菜鸟成长手册—光电鼠标基础知识入门

菜鸟成长手册—光电鼠标基础知识入门前言：相比较早期使用广泛的光学机械鼠标，光电鼠标定位精确、寿命长久、无需清洁的优势明显，越来越多地受到了DIYer特别是游戏玩家的认可。下面的文章正是向您介绍这份掌下的精彩。一、光电鼠标的外部设计1.外壳设计光电鼠标的外壳大部分采用了工程塑料，也有采用金属上盖作为卖点的产品，但手感和制造成本并不理想，所以并没有流行开来。鼠标外壳多用抛光和磨砂两种设计，而仿效苹果鼠标的透明有机玻璃双层壳设计以及磨砂表面配合软橡胶材料的设计比较流行，但相比传统设计，却更易磨损。（图1，光电鼠标的外壳）2.按键板设计鼠标上盖的主要部件就是按键板了，光电鼠标的按键板分为按钮式、盖板式和一体式3种设计。其中，按钮式按键板是独立按钮，与鼠标上盖没有连接；盖板式按键板与上盖有所连接，但也有独立的部分；而一体式按键板是现今最为流行的，按键板本身就是鼠标上盖的一部分。微软和罗技的很多产品都采用了这种方式。3.底部垫脚设计为了使光电鼠标移动更灵活，减少底部的摩擦力，所以引入了垫脚的概念：用塑料片将鼠标底部垫起，从而减少摩擦。鼠标垫脚的设计主要分为以微软为代表的大垫脚派和以罗技为代表的小垫脚派，各有利弊。前者因为垫脚尺寸大，材质偏软，所以比后者耐摩、防尘；后者因为垫脚尺寸不足前者一半，材质坚硬，所以受力面积小，比前者更灵活。笔者个人认为，对于普通玩家，前者的垫脚设计更适用；而对于发烧级的游戏玩家，后者却是首选。4.鼠标滚轮1996年，微软发明了鼠标滚轮按键，由于给使用者提供了更多方便，所以时至今日，几乎所有鼠标上都能看到它的身影。滚轮按键设计通常包括两种，第一种是以微软为代表的机械式滚轮，第二种是以罗技为代表的光电式滚轮。前者利用滚轮带动机械电位器来获得滚动信息，定位更准；后者利用发光二极管获得滚动信息，寿命更长。5.人体工程学设计的利弊对于光电鼠标来说，人体工程学设计的目的就是让用户可在手指自然放松的情况下，手掌紧贴在鼠标表面。但即使使用采用人体工程学设计的光电鼠标，也可能无法获得舒适的手感。这是因为厂家只可能以部分消费者的手型数据为准，生产符合人体工程学的鼠标模具，而对于另一部分消费者来说，使用该产品时，反而可能更加劳累。二、光电鼠标内部的主要元器件（图3，光电鼠标的PCB基板）光电鼠标内部主要包括“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。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。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，不要误认为是光机鼠标底部的轨迹球。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。小知识：光电鼠标发红光的原因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。（图4，光电鼠标内部的发光二极管）2.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。图5，光电鼠标的固定夹）3.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。（图6，光电鼠标的透镜）4.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。（图7，这是一款微软制造的光学传感器）5.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。（图8，这就是一款赛普拉斯的接口控制器芯片）6.微动开关平时使用一款光电鼠标时，打交道最多的要算是鼠标按键了，而鼠标按键一一对应着内部的微动开关，所以按键板设计和微动开关的品质共同决定了鼠标的手感。当然，微动开关的质量还影响着光电鼠标的故障率。因此，有的厂商会在宣传材料中声明自己的某款型号产品使用了高档的微动开关，从而吸引消费者购买。（图9，光电鼠标采用的微动开关）三、光电鼠标的定位原理看了上面的介绍，相信读者朋友对光电鼠标的定位原理已经有所了解了。下面，我们总结一下：发光二极管照亮采样表面，对比度强烈的待采样影像通过透镜在CMOS上成像，CMOS将光学影像转化为矩阵电信号传输给DSP，DSP则将此影像信号与存储的上一采样周期的影像进行比较分析，然后发送一个位移距离信号到接口电路。