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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 指导老师【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 techn
3、ology, 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 t
4、he 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源，光学透镜
5、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，恩格巴特向与会者展示了他的
6、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
7、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流子复合时，
8、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、红色光携带的能量最少。由于
9、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 N 区。进
10、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电子运动速度，h普朗
11、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 GaP
