物理学[毕业论文]

论文成绩 学年论文 题题 目目 光学研究光学研究 姓姓 名名 蔡燕山 学学 号号 1110407010 专业年级专业年级 11 级物理学 指导教师指导教师 卢德华 20142014 年年 9 9 月月 1 1 日日 2 论文目录论文目录 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. 14 3 【摘要摘要】 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：关键词：光电鼠标；光学；发光二极管；光学透镜；光学传感器 OpticOptic PrinciplesPrinciples ofof OpticalOptical MouseMouse Chen chong Supervisor:fei jinxi 【AbstractAbstract】As the development of computer 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. Therefore the analysis of the three Principles of Optics above is helpful for the further improvement of the optical mouse. KeyKey：Optical mouse; optic; LED; optical lens; optical sensor 4 1 1 引言引言 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。但是随着科技的发展，光电鼠 8 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 2 鼠标的发展史鼠标的发展史 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。 5 3 3 发光二极管发光二极管 3.13.1 LEDLED 的结构的结构 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 10.12mil （1mil=0.0254mm） ，目前国际上研发 12 了大芯片的 LED，芯片面积达到 40mil 。LED 的发光过程主要包括三个部分：1、正 2 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。 3.23.2 LEDLED 的发光原理的发光原理 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 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。 6 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）： gg q hc q hv E g nmE qE hc g g 1240 式中 v电子运动速度，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 g 之间。比红光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。 2 3.33.3 LEDLED 的光学特性的光学特性 LED 有非可见光（红外光）与可见光两个系列。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 7 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 GaP 基片上生成的 GaAsP 的发光分布温 度图如图 2 所示， 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 A 一定角度发射出去的。 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 oo 。 1 LED 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 化合物半导体及掺杂制的 LED 光谱响应曲线。在图 4 中： 8 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 4 3） 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） 。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。 1 4 4 光学透镜光学透镜 4.14.1 光学透镜简介光学透镜简介 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明介质形成的光学零件。单透镜可以作为一个最 8 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 9 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。 3 4.24.2 透镜的主要公式透镜的主要公式 如图 5 所示，两个折射面的半径分别为和，厚度为 d,透镜玻0 11 rr0 22 rr 璃的折射度为 n.设透镜在空气中，那么有，。由单个折射1 1 nnnn 21 1 2 n 面的焦距公式可以得到透镜的两个折射面的焦距： 图 5 ， 1 - 1 1 n r f 1 1 1 n nr f ， 1 2 2 n nr f 1 2 2 n r f 或 者 111 1 11 r n ff n 222 2 11 r n f n f 和是第一和第二折射球面的光焦度。透镜的光学间隔为 1 2 1 1 - 12 21 n dnrrn ffd 于是透镜的焦距为 f dnrrnn rnrff f 11 12 2121 10 设，把上述写成光焦度的形式 11 1 r 22 1 r = 21 2 21 1 1d n n n 2121 n d 利用和可得决定焦点位置的 和的公式 1 1 f d fl 2 1 f d flF F l F l 1 1 1 11d n n f f d flF 2 2 1 11d n n f f d flF 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。 3 5 5 光电传感器光电传感器 5.15.1 光电传感器的工作原理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。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s 34 J 于光子与物质间的连接体是电子，则组成物体的电子吸收光子能量，才能发生相应 电特性的变化。 4 5.25.2 二种光电效应简介二种光电效应简介 5.2.15.2.1 外光电效应外光电效应 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 11 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 c hhvE 子波长；h 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 ，则由能量守恒定律可以得到 式中，为电子的静止质量， 2 0 2 1 mvAmvhvE 2 0 2 1 m ；为电子逸出物体时的初速度。