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1、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 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】
2、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 technology, the mouse, as the main part of the
3、 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 Op
4、tics above is helpful for the further improvement of the optical mouse.Key：Optical 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
5、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
6、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。IntelliMo
7、use 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。 3 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，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），目前国际上研发了大芯片的LED，芯片面积达到40
8、mil。LED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
9、，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
10、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）： 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
11、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。3.3 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
12、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22，LED的光通量是集中在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
13、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
14、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。4 光学透镜4.1 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。4.2 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 ，
