、光能傳輸。微小的半導(dǎo)體芯片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂中，當(dāng)電子經(jīng)過該芯片時，帶負(fù)電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量越大，產(chǎn)生光子的能量也就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng)，在可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量越高。光子的橘色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的能隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。不同的半導(dǎo)體中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出光的波長越短。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，是鼠標(biāo)中常用

9、的半導(dǎo)體材料，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。3.2 led的發(fā)光原理led是由-族元素化合物，比如幾種半導(dǎo)體材料，像砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵等半導(dǎo)體，它的主要結(jié)構(gòu)是pn結(jié)。所以它具有普通的pn結(jié)的-特性，就是正向?qū)?，反向截止，擊穿特性。除此之外，在一定的外界條件下，它還具有發(fā)光這種特性。在正向電壓作用下下，電子從n區(qū)注入p區(qū)，空穴由p區(qū)注入n區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子一部分與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，如圖1。 圖1 假設(shè)發(fā)光是在p區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與夾帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、

10、價(jià)帶中間）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合時在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近pn結(jié)面數(shù)幾微米以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐證明，發(fā)光的波長或頻率取決于選用的半導(dǎo)體材料的能隙e，e的單位為電子伏（ev）： 式中v電子運(yùn)動速度，h普朗克常量，q載流子所帶電荷，c光速，發(fā)光的波長。若能產(chǎn)生可見光（波長為380780nm），半導(dǎo)體材料的e應(yīng)在3.261.63ev之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠已經(jīng)藍(lán)光led，鼠標(biāo)中的普遍為紅光led。pn結(jié)根據(jù)其端電壓構(gòu)成一定的勢壘；當(dāng)加正向偏置時勢壘下降，p

11、區(qū)和n區(qū)得多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向p區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對p區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴的復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光能的形式釋放。這就是pn結(jié)發(fā)光的原理。3.3 led的光學(xué)特性led有非可見光（紅外光）與可見光兩個系列。非可見光系列l(wèi)ed可用輻射度來量度其光學(xué)特性，可見光系列l(wèi)ed可用光度學(xué)（對可見光的能量計(jì)算計(jì)量的學(xué)科）來量度其光學(xué)特性。1） 發(fā)光強(qiáng)度led發(fā)光強(qiáng)度表征它在某個方向上的發(fā)光強(qiáng)弱，由于led在不同的空間角度發(fā)光強(qiáng)度相差很多，隨之而來是研究led的發(fā)光強(qiáng)度分布特性。這個參數(shù)實(shí)際意義很大，直接影響到led的發(fā)光強(qiáng)度分布特性。 發(fā)

12、光強(qiáng)度是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要的重要性能。led采用的是圓柱、圓球形封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強(qiáng)指向性：位于法向方向發(fā)光強(qiáng)度最大，其與水平面交角為90。當(dāng)偏離法向不同角度時，發(fā)光強(qiáng)度也隨之變化。 發(fā)光強(qiáng)度分布。一種在gap基片上生成的gaasp的發(fā)光分布溫度圖如圖2所示， 圖2 譜線寬度為400，發(fā)射的角度寬度約為22，led的光通量是集中在一定角度發(fā)射出去的。2） 發(fā)光峰值波長及其光譜分布 led所發(fā)的光并非單一波長，其波長基本上按圖3所示分布。由圖3可見，無論什么材料制成的led，led的光譜分布曲線都有一個相對發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)出與之相對應(yīng)的有一個波長，這個波長叫峰值波長，用表示。

13、只有單色光才有波長。led光譜分布于所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)以及pn結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜志）有關(guān)，而與器件的幾何圖形、封裝方式無關(guān)。圖4繪出集中不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制的led光譜響應(yīng)曲線。在圖4中：曲線1是藍(lán)色ingan/gan led,發(fā)光譜峰p=460465nm曲線2是綠色gapn的led，發(fā)光譜峰p=550nm曲線3是紅色gapzn-0的led，發(fā)光譜峰p=680700nm曲線4是使用gaas材料的led，發(fā)光譜峰p=910nm曲線是si光電二極管，通常做光電接收用、圖43） 光通量光通量表征led總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志著器件的性能優(yōu)劣。為led向各個方向發(fā)光的能量之和，它

