光電鼠标

光電鼠标

光學鼠标
光電鼠标器是通過紅外線或激光檢測鼠标器的位移,将位移信号轉換為電脈沖信号,再通過程序的處理和轉換來控制屏幕上的光标箭頭的移動的一種硬件設備。光電鼠标的光電傳感器取代了傳統的滾球。這類傳感器需要與特制的、帶有條紋或點狀圖案的墊闆配合使用。
    中文名:光電鼠标 外文名:Optical mouse 所屬品牌: 産品類型:鼠标 英文名:Optical mouse 類别:硬件設備

介紹

光電鼠标用光電傳感器代替了滾球。這類傳感器需要特制的、帶有條紋或點狀圖案的墊闆配合使用。

光電鼠标由光斷續器來判斷信号,最顯著特點就是需要使用一塊特殊的反光闆作為MOUSE移動時的墊。這塊墊的主要特點是其中那微細的一黑一白相間的點。原因是在光電MOUSE的底部,有一個發光的二極管和兩個相互垂直的光敏管,當發光的二極管照射到白點與黑點時,會産生折射和不折射兩種狀态,而光敏管都這兩種狀态進行處理後便會産生相應的信号。從而使電腦作出反應,一旦離開那塊墊,那光電鼠标就不能使用了。

組成

光學感應器

光學感應器是光電鼠标的核心,目前能夠生産光學感應器的廠家隻有安捷倫、微軟和羅技三家公司。其中,安捷倫公司的光學感應器使用十分廣泛,除了微軟的全部和羅技的部分光電鼠标之外,其他的光電鼠标基本上都采用了安捷倫公司的光學感應器。

光電鼠标的控制芯片

控制芯片負責協調光電鼠标中各元器件的工作,并與外部電路進行溝通(橋接)及各種信号的傳送和收取。我們可以将其理解成是光電鼠标中的“管家婆”。

這裡有一個非常重要的概念大家應該知道,就是dpi對鼠标定位的影響。dpi是它用來衡量鼠标每移動一英寸所能檢測出的點數,dpi越小,用來定位的點數就越少,定位精度就低;dpi越大,用來定位點數就多,定位精度就高。

通常情況下,傳統機械式鼠标的掃描精度都在200dpi以下,而光電鼠标則能達到400甚至800dpi,這就是為什麼光電鼠标在定位精度上能夠輕松超過機械式鼠标的主要原因。

光學透鏡組件

光學透鏡組件被放在光電鼠标的底部位置,從圖5中可以清楚地看到,光學透鏡組件由一個棱光鏡和一個圓形透鏡組成。其中,棱光鏡負責将發光二極管發出的光線傳送至鼠标的底部,并予以照亮。

圓形透鏡則相當于一台攝像機的鏡頭,這個鏡頭負責将已經被照亮的鼠标底部圖像傳送至光學感應器底部的小孔中。通過觀看光電鼠标的背面外殼,我們可以看出圓形透鏡很像一個攝像頭通過試驗,筆者得出結論:不管是阻斷棱光鏡還是圓形透鏡的光路,均會立即導緻光電鼠标“失明”。其結果就是光電鼠标無法進行定位,由此可見光學透鏡組件的重要性。

發光二極管

光學感應器要對缺少光線的鼠标底部進行連續的“攝像”,自然少不了“攝影燈”的支援。否則,從鼠标底部攝到的圖像将是一片黑暗,黑暗的圖像無法進行比較,當然更無法進行光學定位了。

通常,光電鼠标采用的發光二極管(如圖7)是紅色的(也有部分是藍色的),且是高亮的(為了獲得足夠的光照度)。發光二極管發出的紅色光線,一部分通過鼠标底部的光學透鏡(即其中的棱鏡)來照亮鼠标底部;另一部分則直接傳到了光學感應器的正面。用一句話概括來說,發光二極管的作用就是産生光電鼠标工作時所需要的光源。

