菜鳥(niǎo)成長(zhǎng)手冊(cè)—光電鼠標(biāo)基礎(chǔ)知識(shí)入門

1、菜鳥(niǎo)成長(zhǎng)手冊(cè)光電鼠標(biāo)基礎(chǔ)知識(shí)入門前言：相比較早期使用廣泛的光學(xué)機(jī)械鼠標(biāo)，光電鼠標(biāo)定位精確、壽命長(zhǎng)久、無(wú)需清潔的優(yōu)勢(shì)明顯，越來(lái)越多地受到了DIYer特別是游戲玩家的認(rèn)可。下面的文章正是向您介紹這份掌下的精彩。一、光電鼠標(biāo)的外部設(shè)計(jì)1.外殼設(shè)計(jì)光電鼠標(biāo)的外殼大部分采用了工程塑料，也有采用金屬上蓋作為賣點(diǎn)的產(chǎn)品，但手感和制造成本并不理想，所以并沒(méi)有流行開(kāi)來(lái)。鼠標(biāo)外殼多用拋光和磨砂兩種設(shè)計(jì)，而仿效蘋(píng)果鼠標(biāo)的透明有機(jī)玻璃雙層殼設(shè)計(jì)以及磨砂表面配合軟橡膠材料的設(shè)計(jì)比較流行，但相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，卻更易磨損。（圖1，光電鼠標(biāo)的外殼）2.按鍵板設(shè)計(jì)鼠標(biāo)上蓋的主要部件就是按鍵板了，光電鼠標(biāo)的按鍵板分為按鈕式、蓋板式和

2、一體式3種設(shè)計(jì)。其中，按鈕式按鍵板是獨(dú)立按鈕，與鼠標(biāo)上蓋沒(méi)有連接；蓋板式按鍵板與上蓋有所連接，但也有獨(dú)立的部分；而一體式按鍵板是現(xiàn)今最為流行的，按鍵板本身就是鼠標(biāo)上蓋的一部分。微軟和羅技的很多產(chǎn)品都采用了這種方式。3.底部墊腳設(shè)計(jì)為了使光電鼠標(biāo)移動(dòng)更靈活，減少底部的摩擦力，所以引入了墊腳的概念：用塑料片將鼠標(biāo)底部墊起，從而減少摩擦。鼠標(biāo)墊腳的設(shè)計(jì)主要分為以微軟為代表的大墊腳派和以羅技為代表的小墊腳派，各有利弊。前者因?yàn)閴|腳尺寸大，材質(zhì)偏軟，所以比后者耐摩、防塵；后者因?yàn)閴|腳尺寸不足前者一半，材質(zhì)堅(jiān)硬，所以受力面積小，比前者更靈活。筆者個(gè)人認(rèn)為，對(duì)于普通玩家，前者的墊腳設(shè)計(jì)更適用；而對(duì)于發(fā)燒級(jí)的

3、游戲玩家，后者卻是首選。4.鼠標(biāo)滾輪1996年，微軟發(fā)明了鼠標(biāo)滾輪按鍵，由于給使用者提供了更多方便，所以時(shí)至今日，幾乎所有鼠標(biāo)上都能看到它的身影。滾輪按鍵設(shè)計(jì)通常包括兩種，第一種是以微軟為代表的機(jī)械式滾輪，第二種是以羅技為代表的光電式滾輪。前者利用滾輪帶動(dòng)機(jī)械電位器來(lái)獲得滾動(dòng)信息，定位更準(zhǔn)；后者利用發(fā)光二極管獲得滾動(dòng)信息，壽命更長(zhǎng)。5.人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的利弊對(duì)于光電鼠標(biāo)來(lái)說(shuō)，人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的目的就是讓用戶可在手指自然放松的情況下，手掌緊貼在鼠標(biāo)表面。但即使使用采用人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的光電鼠標(biāo)，也可能無(wú)法獲得舒適的手感。這是因?yàn)閺S家只可能以部分消費(fèi)者的手型數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，生產(chǎn)符合人體工程學(xué)的鼠標(biāo)模具，而對(duì)于

