Optik fare - Optical mouse

Bir Microsoft kablosuz optik fare

Bir optik fare a, bilgisayar fare , bir ışık kaynağı, tipik olarak, bir kullanan ışık yayan diyot gibi, bir dizi olarak (LED) ve bir ışık detektörü, fotodiyot bir yüzeye hareket göre tespit etmek için,. Optik farenin varyasyonları, hareketi algılamak için hareketli parçaları kullanan eski mekanik fare tasarımının yerini büyük ölçüde almıştır .

En eski optik fareler, önceden basılmış fare altlığı yüzeylerinde hareket algıladı. Modern optik fareler kağıt gibi çoğu opak dağınık yansıtıcı yüzeylerde çalışır, ancak çoğu cilalı taş gibi yansıtıcı yansıtıcı yüzeylerde veya cam gibi şeffaf yüzeylerde düzgün çalışmaz . Karanlık alan aydınlatması kullanan optik fareler , bu tür yüzeylerde bile güvenilir bir şekilde çalışabilir.

mekanik fareler

Yaygın olarak optik fareler olarak adlandırılmasa da, neredeyse tüm mekanik fareler , kızılötesi ışık ışınlarının bir çift artımlı döner kodlayıcı tekerleğindeki (biri sol/sağ için, diğeri) deliklerden ne zaman geçip geçmediğini tespit etmek için LED'ler ve fotodiyotlar kullanarak hareketi izledi ileri/geri için), lastik bir top tarafından sürülür. Bu nedenle, "optik fareler"in birincil farkı, optik kullanmaları değil, fare hareketini izlemek için hareketli parçalardan tamamen yoksun olmaları, bunun yerine tamamen katı hal sistemi kullanmalarıdır.

Erken optik fareler

Williams ve Cherry'nin ters çevrilmiş ambalaj tasarımının geliştirilmesinden önce, erken bir Xerox optik fare çipi

İlk Aralık 1980'de iki bağımsız buluş sahipleri tarafından gösterilen ilk iki optik fareler, farklı temel tasarıma sahiptir: icat Bunlardan biri, Steve Kirsch arasında MİT ve fare Systems Corporation ızgara tespit etmek için bir kızıl ötesi LED kullanılan ve bir dört-kadranlı kızılötesi sensör özel bir metalik yüzey üzerine kızılötesi emici mürekkeple basılmış çizgiler. Akıllı algoritmalar olarak CPU ızgara üzerinden hız ve yön hesaplanan fare idi. Xerox'tan Richard F. Lyon tarafından icat edilen diğer tür, aynı n-tipi ( 5 µm ) MOS entegre devre çipinde entegre hareket algılamalı 16 piksellik bir görünür ışık görüntü sensörü kullandı ve ışık noktalarının hareketini basılı kağıt veya benzeri bir fare altlığının karanlık alanı. Kirsch ve Lyon fare türlerinin davranışları çok farklıydı, çünkü Kirsch fare altlık içine gömülü bir xy koordinat sistemi kullanıyordu ve altlık döndürüldüğünde düzgün çalışmıyordu, Lyon faresi ise fare gövdesinin xy koordinat sistemini kullanıyordu. mekanik farelerin yaptığı gibi.  

Microsoft Wireless IntelliMouse Explorer'dan (v. 1.0A) optik sensör

Sonunda Xerox STAR ofis bilgisayarıyla satılan optik fare, Xerox Mikroelektronik Merkezi'nden Lisa M. Williams ve Robert S. Cherry tarafından patenti alınan ters çevrilmiş bir sensör çipi paketleme yaklaşımı kullandı.

Modern optik fareler

IntelliMouse Explorer sensör silikon kalıbının mikroskop fotoğrafı

Modern yüzeyden bağımsız optik fareler , farenin üzerinde çalıştığı yüzeyin art arda görüntülerini almak için bir optoelektronik sensör (esas olarak küçük bir düşük çözünürlüklü video kamera) kullanarak çalışır. Bilgi işlem gücü ucuzladıkça, farenin kendisine daha güçlü özel amaçlı görüntü işleme çipleri yerleştirmek mümkün hale geldi . Bu ilerleme, farenin çok çeşitli yüzeylerde bağıl hareketi algılamasını, farenin hareketini imlecin hareketine çevirmesini ve özel bir fare altlığı ihtiyacını ortadan kaldırmasını sağladı. Yüzeyden bağımsız tutarlı ışık optik fare tasarımı, 1988'de Xerox'ta Stephen B. Jackson tarafından patentlendi.

