什么是光电鼠标

小白 QA 2020-04-16 10:57:30 阅读(...)

光电鼠标(光学鼠标)通过发光二极管和光电二极管来检测鼠标对于一个表面的相对运动,它不像机械鼠标一样通过鼠标球的旋转驱动两个互相垂直的轴的转动来获得鼠标移动的位置。

光电鼠标(亦称“光学鼠标”)通过发光二极管和光电二极管来检测鼠标对于一个表面的相对运动,它不像机械鼠标一样通过鼠标球的旋转驱动两个互相垂直的轴的转动来获得鼠标移动的位置。 最早的光电鼠标需要使用预先印制的鼠标垫表面上才能检测到鼠标的运动,而现在的光电鼠标如果在透明的表面上工作,就不能检测到鼠标的运动,如玻璃镜面。激光二极管可以使之达到更好的分辨率和精度。使用电池供电的无线光电鼠标通过间歇性闪烁光学组件以节省电力,只有检测到运动时,发光二极管才会稳定地亮起。

光电鼠标是什么

简介

红外线散射之光斑照射粒子带发光半导体及光电感应器之光源脉冲信号传感器

光电鼠标工作原理

判断信号的方法

光电鼠标用光断续器来判断信号,其最显著特点就是需要使用一块特殊的反光板作为鼠标移动时的垫。这块垫的主要特征是它的微细的一黑一白相间的点。这是因为,在光电鼠标的底部,有一个发光二极管和两个相互垂直的光敏管。当发光二极管分别照射到白点和黑点时,会产生折射和不折射两种状态,而光敏管对这两种状态进行处理后便会产生相应的信号,从而促使电脑作出反应。如果没有那块垫,光电鼠标就不能工作。

原理

光电鼠标

组成

无线光电鼠标

光学感应器

光学感应器是光电鼠标的核心,能够生产光学感应器的厂家只有安捷伦、微软和罗技三家公司。其中,安捷伦公司的光学感应器使用十分广泛,除了微软的全部和罗技的部分光电鼠标之外,其他的光电鼠标基本上都采用了安捷伦公司的光学感应器。

控制芯片

控制芯片负责协调光电鼠标中各元器件的工作,并与外部电路进行沟通(桥接)及各种信号的传送和收取。我们可以将其理解成是光电鼠标中的“管家婆”。

这里有一个非常重要的概念大家应该知道,就是 DPI(下文《光电鼠标-光电感应度》有对 DPI 的简介)对鼠标定位的影响。DPI 是它用来衡量鼠标每移动一英寸所能检测出的点数,DPI 越小,用来定位的点数就越少,定位精度就低;DPI 越大,用来定位点数就多,定位精度就高。

通常情况下,传统机械式鼠标的扫描精度都在 200DPI 以下,而光电鼠标则能达到 5000 甚至 12000DPI,这就是为什么光电鼠标在定位精度上能够轻松超过机械式鼠标的主要原因。

光学透镜组件

光学透镜组件被放在光电鼠标的底部位置,从图 5 中可以清楚地看到,光学透镜组件由一个棱光镜和一个圆形透镜组成。其中,棱光镜负责将发光二极管发出的光线传送至鼠标的底部,并予以照亮。

圆形透镜则相当于一台摄像机的镜头,这个镜头负责将已经被照亮的鼠标底部图像传送至光学感应器底部的小孔中。通过观看光电鼠标的背面外壳,我们可以看出圆形透镜很像一个摄像头通过试验,笔者得出结论:不管是阻断棱光镜还是圆形透镜的光路,均会立即导致光电鼠标“失明”。其结果就是光电鼠标无法进行定位,由此可见光学透镜组件的重要性。

发光二极管

光学感应器要对缺少光线的鼠标底部进行连续的“摄像”,自然少不了“摄影灯”的支援。否则,从鼠标底部摄到的图像将是一片黑暗,黑暗的图像无法进行比较,当然更无法进行光学定位了。