上式称为爱因斯坦的光电效kgm 31 101091 . 9 0 v 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， 0 v 由上式可以得到它的值为。hAv 0 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s 9- 10 。 4 5.2.25.2.2 内光电效应内光电效应 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， 12 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 0 E 于禁带宽度，如图 6 所示，即光的波长应小于某一临界波长 g E gg EE hc12390 0 式中，为禁带宽度 eV,为临界波长，也成为截止波长。 g EJeV 19 1060 . 1 1 0 根据半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。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 L R 的短路电流 hcd UeP i cc 2 0 图 6 图 7 式中，为内光量子效率（为光强生成的载流子数与入射光子数之比） ；P 为入射 光功率；是多数载流子的迁移率；为多数载流子寿命；d 为两电极间距。 c c 可以看出，在波长决定之后与成正比，在一定时，与光波长成正比。 0 iPP 3 13 光照射引起 PN 结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。当 PN 结两端没有 外加电压时，在 PN 结势垒区依然存在着内建结电场，其方向是从 N 区只想 P 区,如 图 8 所示。当光照射在 图 8 PN 结上时，若 光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则在 PN 结内产生电子 空穴对，在结电场作用下，空穴移向 P 区，电子移向 N 区，电子在 N 区积累和空 穴在 P 区积累使 PN 结两边的电位发生变化，PN 结两端出现一个因光照射而产生的 电动势。 4 5.35.3 CMOSCMOS 图像传感器图像传感器 CMOS 中文为互补金属氧化物半导体。一般所谓 CIS 就是 CMOS Image Sensor 的 缩写。CMOS 在数字科技中是一种可以记录光线变化的半导体，主要是利用硅和锗这 个两种元素所做成的半导体，使其在 CMOS 上共同存在着 N 型和 P 型的半导体，这两 个互补效应所产生的电流就可以被处理芯片记录和解读成图像。CMOS 图像传感 5 器和数字信号处理器共同组成了光学传感器的核心部件。 CMOS 图像传感器是一种利用光电技术原理制造的图像传感元件。它的感光像素 的构成是阵列式结构，主要是以 MOS 电容或 p-n 结感光二极管组成。在 CMOS 图像传 感器的特点中有一个比较特殊的功能模式是：由于芯片的设计，每个像素上除了感 光部分以外，还有 P 型与 N 型的 MOS 晶体管所构成的电路，这将使得每个像素感光 器所积累的电荷信号能够以行列式的电极方式随机存取。在设计方面，CMOS 图像传 感器主要可以分成主动像素传感器和被动像素传感器两种。后者的主要设计是将每 个独立的晶体管放置于每个图像传感单元 处充当开关，当光线激发出电子后，将电 子存储在电容器中，再由每行末端的放大器读取位于交会处电容器所积存的电子信 14 号进行放大。而前者则是直接在每一单位像素上加大放大器和噪声控制组件，让噪 声受到控制，图像质量得到明显改善。 6 5.3.15.3.1 CMOSCMOS 图像传感器工作原理图像传感器工作原理 外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择 逻辑单元根据需要，选通 相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所 在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及 A/D 转换器，转换成数字图像 信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择 逻辑单元与列选 择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理 单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量 7 合格的实用摄像 头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控 制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。 为了便于摄像头 的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始 信号、场起始信号等。 8 5.3.25.3.2 CMOSCMOS 图像传感器阵列结构图像传感器阵列结构 图 9 所示是 CMOS 像敏元阵列结构，它由水平位移寄存器，垂直位移寄存器以 及 CMOS 像敏元阵组成。图 10 是 CMOS 摄像器件原理框图。像前面所述，每个 MOS 9 晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开光作用。垂直位移寄存器顺次的寻 址列阵的各行，水平位移寄存器从左到右顺次的接通起水平扫描作用的 MOS 晶体管， 也就是寻址列的作用。每一个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的 MOS 晶体管组 成的，在垂直位移寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开光，在水平位移寄存器产生 的脉冲作用下顺次接通水平开关。于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压。被 光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程，而且上 述接通偏压的过程的同时也是信号读出的过程。在负载上形成的视频信号大小正比 于改像元上的光照强弱。 10 15 图 9 图 10 6 6 总结总结 总而言之，由于光电鼠标的发明，为人类开辟了新的一个时代，尤其是光电 鼠标是一种最为广泛的一种鼠标，虽然激光鼠标已经被研发，但是根本上说他也是 光电鼠标。因此光电鼠标在人们生活中的地位是不能取代的。所以利用光学的原理 对光电鼠标进行剖析是势在必行的。 参考文献参考文献： 1 周志敏，周继海，纪爱华.LED 照明技术与应用电路M.北京：电子工业出 版社，2009.19-37 2 LED 照明推进协会.LED 照明设计与应用M.北京：科学出版社，2009. 8-9 3 石顺祥，张海兴，刘劲松.物