輕觸式按鍵

沒有按鍵的鼠标是不敢想象的,因而再普通的光電鼠标上至少也會有兩個輕觸式按鍵。方正光電鼠标的PCB上共焊有三個輕觸式按鍵(圖8)。除了左鍵、右鍵之外,中鍵被賦給了翻頁滾輪。高級的鼠标通常帶有X、Y兩個翻頁滾輪,而大多數光電鼠标還是像這個方正光電鼠标一樣,僅帶了一個翻頁滾輪。翻頁滾輪上、下滾動時,會使正在觀看的“文檔”或“網頁”上下滾動。而當滾輪按下時,則會使PCB上的“中鍵”産生作用。注意:“中鍵”産生的動作,可由用戶根據自己的需要進行定義。

當我們卸下翻頁滾輪之後,可以看到滾輪位置上,“藏”有一對光電“發射/接收”裝置。“滾輪”上帶有栅格,由于栅格能夠間隔的“阻斷”這對光電“發射/接收”裝置的光路,這樣便能産生翻頁脈沖信号,此脈沖信号經過控制芯片傳送給Windows操作系統,便可以産生翻頁動作了。

發展史

 随着人們對鼠标要求的進一步提高,原有的機械鼠标與光機鼠标越來越不能适應要求,于是出現了新一代的光電鼠标。不過,光電鼠标的出現并不順利,它也經曆了第一代光學鼠标與第二代光電鼠标的演變,才發展成今天我們在市場上所看到的主流光電鼠标。

一、第一代光學鼠标

早與光機鼠标發展的同一時代,出現一種完全沒有機械結構的數字化光電鼠标。設計這種光電鼠标的初衷是将鼠标的精度提高到一個全新的水平,使之可充分滿足專業應用的需求。這種光電鼠标沒有傳統的滾球、轉軸等設計,其主要部件為兩個發光二極管、感光芯片、控制芯片和一個帶有網格的反射闆(相當于專用途的鼠标墊)。

工作時,光電鼠标必須在反射闆上移動,X發光二極管和Y發光二極管會分别發射出光線照射在反射闆上,接着光線會被反射闆反射回去,經過鏡頭組件傳遞後照射在感光芯片上。感光芯片将光信号轉變為對應的數字信号後将之送到定位芯片中專門處理,進而産生X-Y坐标偏移數據。

第一代光學鼠标原理

這種光電鼠标在精度指标上的确有所進步,但它在後來的應用中暴露出大量的缺陷。首先,光電鼠标必須依賴反射闆,它的位置數據完全依據反射闆中的網格信息來生成,倘若反射闆有些弄髒或者磨損,光電鼠标便無法判斷光标的位置所在。倘若反射闆不慎被嚴重損壞或遺失,那麼整個鼠标便就此報廢;其次,光電鼠标使用非常不人性化,它的移動方向必須與反射闆上的網格紋理相垂直,用戶不可能快速地将光标直接從屏幕的左上角移動到右下角;第三,光電鼠标的造價頗為高昂,數百元的價格在今天來看并沒有什麼了不起,但在那個年代人們隻願意為鼠标付出20元左右資金,光電鼠标的高價位顯得不近情理。由于存在大量的弊端,這種光電鼠标并未得到流行,充其量也隻是在少數專業作圖場合中得到一定程度的應用,但随着光機鼠标的全面流行,這種光電鼠标很快就被市場所淘汰

二、第二代光電鼠标

雖然第一代光電鼠标在市場中慘遭失敗,但全數字的工作方式、無機械結構以及高精度的優點讓業界仍然為之矚目,如果能夠克服其先天缺陷必可将其優點發揚光大,制造出集高精度、高可靠性和耐用性的産品在技術上完全可行。

最先在這個領域取得成果的是微軟公司和安捷倫科技。1999年,微軟推出一款“IntelliMouse Explorer”的第二代光電鼠标,這款鼠标所采用的是微軟與安捷倫合作開發的IntelliEye光學引擎,從這個時候起,人們才對鼠标的内部控制芯片有了進一步認識,也使得安捷倫芯片成為了良好鼠标控制核心的代名詞。IntelliMouse Explorer 采用的IntelliEye引擎是微軟和當時還在HP内的安捷倫公司合作設計的,規格為1500Hz、400CPI。也就是在此時,掃描率、分辨率等鼠标衡量标準才被人們所重視。

