Nguyên lý hoạt động của chuột cơ và chuột quang

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của chuột cơ và quang (Phần cuối)   Phần này sẽ trình bày về nguyên lý và cấu tạo của cảm biến ảnh dùng trong chuột quang.  



  Hình dưới cho thấy chip camera ở dưới đáy chuột (phần hình đĩa tròn có lỗ tròn nhỏ chính giữa đĩa tròn ). Nếu chúng ta gỡ chip camera này khỏi chuột, gỡ phần bảo vệ ra, nhìn vào lỗ tròn nhỏ với một kính hiển vi chúng ta nhìn thấy toàn bộ chip như hình sau
Góc dưới nhất bên trái là mắt thật sự của chip bao gồm ma trận những tế bào nhận ánh sáng (thường gọi optical sensor matrix) CCD (charge coupled device) hay CMOS_số lượng tế bào tùy thuộc loại chip (thường 18×18 hoặc 16×16).Hiện nay người ta dùng cảm biến CMOS hơn là CCD. Kiến trúc của optical sensor matrix  như hình dưới. Theo nguyên lý chung, mỗi tế bào (hay còn gọi pixel) dù là CCD hay công nghệ CMOS có nhiệm vụ biến đổi ánh sáng chiếu từ một phần nhỏ bề mặt vào photodetector (các hình chũ nhật màu đen của hình dưới) thành electron. Kế tiếp là đọc giá trị (lượng điện tích được tích lũy) của mỗi tế bào (photodetector). Trong một thiết bị CCD, điện tích thực sự được vận chuyển xuyên qua chip và được đọc ở một góc của mảng , ở đây cũng thực hiện khuếch đại như hình ( ở output amplifier).Bộ chuyển đổi tương tự sang số chuyển đổi giá trị của mỗi pixel thành số. Trong thiết bị CMOS, ở mỗi pixel có amplifier riêng (bộ khuếch đại) khuếch đại và di chuyển điện tích sử dụng những “đường dây”. Với bộ giải mã hàng và cột, mỗi pixel có thể được đọc riêng biệt. Amplifier được thực hiện bởi vài transistor.
Kiến trúc optical sensor matrix. Ô hình chữ nhật màu đen biểu diễn 1 tế bào(hoặc pixel)_photodetector. Ô hình chữ nhật màu tím làm nhiệm vụ khuếch đại trên chính pixel.
Kiến trúc optical sensor matrix với các bộ chuyển đổi tương tự-số trên chip và trên pixel. Trên mỗi pixel là các vi thấu kính để ánh sáng hội tụ chính xác vào pixel
Trung tâm của ma trận quang (thực chất là ma trận các ô nhận ánh sáng CMOS) được định vị chính xác ở trung tâm của chip. Chip được sắp đặt trên một khung làm việc của chip (framework of package) để cho ma trận quang được định vị chính xác dưới một cửa sổ quang. DIP package có một cửa sổ quang ở dưới đáy(lỗ tròn giữa đĩa tròn nhỏ giống như của IC trong hình).Cỡ chip (chip size) là 2,4×1,95mm2 , cỡ của ma trận quang là 0,8×0,8mm, đường kính cửa sổ quang cỡ 1,2mm. Các thông số chất lượng của chuột quang. Chất lượng của chuột quang được định nghĩa bởi nó làm việc tốt như thế nào. Trong khi một số khía cạnh (hình dáng, kích cỡ, trọng lượng, màu sắc, số nút bấm, …v.v) là những sở thích cá nhân, chúng ta thực sự có thể so sánh chất lượng bằng các khía cạnh sau:        Cỡ cảm biến ảnh(Image Sensor Size)        Độ phân giải (resolution)        Tốc độ làm tươi(refresh rate)        Chi tiết ảnh(Image detail)  Cỡ cảm biến ảnh(pixels) Cảm biến quang trong chuột quang về cơ bản là một camera số nhỏ.Khi chúng ta nhìn ra ngoài vườn qua một cửa