物理學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計：光電鼠標的光學(xué)原理.doc

物理學(xué)畢業(yè)論文設(shè)計：光電鼠標的光學(xué)原理 目 錄1 引言2 2 鼠標的發(fā)展史3 3 發(fā)光二極管 4 31 LED的結(jié)構(gòu) 4 32 LED的發(fā)光原理 4 33 LED的光學(xué)特性 5 4 光學(xué)透鏡 7 41 光學(xué)透鏡簡介 6 42 透鏡的主要公式 7 5 光電傳感器 9 51 光電傳感器的工作原理 9 52 二種光電效應(yīng)簡介 9 com 外光電效應(yīng) 9 com 內(nèi)光電效應(yīng) 10 53 CMOS圖像傳感器 11 com CMOS圖像傳感器工作原理12 com CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu) 12 6 總結(jié) 13 參考文獻 14 光電鼠標的光學(xué)原理 數(shù)理學(xué)院 物理學(xué)專業(yè)物071本 陳沖 指導(dǎo)老師費金喜摘要 鼠標作為電腦的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也應(yīng)該更新?lián)Q代光電鼠標的定位原理應(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)原理進行剖析有助于對光電鼠標的進一步改良關(guān)鍵詞光電鼠標光學(xué)發(fā)光二極管光學(xué)透鏡光學(xué)傳感器Optic Principles of Optical Mouse 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 引言隨著電腦的出現(xiàn)鼠標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到機械鼠標再到當前應(yīng)用最廣泛的光電鼠標鼠標的作用在人們的生活當中可以說相當重要光電鼠標主要靠LED光學(xué)透鏡光電傳感器進行定位LED的作用是給鼠標提供光源光學(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)字信號處理器組成光電傳感器會將拍攝的光信號進行放大并投射到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)的原理對光電鼠標的三種定位器件進行研究將有利于光電鼠標的進一步發(fā)展2 鼠標的發(fā)展史鼠標是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日在美國秋季計算機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器遠程操作25公里以外的一臺簡陋的大型計算機轟動了當時仍然采用穿孔卡輸入的電腦領(lǐng)域所以很多人都把這一天當作了鼠標的誕生日在鼠標被發(fā)明之前計算機的輸入方式大部份以鍵盤為主使用者要移動光標須藉由X及Y軸依順序移動相當不方便為了使計算機的操作更加簡便恩格巴特博士發(fā)明了鼠標來代替鍵盤那繁瑣的指令第一只鼠標是一個小木頭盒子上世紀70年代美國施樂公司將鼠標進一步升級并在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)化鼠標但直到蘋果公司以4萬美元從斯坦福研究所買下鼠標生產(chǎn)許可證后鼠標技術(shù)才算1999年微軟生產(chǎn)出世界上第一個光學(xué)鼠標產(chǎn)品其中包括IntelliMouse ExplorerIntelliMouse Optical和wheel Mouse Optical光學(xué)鼠標的誕生也成為19世紀60年代鼠標誕生以來在鼠標技術(shù)上取得的最大進步LED的發(fā)光體芯片的面積為1012mil1mil 00254mm目前國際上研發(fā)了大芯片的LED芯片面積達到40milLED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)氧樹脂中當電子經(jīng)過該芯片時帶負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)紅光是鼠標中常用的半導(dǎo)體材料磷化鎵二極管發(fā)綠光碳化硅二極管發(fā)黃光32 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)ǚ聪蚪刂箵舸┨匦猿酥庠谝欢ǖ耐饨鐥l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)帶價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EE的單位為電子伏eV式中v電子運動速度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326163eV之間比紅光波長長的光為紅外光現(xiàn)在已有紅外紅黃綠已經(jīng)藍光LED鼠標中的普遍為紅光LEDPN結(jié)根據(jù)其端電壓構(gòu)成一定的勢壘當加正向偏置時勢壘下降P區(qū)和N區(qū)得多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U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)擴散構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入這些電子與價帶上的空穴的復(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33 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LED可用輻射度來量度其光學(xué)特性可見光系列LED可用光度學(xué)對可見光的能量計算計量的學(xué)科來量度其光學(xué)特性發(fā)光強度LED發(fā)光強度表征它在某個方向上的發(fā)光強弱由于LED在不同的空間角度發(fā)光強度相差很多隨之而來是研究LED的發(fā)光強度分布特性這個參數(shù)實際意義很大直接影響到LED的發(fā)光強度分布特性發(fā)光強度是表征發(fā)光器件發(fā)光強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指向性位于法向方向發(fā)光強度最大其與水平面交角為90當偏離法向不同角度時發(fā)光強度也隨之變化發(fā)光強度分布一種在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22LED的光通量是集中在一定角度發(fā)射出去的發(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LEDLED的光譜分布曲線都有一個相對發(fā)光強度最強出與之相對應(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是藍色InGaNGaN 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 1518lm小芯片對于1mm1mm的功率級芯片制成白光LED其 18lm4 光學(xué)透鏡41 光學(xué)透鏡簡介光電鼠標的光學(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因為加工和檢驗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為能對光束起到會聚作用所以又稱為會聚透鏡在光電鼠標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42 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位置的 和的公式根據(jù)上述公式可以對各種透鏡的基點位置進行具體地分析以便于對透鏡光學(xué)性質(zhì)的了解5 光電傳感器51 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)呢當前的物理學(xué)界認為光是由分離的能量團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為是一個頻率為的振蕩當光照射物體時相當于一連串具有h能量的光子轟擊物體h為普朗克常量h 662610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52 二種光電效應(yīng)簡介com 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msv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入射光的頻率低于紅限頻率時不論入射光多強照射的時間多久都不能激發(fā)出光電子當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com 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帶激發(fā)到導(dǎo)帶過渡到自由狀態(tài)同時價帶也因此形成自由空穴致使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴濃度增大引起材料的電阻率減小為使電子從價帶激發(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載電阻串聯(lián)當光電導(dǎo)元件在一定強度下的連續(xù)照射下元件達到平衡狀態(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為兩電極間距可以看出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53 CMOS圖像傳感器CMOS中文為互補金屬氧化物半導(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圖像傳感器的特點中有一個比較特殊的功能模式是由于芯片的設(shè)計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存取在設(shè)計方面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)計是將每個獨立的晶體管放置于每個圖像傳感單元 處充當開關(guān)當光線激發(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控制圖像質(zhì)量得到明顯改善com 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AD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com 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水平位