فأرة ضوئية

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة
فأرة بصرية لاسلكية من مايكروسوفت

الفأرة الضوئية هي فأرة حاسوب تستخدم مصدر ضوء، عادةً ما يكون صمامًا ثنائيًا باعثًا للضوء (LED)، وكاشفًا ضوئيًا، مثل مصفوفة من الثنائيات الضوئية ، لاكتشاف الحركة بالنسبة لسطح ما. وقد حلت أنواع مختلفة من الفأرة الضوئية محل تصميم الفأرة الميكانيكية القديمة ، التي تستخدم أجزاءً متحركة لاستشعار الحركة.

كانت الفأرات الضوئية الأولى ترصد الحركة على أسطح لوحات الفأرة المطبوعة مسبقًا. تعمل الفأرات الضوئية الحديثة على معظم الأسطح المعتمة ذات الانعكاس المنتشر، مثل الورق، لكن معظمها لا يعمل بكفاءة على الأسطح ذات الانعكاس المنتظم، مثل الحجر المصقول، أو الأسطح الشفافة، مثل الزجاج. أما الفأرات الضوئية التي تستخدم إضاءة المجال المظلم، فتستطيع العمل بكفاءة حتى على هذه الأسطح.

الفئران الميكانيكية

على الرغم من أنها لا تُعرف عادةً باسم الفأرة الضوئية، إلا أن جميع الفأرات الميكانيكية تقريبًا كانت تتعقب الحركة باستخدام مصابيح LED وثنائيات ضوئية للكشف عن مرور أشعة الأشعة تحت الحمراء عبر فتحات في زوج من عجلات التشفير الدوارة المتزايدة (واحدة لليسار/اليمين، والأخرى للأمام/الخلف)، والتي تُحرك بواسطة كرة مطاطية. وبالتالي، فإن السمة المميزة الرئيسية لـ "الفأرة الضوئية" ليست استخدامها للبصريات، بل افتقارها التام للأجزاء المتحركة لتتبع حركة الفأرة، حيث تستخدم بدلاً من ذلك نظامًا صلبًا بالكامل.

الفئران البصرية المبكرة

شريحة فأرة ضوئية مبكرة من شركة زيروكس، قبل تطوير تصميم التغليف المقلوب من قبل ويليامز وشيري

كان للفأرتين الضوئيتين الأوليين، اللتين عرضهما مخترعان مستقلان لأول مرة في ديسمبر 1980، تصميمان أساسيان مختلفان: [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] إحداهما، من اختراع ستيف كيرش من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وشركة أنظمة الفأرة ، [ 4 ] [ 5 ] استخدمت مصباح LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء ومستشعرًا رباعي الأجزاء يعمل بالأشعة تحت الحمراء للكشف عن خطوط الشبكة المطبوعة بحبر ماص للأشعة تحت الحمراء على سطح معدني خاص. وقامت خوارزميات تنبؤية في وحدة المعالجة المركزية للفأرة بحساب السرعة والاتجاه على الشبكة. أما النوع الآخر، من اختراع ريتشارد إف. ليون من شركة زيروكس، فاستخدم مستشعر صور ضوئي مرئي مكون من 16 بكسل مع خاصية الكشف عن الحركة المدمجة على نفس شريحة الدائرة المتكاملة MOS من النوع n ( 5  ميكرومتر ) ، [ 6 ] [ 7 ] وتتبع حركة النقاط الضوئية في حقل مظلم من ورقة مطبوعة أو وسادة فأرة مماثلة. [ 8 ] كان لأنواع فأرة كيرش وليون سلوكيات مختلفة تمامًا، حيث استخدمت فأرة كيرش نظام إحداثيات xy مضمن في الوسادة، ولن تعمل بشكل صحيح عند تدوير الوسادة، بينما استخدمت فأرة ليون نظام إحداثيات xy لجسم الفأرة، كما تفعل الفئران الميكانيكية.

فأرة بصرية تحمل علامة تجارية أصلية من شركة Mouse Systems (Kirsch) تُظهر الجانب السفلي ونمط لوحة الفأرة.