通常,光电鼠标采用的发光二极管(如图 7)是红色的(也有部分是蓝色的),且是高亮的(为了获得足够的光照度)。发光二极管发出的红色光线,一部分通过鼠标底部的光学透镜(即其中的棱镜)来照亮鼠标底部;另一部分则直接传到了光学感应器的正面。用一句话概括来说,发光二极管的作用就是产生光电鼠标工作时所需要的光源。

轻触式按键

没有按键的鼠标是不敢想象的——再普通的光电鼠标上也至少会有两个轻触式按键。方正光电鼠标的 PCB 上共焊有三个轻触式按键。除了左键、右键之外,中键被赋给了翻页滚轮。高级的鼠标通常带有 X、Y 两个翻页滚轮,而大多数光电鼠标还是像这个方正光电鼠标一样,仅带一个翻页滚轮。翻页滚轮上、下滚动时,会使正在观看的“文档”或“网页”上下滚动。而当滚轮按下时,则会使 PCB 上的“中键”产生作用。注意:“中键”产生的动作,可由用户根据自己的需要进行定义。

当我们卸下翻页滚轮之后,可以看到滚轮位置上,“藏”有一对光电“发射/接收”装置。“滚轮”上带有栅格,由于栅格能够间隔的“阻断”这对光电“发射/接收”装置的光路,这样便能产生翻页脉冲信号,此脉冲信号经过控制芯片传送给 Windows 操作系统,便可以产生翻页动作了。

发展史

随着人们对鼠标要求的进一步提高,原有的机械鼠标与光机鼠标越来越不能适应要求,于是出现了新一代的光电鼠标。不过,光电鼠标的出现并不顺利,它也经历了第一代光学鼠标与第二代光电鼠标的演变,才发展成今天我们在市场上所看到的主流光电鼠标。

第一代光学鼠标

早与光机鼠标发展的同一时代,出现一种完全没有机械结构的数字化光电鼠标。设计这种光电鼠标的初衷是将鼠标的精度提高到一个全新的水平,使之可充分满足专业应用的需求。这种光电鼠标没有传统的滚球、转轴等设计,其主要部件为两个发光二极管、感光芯片、控制芯片和一个带有网格的反射板(相当于专用途的鼠标垫)。

工作时,光电鼠标必须在反射板上移动,X 发光二极管和 Y 发光二极管会分别发射出光线照射在反射板上,接着光线会被反射板反射回去,经过镜头组件传递后照射在感光芯片上。感光芯片将光信号转变为对应的数字信号后将之送到定位芯片中专门处理,进而产生 X-Y 坐标偏移数据。

第一代光电鼠标

这种光电鼠标在精度指标上的确有所进步,但它在后来的应用中暴露出大量的缺陷。首先,光电鼠标必须依赖反射板,它的位置数据完全依据反射板中的网格信息来生成,倘若反射板有些弄脏或者磨损,光电鼠标便无法判断光标的位置所在。倘若反射板不慎被严重损坏或遗失,那么整个鼠标便就此报废;其次,光电鼠标使用非常不人性化,它的移动方向必须与反射板上的网格纹理相垂直,用户不可能快速地将光标直接从屏幕的左上角移动到右下角;第三,光电鼠标的造价颇为高昂,数百元的价格在今天来看并没有什么了不起,但在那个年代人们只愿意为鼠标付出 20 元左右资金,光电鼠标的高价位显得不近情理。由于存在大量的弊端,这种光电鼠标并未得到流行,充其量也只是在少数专业作图场合中得到一定程度的应用,但随着光机鼠标的全面流行,这种光电鼠标很快就被市场所淘汰

第二代光电鼠标

虽然第一代光电鼠标在市场中惨遭失败,但全数字的工作方式、无机械结构以及高精度的优点让业界仍然为之瞩目,如果能够克服其先天缺陷必可将其优点发扬光大,制造出集高精度、高可靠性和耐用性的产品在技术上完全可行。

