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光學滑鼠

微軟無線光學滑鼠(左)與其USB接收器(右)

光學滑鼠(亦稱「光電滑鼠」)通過發光二極體光電二極體來檢測滑鼠對於一個表面的相對運動,它不像機械滑鼠一樣通過滑鼠球的旋轉驅動兩個互相垂直的軸的轉動來獲得滑鼠移動的位置。 最早的光學滑鼠需要使用預先印製的滑鼠墊表面上才能檢測到滑鼠的運動,而現在的光學滑鼠如果在透明的表面上工作,就不能檢測到滑鼠的運動,如玻璃鏡面。雷射二極體可以使之達到更好的解析度和精度。使用電池供電的無線光學滑鼠通過間歇性閃爍光學元件以節省電力,只有檢測到運動時,發光二極體才會穩定地亮起。

早期的光學滑鼠

全錄的光學滑鼠晶片

早期的光學滑鼠是在1980年被作為兩個獨立的發明展示的:

其中一些,如被麻省理工學院史蒂夫·基爾什英語Steve Kirsch(Steve Kirsch)和Mouse Systems Corporation英語Mouse Systems Corporation發明的光學滑鼠。它使用了一個紅外LED和一個四象限紅外感測器,以檢測一個被印有特殊紅外線吸收顏料的金屬表面所畫上的格線。以此來使用中央處理器來計算滑鼠在網格上面的速度和方向。

微軟無線光學滑鼠里的光電感測器(1.0A)

還有由全錄銷售,由理察·F·里昂(Richard F. Lyon)發明的,使用一個16像素的可見光圖像感測器,還在同一晶片上整合了運動檢測和跟蹤一個被印刷成為暗場的紙或者滑鼠墊上的光點。

這兩類的滑鼠有著不同的原理,史蒂夫·基爾希的滑鼠使用嵌入在滑鼠墊中的xy坐標系,工作時滑鼠墊不能夠旋轉;而里昂的滑鼠則把xy坐標系放置在了滑鼠裡面。

現代的光學滑鼠

拆卸下來的光學滑鼠的感測器

現代光學滑鼠需要通過一個光電感測器(實際上是一個小型低解析度網路攝影機)來採集滑鼠在物體表面上的移動方位。隨著電腦計算能力的提升和廉價,滑鼠本身就被嵌入了更加強大的圖像處理晶片。這個晶片會預先啟動來使得滑鼠能檢測到它在各式的表面上的相對運動,移動滑鼠就會得到螢幕上游標的移動,而不必使用一個特質的滑鼠墊。

第一個成功並被商業化的光學滑鼠是微軟的Intellimouse。它在1999年發布並且使用了惠普的技術。它幾乎可以在任何物體表面上工作,並且對於機械滑鼠來講是一個長足的進步。它不需要經常地來拆開以清理污垢,游標跟蹤也更穩定。其他製造商很快跟隨微軟的領先優勢使用的惠普分拆出來的「安捷倫科技( Agilent Technologies)」所製造的部件,機械滑鼠在幾年之後便成為了過時產品。

現代光學滑鼠的底層技術被成為「數字光電技術英語Digital image correlation(Digital image correlation)」,這種技術率先被用在國防工業上來跟蹤軍事目標。光學滑鼠所使用圖像感測器能感覺到天然存在的材料的紋理,如木材,布,滑鼠墊等。這些表面被發光二極體點亮時,在被發光二極體掃射到的角度下,投下明顯的光影,像一個丘陵在日落時被點燃的樣子。

光學滑鼠的工作原理可以將其想像兩張相片都照著相同的物件,但是兩者之間有些許差別。然後就像是把這兩張圖片放在類似以醫院專門用來看片子的背面有光的看片台上,使之更加透明化,然後按照它們的樣子來排隊。之後計算這兩張圖片之間的偏移量,然後計算滑鼠移動的距離。

光學滑鼠甚至會在每秒鐘內連續捕捉一千張圖像。根據滑鼠移動的速度,每張圖像都會被排隊然後相互抵消來計算偏移量。光學滑鼠會處理這些圖像,計算自從上個圖像開始偏移了多少。

一個光學滑鼠一般使用一個18×像素的單色像素陣列的圖像感測器。其感測器通常共享相同的ASIC(特殊應用積體電路)來儲存和處理圖像。

發光二極體照明

使用藍色發光二極體的V-Mouse VM-101

光學滑鼠通常使用發光二極體照明,即雷射。光學滑鼠的發光二極體的顏色可能有所不同,但是紅色是最為常見的。因為紅色二極體是最為廉價的並且矽光電感測器(silicon photodetectors)對紅光最為敏感。有時候也有使用其他顏色的進行照明,如右圖所示的使用藍色LED的V-Mouse VM-101。

