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。
图5
4、控制芯⽚
光电⿏标的接⼝控制器芯⽚负责协调光电⿏标中各元器件的⼯作、管理光电⿏标的接⼝电路部分，与外部电路进⾏沟通（桥接）及各种信号的传送和收取，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⽆法发现独⽴的接⼝控制器芯⽚。
三、光电⿏标的相关参数
1、光感应度
光感应度即⿏标的分辨率、精度，是选择⼀款⿏标的主要依据之⼀，⽤来描述⿏标的精度和准确度，单位是DPI或者CPI。其意思是指⿏标移动中，每移动⼀英⼨能准确定位的最⼤信息数。显然⿏标在每英⼨中能定位的信息数量越⼤，⿏标就越精确。对于以前使⽤滚球来定位的⿏标来说，⼀般⽤DPI来表⽰⿏标的定位能⼒。DPI（即DotsPerInch）指每英⼨的像素数，这是最常见的分辨率单位，反映的是静态指标。由于⿏标移动是个动态的过程，⽤DPI描述⿏标精确度已经不太合适，因此采⽤反映动态指标的CPI（即CountPerInch）来表⽰⿏标的分辨率更为恰当，CPI指的是每英⼨的采样率。
现在⼤多数⿏标采⽤了400CPI，少数⾼档⿏标采⽤800CPI。其中400CPI意味着当⿏标每移动⼀英⼨就可反馈400个不同的坐标，换句话说也就是采⽤400CPI的⿏标可以观察到⼿部0.06毫⽶的微弱移动。理
论上说CPI越⼤，光电⿏标就越灵敏。例如，当把⿏标向左移动⼀英⼨时，400CPI的⿏标会向电脑发出400次“左移”信号，⽽800CPI的⿏标就发送800次。做个假设，把⿏标移动1/800英⼨，那么800CPI的⿏标会向电脑传送⼀次移动信号，⽽400CPI的⿏标却没有反应，必须再移动1/800英⼨它才会传送移动信号。从这⾥可以看出，这两种分辨率的性能最⼤差别就在于800CPI的
⿏标在移动的开始阶段会⽐400cpi的⿏标反应快些。800CPI和400CPI的⿏标只是在显⽰器分辨率⾼的情况下性能差异才会表现得明显。
需要说明的是，⿏标的感应度并不能准确的反映⿏标的精确程度。光电⿏标的IAS 系统，是⿏标的核⼼部分，由光源、透镜和CMOS成像三部分组成。透镜可以起到对图像放⼤的作⽤，类似显微镜，显然提⾼透镜的放⼤倍数就可以提⾼⿏标的DPI。然⽽单纯提⾼放⼤倍数反⽽使图像模糊、变形，令DSP系统难以准确分析移动情况。因此DPI 像⼀把双刃剑，单纯提⾼DPI并没有意义，并且⽬前多数⿏标使⽤的USB和PS/2接⼝的数据传输⼒有限，过⾼的DPI可能会超出接⼝的传输能⼒。适当提⾼DPI 之外，还要提⾼光源的亮度、增⼤CMOS感光⾯积，提⾼每秒钟拍照的次数。这⼏个⽅⾯必须相互配合，单独提⾼其中⼀个意义不⼤，甚⾄适得其反。
2、刷新频率
⿏标刷新率也叫⿏标的采样频率，指⿏标每秒钟能采集和处理的图像数量。刷新率也是⿏标的重要性能
指标之⼀，即⿏标每⼀秒能够采集到的图像数据，⼀般以“FPS/S （帧/秒）”为单位，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。光电⿏标下⽅的CMOS传感器就是利⽤⼈眼观察事物的特点来⼯作：当移动⿏标时，CMOS传感器就会“观察”⿏标下的采样表⾯（桌⾯或⿏标垫）来获得⿏标的移动信息。CMOS以⼀定的频率对采样表⾯进⾏采样，产⽣离散量后转化为数字信息供计算机处理。那么这个采样频率即我们说的刷新频率。倘若⿏标的刷新率⼩于移动距离之内的图像数据，⿏标内部扫描的图像数据就会出现盲点，即扫描不到图像数据，最后导致定位光标位置失败，从⽽出现指针丢失的情况。⿏标的刷新率参数越⾼意味着其每秒采样的数据率也越⼤，性能也越⾼。
