Un ratón óptico es un ratón de ordenador que utiliza una fuente de luz, normalmente un diodo emisor de luz (LED), y un detector de luz, como una serie de fotodiodos , para detectar el movimiento relativo a una superficie. Las variaciones del mouse óptico han reemplazado en gran medida al antiguo diseño de mouse mecánico , que usa partes móviles para detectar el movimiento.
Los primeros ratones ópticos detectaron movimiento en las superficies de alfombrillas de ratón preimpresas. Los ratones ópticos modernos funcionan en la mayoría de las superficies opacas de reflexión difusa como el papel, pero la mayoría de ellos no funcionan correctamente en superficies reflectantes como la piedra pulida o superficies transparentes como el vidrio. Los ratones ópticos que usan iluminación de campo oscuro pueden funcionar de manera confiable incluso en tales superficies.
Ratones mecánicos
Aunque no se los conoce comúnmente como ratones ópticos, casi todos los ratones mecánicos rastrearon el movimiento utilizando LED y fotodiodos para detectar cuándo los haces de luz infrarroja pasaban y no pasaban a través de los orificios en un par de ruedas codificadoras rotativas incrementales (una para izquierda / derecha, otra para adelante / atrás), impulsado por una pelota de goma. Por lo tanto, la distinción principal de los "ratones ópticos" no es su uso de la óptica, sino su completa falta de partes móviles para rastrear el movimiento del mouse, en lugar de emplear un sistema completamente de estado sólido.
Primeros ratones ópticos
Los dos primeros ratones ópticos, demostrados por primera vez por dos inventores independientes en diciembre de 1980, tenían diferentes diseños básicos: [1] [2] [3] Uno de estos, inventado por Steve Kirsch del MIT y Mouse Systems Corporation , [4] [5 ] utilizó un LED infrarrojo y un sensor infrarrojo de cuatro cuadrantes para detectar líneas de cuadrícula impresas con tinta absorbente de infrarrojos en una superficie metálica especial. Los algoritmos predictivos en la CPU del mouse calcularon la velocidad y la dirección sobre la cuadrícula. El otro tipo, inventado por Richard F. Lyon de Xerox, utilizó un sensor de imagen de luz visible de 16 píxeles con detección de movimiento integrada en el mismo chip de circuito integrado MOS tipo n ( 5 µm ) , [6] [7] y rastreado el movimiento de puntos claros en un campo oscuro de un papel impreso o alfombrilla de ratón similar. [8] Los tipos de mouse Kirsch y Lyon tenían comportamientos muy diferentes, ya que el mouse Kirsch usaba un sistema de coordenadas xy incrustado en la almohadilla y no funcionaba correctamente cuando se giraba la almohadilla, mientras que el mouse Lyon usaba el sistema de coordenadas xy del cuerpo de ratón, como lo hacen los ratones mecánicos.
El mouse óptico que finalmente se vendió con la computadora de oficina Xerox STAR utilizó un enfoque de empaquetado de chip sensor invertido patentado por Lisa M. Williams y Robert S. Cherry del Xerox Microelectronics Center. [9]
Ratones ópticos modernos
Los ratones ópticos modernos independientes de la superficie funcionan mediante el uso de un sensor optoelectrónico (esencialmente, una pequeña cámara de video de baja resolución) para tomar imágenes sucesivas de la superficie sobre la que opera el mouse. A medida que la potencia informática se abarataba, era posible incorporar chips de procesamiento de imágenes de propósito especial más potentes en el propio mouse. Este avance permitió al mouse detectar el movimiento relativo en una amplia variedad de superficies, traduciendo el movimiento del mouse en el movimiento del cursor y eliminando la necesidad de un mouse pad especial. Stephen B. Jackson en Xerox en 1988 patentó un diseño de ratón óptico de luz coherente independiente de la superficie [10].
Los primeros ratones de computadora ópticos modernos disponibles comercialmente fueron Microsoft IntelliMouse con IntelliEye e IntelliMouse Explorer, introducido en 1999 utilizando tecnología desarrollada por Hewlett-Packard. [11] Funcionó en casi cualquier superficie y representó una mejora bienvenida con respecto a los ratones mecánicos, que recogerían la suciedad, rastrearían caprichosamente, invitarían a un manejo brusco y necesitarían ser desarmados y limpiados con frecuencia. Otros fabricantes pronto siguieron el ejemplo de Microsoft utilizando componentes fabricados por Agilent Technologies , una empresa derivada de HP , y durante los siguientes años, los ratones mecánicos se volvieron obsoletos.
La tecnología subyacente al moderno mouse óptico de computadora se conoce como correlación de imágenes digitales , una tecnología iniciada por la industria de defensa para rastrear objetivos militares. En el ratón óptico Lyon de 1980 se utilizó una versión simple de imagen binaria de la correlación de imágenes digitales. Los ratones ópticos utilizan sensores de imagen para obtener imágenes de texturas naturales en materiales como madera, tela, alfombrillas de ratón y fórmica . Estas superficies, cuando se iluminan en un ángulo rasante por un diodo emisor de luz, proyectan sombras distintas que se asemejan a un terreno montañoso iluminado al atardecer. Las imágenes de estas superficies se capturan en sucesión continua y se comparan entre sí para determinar qué tan lejos se ha movido el mouse.