最先在这个领域取得成果的是微软公司和安捷伦科技。1999 年,微软推出一款“IntelliMouse Explorer”的第二代光电鼠标,这款鼠标所采用的是微软与安捷伦合作开发的 IntelliEye 光学引擎,从这个时候起,人们才对鼠标的内部控制芯片有了进一步认识,也使得安捷伦芯片成为了良好鼠标控制核心的代名词。IntelliMouse Explorer 采用的 IntelliEye 引擎是微软和当时还在 HP 内的安捷伦公司合作设计的,规格为 1500Hz、400CPI。也就是在此时,扫描率、分辨率等鼠标衡量标准才被人们所重视。

第二代光学鼠标的结构与上述所有产品都有很大的差异,它的底部没有滚轮,也不需要借助反射板来实现定位,其核心部件是发光二极管、微型摄像头、光学引擎和控制芯片。工作时发光二极管发射光线照亮鼠标底部的表面,同时微型摄像头以一定的时间间隔不断进行图像拍摄。鼠标在移动过程中产生的不同图像传送给光学引擎进行数字化处理,最后再由光学引擎中的定位 DSP 芯片对所产生的图像数字矩阵进行分析。由于相邻的两幅图像总会存在相同的特征,通过对比这些特征点的位置变化信息,便可以判断出鼠标的移动方向与距离,这个分析结果最终被转换为坐标偏移量实现光标的定位。

第二代光学鼠标的各项指标达到了设计初衷。它既保留了光电鼠标的高精度、无机械结构等优点,又具有高可靠性和耐用性,并且使用过程中勿须清洁亦可保持良好的工作状态,在诞生之后迅速引起业界瞩目,也引起了一些有实力公司的关注。

2000 年,鼠标界另一巨头罗技公司也与安捷伦合作推出相关产品,它使用安捷伦 H2000 光学成像引擎,性能上和 Intellimouse Explorer 鼠标一样。这一代产品是光学成像引擎的第一代产品。现在看来,光电鼠标拥有一些已经众所周知的缺点,比如仅为 1500 次/秒的刷新率和 400CPI 的分辨率。对采样表面的适应性差,尤其对镜面以及花纹表面。但在当时,比起老式的光机鼠标,已经算是了不起的进步了。

而微软在与安捷伦进行合作以后,毅然走上了独立的研发工作,并在 2001 年末推出微软自己的第二代 IntelliEye 光学引擎。不过,第二代与第一代产品相差并不大,主要性能指标为刷新率 2000Hz,分辨率 400CPI。由于微软并没有对这代产品作太多的宣传,而只是用在了 Intellimouse Explorer 2.0、IO 1.0 等几个新产品上,而当时他的重点在欧美市场,因此国内了解的人不多。

至此,光学鼠标就形成以微软和罗技为代表的两大阵营,安捷伦科技虽然也掌握光学引擎的核心技术,但它并未涉及鼠标产品的制造,而是向第三方鼠标制造商提供光学引擎产品市面上非微软、罗技品牌的鼠标几乎都是使用它的技术。

毫无疑问,集各项完美指标于一身的光学鼠标诞生起就注定它将具有光明的前途,尽管在最初几年光学鼠标价格昂贵,消费市场鲜有人问津,但在 2001 年之后情况逐渐有了转变,各鼠标厂商纷纷推出光学鼠标产品,消费者也认识到其优点所在。

此后,在厂商的大力推动下,消费者的观念也逐渐发生转变,花费较多的资金购买一款光学鼠标的用户不断增加。同时,光学鼠标的技术也不断向前发展,分辨率提高到 800dpi 精度、刷新频率高达每秒 6000 次,在激烈的竞技游戏中也可灵活自如,而困扰光学鼠标的色盲症也得到良好的解决。加上顺利的量产工作让其成本不断下滑,百元左右便可买到一款相当不错的光学鼠标(廉价型产品可能只要 30 到 40 元),光学鼠标在近两年进入爆发式的成长期,绝大多数装机用户都将它作为首选产品。而与此形成鲜明对照的是,机械鼠标市场份额不断缩小,虽然在低阶领域还有一定的需求,但被光学鼠标所取代,最终退出市场的趋向表现得非常明显。