14、與工作電流有關(guān)。隨著電流增加，led光通量隨之增大。led的光通量的單位為流明（lm）。光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色led的光通量最大約1lm,白光led的=1.51.8lm（小芯片），對于1mm1mm的功率級芯片制成白光led，其=18lm。4 光學(xué)透鏡4.1 光學(xué)透鏡簡介光電鼠標(biāo)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)通常由兩面透鏡組成的。發(fā)光二極管射出的光線先通過一面透光鏡照亮鼠標(biāo)底部表面，而經(jīng)底部反射回來的投影再經(jīng)過另外一面透鏡匯聚到光學(xué)傳感器的小孔里。作為光線傳遞的必經(jīng)之路，透鏡系統(tǒng)的重要性就不言而喻了。由兩個折射面包圍一種透明介質(zhì)形成的光學(xué)零件。單透鏡可以作為一個最簡單的光組

15、。因?yàn)榧庸ず蜋z驗(yàn)比較簡便的原因，透鏡大多數(shù)以球面為主。透鏡中的光焦度為正著稱為正透鏡，因?yàn)槟軐馐鸬綍圩饔茫杂址Q為會聚透鏡。在光電鼠標(biāo)中的兩面透鏡正是會聚透鏡。按照形狀的不同，正透鏡又可以分為雙凸、平凸、和月凸三種類型。4.2 透鏡的主要公式如圖5所示，兩個折射面的半徑分別為和，厚度為d,透鏡玻璃的折射度為n.設(shè)透鏡在空氣中，那么有，。由單個折射面的焦距公式可以得到透鏡的兩個折射面的焦距： 圖5 ， ， 或 者 和是第一和第二折射球面的光焦度。透鏡的光學(xué)間隔為于是透鏡的焦距為設(shè)，把上述寫成光焦度的形式 =利用和可得決定焦點(diǎn)位置的 和的公式 根據(jù)上述公式，可以對各種透鏡的基點(diǎn)位置進(jìn)行具體

16、地分析，以便于對透鏡光學(xué)性質(zhì)的了解。5 光電傳感器5.1 光電傳感器的工作原理 光電傳感器能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成電信號輸出，它是以光為媒，以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器。也就是說，光電效應(yīng)即為光電器件在光能的激發(fā)下產(chǎn)生某些電特性的變化。那為什么光電器件會產(chǎn)生光電效應(yīng)呢？當(dāng)前的物理學(xué)界認(rèn)為，光是由分離的能量團(tuán)（光子）組成的，光子具有波和粒子的特性。把光看成一個波群，這個波群可以認(rèn)為是一個頻率為的振蕩。當(dāng)光照射物體時，相當(dāng)于一連串具有h能量的光子轟擊物體（h為普朗克常量，h=6.62610,為入射光的頻率），由于光子與物質(zhì)間的連接體是電子，則組成物體的電子吸收光子能量，才能發(fā)生相應(yīng)電特性的變化。5.2 二種

17、光電效應(yīng)簡介5.2.1 外光電效應(yīng)在光照射下，電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)也叫光電發(fā)射效應(yīng)。它是在1887年德國科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的。基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。眾所周知，每個光子具有的能量為 式中，e為光子能量；為光子波長；h為普朗克常量；c為光速（m/s）;v為光子頻率。一個電子要從金屬或半導(dǎo)體表面逸出時克服表面勢壘所需作的功稱為逸出功a，亦稱功函數(shù)，它的值與材料有關(guān)，還和材料的表面狀態(tài)有關(guān)。若逸出電子的動能，則由能量守恒定律可以得到 式中，為電子的靜止質(zhì)量， ；為電子逸出物體時的初速度。上式稱為愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。能夠使光電元件產(chǎn)生光電子發(fā)射的光的最低頻

18、率稱為紅限頻率，用表示，由上式可以得到它的值為。不同的物質(zhì)具有不一樣的紅線頻率。當(dāng)入射光的頻率低于紅限頻率時，不論入射光多強(qiáng)，照射的時間多久，都不能激發(fā)出光電子；當(dāng)入射光頻率高于紅限頻率時，不管它多么微弱，也會使被照射的物體激發(fā)光子。光越強(qiáng)，單位時間里入射的光子數(shù)就越多，激發(fā)出的電子數(shù)目就越多，因此光電流也就越大，光電流與入射光成正比。從光開始照射到釋放光電子這一過程幾乎在瞬間發(fā)生，所需的時間不超過。5.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)通過入射光子引起物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子引起物質(zhì)電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光點(diǎn)效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)是在光子與被晶格原子或摻入的雜質(zhì)原子所束縛的電子相互作用的基