雷射滑鼠

儘管肉眼捕捉到的只是一個紫色的點,但是它的波長更容易讓人眼敏感

雷射滑鼠使用的是紅外線雷射二極體,而不是LED來為感測器提供照明。早在1998年,Sun Microsystems公司為他們的Sun SPARC工作站提供了一種雷射滑鼠。然而,雷射滑鼠一直沒能成為主流。直到2004年羅技的Paul Machin(音譯:保羅·梅琴)與其合作夥伴Avago Technologies英語Avago Technologies(前身為安捷倫科技)推出了MX 1000雷射滑鼠為止。這款滑鼠採用小型紅外雷射而不是LED。並且顯著增加了拍攝圖像的解析度。但是雷射儘管有出色的表面跟蹤,但是相較於LED照明的光學滑鼠來講更容易引發健康風險。比如講滑鼠正對著眼睛。

2009年8月,羅技推出了會發射出兩束雷射的滑鼠,這能使得它可以在玻璃或者光滑的表面上更好的追蹤。

電力

滑鼠製造商通常會設計自己的光學滑鼠的電源組態方案,尤其是在使用電池供電的無線滑鼠,總是會在可能的情況下來儘可能的節省電力。想要做到這一點,滑鼠的LED就會在待機模式下變暗或者閃爍(不同的滑鼠有不同的進入待機狀態的時間)。拿一個典型的例子(羅技滑鼠)的四個電源狀態,即每秒鐘感測器閃爍的次數[來源請求]

  • 11500次:最大閃爍次數。回應和移動是最迅速的,照的非常明亮。
  • 1100次:滑鼠沒有移動的情況。照明顯得暗淡。
  • 110次:待機狀態。
  • 12次:睡眠狀態。

有些情況下,儘管滑鼠出於待機或睡眠狀態,但是仍然可以檢測到運動。而有時滑鼠卻會把感測器關閉,必須要點按一下按鍵才能喚醒(某些Targus滑鼠就是這樣)。
有些滑鼠利用紅外元件(LED或者雷射)來使得光學滑鼠的電池壽命大大增加[來源請求]。有些滑鼠,如羅技V450 848nm雷射滑鼠,甚至可以僅僅使用兩節電池而使用整整一年。這正是因為紅外雷射的低功耗的要求[來源請求]
滑鼠的低延遲和高回應性也是非常重要的。例如在玩遊戲時,可以關閉省電功能以提高效能。

光學滑鼠與機械滑鼠的異同

羅技iFeel滑鼠採用了紅色LED光來投射

維護性:不同於機械滑鼠,光學滑鼠除了按鍵和滾輪之外沒有活動部件。機械滑鼠需要常規性的清潔轉軸表面的污垢以維持平滑跟蹤,而光學滑鼠從原理上不存在這一問題。當然,光學滑鼠的墊腳存在磨損和污垢累積的現象,如果不加以處理同樣會影響效能。

丟影格:光學滑鼠的以固定頻率掃描,這造成了在相鄰採樣間隙遺失位移資訊的現象,特別是在滑鼠以高加速度移動的情況下尤其明顯:造成的結果是游標不能的還原滑鼠實際運動軌跡。顯然,掃描頻率越低,丟影格現象越明顯,提高掃描頻率就可以減輕丟影格現象。1999年-2000的,採用早期HP H2000晶片的第一代光學滑鼠(代表型號是微軟IE/IO 1.0,掃描頻率在1500Hz)受到丟影格問題的影響比較嚴重,以至當時光學滑鼠被認為定位效能較差,不能滿足高階遊戲玩家的需要。2001年微軟推出了Intellieye 2系列光電組件(代表成品型號是Intellimouse Explorer 3.0和Intellimouse Optical 1.1型滑鼠),採樣頻率提高到6000次每秒,才極大改善了丟影格情況,使得光學滑鼠被頂級FPS遊戲玩家接受。相比之下,機械滑鼠的二軸運動傳感,輸出的是連續的類比電訊號,在理想狀況下(沒有髒污,表面合適,當然這種理想狀況在現實中很難維持),對於位移的感應是無極連續的,即幾乎不存在丟影格現象。雖然嚴格說來,這種類比訊號也要通過類比/數位轉換過程輸入微處理器,這一過程也有採樣頻率之說,不過其頻率相較於光學滑鼠的掃描頻率高出數個數量級,可視為近乎無窮。

表面相容性:光學滑鼠不可以在一些很光滑或者沒有反射能力的表面上使用,甚至在一些為機械滑鼠設計的光滑或彩色的滑鼠墊上也不能很好發揮效果。不適當的表面可能加劇丟影格現象,即造成操作過程中的游標漂移。

注釋


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