Ratón óptico
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 matriz 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 detectaban movimiento en superficies de alfombrillas preimpresas. Los ratones ópticos modernos funcionan en la mayoría de las superficies opacas difusamente reflectantes como el papel, pero la mayoría de ellos no funcionan correctamente en superficies especularmente reflectantes como la piedra pulida o superficies transparentes como el vidrio. Los ratones ópticos que utilizan iluminación de campo oscuro pueden funcionar de forma fiable incluso en dichas superficies.
Ratones mecánicos
Aunque no se les conoce comúnmente como ratones ópticos, casi todos los ratones mecánicos rastrearon el movimiento mediante LED y fotodiodos para detectar cuándo los haces de luz infrarroja pasaban o no a través de los agujeros en un par de ruedas codificadoras rotatorias incrementales (una para izquierda/derecha, otra para adelante/atrás), impulsada por una pelota de goma. Por lo tanto, la distinción principal de los "ratones ópticos" no es el uso de la óptica, sino la falta total 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 diseños básicos diferentes: Uno de estos, inventado por Steve Kirsch del MIT y Mouse Systems Corporation, usaba 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, usaba un sensor de imagen de luz visible de 16 píxeles con detección de movimiento integrada en el mismo chip de circuito integrado MOS de tipo n (5 µm) y rastreaba el movimiento de los puntos de luz en un campo oscuro de un papel impreso o una alfombrilla de ratón similar. Los tipos de mouse Kirsch y Lyon tenían comportamientos muy diferentes, ya que el mouse Kirsch usaba un sistema de coordenadas x-y incrustado en la almohadilla y no funcionaba correctamente cuando se giraba la almohadilla, mientras que el mouse Lyon usaba el sistema de coordenadas x-y del cuerpo del mouse, como lo hacen los ratones mecánicos.
El mouse óptico que finalmente se vendió con la computadora de oficina Xerox STAR utilizó un enfoque de empaque de chip de sensor invertido patentado por Lisa M. Williams y Robert S. Cherry del Centro de microelectrónica de Xerox.
Además de las que se venden con su propio nombre, las variantes del diseño de Mouse Systems/Kirsch fueron renombradas para uso OEM con estaciones de trabajo de Sun Microsystems y por Data General.
Ratones ópticos modernos
Sensor óptico
Los ratones ópticos independientes de la superficie modernos funcionan mediante el uso de un sensor optoelectrónico (esencialmente, una pequeña cámara de video de baja resolución) para tomar imágenes sucesivas de la superficie en la que opera el mouse. A medida que la potencia informática se hizo más barata, se hizo posible incorporar chips de procesamiento de imágenes para fines especiales más potentes en el propio ratón. Este avance permitió que el mouse detectara el movimiento relativo en una amplia variedad de superficies, traduciendo el movimiento del mouse en el movimiento del cursor y eliminando la necesidad de una alfombrilla de mouse especial. Stephen B. Jackson de Xerox patentó un diseño de ratón óptico de luz coherente independiente de la superficie en 1988.
Sin embargo, los inventos de Xerox nunca se explotaron comercialmente de forma masiva, y los ratones ópticos seguirían siendo escurridizos en el mercado de las computadoras personales hasta que Microsoft lanzó el IntelliMouse con IntelliEye e IntelliMouse Explorer en 1999. Estos ratones usaban tecnología desarrollada por Hewlett-Packard bajo su subsidiaria Agilent Technologies (ver más abajo). Estos ratones funcionaron en casi cualquier superficie y representaron 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, incluido Apple para su Pro Mouse, utilizando componentes fabricados por Agilent (una vez que se separaron de HP), y durante los años siguientes, los ratones mecánicos quedaron obsoletos.
La tecnología en la que se basa el mouse óptico moderno para computadoras se conoce como correlación de imágenes digitales, una tecnología iniciada por la industria de la 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 cuánto se ha movido el ratón.
Principio de funcionamiento
Para comprender cómo se utiliza el flujo óptico en los ratones ópticos, imagine dos fotografías del mismo objeto, pero ligeramente desplazadas entre sí. Coloque ambas fotografías en una mesa de luz para que sean transparentes y deslice una sobre la otra hasta que sus 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 en una fracción de un píxel o en 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. La salida del sensor óptico suele ser delta X, Y coordenadas. Algunos circuitos integrados ópticos también permiten obtener datos de imagen. Los ratones generalmente incorporan procesadores DSP para un procesamiento rápido de datos.
Un mouse óptico podría usar 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 las bandas muertas cuando se mueve lentamente agregando interpolación o salto de fotogramas.