19、礎(chǔ)上產(chǎn)生的，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩種。絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體，受光照吸收光子能量以后，產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。這里沒有電子從物質(zhì)內(nèi)部向外發(fā)射，僅僅改變物質(zhì)內(nèi)部的電阻。其工作原理為在入射光作用下，電子吸收光子能量，從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，過渡到自由狀態(tài)，同時價(jià)帶也因此形成自由空穴，致使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴濃度增大，引起材料的電阻率減小。為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子得能量應(yīng)該要大于禁帶寬度，如圖6所示，即光的波長應(yīng)小于某一臨界波長 式中，為禁帶寬度ev,為臨界波長，也成為截止波長。根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度可以得到相應(yīng)的臨界波長。 圖7為光電

20、導(dǎo)元件的工作電路示意圖。圖中光電導(dǎo)元件與偏置電源及負(fù)載電阻串聯(lián)。當(dāng)光電導(dǎo)元件在一定強(qiáng)度下的連續(xù)照射下，元件達(dá)到平衡狀態(tài)時，輸出的短路電流 圖6 圖7 式中，為內(nèi)光量子效率（為光強(qiáng)生成的載流子數(shù)與入射光子數(shù)之比）；p為入射光功率；是多數(shù)載流子的遷移率；為多數(shù)載流子壽命；d為兩電極間距?？梢钥闯?，在波長決定之后與成正比，在一定時，與光波長成正比。光照射引起pn結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。當(dāng)pn結(jié)兩端沒有外加電壓時，在pn結(jié)勢壘區(qū)依然存在著內(nèi)建結(jié)電場，其方向是從n區(qū)只想p區(qū),如圖8所示。當(dāng)光照射在 圖8pn結(jié)上時，若 光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在pn結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，在結(jié)電

21、場作用下，空穴移向p區(qū)，電子移向n區(qū)，電子在n區(qū)積累和空穴在p區(qū)積累使pn結(jié)兩邊的電位發(fā)生變化，pn結(jié)兩端出現(xiàn)一個因光照射而產(chǎn)生的電動勢。5.3 cmos圖像傳感器cmos中文為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。一般所謂cis就是cmos image sensor的縮寫。cmos在數(shù)字科技中是一種可以記錄光線變化的半導(dǎo)體，主要是利用硅和鍺這個兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在cmos上共同存在著n型和p型的半導(dǎo)體，這兩個互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流就可以被處理芯片記錄和解讀成圖像。cmos圖像傳感器和數(shù)字信號處理器共同組成了光學(xué)傳感器的核心部件。 cmos圖像傳感器是一種利用光電技術(shù)原理制造的圖像傳感元件。它的感光像

22、素的構(gòu)成是陣列式結(jié)構(gòu)，主要是以mos電容或p-n結(jié)感光二極管組成。在cmos圖像傳感器的特點(diǎn)中有一個比較特殊的功能模式是：由于芯片的設(shè)計(jì)，每個像素上除了感光部分以外，還有p型與n型的mos晶體管所構(gòu)成的電路，這將使得每個像素感光器所積累的電荷信號能夠以行列式的電極方式隨機(jī)存取。在設(shè)計(jì)方面，cmos圖像傳感器主要可以分成主動像素傳感器和被動像素傳感器兩種。后者的主要設(shè)計(jì)是將每個獨(dú)立的晶體管放置于每個圖像傳感單元 處充當(dāng)開關(guān)，當(dāng)光線激發(fā)出電子后，將電子存儲在電容器中，再由每行末端的放大器讀取位于交會處電容器所積存的電子信號進(jìn)行放大。而前者則是直接在每一單位像素上加大放大器和噪聲控制組件，讓噪聲受到

23、控制，圖像質(zhì)量得到明顯改善。5.3.1 cmos圖像傳感器工作原理外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通 相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及a/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選 擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像 頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭 的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。5.3.2 cmos圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu) 圖9所示是cmos像敏元陣列結(jié)構(gòu)，它由水平位移寄存器，垂直位移寄存器以及cmos像敏元陣組成。圖10是cmos攝像器件原理框圖。像前面所述，每個mos晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動下起開光作用。垂直位移寄存器順次的尋址列陣的各行，