4、另一部分消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，使用該產(chǎn)品時(shí)，反而可能更加勞累。二、光電鼠標(biāo)內(nèi)部的主要元器件（圖3，光電鼠標(biāo)的PCB基板）光電鼠標(biāo)內(nèi)部主要包括“發(fā)光二極管”、“固定夾”、“光學(xué)透鏡”、“光學(xué)傳感器”、“接口控制器芯片”以及“微動(dòng)開(kāi)關(guān)”6部分元器件。1.發(fā)光二極管發(fā)光二極管相當(dāng)于光電鼠標(biāo)的光源，其主要任務(wù)是滿足光學(xué)傳感器的拍攝需要，將所要拍攝的“路況”照亮。除此以外，發(fā)光二極管還被用來(lái)滿足光電式的滾輪的需要。這里所說(shuō)的滾輪是我們常用來(lái)翻動(dòng)網(wǎng)頁(yè)的鼠標(biāo)中鍵，不要誤認(rèn)為是光機(jī)鼠標(biāo)底部的軌跡球。為光學(xué)傳感器服務(wù)的發(fā)光二極管在鼠標(biāo)“尾部”，會(huì)被固定夾遮蓋起來(lái)；而為光電式滾輪服務(wù)的發(fā)光二極管則在鼠標(biāo)“頭部”，也就是滾輪

5、位置附近。所以，雖然光電鼠標(biāo)內(nèi)部可能擁有不止一個(gè)發(fā)光二級(jí)管，但分辨起來(lái)并不難。小知識(shí)：光電鼠標(biāo)發(fā)紅光的原因因?yàn)榧t色高亮度的發(fā)光二極管問(wèn)世最早，無(wú)論是技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)化都最成熟，成本也最低廉，壽命更容易得到保障，所以大部分光電鼠標(biāo)都采用了發(fā)紅光的二極管。當(dāng)然，我們?cè)谑袌?chǎng)上也會(huì)看到其他顏色的產(chǎn)品，但這是為了迎合部分玩家標(biāo)新立異的需求，和性能無(wú)關(guān)。（圖4，光電鼠標(biāo)內(nèi)部的發(fā)光二極管）2.固定夾負(fù)責(zé)照亮鼠標(biāo)底部的發(fā)光二極管擁有很強(qiáng)的亮度，為了避免射出的光線干擾其他元器件工作，并且使光線通過(guò)透鏡后能量更加集中，所以發(fā)光二級(jí)光上覆蓋了固定夾。固定夾通常是黑色的，因?yàn)楹谏展饩€的能力最好。圖5，光電鼠標(biāo)的固定夾

6、）3.光學(xué)透鏡光學(xué)透鏡系統(tǒng)通常由一面棱光透鏡和一面圓形透鏡組成。發(fā)光二極管射出的光線先通過(guò)一面棱光透鏡照亮鼠標(biāo)底部表面，而反射回來(lái)的投影再經(jīng)過(guò)另一面圓形透鏡匯聚到光學(xué)傳感器的小孔里。作為光線傳遞的必經(jīng)之路，透鏡系統(tǒng)的重要性不言而喻了。（圖6，光電鼠標(biāo)的透鏡）4.光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器是光電鼠標(biāo)的核心部件，“CMOS感光器”和“數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）”是其中最重要的兩部分。CMOS感光器是一個(gè)由數(shù)百個(gè)光電器件組成的矩陣，恰似一部相機(jī)，用來(lái)拍攝鼠標(biāo)物理位移的畫(huà)面。光學(xué)傳感器會(huì)將拍攝的光信號(hào)進(jìn)行放大并投射到CMOS矩陣上形成幀，然后再將成幀的圖像由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸至數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理。D

7、SP對(duì)相鄰幀之間差別進(jìn)行除噪和分析后，將得出的位移信息通過(guò)接口電路傳給計(jì)算機(jī)。（圖7，這是一款微軟制造的光學(xué)傳感器）5.接口控制器芯片接口控制器芯片負(fù)責(zé)管理光電鼠標(biāo)的接口電路部分，使鼠標(biāo)可以通過(guò)USB、PS/2等接口與PC相連?；诔杀痉矫婵紤]，各品牌的光電鼠標(biāo)一般都采用第三方的接口控制器芯片，而像賽普拉斯、凌陽(yáng)、EMC都是常見(jiàn)的接口控制器芯片廠商。另外，有的光電鼠標(biāo)選用了具備接口控制器功能的光學(xué)傳感器（比如原相公司的PAN401光學(xué)傳感器），所以在這類光電鼠標(biāo)內(nèi)部是無(wú)法發(fā)現(xiàn)獨(dú)立的接口控制器芯片的。（圖8，這就是一款賽普拉斯的接口控制器芯片）6.微動(dòng)開(kāi)關(guān)平時(shí)使用一款光電鼠標(biāo)時(shí)，打交道最多的要算