光电感应

概述

光电感应度即鼠标的分辨率、精度,是选择一款鼠标的主要依据之一,单位是 DPI 或者 CPI,其意思是指鼠标移动中,每移动一英寸能准确定位的最大信息数。显然鼠标在每英寸中能定位的信息数量越大,鼠标就越精确,人们定义这个参数的本意,就是用来描述鼠标的精度和准确度。对于以前使用滚球来定位的鼠标来说,一般用 DPI 来表示鼠标的定位能力。DPI 是 DotsPerInch 的缩写,意思是每英寸的像素数,这是最常见的分辨率单位常见的光电鼠标出现后,发现用 DPI 描述鼠标精确度已经不太合适,因为 DPI 反映的是静态指标,用在打印机或扫描仪上显得更为合适。由于鼠标移动是个动态的过程,用 CPI 来表示鼠标的分辨率更为恰当。CPI 是 CountPerInch 的缩写,这是由鼠标核心芯片生产厂商安捷伦定义的标准,意思是每英寸的采样率。

感应度

大多数鼠标采用了 400CPI,少数罗技高端鼠标采用了 800CPI。400CPI 意味着什么呢?就是说当鼠标每移动一英寸就可反馈 400 个不同的坐标,换句话说也就是采用 400CPI 的鼠标可以观察到你手部 0.06 毫米的微弱移动。理论上说 CPI 越大,光电鼠标就越灵敏。例如,当我们把鼠标向左移动一英寸时,400CPI 的鼠标会向电脑发出 400 次“左移”信号,而 800CPI 的鼠标就发送 800 次。做个假设,我们把鼠标移动 1/800 英寸,那么 800CPI 的鼠标会向电脑传送一次移动信号,而 400CPI 的鼠标却没有反应,我们必须再移动 1/800 英寸它才会传送移动信号。从这里可以看出,这两种分辨率的性能最大差别就在于 800CPI 的鼠标在移动的开始阶段会比 400cpi 的鼠标反应快些。800CPI 和 400CPI 的鼠标只是在显示器分辨率高的情况下性能差异才会表现得明显一点。800CPI 的鼠标虽然定位比较精确,但是价格比较昂贵,除非是专业图形用户或游戏专业玩家,400CPI 分辨率的光电鼠标已经足够用了。

需要说明的是,鼠标的这个参数是个颇受争议的参数,人们设定这个参数原本的意思是想反映鼠标的精确程度,但实际上 DPI 或者 CPI 并不能很好的完成这个任务,因此有些厂商并不使用这个参数,或者即使使用也有不同的计算方法,这完全是由光电鼠标的工作方式造成。光电鼠标的结构可以分为三个部分,分别是成像系统 IAS(ImageAcquisitionSystem)、信号处理系统 DPS(DigitalSignalProcessor)和接口系统 SPI(SerialPeripheralInterface)。首先成像系统 IAS 相当于一个高速连续拍照的数码相机,不断对鼠标垫进行拍照,然后信号处理系统 DPS 对拍摄到的每张图片进行分析,通过图片的变化判断鼠标的移动,最后接口系统 SPI 将鼠标移动的数据传给计算机。其中最为重要的是 IAS 系统,它是鼠标的核心部分,由光源、透镜和 CMOS 成像三部分组成。透镜可以起到对图像放大的作用,类似显微镜,显然提高透镜的放大倍数就可以提高鼠标的 DPI。然而单纯提高放大倍数反而使图像模糊、变形,令 DSP 系统难以准确分析移动情况。因此 DPI 像一把双刃剑,单纯提高 DPI 并没有意并且多数鼠标使用的 USB 和 PS/2 接口的数据传输力有限,过高的 DPI 可能会超出接口的传输能力。