Para comprender cómo se usa el flujo óptico en ratones ópticos, imagine dos fotografías del mismo objeto, excepto que están ligeramente desplazadas entre sí. Coloque ambas fotografías en una mesa de luz para hacerlas transparentes y deslice una sobre la otra hasta que las imágenes se alineen. La cantidad que los bordes de una fotografía sobresalen de la otra representa el desplazamiento entre las imágenes y, en el caso de un mouse óptico de computadora, la distancia que se ha movido.
Los ratones ópticos capturan mil imágenes sucesivas o más por segundo. Dependiendo de qué tan rápido se mueva el mouse, cada imagen se desplazará de la anterior por una fracción de un píxel o hasta varios píxeles. Los ratones ópticos procesan matemáticamente estas imágenes mediante la correlación cruzada para calcular cuánto se compensa cada imagen sucesiva con respecto a la anterior.
Un ratón óptico podría utilizar un sensor de imagen que tenga una matriz de píxeles monocromáticos de 18 × 18 píxeles. Su sensor normalmente compartiría el mismo ASIC que el utilizado para almacenar y procesar las imágenes. Un refinamiento sería acelerar el proceso de correlación mediante el uso de información de movimientos anteriores, y otro refinamiento sería evitar bandas muertas cuando se mueve lentamente agregando interpolación o salto de fotogramas.
El desarrollo del mouse óptico moderno en Hewlett-Packard Co. fue apoyado por una sucesión de proyectos relacionados durante la década de 1990 en HP Laboratories. En 1992, William Holland recibió la patente estadounidense 5.089.712 y John Ertel, William Holland, Kent Vincent, Rueiming Jamp y Richard Baldwin recibieron la patente estadounidense 5.149.980 para medir el avance lineal del papel en una impresora mediante la correlación de imágenes de fibras de papel. Ross R. Allen, David Beard, Mark T. Smith y Barclay J. Tullis recibieron las patentes estadounidenses 5.578.813 (1996) y 5.644.139 (1997) por principios de navegación óptica bidimensional (es decir, medición de posición) basados en la detección y correlación microscópica , características inherentes de la superficie sobre la que viajó el sensor de navegación, y el uso de mediciones de posición de cada extremo de un sensor de imagen lineal (documento) para reconstruir una imagen del documento. Este es el concepto de escaneo a mano alzada que se utiliza en el escáner de mano HP CapShare 920. Al describir un medio óptico que superó explícitamente las limitaciones de las ruedas, bolas y rodillos utilizados en los ratones de computadora contemporáneos, se anticipó el mouse óptico. Estas patentes formaron la base de la patente de EE.UU. 5.729.008 (1998) otorgada a Travis N. Blalock, Richard A. Baumgartner, Thomas Hornak, Mark T. Smith y Barclay J. Tullis, donde la detección de imágenes de características de superficie, procesamiento de imágenes y correlación de imágenes fue realizado por un circuito integrado para producir una medición de posición. La precisión mejorada de la navegación óptica 2D, necesaria para la aplicación de la navegación óptica a la medición 2D precisa del avance de los medios (papel) en las impresoras de gran formato HP DesignJet, se refinó aún más en la patente de EE. UU. 6.195.475 otorgada en 2001 a Raymond G. Beausoleil, Jr. Ross R. Allen.
Si bien la reconstrucción de la imagen en la aplicación de escaneo de documentos (Allen et al.) Requirió una resolución por parte de los navegadores ópticos del orden de 1/600 de pulgada, la implementación de la medición de posición óptica en ratones de computadora no solo se beneficia de las reducciones de costos inherentes en la navegación a una resolución más baja, pero también disfruta de la ventaja de la retroalimentación visual para el usuario de la posición del cursor en la pantalla de la computadora. En 2002, Gary Gordon , Derek Knee, Rajeev Badyal y Jason Hartlove recibieron la patente estadounidense 6.433.780 [12] por un mouse óptico de computadora que medía la posición mediante correlación de imágenes. Algunos trackpads pequeños funcionan como un mouse óptico.
Fuente de luz
Ratones LED
Los ratones ópticos a menudo usaban diodos emisores de luz (LED) para la iluminación cuando se popularizaron por primera vez. El color de los LED del mouse óptico puede variar, pero el rojo es el más común, ya que los diodos rojos son económicos y los fotodetectores de silicio son muy sensibles a la luz roja. Los LED de infrarrojos también se utilizan ampliamente. [13] A veces se utilizan otros colores, como el LED azul del V-Mouse VM-101 ilustrado a la derecha.