8、是鼠標(biāo)按鍵了，而鼠標(biāo)按鍵一一對(duì)應(yīng)著內(nèi)部的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，所以按鍵板設(shè)計(jì)和微動(dòng)開(kāi)關(guān)的品質(zhì)共同決定了鼠標(biāo)的手感。當(dāng)然，微動(dòng)開(kāi)關(guān)的質(zhì)量還影響著光電鼠標(biāo)的故障率。因此，有的廠商會(huì)在宣傳材料中聲明自己的某款型號(hào)產(chǎn)品使用了高檔的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，從而吸引消費(fèi)者購(gòu)買。（圖9，光電鼠標(biāo)采用的微動(dòng)開(kāi)關(guān)）三、光電鼠標(biāo)的定位原理看了上面的介紹，相信讀者朋友對(duì)光電鼠標(biāo)的定位原理已經(jīng)有所了解了。下面，我們總結(jié)一下：發(fā)光二極管照亮采樣表面，對(duì)比度強(qiáng)烈的待采樣影像通過(guò)透鏡在CMOS上成像，CMOS將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為矩陣電信號(hào)傳輸給DSP，DSP則將此影像信號(hào)與存儲(chǔ)的上一采樣周期的影像進(jìn)行比較分析，然后發(fā)送一個(gè)位移距離信號(hào)到接口電路。接口電

9、路對(duì)由DSP發(fā)來(lái)的位移信號(hào)進(jìn)行整合處理，而已傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)部的位移信號(hào)再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)一步處理，最終在系統(tǒng)中形成光標(biāo)的位移。（圖10，光電鼠標(biāo)定位示意圖）小知識(shí)：光電鼠標(biāo)和激光鼠標(biāo)區(qū)別光電鼠標(biāo)并不等于激光鼠標(biāo)，兩者的顯示原理有所區(qū)別。比如，光電鼠標(biāo)需要透鏡支持，而部分激光鼠標(biāo)則不需要。這類激光鼠標(biāo)的成像原理是將激光照射在物體表面，產(chǎn)生的干涉條紋可直接產(chǎn)生光斑點(diǎn)反射到傳感器上，因此省略了傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，理論上這樣反饋的圖像更精確。另外，人造紅寶石激光發(fā)生器和特制的半導(dǎo)體二極管都可產(chǎn)生激光。前者可生成可見(jiàn)激光，但成本高昂，很少會(huì)使用在鼠標(biāo)領(lǐng)域中；后者可生成不可見(jiàn)激光，成本相對(duì)低廉，市面上出售的

10、激光鼠標(biāo)大多采用這種方式。所以說(shuō)，工作時(shí)底部是否發(fā)光，也可作為光電鼠標(biāo)和激光鼠標(biāo)的一個(gè)明顯區(qū)別。四、光電鼠標(biāo)的重要參數(shù)1.光電鼠標(biāo)的分辨率光電鼠標(biāo)的分辨率通常用CPI來(lái)表示，CPI越高，越利于反映玩家的微小操作。而且在鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)相同邏輯距離時(shí)，分辨率高的需要移動(dòng)的物理距離則要短。拿一款800 CPI的光電鼠標(biāo)來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用者將鼠標(biāo)移動(dòng)1英寸時(shí)，其光學(xué)傳感器就會(huì)接收到反饋回來(lái)的800個(gè)不同的坐標(biāo)點(diǎn)，鼠標(biāo)箭頭同時(shí)會(huì)在屏幕上移動(dòng)800個(gè)像素點(diǎn)。反過(guò)來(lái)，鼠標(biāo)箭頭在屏幕上移動(dòng)一個(gè)像素點(diǎn)，就需要鼠標(biāo)物理移動(dòng)1/800英寸的距離。所以，CPI高的鼠標(biāo)更適合在高分辨率的屏幕下使用。光學(xué)機(jī)械鼠標(biāo)的分辨率多為20

11、0400 CPI，而光電鼠標(biāo)的分辨率通常在400800 CPI之間。除CPI以外，DPI也常被人用來(lái)形容光電鼠標(biāo)的分辨率。CPI的全稱是“count per inch”，直譯為“每英寸的測(cè)量次數(shù)”；而DPI的英文全稱是“dots per inch”，直譯為“每英寸像素”。由于光電鼠標(biāo)的分辨率反映了一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以用CPI來(lái)形容更恰當(dāng)些。但無(wú)論是CPI還是DPI，描述的都是光電鼠標(biāo)的分辨率，不存在性能差別。2.光電鼠標(biāo)的刷新頻率光電鼠標(biāo)的刷新頻率也被稱為掃描頻率或者幀速率，它反映了光學(xué)傳感器內(nèi)部的DSP對(duì)CMOS每秒鐘可拍攝圖像的處理能力。文章第三部分在介紹光電鼠標(biāo)定位原理時(shí)已提到過(guò)了，光學(xué)傳