第二代光學鼠标的結構與上述所有産品都有很大的差異,它的底部沒有滾輪,也不需要借助反射闆來實現定位,其核心部件是發光二極管、微型攝像頭、光學引擎和控制芯片。工作時發光二極管發射光線照亮鼠标底部的表面,同時微型攝像頭以一定的時間間隔不斷進行圖像拍攝。鼠标在移動過程中産生的不同圖像傳送給光學引擎進行數字化處理,最後再由光學引擎中的定位DSP芯片對所産生的圖像數字矩陣進行分析。由于相鄰的兩幅圖像總會存在相同的特征,通過對比這些特征點的位置變化信息,便可以判斷出鼠标的移動方向與距離,這個分析結果最終被轉換為坐标偏移量實現光标的定位。

第二代光學鼠标的各項指标達到了設計初衷。它既保留了光電鼠标的高精度、無機械結構等優點,又具有高可靠性和耐用性,并且使用過程中勿須清潔亦可保持良好的工作狀态,在誕生之後迅速引起業界矚目,也引起了一些有實力公司的關注。

2000年,鼠标界另一巨頭羅技公司也與安捷倫合作推出相關産品,它使用安捷倫H2000光學成像引擎,性能上和Intellimouse Explorer鼠标一樣。這一代産品是光學成像引擎的第一代産品。現在看來,這一代的光電鼠标擁有一些現在已經衆所周知的缺點,比如僅為1500次/秒的刷新率和400CPI的分辨率。對采樣表面的适應性差,尤其對鏡面以及花紋表面。但在當時,比起老式的光機鼠标,已經算是了不起的進步了。

而微軟在與安捷倫進行合作以後,毅然走上了獨立的研發工作,并在2001年末推出微軟自己的第二代IntelliEye光學引擎。不過,第二代與第一代産品相差并不大,主要性能指标為刷新率2000Hz,分辨率400CPI。由于微軟并沒有對這代産品作太多的宣傳,而隻是用在了Intellimouse Explorer 2.0、IO 1.0等幾個新産品上,而當時他的重點在歐美市場,因此國内了解的人不多。

至此,光學鼠标就形成以微軟和羅技為代表的兩大陣營,安捷倫科技雖然也掌握光學引擎的核心技術,但它并未涉及鼠标産品的制造,而是向第三方鼠标制造商提供光學引擎産品,目前市面上非微軟、羅技品牌的鼠标幾乎都是使用它的技術。

毫無疑問,集各項完美指标于一身的光學鼠标誕生起就注定它将具有光明的前途,盡管在最初幾年光學鼠标價格昂貴,消費市場鮮有人問津,但在2001年之後情況逐漸有了轉變,各鼠标廠商紛紛推出光學鼠标産品,消費者也認識到其優點所在。

此後,在廠商的大力推動下,消費者的觀念也逐漸發生轉變,花費較多的資金購買一款光學鼠标的用戶不斷增加。同時,光學鼠标的技術也不斷向前發展,分辨率提高到800dpi精度、刷新頻率高達每秒6000次,在激烈的競技遊戲中也可靈活自如,而困擾光學鼠标的色盲症也得到良好的解決。加上順利的量産工作讓其成本不斷下滑,百元左右便可買到一款相當不錯的光學鼠标(廉價型産品可能隻要30到40元),光學鼠标在近兩年進入爆發式的成長期,絕大多數裝機用戶都将它作為首選産品。而與此形成鮮明對照的是,光機鼠标市場份額不斷縮小,雖然在低階領域還有一定的需求,但被光學鼠标所取代,最終退出市場的趨向表現得非常明顯。

定位技術

定位技術是指鼠标定位的方式,和鼠标的工作方式密切相關,常見的定位方式有光栅定位、軌迹球定位、發光二極管定位、激光定位等。

光栅定位主要是機械鼠标所使用的方式,不過由于純粹的機械鼠标現在已經基本消失,這裡的機械鼠标實際是指光機式鼠标。鼠标移動時帶動膠球滾動,膠球的滾動又磨擦鼠标内的分管水平和垂直兩個方向的栅輪滾軸,驅動栅輪轉動。栅輪的輪沿為格栅狀,緊靠格栅兩側,一側是一紅外發光管,另一側是紅外接收組件。鼠标的移動轉換為水平和垂直栅輪不同方向和轉速的轉動。栅輪轉動時,栅輪的輪齒周期性遮擋紅外發光管發出的紅外線照射到水平和垂直兩個紅外接收組件,産生脈沖。鼠标内控制芯片通過兩個脈沖的相位差判知水平或垂直栅輪的轉動方向,通過脈沖的頻率判知栅輪的轉動速度,并不斷通過數據線向主機傳送鼠标移動信息,主機通過處理使屏幕上的光标同鼠标同步移動。