Ratones láser
El ratón láser utiliza un diodo láser infrarrojo en lugar de un LED para iluminar la superficie debajo de su sensor. Ya en 1998, Sun Microsystems proporcionó un mouse láser con sus servidores y estaciones de trabajo Sun SPARCstation. [14] Sin embargo, los ratones láser no entraron en el mercado de consumo principal hasta 2004, tras el desarrollo de un equipo de Agilent Laboratories, Palo Alto, dirigido por Doug Baney, de un ratón láser basado en un VCSEL (láser) de 850 nm que ofreció una mejora 20 veces mayor en el seguimiento del rendimiento. Tong Xie, Marshall T. Depue y Douglas M. Baney recibieron las patentes estadounidenses 7.116.427 y 7.321.359 por su trabajo en ratones de consumo basados en VCSEL de amplia navegabilidad de bajo consumo de energía. Paul Machin de Logitech , en asociación con Agilent Technologies, presentó la nueva tecnología como el mouse láser MX 1000 . Este mouse utiliza un pequeño láser infrarrojo (VCSEL) en lugar de un LED y ha aumentado significativamente la resolución de la imagen tomada por el mouse. La iluminación láser permite un seguimiento de superficie superior en comparación con los ratones ópticos iluminados por LED. [15]
Los ratones láser de vidrio (o glaser ) tienen la misma capacidad que un mouse láser, pero funcionan mucho mejor en superficies de espejo o vidrio transparente que otros ratones ópticos en esas superficies. [16] [17] En 2008, Avago Technologies introdujo sensores de navegación láser cuyo emisor estaba integrado en el IC utilizando tecnología VCSEL . [18]
En agosto de 2009, Logitech introdujo ratones con dos láseres para rastrear mejor el vidrio y las superficies brillantes; los llamaron un sensor láser de "campo oscuro ". [19]
Energía
Los fabricantes a menudo diseñan sus ratones ópticos, especialmente los modelos inalámbricos que funcionan con baterías, para ahorrar energía cuando sea posible. Para hacer esto, el mouse atenúa o parpadea el láser o el LED cuando está en modo de espera (cada mouse tiene un tiempo de espera diferente). Una implementación típica (de Logitech ) tiene cuatro estados de energía, donde el sensor se pulsa a diferentes velocidades por segundo: [ cita requerida ]
- 11500: encendido completo, para una respuesta precisa mientras se mueve, la iluminación parece brillante.
- 1100: condición de retroceso activo mientras no se mueve, la iluminación parece apagada.
- 110: en espera
- 12: estado de reposo
El movimiento se puede detectar en cualquiera de estos estados; algunos ratones apagan completamente el sensor en el estado de suspensión, lo que requiere un clic en un botón para activarse. [20]
Los ratones ópticos que utilizan elementos infrarrojos (LED o láseres) ofrecen aumentos sustanciales en la duración de la batería en comparación con la iluminación del espectro visible. Algunos ratones, como el ratón láser Logitech V450 de 848 nm, pueden funcionar con dos pilas AA durante un año completo, debido a los bajos requisitos de energía del láser infrarrojo. [ aclaración necesaria ]
Los ratones diseñados para su uso donde la baja latencia y la alta capacidad de respuesta son importantes, como en los videojuegos , pueden omitir las funciones de ahorro de energía y requieren una conexión por cable para mejorar el rendimiento. Ejemplos de ratones que sacrifican el ahorro de energía en favor del rendimiento son Logitech G5 y Razer Copperhead.
Ratones ópticos versus mecánicos
A diferencia de los ratones mecánicos, cuyos mecanismos de seguimiento pueden obstruirse con pelusa, los ratones ópticos no tienen partes móviles (además de botones y ruedas de desplazamiento); por lo tanto, no requieren más mantenimiento que la eliminación de los residuos que puedan acumularse debajo del emisor de luz. Sin embargo, generalmente no pueden rastrear superficies brillantes y transparentes , incluidas algunas alfombrillas de ratón, lo que hace que el cursor se desplace de manera impredecible durante la operación. Los ratones con menos potencia de procesamiento de imágenes también tienen problemas para rastrear movimientos rápidos, mientras que algunos ratones de alta calidad pueden rastrear más de 2 m / s .
Algunos modelos de mouse láser pueden rastrear superficies brillantes y transparentes, y tienen una sensibilidad mucho mayor.
A partir de 2006[actualizar]los ratones mecánicos tenían requisitos de potencia promedio más bajos que sus contrapartes ópticas; la energía utilizada por los ratones es relativamente pequeña, y solo una consideración importante cuando la energía se deriva de las baterías , con su capacidad limitada.
Los modelos ópticos superan a los ratones mecánicos en superficies irregulares, resbaladizas, blandas, pegajosas o sueltas y, en general, en situaciones móviles que carecen de alfombrillas de ratón . Debido a que los ratones ópticos hacen movimiento basado en una imagen que el LED (o diodo infrarrojo) se enciende , el uso con los cojines de ratón multicolores pueden resultar en un rendimiento poco fiable; sin embargo, los ratones láser no sufren estos problemas y seguirán estas superficies.
Referencias
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- ^ "Resumen de innovación de Logitech Darkfield" (PDF) . Logitech . 2009.
- ^ Ciertos modelos de ratones Targus funcionan de esta manera.