Ticari olarak satılan ilk modern optik bilgisayar fareleri, 1999 yılında Hewlett-Packard tarafından geliştirilen teknoloji kullanılarak tanıtılan IntelliEye ve IntelliMouse Explorer özellikli Microsoft IntelliMouse idi . Hemen hemen her yüzeyde çalıştı ve kiri toplayan, kaprisli bir şekilde takip eden, zorlu kullanımlara davet eden ve sık sık sökülüp temizlenmesi gereken mekanik farelere göre hoş bir gelişmeyi temsil ediyordu. Diğer üreticiler kısa süre sonra HP yan ürünü Agilent Technologies tarafından üretilen bileşenleri kullanarak Microsoft'un liderliğini izledi ve sonraki birkaç yıl içinde mekanik farelerin modası geçti.

S5085 optik sensör IC kalıbı (CMOS sensör + sürücü)

Modern optik bilgisayar faresinin altında yatan teknoloji , askeri hedefleri izlemek için savunma endüstrisinin öncülük ettiği bir teknoloji olan dijital görüntü korelasyonu olarak bilinir . 1980 Lyon optik faresinde dijital görüntü korelasyonunun basit bir ikili görüntü versiyonu kullanıldı. Optik fareler, ahşap, kumaş, fare altlıkları ve Formica gibi malzemelerde doğal olarak oluşan dokuları görüntülemek için görüntü sensörlerini kullanır . Bu yüzeyler, ışık yayan bir diyot tarafından sıyırıcı bir açıyla aydınlatıldığında, gün batımında aydınlatılan engebeli bir araziye benzeyen belirgin gölgeler oluşturur. Bu yüzeylerin görüntüleri sürekli olarak art arda yakalanır ve farenin ne kadar hareket ettiğini belirlemek için birbirleriyle karşılaştırılır.

Optik farelerde optik akışın nasıl kullanıldığını anlamak için , aynı nesnenin birbirinden biraz uzak olması dışında iki fotoğrafını hayal edin. Her iki fotoğrafı da şeffaf hale getirmek için hafif bir masanın üzerine yerleştirin ve görüntüleri aynı hizaya gelene kadar birbirinin üzerinde kaydırın. Bir fotoğrafın kenarlarının diğerinden sarktığı miktar, görüntüler arasındaki kaymayı ve optik bilgisayar faresi durumunda hareket ettiği mesafeyi temsil eder.

Optik fareler, saniyede bin veya daha fazla ardışık görüntü yakalar. Farenin ne kadar hızlı hareket ettiğine bağlı olarak, her görüntü bir öncekinden bir pikselin bir kısmı veya birkaç piksel kadar kaydırılacaktır. Optik fareler, birbirini izleyen her görüntünün öncekinden ne kadar dengelendiğini hesaplamak için çapraz korelasyon kullanarak bu görüntüleri matematiksel olarak işler.

Optik bir fare, 18 × 18 piksel monokromatik piksel dizisine sahip bir görüntü sensörü kullanabilir. Sensörü normalde görüntüleri depolamak ve işlemek için kullanılan ASIC ile aynı ASIC'i paylaşır . Bir iyileştirme, önceki hareketlerden gelen bilgileri kullanarak korelasyon sürecini hızlandıracak ve başka bir iyileştirme, enterpolasyon veya çerçeve atlama ekleyerek yavaş hareket ederken ölü bantları önleyecektir.