解决鼠标精确度

一个鼠标如果精确度不够,可能会出现移动不灵活、在高速移动中失控,甚至指针出现抖动的现象。要解决这个问题,除了要适当提高 DPI 之外,还要提高光源的亮度、增大 CMOS 感光面积,提高每秒钟拍照的次数。这几个方面必须相互配合,单独提高其中一个意义不大,甚至适得其反。例如每秒拍照的次数,微软早在第二代光学引擎就将拍摄次数提高到每秒 6000 次,罗技没有公布这个数据,估计也不会比 6000 低,但这个数不能代表鼠标精确程度,因此罗技和安捷伦已经不使用这个参数。有厂商将这些方面综合起来,提出了像素处理能力这个参数,表示鼠标每秒能处理的像素数量,主流的鼠标像素处理能力达到了 300 万/秒。应该说像素处理能力是相当科学的参数,但是缺点是不够直观,因此有人又提出了鼠标能适应的最大加速度和速度,从试验出发,让鼠标能适应人手在工作时鼠标移动的最大加速度和速度。然而这些参数都不能完整的反映鼠标的精确程度,各个厂商标称的方式也不尽相同,造成相互之间难以比较的现象。总的来说,光电感应度还是一个传统并且相对广为接受的参数,但是成熟的消费者应该了解这个参数,选购鼠标时不能只看数字,还要多了解鼠标实际使用效果。此外光电鼠标虽然可以在多种材料上工作,但实际对材料还是有挑剔现象的,为了让鼠标更好的工作,建议配上合适的鼠标垫,也许光电鼠标的发明者们也没想到光电鼠标的发展竟然成就了鼠标垫市场的迅速发展。

定位技术

定位技术是指鼠标定位的方式,和鼠标的工作方式密切相关,常见的定位方式有光栅定位、轨迹球定位、发光二极管定位、激光定位等。

光栅定位主要是机械鼠标所使用的方式,不过由于纯粹的机械鼠标已经基本消失,这里的机械鼠标实际是指光机式鼠标。鼠标移动时带动胶球滚动,胶球的滚动又磨擦鼠标内的分管水平和垂直两个方向的栅轮滚轴,驱动栅轮转动。栅轮的轮沿为格栅状,紧靠格栅两侧,一侧是一红外发光管,另一侧是红外接收组件。鼠标的移动转换为水平和垂直栅轮不同方向和转速的转动。栅轮转动时,栅轮的轮齿周期性遮挡红外发光管发出的红外线照射到水平和垂直两个红外接收组件,产生脉冲。鼠标内控制芯片通过两个脉冲的相位差判知水平或垂直栅轮的转动方向,通过脉冲的频率判知栅轮的转动速度,并不断通过数据线向主机传送鼠标移动信息,主机通过处理使屏幕上的光标同鼠标同步移动。

轨迹球定位的工作原理和其实与光栅类似,只是改变了滚轮的运动方式,其球座固定不动,直接用手拨动轨迹球来控制鼠标箭头的移动。轨迹球被搓动时带动其左右及上下两侧的滚轴,滚轴上带有栅轮,通过发光管和接收组件产生脉冲信号进行定位。不过轨迹球的滚轮积大、行程长,这种定位方式能够作出十分精确的操作。并且轨迹球另一大优点是稳定,通过一根手指来操控定位,不会因为手部动作移动影响定位。此外,也有使用光电方式的轨迹球,其工作原理和发光二级管定位类似。

发光二极管定位是大多数光电鼠标的定位方式,这是一种电眼的工作方式。在光电鼠标内部有一个发光二极管,通过该发光二极管发出的光线,照亮光电鼠标底部表面(这就是为什么鼠标底部总会发光的原因)。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片(DSP,即数字微处理器)对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理,通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析,来判断鼠标的移动方向和移动距离,从而完成光标的定位。

