光电鼠标的工作原理

光电鼠标的结构和原理

光电鼠标在主体结构上与传统的光机鼠标是一样的，所不同的就是它的定位机构。光学鼠标的定位机构也就是所说的光电引擎，它由三个主要的子系统组成：IAS 系统，即成像系统（Image Acquisition System），这是光电引擎的的核心部分，也是决定光电引擎性能的主要系统，各代光电引擎几乎全是在IAS 系统上进行的改进。同时，这也是光电引擎上唯一一个光学电子系统，结构最为复杂；DSP 系统，即信号处理系统（Digital Signal Processor）。这是将IAS 系统生成的图像进行除噪与对比分析，得出位移数据的系统，是光电引擎中的主要运算部件。DSP 的算法效率决定了光电引擎的数据处理能力，IAS 引擎能提供的扫描数据越多，就越是需要高效率的DSP 能力；SPI系统，即接口系统（Serial Peripheral Interface）。这是光电引擎上最传统的系统，它的作用就是将 DSP系统生成的位移信号和按键系统的按键信号进行编码然后传输给电脑。在安捷伦引擎上，SPI 系统就是如光机鼠标一样的独立芯片。而微软引擎则将它与 IAS 中的电子部分、DSP 系统整合到了一块芯片上。由于光电引擎没有机械部分，所以它的重量要小各种机电鼠标结构，为了使重量符合传统的需求，所以一般在光电鼠标内部上壳处后部都会安装一块用于配重的铁块以保证稳定。

IAS 系统是三个系统中最核心也是最复杂的。它一般由三个部分组成：光源部分、纯光学部分、光学电子部分。光源部分的作用是为了 CMOS 的成像提供一个稳定可靠的光源。它一般由IAS 系统后部的一个高亮度LED 和一组光学管道以及与采样表面呈30 度角的聚光透镜组成，可以在成像镜头下方的采样表面上形成强烈的照射光。这样在粗糙的漫反射表面上就会形成有阴影的对比度强烈的影像，成为 DSP 判断移动的依据。为了节省电能，一般来说光电引擎都具有自动节能功能，当 DSP 长时间没有测出移动时就会将 LED 转为低发光状态以节省电力。

光源LED的选择与光电鼠标的"色盲"现象

一直以来，在很多人的心中都有一个疑惑——为什么几乎所有的光电鼠标的LED都是红色的？

其实，往往正确的答案就是最简单的答案——选择红色原因就是因为红色的高亮度LED 是最成熟和最便宜的！由于红色的高亮LED最早问世，所以它的成本要比其他颜色的更低，而且其制造材料发展成熟，使得红色高亮LED的使用寿命最长。而光电引擎的成像是单色的，无论什么颜色的光源都不会产生影响。在这种情况下，除了少数厂商为了制造卖点以外，大多数厂商当然会选择红色的产品了。

但使用红色LED也带来一个问题，由于有色光在不同颜色表面上的反射率并不一致，这就导致光电鼠标在某些颜色表面上由于光线反射率低导致DSP不能识别的"色盲"问题。要根本解决这个问题，只能从根部入手，提高DSP的分析能力，但目前的光电引擎除微软自己以外，几乎所有的厂商都采用的安捷伦设计，其DSP算法完全一致。但在DSP相同的情况下，有些产品却没有这样的"色盲"问题，这是怎么回事呢？

其实原理非常简单——既然是光线反射率低带来的识别失败，简单的加大光源功率不就成了？就象旧光驱调大激光头的功率来提升读盘能力一样，换用更大功率的发光二极管——答案就是这么简单！光电鼠标的光学部分主要就是指的它的成像透镜，由于是近距成像，所以这是一个高曲光率的透镜，其制造材料一般是有机玻璃。光电系统就是IAS 系统中的CMOS 传感器，它是一个由数百个光电器件组成的矩阵，经透镜形成的采样表面图像就在CMOS 上转换为矩阵电信号，然后传输至DSP 进行处理。而光电