Hewlett-Packard Co.'da modern optik farenin geliştirilmesi, 1990'larda HP Laboratuarlarında bir dizi ilgili proje tarafından desteklendi. 1992'de William Holland 5,089,712 ABD Patenti ile ödüllendirildi ve John Ertel, William Holland, Kent Vincent, Rueiming Jamp ve Richard Baldwin, kağıt liflerinin görüntülerini ilişkilendirerek bir yazıcıda doğrusal kağıt ilerlemesini ölçmek için ABD Patenti 5,149,980 ile ödüllendirildi. Ross R. Allen, David Beard, Mark T. Smith ve Barclay J. Tullis, mikroskobik algılama ve ilişkilendirmeye dayalı 2 boyutlu optik navigasyon (yani konum ölçümü) ilkeleri için 5.578.813 (1996) ve 5.644.139 (1997) ABD Patentleri ile ödüllendirildi. , navigasyon sensörünün üzerinde seyahat ettiği yüzeyin doğal özellikleri ve belgenin bir görüntüsünü yeniden oluşturmak için doğrusal (belge) görüntü sensörünün her bir ucunun konum ölçümlerini kullanma. Bu, HP CapShare 920 el tipi tarayıcıda kullanılan serbest tarama konseptidir. Çağdaş bilgisayar farelerinde kullanılan tekerleklerin, topların ve silindirlerin sınırlamalarını açıkça aşan bir optik araç tanımlayarak, optik fare bekleniyordu. Bu patentler, Travis N. Blalock, Richard A. Baumgartner, Thomas Hornak, Mark T. Smith ve Barclay J. Tullis'e verilen ABD Patenti 5,729,008 (1998) için temel oluşturdu; burada yüzey özellikleri görüntü algılama, görüntü işleme ve görüntü korelasyonu yer alıyor. bir konum ölçümü üretmek için entegre bir devre tarafından gerçekleştirilmiştir. HP DesignJet geniş format yazıcılarda ortamın (kağıt) hassas 2D ölçümüne optik navigasyon uygulaması için gerekli olan geliştirilmiş 2D optik navigasyon hassasiyeti, 2001 yılında Raymond G. Beausoleil, Jr.'a verilen ABD Patenti 6.195.475'te ve Ross R. Allen.

Görüntünün belge tarama uygulamasında (Allen ve diğerleri) yeniden yapılandırılması, optik yönlendiriciler tarafından bir inçin 1/600'ü düzeyinde çözünürlük gerektirse de, bilgisayar farelerinde optik konum ölçümünün uygulanması, yalnızca doğasında bulunan maliyet düşüşlerinden faydalanmakla kalmaz. daha düşük çözünürlükte gezinirken, aynı zamanda bilgisayar ekranında imleç konumunun kullanıcıya görsel geri bildirim avantajından yararlanın. 2002'de Gary Gordon , Derek Knee, Rajeev Badyal ve Jason Hartlove, görüntü korelasyonunu kullanarak konumu ölçen bir optik bilgisayar faresi için ABD Patenti 6,433,780'i aldı. Bazı küçük izleme dörtgenleri (Blackberry akıllı telefonlardakiler gibi) optik fare gibi çalışır.

Işık kaynağı

LED fareler

Mavi LED tabanlı V-Mouse VM-101

Optik fareler , ilk popüler olduklarında aydınlatma için genellikle ışık yayan diyotlar (LED'ler) kullandılar. Optik farenin LED'lerinin rengi değişebilir, ancak kırmızı diyotlar ucuz olduğundan ve silikon fotodedektörler kırmızı ışığa çok duyarlı olduğundan kırmızı en yaygın olanıdır. IR LED'ler de yaygın olarak kullanılmaktadır. Sağda gösterilen V-Mouse VM-101'in mavi LED'i gibi bazen başka renkler de kullanılır.

lazer fareler

Çıplak gözle görülmemesine rağmen, bu lazer fare tarafından üretilen ışık mor renk olarak yakalanır çünkü CCD'ler insan gözünden daha geniş bir ışık dalga boyu aralığına duyarlıdır.

Lazer fare , sensörlerinin altındaki yüzeyi aydınlatmak için LED yerine kızılötesi lazer diyotu kullanır . Daha 1998'de Sun Microsystems , Sun SPARCstation sunucuları ve iş istasyonlarıyla birlikte bir lazer fare sağladı. Bununla birlikte, lazer fareler, Doug Baney liderliğindeki Agilent Laboratories, Palo Alto'daki bir ekip tarafından, 20X iyileştirme sunan 850 nm VCSEL (lazer) tabanlı lazer tabanlı bir farenin geliştirilmesinin ardından, 2004 yılına kadar ana tüketici pazarına girmedi. performansı izlemede. Tong Xie, Marshall T. Depue ve Douglas M. Baney, düşük güç tüketimi geniş navigasyonlu VCSEL tabanlı tüketici fareleri üzerindeki çalışmaları nedeniyle 7.116.427 ve 7.321.359 ABD patentleriyle ödüllendirildi. Logitech'teki Paul Machin, Agilent Technologies ile ortaklaşa yeni teknolojiyi MX 1000 lazer fare olarak tanıttı . Bu fare, LED yerine küçük bir kızılötesi lazer (VCSEL) kullanır ve fare tarafından çekilen görüntünün çözünürlüğünü önemli ölçüde artırmıştır . Lazer aydınlatma, LED aydınlatmalı optik farelere kıyasla üstün yüzey takibi sağlar.