軌迹球定位的工作原理和其實與光栅類似,隻是改變了滾輪的運動方式,其球座固定不動,直接用手撥動軌迹球來控制鼠标箭頭的移動。軌迹球被搓動時帶動其左右及上下兩側的滾軸,滾軸上帶有栅輪,通過發光管和接收組件産生脈沖信号進行定位。不過軌迹球的滾輪積大

、行程長,這種定位方式能夠作出十分精确的操作。并且軌迹球另一大優點是穩定,通過一根手指來操控定位,不會因為手部動作移動影響定位。此外,現在也有使用光電方式的軌迹球,其工作原理和發光二級管定位類似。

發光二極管定位是大多數光電鼠标的定位方式,這是一種電眼的工作方式。在光電鼠标内部有一個發光二極管,通過該發光二極管發出的光線,照亮光電鼠标底部表面(這就是為什麼鼠标底部總會發光的原因)。然後将光電鼠标底部表面反射回的一部分光線,經過一組光學透鏡,傳輸到一個光感應器件(微成像器)内成像。這樣,當光電鼠标移動時,其移動軌迹便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最後利用光電鼠标内部的一塊專用圖像分析芯片(DSP,即數字微處理器)對移動軌迹上攝取的一系列圖像進行分析處理,通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析,來判斷鼠标的移動方向和移動距離,從而完成光标的定位。

激光定位也是光電鼠标的一種定位方式,其特點是使用了激光來代替發光二極管發出的普通光。激光是電子受激發出的光,與普通光相比具有極高的單色性和直線性,目前用于定位的激光主要是不可見光。普通光在不同顔色表面上的反射率并不一緻,這就導緻光電鼠标在某些顔色表面上由于光線反射率低,使DSP不能識别的“色盲”問題。此外普通光在透明等物質表面無法使用,或者産生跳動。由于激光近乎單一的波長能夠更好的識别表面情況,靈敏度大大提高,因此使用激光定位的鼠标可以有效解決這些問題。

光電感應度

光電感應度即鼠标的分辨率、精度,是選擇一款鼠标的主要依據之一,單位是DPI或者CPI,其意思是指鼠标移動中,每移動一英寸能準确定位的最大信息數。顯然鼠标在每英寸中能定位的信息數量越大,鼠标就越精确,人們定義這個參數的本意,就是用來描述鼠标的精度和準确度。對于以前使用滾球來定位的鼠标來說,一般用DPI來表示鼠标的定位能力。DPI是DotsPerInch的縮寫,意思是每英寸的像素數,這是最常見的分辨率單位。當現在常見的光電鼠标出現後,發現用DPI描述鼠标精确度已經不太合适,因為DIP反映的是靜态指标,用在打印機或掃描儀上顯得更為合适。由于鼠标移動是個動态的過程,用CPI來表示鼠标的分辨率更為恰當。CPI是CountPerInch的縮寫,這是由鼠标核心芯片生産廠商安捷倫定義的标準,意思是每英寸的采樣率。

現在大多數鼠标采用了400CPI,少數羅技高端鼠标采用了800CPI。400CPI意味着什麼呢?就是說當鼠标每移動一英寸就可反饋400個不同的坐标,換句話說也就是采用400CPI的鼠标可以觀察到你手部0.06毫米的微弱移動。理論上說CPI越大,光電鼠标就越靈敏。例如,當我們把鼠标向左移動一英寸時,400CPI的鼠标會向電腦發出400次“左移”信号,而800CPI的鼠标就發送800次。做個假設,我們把鼠标移動1/800英寸,那麼800CPI的鼠标會向電腦傳送一次移動信号,而400CPI的鼠标卻沒有反應,我們必須再移動1/800英寸它才會傳送移動信号。從這裡可以看出,這兩種分辨率的性能最大差别就在于800CPI的鼠标在移動的開始階段會比400cpi的鼠标反應快些。800CPI和400CPI的鼠标隻是在顯示器分辨率高的情況下性能差異才會表現得明顯一點。800CPI的鼠标雖然定位比較精确,但是價格比較昂貴,除非是專業圖形用戶或遊戲專業玩家,400CPI分辨率的光電鼠标已經足夠用了。