sổ, cỡ cửa sổ càng lớn thì khung cảnh chúng ta nhìn thấy càng. Giống như vậy, cỡ cảm biến cho biết cỡ diện tích bề mặt mà cảm biến thu ảnh (đo bằng pixel). Cỡ cảm biến càng lớn thì ảnh chụp càng lớn. Ảnh lớn bao nhiêu giúp chúng ta có thể di chuyển chuột nhanh bấy nhiêu mà vẫn giữ được việc bám chính xác bề mặt. Nếu bộ xử lý ảnh trong chuột có thể xử lý ảnh càng lớn nói chung càng tốt. Cỡ cảm biến ảnh biến thiên trong khoảng 16×16pixels tới 30×30pixels. Độ phân giải (counts/inch) Độ phân giải của chuột được xác định bằng đặt tính quang của thấu kính hội tụ và cỡ vật lý của cảm biến ảnh. Độ phân giải của chuột sau đó được chỉnh sữa thêm bởi phần mềm driver trong máy tính, ở đó độ nhạy của chuột có thể giảm bằng cách bỏ qua sự di chuyển rất nhỏ hoặc tăng bằng cách nhảy thêm hơn một pixel trên màn hình cho dù chuột chỉ di chuyển 1 pixel trên desk (bề mặt).Độ phân giải của chuột thường được tính bằng CPI( counts per inch), nhưng cũng có thể được tính bằng số pixel trên inch . Độ phân giải này có nghĩa:có bao nhiêu pixel cảm biến quang mà camera nhìn thấy trên 1 inch bề mặt, không phải số pixel trên màn hình (máy tính) mà con trỏ di chuyển khi chuột di chuyển 1 inch trên bề mặt. Thông thường độ phân giải cỡ 400CPI hay 800CPI. Tốc độ làm tươi(Hz or samples/sec) Đi cùng với cỡ cảm biến và độ phân giải, camera chụp những bức ảnh nhanh bao nhiêu sẽ xác định chuột có thể di chuyển bao xa trên một giây mà không đánh mất sự bám bề mặt. Tốc độ làm tươi được đo bằng mẫu trên giây(samples/sec), Hertz, hay có phần không chính xác là frames trên giây. Tốc độ làm tươi của chuột thay đổi từ 1500 đến 6000 samples/sec Chi tiết ảnh Chất lượng của thấu kính có thể làm mất tự nhiên và hư ảnh mà cảm biến nhìn thấy, làm khó khăn cho bộ xử lý ảnh. Màu ánh sáng có thể tác động đến độ tương phản của bề mặt (ánh sáng đỏ làm lộ các chi tiết tốt hơn của ánh sáng xanh) và bộ xử lý được thiết kế để đáp ứng tốt nhất bước sóng ánh sáng đi kèm. Chẳng hạn,cảm biến chuột quang ADNS-3080 của Agilent có đường cong đáp ứng theo bước sóng ánh sáng như sau:
Vì vậy ánh sáng đỏ bước sóng 630nm làm việc tốt (và cho công suất hiệu quả, nên người ta dùng ánh sáng đỏ),Một số số đo chất lượng hữu ích: Những yếu tố chất lượng trên không là cách tốt nhất để so sánh chuột quang,vì vậy chúng phải được tổng hợp lại để đưa ra sự biểu diễn đầy đủ ý nghĩa về chất lượng toàn bộ của một hệ thống chuột quang. Một số số đo chất lượng đầy đủ ý nghĩa:        Công suất xử lý ảnh(Mpixels/sec)        Tốc độ tối đa_Max speed(inches/sec)        Độ tăng tốc cực đại_Max acceleration(g)                                Công suất xử lý ảnh: Tổng số dữ liệu ảnh được xử lý trên giây tăng nếu tăng cỡ cảm biến ảnh hay tốc độ làm tươi. Những chuột có cùng dữ liệu ảnh được xử lý trên giây sẽ làm việc như nhau ngay cả chúng có cỡ cảm biến và tốc độ làm tươi rất khác nhau. Một cỡ cảm biến lớn cùng với một tốc độ làm tươi chậm hơn có thể làm việc giống như một cỡ cảm biến nhỏ với một tốc độ làm tươi nhanh hơn