光电鼠标的原理

光电鼠标的工作原理

摘要本文从结构、工作原理、性能参数以及和传统鼠标的对比等几个方面详细介绍了光电鼠标，并且简单介绍了激光鼠标的相关特性，最后对鼠标的未来发展趋势进行了简单的展望。

关键词光电鼠标光学感应器激光鼠标发展趋势

一、鼠标的概述

鼠标，全称为光电显示系统纵横位置指示器，是计算机系统的一种输入设备，因形似老鼠而得名。按其工作原理及其内部结构的不同可以分为机械式鼠标，光机式鼠标和光电式鼠标。下面将简单介绍机械式鼠标和光机式鼠标的工作原理：

1、机械式鼠标

机械鼠标主要由滚球、辊柱和光栅信号传感器组成。当拖动鼠标时，带动滚球转动，滚球又带动辊柱转动，装在辊柱端部的光栅信号传感器产生的光电脉冲信号反映出鼠标器在垂直和水平方向的位移变化，再通过电脑程序的处理和转换来控制屏幕上光标箭头的移动。这种机械鼠标的底部采用一个可四向滚动的胶质小球。这个小球在滚动时会带动一对转轴转动，分别为X转轴、Y转轴，在转轴的末端都有一个圆形的译码轮，译码轮上附有金属导电片与电刷直接接触。当转轴转动时，这些金属导电片与电刷就会依次接触，出现“接通”或“断开”两种形态，前者对应二进制数“1”、后者对应二进制数“0”。接下来，这些二进制信号被送交鼠标内部的专用芯片作解析处理并产生对应的坐标变化信号。只要鼠标在平面上移动，小球就会带动转轴转动，进而使译码轮的通断情况发生变化，产生一组组不同的坐标偏移量，反应到屏幕上，就是光标可随着鼠标的移动而移动。由于它采用纯机械结构，定位精度难如人意，加上频频接触的电刷和译码轮磨损得较为厉害，直接影响了机械鼠标的使用寿命。在流行一段时间之后，它就被成本同样低廉的“光机鼠标”所取代，后者正是现在市场上还很常见的所谓“机械鼠标”。

2、光机式鼠标

光机式鼠标，顾名思义是一种光电和机械相结合的鼠标。它在机械鼠标的基础上，将磨损最厉害的接触式电刷和译码轮改为非接触式的LED对射光路元件。当小球滚动时，

X、Y方向的滚轴带动码盘旋转。安装在码盘两侧有两组发光二极管和光敏三极管，LED 发出的光束有时照射到光敏三极管上，有时则被阻断，从而产生两级组相位相差90°的脉冲序列。脉冲的个数代表鼠标的位移量，而相位表示鼠标运动的方向。由于采用了非接触部件，降低了磨损率，从而大大提高了鼠标的寿命并使鼠标的精度有所增加。

二、光电鼠标的工作原理和结构

光电鼠标用光电传感器代替了滚球，通过检测鼠标器的位移，将位移信号转换为电脉冲信号，再通过程序的处理和转换来控制屏幕上的光标箭头的移动。

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。

简单来说，光电鼠标与机械式鼠标最大的不同在于其定位方式。如图1所示，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，这也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，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。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。

图1光电鼠标工作原理

光电鼠标通常由以下部分组成：发光二极管、光学透镜、光学感应器、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口、外壳等。下面分别进行介绍：

1、发光二极管

发光二极管相当于光电鼠标的光源，其主要任务是满足光学传感器的拍摄需要，将所要拍摄的“路况”照亮。发光二极管发出的光线，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。

除此以外，发光二极管还被用来满足光电式的滚轮的需要。这里所说的滚轮是我们常用来翻动网页的鼠标中键，而非光机鼠标底部的轨迹球。如图2，滚轮位置上，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。所以翻页滚轮上、下滚动时，会使正在观看的“文档”或“网页”上下滚动。

图2滚轮栅格

光电鼠标中为光学传感器服务的发光二极管在鼠标“尾部”，会被固定夹遮盖起来；而为光电式滚轮服务的发光二极管则在鼠标“头部”，也就是滚轮位置附近。所以，虽然光电鼠标内部可能拥有不止一个发光二级管，但分辨起来并不难。

2、光学透镜

光学透镜组件位于光电鼠标的底部位置，如图3，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。

图3光学透镜组件

3、光学感应器

光学感应器是光电鼠标的核心，如图4，主要由CMOS感光块（摄像头上采用的感光元件）和数字信号处理器DSP组成。CMOS感光块负责采集、接收由鼠标底部光学透镜传递过来的光线并同步成像，然后CMOS感光块会将一帧帧生成的图像交由其内部的DSP 进行运算和比较，通过图像的比较，便可实现鼠标所在位置的定位工作。

图4光学感应器

为了能产生数字信号，鼠标下的CMOS类似于我们见到的网格,如图5所示，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。当鼠标移动时，CMOS录得连续的图案，通过DSP对每张图片的前后对比分析处理，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，从而得出x、y方向上的移动数值。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。