El desarrollo del mouse óptico moderno en Hewlett-Packard Co. fue respaldado por una sucesión de proyectos relacionados durante la década de 1990 en HP Laboratories. En 1992, William Holland recibió la patente de EE. UU. 5.089.712 y John Ertel, William Holland, Kent Vincent, Rueiming Jamp y Richard Baldwin recibieron la patente de EE. UU. 5.149.980 por 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 de EE. UU. 5.578.813 (1996) y 5.644.139 (1997) para 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 usando medidas de posición de cada extremo de un sensor de imagen lineal (documento) para reconstruir una imagen del documento. Este es el concepto de escaneado a mano alzada que se utiliza en el escáner de mano HP CapShare 920. Al describir un medio óptico que superaba explícitamente las limitaciones de las ruedas, las bolas y los rodillos utilizados en los ratones de computadora contemporáneos, se anticipó el mouse óptico. Estas patentes formaron la base de la patente estadounidense 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 superficiales, el procesamiento de imágenes y la 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 medios (papel) en las impresoras de gran formato HP DesignJet, se perfeccionó aún más en la patente de EE. UU. 6.195.475 otorgada en 2001 a Raymond G. Beausoleil, Jr., y Ross R.Allen.
Si bien la reconstrucción de la imagen en la aplicación de escaneo de documentos (Allen et al.) requería una resolución 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 la reducciones de costos inherentes a la navegación a una resolución más baja, pero también disfrutan 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 obtuvieron la patente de EE. UU. 6.433.780 por un mouse óptico para computadora que medía la posición mediante la correlación de imágenes. Algunos trackpads pequeños (como los de los teléfonos inteligentes Blackberry) 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 IR también se utilizan ampliamente. A veces se utilizan otros colores, como el LED azul del V-Mouse VM-101 que se muestra a la derecha.
Ratones láser
Un mouse láser usa un diodo láser infrarrojo en lugar de un LED para iluminar la superficie debajo de su sensor. Ya en 1998, Sun Microsystems suministró un mouse láser con sus servidores y estaciones de trabajo Sun SPARCstation. Sin embargo, los ratones láser no ingresaron al mercado de consumo general hasta 2004, luego del desarrollo por parte de un equipo de Agilent Laboratories, Palo Alto, dirigido por Doug Baney, de un mouse basado en láser basado en un VCSEL de 850 nm que ofrecía una mejora de 20 veces en el seguimiento. actuación. Tong Xie, Marshall T. Depue y Douglas M. Baney obtuvieron las patentes estadounidenses 7.116.427 y 7.321.359 por su trabajo en ratones de consumo basados en VCSEL de navegación amplia y 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 aumentó significativamente la resolución de la imagen tomada por el mouse. La iluminación láser permitió un seguimiento superior de la superficie en comparación con los ratones ópticos iluminados por LED.
En 2008, Avago Technologies introdujo sensores de navegación láser cuyo emisor se integró en el IC utilizando tecnología VCSEL.
En agosto de 2009, Logitech introdujo ratones con dos láseres para realizar un mejor seguimiento en vidrio y superficies brillantes; los llamaron "Darkfield" sensor láser
Poder
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 hace parpadear el láser o el LED cuando está en modo de espera (cada mouse tiene un tiempo de espera diferente). Una implementación típica (por Logitech) tiene cuatro estados de energía, donde el sensor se pulsa a diferentes velocidades por segundo:
- 11500: lleno, para una respuesta precisa mientras se mueve, la iluminación parece brillante.
- 1100: estado activo retroceso mientras no se mueve, la iluminación aparece aburrida.
- 110: reserva
- 12: estado de sueño
El movimiento se puede detectar en cualquiera de estos estados; algunos ratones apagan el sensor por completo en el estado de suspensión, lo que requiere hacer clic en un botón para activarse.
Los ratones ópticos que utilizan elementos infrarrojos (LED o láser) 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.
Los ratones diseñados para usarse donde la baja latencia y la alta capacidad de respuesta son importantes, como jugar videojuegos, pueden omitir funciones de ahorro de energía y requerir una conexión por cable para mejorar el rendimiento. Ejemplos de ratones que sacrifican el ahorro de energía en favor del rendimiento son el Logitech G5 y el 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 (aparte de los botones y las ruedas de desplazamiento); por lo tanto, no requieren más mantenimiento que la eliminación de desechos que puedan acumularse debajo del emisor de luz. Sin embargo, por lo general no pueden rastrear superficies brillantes y transparentes, incluidas algunas alfombrillas de ratón, lo que hace que el cursor se desplace de forma impredecible durante el funcionamiento. Los ratones con menos poder de procesamiento de imágenes también tienen problemas para rastrear movimientos rápidos, mientras que algunos ratones de alta calidad pueden rastrear más rápido que 2 m/s.
Algunos modelos de mouse láser pueden rastrear superficies brillantes y transparentes y tienen una sensibilidad mucho mayor.
A partir de 2006, los ratones mecánicos tenían requisitos de energía promedio más bajos que sus contrapartes ópticas; la energía utilizada por los ratones es relativamente pequeña y solo una consideración importante cuando la energía proviene de 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 para ratón. Debido a que los ratones ópticos generan el movimiento en función de una imagen que ilumina el LED (o diodo infrarrojo), el uso de alfombrillas de ratón multicolores puede dar como resultado un rendimiento poco fiable; sin embargo, los ratones láser no sufren estos problemas y rastrearán dichas superficies.
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