光电鼠标的工作原理

光电鼠标的工作原理

本期我们将目光转移到司空常见的光电鼠标上。虽说无线鼠标的诞生让光电鼠面临危机，但是凭借反应快、定位准、价格便宜等优势，可以预见----未来若干年内光电鼠还将被大规模使用。

与传统的机械式鼠标相比，光电鼠标具有定位准确、移动流畅且不易脏污等优势，受到越来越多用户的认可。随着光电鼠标价格的不断下跌，取代机械式鼠标而成为市场主流的趋势已不可阻挡。

光电鼠标的工作原理

这款微软智能鼠标利用了光学技术

光电鼠标由安捷伦科技公司(Agilent Technologies)开发，并于1999年下半年投入市场，这种鼠标利用一个小照相机每秒拍摄1,500张照片，而且几乎能在任何表面上工作。它具有一个红色的小发光二极管(LED)，用于将光从工作表面反射到互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器上。CMOS传感器将每一幅图像都发送给数字信号处理器(DSP)进行分析。DSP以18MIPS（1MIPS表示每秒1百万条指令）的速度运行，能够检测图像中的图案，并确定这些图案与前一个图像相比，发生了怎样的移动。根据一系列图像中图案位置的变化，DSP确定鼠标的移动距离并将相应坐标发送给计算机。随后，计算机根据从鼠标接收到的坐标信息，移动屏幕上的光标。此过程每秒发生数百次，才使得光标的移动看上去非常流畅。

光电鼠标定位原理

光电鼠标的参数

分辨率

光电鼠标的分辨率通常用CPI(Count Per Inch : 每英寸的测量次数)来表示，CPI越高，越利于反映玩家的微小操作。而且在鼠标光标移动相同逻辑距离时，分辨率高的需要移动的物理距离则要短。拿一款800 CPI的光电鼠标来说，当使用者将鼠标移动1英寸时，其光学传感器就会接收到反馈回来的800个不同的坐标点，鼠标箭头同时会在屏幕上移动800个像素点。反过来，鼠标箭头在屏幕上移动一个像素点，就需要鼠标物理移动1/800英寸的距离。所以，CPI高的鼠标更适合在高分辨率的屏幕下使用。光学机械鼠标的分辨率多为200～400 CPI，而光电鼠标的分辨率通常在400～800 CPI之间。

除CPI以外，DPI(Dots Per Inch : 每英寸像素数)也常被人用来形容光电鼠标的分辨率。由于光电鼠标的分辨率反映了一个动态过程，所以用CPI来形容更恰当些。但无论是CPI 还是DPI，描述的都是光电鼠标的分辨率，不存在性能差别。

刷新频率

光电鼠标的刷新频率也被称为扫描频率或者帧速率，它反映了光学传感器内部的DSP对CMOS每秒钟可拍摄图像的处理能力。在鼠标移动时，光学传感器中的数字处理器通过对比所“拍摄”相邻照片间的差异，从而确定鼠标的具体位移。但当光电鼠标在高速运动时，可能会出现相邻两次拍摄的图像中没有明显参照物的情况。那么，光电鼠标势必无法完成正确定位，也就会出现我们常说的“跳帧”现象了。而提高光电鼠标的刷新频率就加大了光学传感器的拍摄速度，也就减少了没有相同参考物的几率，达到了减少跳帧的目的。

在这张照片中，您可以看到鼠标底部的LED

像素处理能力

虽然分辨率和刷新率都是光电鼠标重要的技术指标，但它们并不能客观反映光电鼠标的性能，所以罗技提出了像素处理能力这个指标，并规定：像素处理能力＝CMO晶阵像素数×刷新频率。根据光电鼠标的定位原理我们知道，光学传感器会将CMOS拍摄的图像进行光学放大后再投射到CMOS晶阵上形成帧，所以在光学放大率一定的情况下，增加了CMOS 晶阵像素数，也就可增大实际拍摄图像的面积。而拍摄面积越大，每帧图像上的细节也就越清晰，参考物也就越明显，和提高刷新率一样，也可减少跳帧的几率。

不过，需要注意的是，大多数情况下，厂商不会公布鼠标的CMOS尺寸，其大小从15x15到30x30像素（Pixel）不等。

光电鼠标的内部构成

从功能实现角度看，光电鼠标主要由发光二极管、固定夹、光学透镜、光学传感器、接口控制器芯片以及微动开关6部分元器件组成。

光电鼠标的PCB基板

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。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，不要误认为是机械鼠标底部的轨迹球。

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。

大多数的光电鼠标在使用时发红光，是因为红色高亮度的发光二极管问世最早，无论是技术还是产业化都最成熟，成本也最低廉，寿命更容易得到保障，所以大部分光电鼠标都采用了发红光的二极管。当然，我们在市场上也会看到其他颜色的产品，但这是为了迎合部分玩家标新立异的需求，和性能无关。

固定夹

负责照亮鼠标底部的发光二极管拥有很强的亮度，为了避免射出的光线干扰其他元器件工作，并且使光线通过透镜后能量更加集中，所以发光二级光上覆盖了固定夹。固定夹通常是黑色的，因为黑色吸收光线的能力最好。

光学透镜

光学透镜系统通常由一面棱光透镜和一面圆形透镜组成。发光二极管射出的光线先通过一面棱光透镜照亮鼠标底部表面，而反射回来的投影再经过另一面圆形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，透镜系统的重要性不言而喻了。

光学传感器

光学传感器是光电鼠标的核心部件，“CMOS感光器”和“数字信号处理器（DSP）”是其中最重要的两部分。CMOS感光器是一个由数百个光电器件组成的矩阵，恰似一部相机，用来拍摄鼠标物理位移的画面。光学传感器会将拍摄的光信号进行放大并投射到CMOS矩阵上形成帧，然后再将成帧的图像由光信号转换为电信号，传输至数字信号处理器进行处理。DSP对相邻帧之间差别进行除噪和分析后，将得出的位移信息通过接口电路传给计算机。

接口控制器芯片

接口控制器芯片负责管理光电鼠标的接口电路部分，使鼠标可以通过USB、PS/2等接口与PC相连。基于成本方面考虑，各品牌的光电鼠标一般都采用第三方的接口控制器芯片，而像赛普拉斯、凌阳、EMC都是常见的接口控制器芯片厂商。另外，有的光电鼠标选用了具备接口控制器功能的光学传感器（比如原相公司的PAN401光学传感器），所以在这类光电鼠标内部是无法发现独立的接口控制器芯片的。

微动开关