12、感器中的數(shù)字處理器通過(guò)對(duì)比所“拍攝”相鄰照片間的差異，從而確定鼠標(biāo)的具體位移。但當(dāng)光電鼠標(biāo)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)相鄰兩次拍攝的圖像中沒(méi)有明顯參照物的情況。那么，光電鼠標(biāo)勢(shì)必?zé)o法完成正確定位，也就會(huì)出現(xiàn)我們常說(shuō)的“跳幀”現(xiàn)象了。而提高光電鼠標(biāo)的刷新頻率就加大了光學(xué)傳感器的拍攝速度，也就減少了沒(méi)有相同參考物的幾率，達(dá)到了減少跳幀的目的。3.光電鼠標(biāo)的像素處理能力雖然分辨率和刷新率都是光電鼠標(biāo)重要的技術(shù)指標(biāo)，但它們并不能客觀反映光電鼠標(biāo)的性能，所以羅技提出了像素處理能力這個(gè)指標(biāo)，并規(guī)定：像素處理能力CMO晶陣像素?cái)?shù)×刷新頻率。根據(jù)光電鼠標(biāo)的定位原理我們知道，光學(xué)傳感器會(huì)將CMOS拍攝的圖

13、像進(jìn)行光學(xué)放大后再投射到CMOS晶陣上形成幀，所以在光學(xué)放大率一定的情況下，增加了CMOS晶陣像素?cái)?shù)，也就可增大實(shí)際拍攝圖像的面積。而拍攝面積越大，每幀圖像上的細(xì)節(jié)也就越清晰，參考物也就越明顯，和提高刷新率一樣，也可減少跳幀的幾率。五、微軟和安捷倫的角力安捷倫和微軟是全球兩大光學(xué)傳感器的生產(chǎn)廠商。雖然相比微軟的婦孺皆知，DIYer對(duì)安捷倫了解得并不多。但從光學(xué)傳感器這個(gè)領(lǐng)域來(lái)看，安捷倫絕對(duì)擁有與微軟比肩的實(shí)力。1999年從惠普分離出來(lái)的安捷xxx司，迅速成為世界上最大的電子廠商之一，其經(jīng)營(yíng)范圍涉及電子測(cè)量?jī)x器、半導(dǎo)體產(chǎn)品、生命科學(xué)與化學(xué)分析、通信解決方案及自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。光學(xué)傳感器雖然

14、只是其繁多復(fù)雜的產(chǎn)品線之一，但也是最成功的產(chǎn)品線之一。1999年，微軟與安捷xxx司合作，推出了世界上第一款光電鼠標(biāo)傳感器IntelliEye，堪稱鼠標(biāo)發(fā)展史上最重要的發(fā)明之一。2000年，安捷xxx司和羅技公司合作，推出性能和IntelliEye相近的光學(xué)傳感器，同樣采用了1500次刷新頻率400 CPI分辨率。不過(guò)，無(wú)論是微軟還是安捷倫的第一代產(chǎn)品，由于刷新率太低，所以丟幀現(xiàn)象都很嚴(yán)重。另外，由于CMOS尺寸太?。?6×16），所以對(duì)采樣表面的適應(yīng)性也都很差。2001年，安捷倫又推出了第二代光學(xué)傳感器。雖然在分辨率和刷新頻率方面都有所提高，但因?yàn)镃MOS和DSP沒(méi)有重大改進(jìn)，所以

15、性能提升并不明顯。2001年底，微軟公司在與安捷倫停止合作后，獨(dú)立研發(fā)了第二代IntelliEye光學(xué)傳感器。通過(guò)重新設(shè)計(jì)CMOS和DSP算法，將刷新頻率提升到了前所未有的6000Hz，同時(shí)將CMOS加大到了22×22的規(guī)格，從而很好地解決了鼠標(biāo)丟幀和采樣表面適應(yīng)性差的問(wèn)題。2002年下半年，安捷xxx司和羅技公司合作，推出了MX光學(xué)引擎。在上一代光學(xué)傳感器的基礎(chǔ)上，加大刷新頻率的同時(shí)，進(jìn)一步增大了CMOS的尺寸，所以在像素處理能力這一指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了同期其他品牌的產(chǎn)品，受到了廣大游戲玩家的青睞。小知識(shí)：分辨率和刷新率的演進(jìn)1999年，微軟研發(fā)了第一代的光學(xué)傳感器，可提供1500Hz刷新頻率