3、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，所以⼜提出了像素处理能⼒这个指标，并规定：像素处理能⼒＝CMOS晶阵像素数×刷新频率。根据光电⿏标的定位原理，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。
因此，影响⿏标性能的主要因素有以下三点：
第⼀、成像传感器。成像质量的⾼低，直接影响下⾯数据的进⼀步加⼯处理。
第⼆、DSP处理器。DSP输出的X、Y轴数据流，影响⿏标的移动和定位性能。
第三、SPI与MCU之间的配合。数据的传输具有⼀定的时间周期性（数据回报率），⽽且他们之间的周期也有所不同，SPI有四种⼯作模式，另外⿏标采⽤不同的MCU，与电脑的传输频率也会有所不同，因此数据从SPI传输到MCU，以及从MCU传输到主机电脑，传输时间上的配合尤为重要。
五、激光⿏标
激光⿏标是光电⿏标的⼀种，与传统光电⿏标的主要区别在于⽤激光代替了普通的LED光。因为激光是相⼲光，⼏乎为单⼀波长，这使得激光⿏标能够通过更多的表⾯，即使经过长距离的传播依然能保持其强度和波形。
激光⿏标传感器获得影像的过程，是根据激光照射在物体表⾯所产⽣的⼲涉条纹⽽形成的光斑点直接反射到传感器上获得的，⽽传统的光学⿏标是通过照射粗糙的表⾯所产⽣的阴影来获得。因此激光能对表⾯的图像产⽣更⼤的反差，从⽽使得CMOS成像传感器得到的图像更容易辨别，提⾼⿏标的定位精准性，并且可以再任何平⾯上操作，不易受到⼯作环境的影响。
六、⿏标的发展趋势
1、⽆线⿏标
鼠标分为哪三类在众多⿏标当中，⽆线⿏标⽆疑是最新崛起的⼀股⼒量，它的性能不断在完善，操作的优越性使得其越来越多的受到⽤户的欢迎。⽆线⿏标是指⽆线缆直接连接到主机的⿏标。⽬前通常采⽤的⽆线通信⽅式包括蓝⽛、Wi-Fi (IEEE 802.11)、Infrared (IrDA)、ZigBee (IEEE 802.15.4)等等多个⽆线技术标准，但对于当前主流⽆线⿏标⽽⾔，仅有27Mhz、2.4G和蓝⽛⽆线⿏标共三类。
2、激光⿏标
激光替换发光⼆极管进⾏表⾯照明并追踪，可以使得⿏标响应更快，适⽤于多种物体表⾯。⾃从罗技在2004年推出了⾸款消费级激光⿏标MX1000，激光⿏标发展迅速，在适⽤范围、分辨率和精确度等⽅⾯都优于传统光电⿏标。可以预见，激光⿏标的技术发展将会越来越成熟，成为市场的主流。
3、3D⿏标
⽬前市场上流通的传统⿏标基本都是在⼆维空间下操作，但是有些⿏标可以不同的⽅式进⾏操作。Axsotic设计的3D⿏标可以提供6种⾃由度，它不但可以在三维坐标轴中移动，还可以在3D空间中旋转。
图6 3D⿏标
4、意念控制⿏标
⿏标的未来是意念控制。⽬前使⽤⿏标是单纯进⾏物理操作来执⾏，先由⼤脑发出指令然后通过中枢神经将信号传输到整个⼿上再通过肌⾁的收缩来达到指令的执⾏，这是⼀个相对漫长的过程。⽽通过⼤脑的电波来直接控制电脑的想法，是⼀个相对可能的解决⽅案，随着科技的发展，这项技术应⽤到电脑的控制系统中，、将会完全取代⿏标的存在，成为最先进的电脑外设终端。尽管⽬前的消费级头戴式意念控制设备仍然不够实⽤，但总有⼀天它能够⾛进每个家庭。
图7⼤脑感应设备