Để tính toán công suất xử lý ảnh chúng ta nhân tổng số pixel trong mỗi ảnh với tổng số ảnh chụp trên giây. Công suất xử lý ảnh của chuột thấp nhất cỡ 0,486Mpixels/sec cho tới 5.8Mpixels/sec đối vớiLogitech MX510. Lưu ý: Tốc độ cập nhật của vị trí con trỏ trên màn hình được giới hạn bởi tốc độ cập nhật của hệ thống USB qua đó sự cập nhật ( vị trí con trỏ trên màn hình) được gửi. Vì vậy, trong khi Microsoft IntelliMouse Explorer 3.0(một chuột quang của Microsoft) chụp 6000 ảnh trên giây và Microsoft IntelliMouse Explorer 2.0 chụp 2000ảnh trên giây, cả hai chuột trên con trỏ chuột trên màn hình cập nhật chỉ 125 lần trên giây(bằng tốc độ của USB) Tốc độ tối đa (inches/sec): Đây là tốc độ lớn nhất mà chuột có thể di chuyển và di trì được sự bám bề mặt và hoạt động bình thường.Ngoài độ phân giải, cỡ cảm biến,và tốc độ làm tươi, tốc độ tối đa cũng được xác định dựa vào giải thuật bám được dùng (bộ xử lý ảnh cần sự chồng lấp giữa những frame là bao nhiêu). Nếu tốc độ tối đa này thấp, chuột sẽ đánh mất sư bám khi ta di chuyển chuột với tốc độ cao, kết quả là con trỏ màn hình di chuyển lung tung. Chúng ta không có sự truy cập đến thông tin về giải thuật bám nên không thể tính toán tốc độ tối đa. Những chuột mới nhất từ Microsoft và Logitech có tốc độ tối đa là 37 và 40inches/sec tương ứng.Với tốc độ này chúng ta không thể nào làm nó đánh mất sự bám bề mặt khi di chuyển nhanh. Độ tăng tốc cực đạI (Max acceleration) Đây là tốc độ thay đổi hướng di chuyển cực đại mà chuột có thể. Độ tăng tốc này biến đổi theo thiết kế bộ xử lý ảnh và giải thuật bám. Độ tăng tốc cực đại được đo bằng đơn vị g Chuột laser Đa số chuột quang sử dụng LED làm nguồn chiếu sáng cho cảm biến quang. Tháng 9 năm 2004, Logitech và Agilent đưa ra chuột quang đầu tiên sử dụng laser làm nguồn chiếu sáng. Chuột MX1000 Laser Cordless Mouse dùng một laser hồng ngoại bước sóng 832-852nm thay cho LED. Về cơ bản vì laser là chùm tia dày đặc,hẹp,năng lượng cao nên nó phản chiếu chi tiết hơn những kết cấu và khuyết điểm rất nhỏ mà trên đó sự chiếu sáng LED thông thường cho thấy một bề mặt sáng bóng, nhẵn, phẳng và đồng nhất một màu(như một bảng màu trắng). Kết quả là bám chính xác hơn 20 lần so với chuột quang dùng LED truyền thống Chuột quang gọn nhẹ, xinh xắn và không cần bảo trì như chuột cơ. Từ điểm khởi đầu với pad chuột ( tấm đệm chuột ) là ma trận đường đen trắng song song, cắt cắt nhau; hiện nay chuột quang đã có thể làm việc chính xác trên hầu như tất cả các bề mặt kể cả mặt gương. Hiện nay người ta chế tạo chuột quang theo hướng tích hợp tất cả các thành phần chức năng chính trong một IC đơn nhất cho gọn nhẹ và cũng giảm giá thành. Ngoài chuột quang có dây, còn có những chuột quang không dây sử dụng pin ở bên và truyền thông với máy tính thông qua tần số radio (Radio Frequency) Hiện tại số lượng người sử dụng chuột quang tăng lên rất nhanh chóng. Với ưu thế hơn hẳn của mình, trong tương lai gần chuột cơ sẽ khó tìm thấy trên thị trường mà thay vào đó sẽ là chuột quang.