接口电路对由DSP发来的位移信号进行整合处理，而已传入计算机内部的位移信号再经过驱动程序的进一步处理，最终在系统中形成光标的位移。（图10，光电鼠标定位示意图）小知识：光电鼠标和激光鼠标区别光电鼠标并不等于激光鼠标，两者的显示原理有所区别。比如，光电鼠标需要透镜支持，而部分激光鼠标则不需要。这类激光鼠标的成像原理是将激光照射在物体表面，产生的干涉条纹可直接产生光斑点反射到传感器上，因此省略了传统的光学透镜系统，理论上这样反馈的图像更精确。另外，人造红宝石激光发生器和特制的半导体二极管都可产生激光。前者可生成可见激光，但成本高昂，很少会使用在鼠标领域中；后者可生成不可见激光，成本相对低廉，市面上出售的激光鼠标大多采用这种方式。所以说，工作时底部是否发光，也可作为光电鼠标和激光鼠标的一个明显区别。四、光电鼠标的重要参数1.光电鼠标的分辨率光电鼠标的分辨率通常用CPI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800CPI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200～400CPI，而光电鼠标的分辨率通常在400～800CPI之间。除CPI以外，DPI也常被人用来形容光电鼠标的分辨率。CPI的全称是“countperinch”，直译为“每英寸的测量次数”；而DPI的英文全称是“dotsperinch”，直译为“每英寸像素”。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。2.光电鼠标的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。文章第三部分在介绍光电鼠标定位原理时已提到过了，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。3.光电鼠标的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。五、微软和安捷伦的角力安捷伦和微软是全球两大光学传感器的生产厂商。虽然相比微软的妇孺皆知，DIYer对安捷伦了解得并不多。但从光学传感器这个领域来看，安捷伦绝对拥有与微软比肩的实力。1999年从惠普分离出来的安捷xxx司，迅速成为世界上最大的电子厂商之一，其经营范围涉及电子测量仪器、半导体产品、生命科学与化学分析、通信解决方案及自动测试设备等多个领域。光学传感器虽然只是其繁多复杂的产品线之一，但也是最成功的产品线之一。1999年，微软与安捷xxx司合作，推出了世界上第一款光电鼠标传感器——IntelliEye，堪称鼠标发展史上最重要的发明之一。2000年，安捷xxx司和罗技公司合作，推出性能和IntelliEye相近的光学传感器，同样采用了1500次刷新频率400CPI分辨率。不过，无论是微软还是安捷伦的第一代产品，由于刷新率太低，所以丢帧现象都很严重。另外，由于CMOS尺寸太小（16×16），所以对采样表面的适应性也都很差。2001年，安捷伦又推出了第二代光学传感器。虽然在分辨率和刷新频率方面都有所提高，但因为CMOS和DSP没有重大改进，所以性能提升并不明显。2001年底，微软公司在与安捷伦停止合作后，独立研发了第二代IntelliEye光学传感器。通过重新设计CMOS和DSP算法，将刷新频率提升到了前所未有的6000Hz，同时将CMOS加大到了22×22的规格，从而很好地解决了鼠标丢帧和采样表面适应性差的问题。2002年下半年，安捷xxx司和罗技公司合作，推出了MX光学引擎。在上一代光学传感器的基础上，加大刷新频率的同时，进一步增大了CMOS的尺寸，所以在像素处理能力这一指标上远远超越了同期其他品牌的产品，受到了广大游戏玩家的青睐。小知识：分辨率和刷新率的演进1999年，微软研发了第一代的光学传感器，可提供1500Hz刷新频率与400CPI分辨率2002年，微软研发了第二代的光学传感器，可提供6000Hz刷新频率与800CPI分辨率2003年，微软研发了第三代的光学传感器，可提供9000Hz刷新频率与800CPI分辨率1999年，安捷伦研发了第一代光学传感器，可提供1500Hz刷新频率与400CPI分辨率2001年，安捷伦研发了第二代光学传感器，最高提供2500Hz刷新频率与800CPI分辨率2002年，安捷伦研发了第三代光学传感器，可提供6500Hz刷新频率与800CPI分辨率