需要說明的是,鼠标的這個參數是個頗受争議的參數,人們設定這個參數原本的意思是想反映鼠标的精确程度,但實際上DPI或者CPI并不能很好的完成這個任務,因此有些廠商并不使用這個參數,或者即使使用也有不同的計算方法,這完全是由光電鼠标的工作方式造成。光電鼠标的結構可以分為三個部分,分别是成像系統IAS(ImageAcquisitionSystem)、信号處理系統DPS(DigitalSignalProcessor)和接口系統SPI(SerialPeripheralInterface)。首先成像系統IAS相當于一個高速連續拍照的數碼相機,不斷對鼠标墊進行拍照,然後信号處理系統DPS對拍攝到的每張圖片進行分析,通過圖片的變化判斷鼠标的移動,最後接口系統SPI将鼠标移動的數據傳給計算機。其中最為重要的是IAS系統,它是鼠标的核心部分,由光源、透鏡和CMOS成像三部分組成。透鏡可以起到對圖像放大的作用,類似顯微鏡,顯然提高透鏡的放大倍數就可以提高鼠标的DPI。然而單純提高放大倍數反而使圖像模糊、變形,令DSP系統難以準确分析移動情況。因此DPI像一把雙刃劍,單純提高DPI并沒有意義,并且目前多數鼠标使用的USB和PS/2接口的數據傳輸力有限,過高的DPI可能會超出接口的傳輸能力。

一個鼠标如果精确度不夠,可能會出現移動不靈活、在高速移動中失控,甚至指針出現抖動的現象。要解決這個問題,除了要适當提高DPI之外,還要提高光源的亮度、增大CMOS感光面積,提高每秒鐘拍照的次數。這幾個方面必須相互配合,單獨提高其中一個意義不大,甚至适得其反。例如每秒拍照的次數,微軟早在第二代光學引擎就将拍攝次數提高到每秒6000次,羅技沒有公布這個數據,估計也不會比6000低,但這個數不能代表鼠标精确程度,因此羅技和安捷倫已經不使用這個參數。有廠商将這些方面綜合起來,提出了像素處理能力這個參數,表示鼠标每秒能處理的像素數量,目前主流的鼠标像素處理能力達到了300萬/秒。應該說像素處理能力是相當科學的參數,但是缺點是不夠直觀,因此有人又提出了鼠标能适應的最大加速度和速度,從試驗出發,讓鼠标能适應人手在工作時鼠标移動的最大加速度和速度。然而這些參數都不能完整的反映鼠标的精确程度,各個廠商标稱的方式也不盡相同,造成相互之間難以比較的現象。總的來說,光電感應度還是一個傳統并且相對廣為接受的參數,但是成熟的消費者應該了解這個參數,選購鼠标時不能隻看數字,還要多了解鼠标實際使用效果。此外光電鼠标雖然可以在多種材料上工作,但實際對材料還是有挑剔現象的,為了讓鼠标更好的工作,建議配上合适的鼠标墊,也許光電鼠标的發明者們也沒想到光電鼠标的發展竟然成就了鼠标墊市場的迅速發展。

刷新率

鼠标刷新率也叫鼠标的采樣頻率,指鼠标每秒鐘能采集和處理的圖像數量。 刷新率也是鼠标的重要性能指标之一,即鼠标每一秒能夠采集到的圖像數據,一般以“FPS/S(幀/秒)”為單位。

可以這麼說,即便光電鼠标擁有諸多優點,但刷新率不足乃是它的緻命傷,這也是早期光電鼠标沒有打入主流市場的主要原因之一。

舉個簡單的例子,比如在FPS遊戲第一人稱射擊遊戲中快速轉身,刷新率低的光電鼠标就出現丢失光标指針的問題。刷新率對于光電鼠标如此重要,那到底怎樣理解它呢?