Cam lazer (veya glaser ) fareler, bir lazer fare ile aynı kapasiteye sahiptir, ancak ayna veya şeffaf cam yüzeylerde, bu yüzeylerdeki diğer optik farelere göre çok daha iyi çalışır. 2008'de Avago Technologies , vericisi VCSEL teknolojisi kullanılarak IC'ye entegre edilen lazer navigasyon sensörlerini tanıttı .

Ağustos 2009'da Logitech, cam ve parlak yüzeylerde daha iyi takip için iki lazerli fareleri tanıttı; onlara " Darkfield " lazer sensörü adını verdiler .

Güç

Üreticiler genellikle optik farelerini, özellikle pille çalışan kablosuz modelleri, mümkün olduğunda güçten tasarruf etmek için tasarlarlar. Bunu yapmak için fare, bekleme modundayken lazeri veya LED'i karartır veya yanıp söner (her farenin farklı bir bekleme süresi vardır). Tipik bir uygulamada ( Logitech tarafından ), sensörün saniyede farklı hızlarda darbe aldığı dört güç durumu vardır:

  • 11500: tam açık, hareket halindeyken doğru yanıt için aydınlatma parlak görünür.
  • 1100: hareket etmiyorken geri dönüş etkin durumu, aydınlatma donuk görünüyor.
  • 110: bekleme
  • 12: uyku durumu

Bu durumların herhangi birinde hareket tespit edilebilir; bazı fareler, uyku durumunda sensörü tamamen kapatır ve uyanmak için bir düğme tıklaması gerekir.

Kızılötesi elemanlar (LED'ler veya lazerler) kullanan optik fareler, görünür spektrum aydınlatmasına göre pil ömründe önemli artışlar sunar. Logitech V450 848 nm lazer fare gibi bazı fareler, kızılötesi lazerin düşük güç gereksinimleri nedeniyle tam bir yıl boyunca iki AA pille çalışabilir.

Video oyunları oynamak gibi düşük gecikme süresinin ve yüksek yanıt verme süresinin önemli olduğu yerlerde kullanılmak üzere tasarlanmış fareler , güç tasarrufu özelliklerini atlayabilir ve performansı artırmak için kablolu bağlantı gerektirebilir. Performans uğruna güç tasarrufundan fedakarlık eden farelere örnek olarak Logitech G5 ve Razer Copperhead verilebilir .

Optik ve mekanik fareler

Logitech iFeel optik fare, ışığı izleme yüzeyine yansıtmak için kırmızı bir LED kullanır.

İzleme mekanizmaları tiftikle tıkanabilen mekanik farelerin aksine, optik farelerin hareketli parçaları yoktur (düğmeler ve kaydırma tekerlekleri dışında); bu nedenle ışık yayıcı altında birikebilecek kalıntıların giderilmesi dışında bakım gerektirmezler. Ancak, genellikle bazı fare altlıkları dahil olmak üzere parlak ve şeffaf yüzeylerde izleyemezler ve bu da imlecin çalışma sırasında tahmin edilemez şekilde kaymasına neden olur. Daha az görüntü işleme gücüne sahip fareler ayrıca hızlı hareketi izlemede sorun yaşarken, bazı yüksek kaliteli fareler 2 m/s'den daha hızlı izleyebilir .

Bazı lazer fare modelleri, parlak ve şeffaf yüzeylerde izleme yapabilir ve çok daha yüksek bir hassasiyete sahiptir.

2006 itibariyle mekanik fareler , optik muadillerine göre daha düşük ortalama güç gereksinimlerine sahipti; fareler tarafından kullanılan güç nispeten küçüktür ve yalnızca güç sınırlı kapasiteleriyle pillerden elde edildiğinde önemli bir husustur .

Optik modeller, düz olmayan, kaygan, yumuşak, yapışkan veya gevşek yüzeylerde ve genellikle fare altlığının bulunmadığı mobil durumlarda mekanik farelerden daha iyi performans gösterir . Optik fareler, LED'in (veya kızılötesi diyotun) aydınlattığı bir görüntüye dayalı olarak hareket oluşturduğundan, çok renkli fare altlıkları ile kullanım güvenilmez performansa neden olabilir; ancak, lazer fareler bu sorunları yaşamazlar ve bu tür yüzeylerde takip ederler.

Referanslar