物理学毕业论文设计：光电鼠标的光学原理.doc

物理学毕业论文设计：光电鼠标的光学原理 目 录1 引言2 2 鼠标的发展史3 3 发光二极管 4 31 LED的结构 4 32 LED的发光原理 4 33 LED的光学特性 5 4 光学透镜 7 41 光学透镜简介 6 42 透镜的主要公式 7 5 光电传感器 9 51 光电传感器的工作原理 9 52 二种光电效应简介 9 com 外光电效应 9 com 内光电效应 10 53 CMOS图像传感器 11 com CMOS图像传感器工作原理12 com CMOS图像传感器阵列结构 12 6 总结 13 参考文献 14 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 AbstractAs 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 mouseKeyOptical mouse optic LED optical lens optical sensor1 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世纪70年代美国施乐公司将鼠标进一步升级并在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鼠标生产许可证后鼠标技术才算1999年微软生产出世界上第一个光学鼠标产品其中包括IntelliMouse ExplorerIntelliMouse Optical和wheel Mouse Optical光学鼠标的诞生也成为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LED的发光体芯片的面积为1012mil1mil 00254mm目前国际上研发了大芯片的LED芯片面积达到40milLED的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32 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EE的单位为电子伏eV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326163eV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LEDPN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33 LED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22LED的光通量是集中在一定角度发射出去的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LEDLED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中曲线1是蓝色InGaNGaN 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43 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 1518lm小芯片对于1mm1mm的功率级芯片制成白光LED其 18lm4 光学透镜41 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42 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得到透镜的两个折射面的焦距 图5 或 者 和是第一和第二折射球面的光焦度透镜的光学间隔为于是透镜的焦距为设把上述写成光焦度的形式 利用和可得决定焦点位置的 和的公式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5 光电传感器51 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 662610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电子吸收光子能量才能发生相应电特性的变化52 二种光电效应简介com 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h为普朗克常量c为光速msv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 为电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com 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所示即光的波长应小于某一临界波长式中为禁带宽度eV为临界波长也成为截止波长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的短路电流 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8PN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53 CMOS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com CMOS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AD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com CMOS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