不同于機電鼠标通過栅格的轉動産生脈動信号而産生移動信息,光電鼠标是靠鼠标下方的一個CMOS傳感器來負責分辨鼠标移動的。

刷新率的性能指标往往給消費者忽視,由于刷新率又稱為采樣頻率,很多朋友都會把采樣頻率和定義為采樣率的DPI值所渾淆。刷新率在應用當也占據很重要的地位,例如鼠标快速移動一段距離,倘若鼠标的刷新率小于移動距離之内的圖像數據,鼠标内部掃描的圖像數據就會出現盲點,即掃描不到圖像數據,最後導緻無法定位光标位置,從而出現以往較常見的指針丢失情況。确切一點來說,鼠标的刷新率參數越高則其每秒采樣的數據率也越大,性能也越高。

我們都有坐車的經曆:當汽車起步時,我們可以通過車窗外景物的後移來判斷汽車在前移。而光電鼠标下方的CMOS傳感器就是利用了我們人眼觀察事物的特點來工作的:當我們移動鼠标時,CMOS傳感器就會“觀察”鼠标下的采樣表面(桌面或鼠标墊)來獲得鼠标的移動信息。CMOS并不是一直“睜着眼”,而是“一眨一眨”的。也就是說CMOS是以一定的頻率對采樣表面進行采樣,産生離散量後轉化為數字信息供計算機處理。那麼這個采樣頻率即我們說的刷新率。

為了能産生數字信号,鼠标下的CMOS類似于我們見到的網格,它會把采樣回來的圖像分成很多緊密排列的小格,再在這些以小格為單位的圖像中找出相同的像素點,也就是參照物。對比兩次采樣圖像的相同像素點,也就知道了鼠标移動的方向。由于采樣頻率是固定的,鼠标的移動速度也就能計算出來了。

當鼠标移動速度過快時,鼠标在連續兩次掃描所得的圖片中找不到相同的像素點,也就無法判斷光标移動的速度和方向了,這就是鼠标刷新率不足産生的光标指針丢失的現象。 

刷新率和CMOS像素對鼠标的影響:

怎樣才能使鼠标滿足我們的移動要求呢?對于鼠标來說可以加大CMOS像素數或提高刷新率。

2002年下半年,羅技開發出了新一代的MX光學引擎,它推出了新的鼠标性能标志:像素處理能力。像素處理能力=每幀像素數×刷新率,這是綜合了刷新率和CMOS像素數的一個指标。當時羅技極光雲貂(MX500)的像素處理能力是470萬像素/秒。

而微軟的光學銀光鲨4.0(IE4.0)有6000幀/秒的刷新率和22×22的CMOS尺寸,我們很容易算出微軟這款鼠标的像素處理能力=22×22×6000=290萬像素/秒。其實羅技MX引擎的刷新率并不如微軟,大概在5000幀/秒左右,隻是羅技提高了CMOS像素數的結果。

光電激光鼠标使用維護小技巧

目前當今主流鼠标都采用了激光引擎和光電引擎,而相對于淘汰的機械鼠标(俗稱球鼠)其優勢不言而喻。

光電和激光鼠标如果能正常使用的話壽命肯定要比普通鼠标長,這是它們的工作原理所決定的。目前主流鼠标因為沒有了老式機械鼠标滾球的機械部分,所以在使用的時候也很少需要加以清洗,這一點資格老一點的PC用戶最能了解。

由于光電/激光鼠标的架構,所以不可能像早期機械鼠那樣随意拆卸,而對于普通用戶來說,鼠标裡面的精密器件也容易被破壞,不是專業人士不建議拆開鼠标。

平時使用時如果看到光眼/激光眼有細微的灰塵隻需用皮老虎清理,比較嚴重的可拆開用無水酒精擦拭。

其實光電/激光鼠标也需要清洗的,尤其是滾輪部分,平均每半年最好做一次清洗(專業人士或有經驗用戶)。隻需利用螺絲刀等工具拆開鼠标即可(鼠标墊腳下面就是螺絲)。

目前主流光電/激光鼠标的底部墊腳都是皮質工藝或特殊塑料,而鼠标墊多以Steelpad S&S這類塑料鼠标墊為主,所以如果不貼墊腳的話,時間長了墊腳被磨平了鼠标移動起來就會發澀,所以這裡建議玩家和用戶一定要貼上墊腳。最次也要墊上塊布墊,保護好自己的鼠标。

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