引擎的工作原理，简单说起来就是：光源照亮采样表面，生成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 将此影像信号与存储的上一采样周期的影像进行比较，寻找相似点——如果发现存在移动，就发送一个位移距离信号到SPI，否则就什么也不做——继续下一个采样周期。而SPI 则对由DSP 发来的位移信号进行整合处理，按鼠标接口采样频率将每个接口采样周期内积累的位移信号统一计算后输出到鼠标接口，然后再清零准备接收下一个周期的数据。由于光学成像式光电鼠标的工作原理和传统鼠标有很大的不同，所以它的参数与传统鼠标相比也有很大的差别，我们下面就来看一看。光电鼠标的参数

CPI：与光机式鼠标一样，CPI 也是光电鼠标的一个重要指标。不过对于光电鼠标的 CPI，一直以来都有一种误解，例如当初在某个著名网站上曾有过的争论——为何安捷伦二代引擎比微软二代引擎的CMOS 尺寸小，其 CPI 反而更高？其实我们想一下就很容易明白了，光电引擎的成像其实就象是显微镜照像，其 CPI 水平就相当于照像的细节放大清晰度。那么——显微镜照像的放大清晰度会和照片的尺寸有关系吗？当然不会，它只会取决于显微镜的放大率，就算你把底片换成只有原来一半大的，也只会使得原来照片上的一些东西照不出来了，但照片的细节也不会变得更清晰或更模糊。所以，上面的问题也就一点也不奇怪了，因为光电鼠标的 CPI 与 CMOS 的像素数毫无关系，它完全是由透镜的曲光率决定的。同样，提高透镜的曲光率就可以提高鼠标的 CPI数值，但是这种提升是有限制的，因为在CMOS 尺寸不变的情况下，CPI 越高，能够成像的范围就会越小，这样对下面我们将要提到的各项参数的要求也就越高。同时，由于光电引擎的成像是单镜头近距成像,所以它的图像实际为鱼眼图像，透镜曲光率越是提升，其图像变形和像差也就越严重，最终其图像就会变得毫无用处。所以除非对其光学结构作出大的调整，否则很难期望光电鼠标的CPI 达到与高CPI 机电鼠标相当的水平。

采样频率:这是光电鼠标独有的参数，它代表的是CMOS 每秒钟对采样表面"拍照"的次数和DSP 相应的每秒运算处理能力。早期的光电鼠标，存在着高速移动鼠标时，就会出现鼠标指针不动甚至满屏幕乱飞的情况，出现这种情况，其道理也很简单，就是因为当鼠标高速移动时，很可能会出现CMOS 相邻两次拍摄的图像中没有任何共同采样点的情况，没有共同的采样点，当然也就无从比较移动的方向，就好像一个人在长途汽车上睡觉醒来不知身在何方一样。这样 DSP 当然无法正常处理，从而产生大量的错误信号。

解决这个问题的一个主要方法就是提升"拍照"的频率，"连拍"的频率越快，就越能在鼠标移出上次拍照的地区之前拍下下一张照片。微软的第二代IntelliEye 引擎就一举将采样频率由1500Hz 提升到了6000Hz，彻底解决了这个问题。但是，从严格意义上说，只谈采样频率其实是不科学的，这也就是为什么光电引擎的原始设计者安捷伦公司现在已经不使用这个参数的原因，而道理就在伦公司现在已经不使用这个参数的原因，而道理就在下面。

CMOS像素数：罗技最新的MX 系列鼠标采样频率不及微软的鼠标（其实际采样频率应该在5000Hz 左右，曾有的8000Hz 传言被证实为谣言），但它们能承受的最大移动速度却比微软鼠标更快？为什么？

因为要保证在高速移动鼠标下不出现相联两次采样下无共同采样点的情况，除了加快"拍照"速度以外，还有另一种方法，就是增大"照片"的尺寸。只要能够一次得到足够大范围的特征点，那么少"拍"几张也没什么大不了。MX 光电引擎就是依靠比微软更大的 CMOS 像素