激光定位也是光电鼠标的一种定位方式,其特点是使用了激光来代替发光二极管发出的普通光。激光是电子受激发出的光,与普通光相比具有极高的单色性和直线性,用于定位的激光主要是不可见光。普通光在不同颜色表面上的反射率并不一致,这就导致光电鼠标在某些颜色表面上由于光线反射率低,使 DSP 不能识别的“色盲”问题。此外普通光在透明等物质表面无法使用,或者产生跳动。由于激光近乎单一的波长能够更好的识别表面情况,灵敏度大大提高,因此使用激光定位的鼠标可以有效解决这些问题。

刷新率

概念

鼠标刷新率也叫鼠标的采样频率,指鼠标每秒钟能采集和处理的图像数量。 刷新率也是鼠标的重要性能指标之一,即鼠标每一秒能够采集到的图像数据,一般以“FPS/S(帧/秒)”为单位。

可以这么说,即便光电鼠标拥有诸多优点,但刷新率不足乃是它的致命伤,这也是早期光电鼠标没有打入主流市场的主要原因之一。

光电鼠标

不同于机电鼠标通过栅格的转动产生脉动信号而产生移动信息,光电鼠标是靠鼠标下方的一个 CMOS 传感器来负责分辨鼠标移动的。

性能指标

刷新率的性能指标往往被消费者忽视,由于刷新率又称为采样频率,很多朋友会把采样频率与定义为采样率的 DPI 值所浑淆。刷新率在应用当也占据很重要的地位,例如鼠标快速移动一段距离,倘若鼠标的刷新率小于移动距离之内的图像数据,鼠标内部扫描的图像数据就会出现盲点,即扫描不到图像数据,最后导致定位光标位置失败,从而出现以往较常见的指针丢失的情况。确切一点来说,鼠标的刷新率参数越高意味着其每秒采样的数据率也越大,性能也越高。

我们都有坐车的经历:当汽车起步时,我们可以通过车窗外景物的后移来判断汽车在前移。而光电鼠标下方的 CMOS 传感器就是利用了我们人眼观察事物的特点来工作的:当我们移动鼠标时,CMOS 传感器就会“观察”鼠标下的采样表面(桌面或鼠标垫)来获得鼠标的移动信息。CMOS 并不是一直“睁着眼”,而是“一眨一眨”的。也就是说 CMOS 是以一定的频率对采样表面进行采样,产生离散量后转化为数字信息供计算机处理。那么这个采样频率即我们说的刷新率。

产生数字信号

为了能产生数字信号,鼠标下的 CMOS 类似于我们见到的网格,它会把采样回来的图像分成很多紧密排列的小格,再在这些以小格为单位的图像中找出相同的像素点,也就是参照物。对比两次采样图像的相同像素点,也就知道了鼠标移动的方向。由于采样频率是固定的,鼠标的移动速度也就能计算出来了。

当鼠标移动速度过快时,鼠标在连续两次扫描所得的图片中找不到相同的像素点,也就无法判断光标移动的速度和方向了,这就是鼠标刷新率不足产生的光标指针丢失的现象。

对鼠标的影响

怎样才能使鼠标满足我们的移动要求呢?对于鼠标来说可以加大 CMOS 像素数或提高刷新率。

2002 年下半年,罗技开发出了新一代的 MX 光学引擎,它推出了新的鼠标性能标志:像素处理能力。像素处理能力=每帧像素数×刷新率,这是综合了刷新率和 CMOS 像素数的一个指标。当时罗技极光云貂(MX500)的像素处理能力是 470 万像素/秒。

而微软的光学银光鲨 4.0(IE4.0)有 6000 帧/秒的刷新率和 22×22 的 CMOS 尺寸,我们很容易算出微软这款鼠标的像素处理能力=22×22×6000=290 万像素/秒。其实罗技 MX 引擎的刷新率并不如微软,大概在 5000 帧/秒左右,只是罗技提高了 CMOS 像素数的结果。

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