استخدمت الفأرة الضوئية التي بيعت في النهاية مع جهاز الكمبيوتر المكتبي Xerox Star أسلوب تغليف رقاقة الاستشعار المعكوس الحاصل على براءة اختراع من قبل ليزا إم. ويليامز وروبرت إس. تشيري من مركز Xerox للإلكترونيات الدقيقة. [ 9 ]

تم تسويق تصميم Mouse Systems (Kirsch) وبيعه بشكل متوافق مع أجهزة الكمبيوتر الشخصية من قبل الشركة نفسها [ 10 ] إلى جانب إصدارات معاد تسميتها للاستخدام من قبل مصنعي المعدات الأصلية مع محطات عمل Sun Microsystems [ 11 ] ومن قبل Data General . [ 12 ]

الفأرة الضوئية الحديثة

مستشعر بصري

صورة مجهرية لرقاقة السيليكون الخاصة بمستشعر IntelliMouse Explorer
المستشعر البصري من جهاز Microsoft Wireless IntelliMouse Explorer (الإصدار 1.0A)

تعمل الفأرات الضوئية الحديثة غير المعتمدة على السطح باستخدام مستشعر كهروضوئي (وهو في الأساس كاميرا فيديو صغيرة منخفضة الدقة) لالتقاط صور متتالية للسطح الذي تتحرك عليه الفأرة. ومع انخفاض تكلفة الحوسبة، أصبح من الممكن دمج رقائق معالجة صور متخصصة أكثر قوة في الفأرة نفسها. وقد مكّن هذا التطور الفأرة من رصد الحركة النسبية على مجموعة واسعة من الأسطح، وترجمة حركة الفأرة إلى حركة المؤشر، مما ألغى الحاجة إلى لوحة فأرة خاصة. وقد حصل ستيفن ب. جاكسون، من شركة زيروكس، على براءة اختراع لتصميم فأرة ضوئية متماسكة غير معتمدة على السطح في عام 1988. [ 13 ]

لم تُستغل اختراعات زيروكس تجاريًا على نطاق واسع، وظلت الفأرات الضوئية بعيدة المنال في سوق الحواسيب الشخصية حتى أطلقت مايكروسوفت فأرة IntelliMouse المزودة بتقنية IntelliEye وبرنامج IntelliMouse Explorer عام ١٩٩٩. [ ١٤ ] [ ١٥ ] استخدمت هذه الفأرات تقنية طورتها شركة هيوليت-باكارد من خلال شركتها التابعة Agilent Technologies (انظر أدناه ). عملت هذه الفأرات على أي سطح تقريبًا، ومثّلت تحسنًا ملحوظًا مقارنةً بالفأرات الميكانيكية التي كانت تتراكم عليها الأوساخ، وتتحرك بشكل غير منتظم، وتتعرض للتلف نتيجة الاستخدام الخشن، وتحتاج إلى تفكيكها وتنظيفها باستمرار. سرعان ما حذت شركات أخرى حذو مايكروسوفت، بما في ذلك آبل مع فأرة Pro Mouse الخاصة بها ، [ ١٤ ] باستخدام مكونات من إنتاج Agilent (بعد انفصالها عن HP)، وخلال السنوات التالية، أصبحت الفأرات الميكانيكية قديمة الطراز.

شريحة مستشعر بصري S5085 (مستشعر CMOS + مشغل)

تُعرف التقنية الكامنة وراء فأرة الحاسوب الضوئية الحديثة باسم " الترابط الرقمي للصور" ، وهي تقنية رائدة في مجال الصناعات الدفاعية لتتبع الأهداف العسكرية. وقد استُخدمت نسخة ثنائية بسيطة من هذه التقنية في فأرة ليون الضوئية عام 1980. تستخدم الفأرات الضوئية مستشعرات صور لتصوير الملمس الطبيعي الموجود في مواد مثل الخشب والقماش ووسادات الفأرة والفورميكا . عند إضاءة هذه الأسطح بزاوية مائلة بواسطة صمام ثنائي باعث للضوء، تُلقي ظلالًا مميزة تُشبه تضاريس جبلية مضاءة عند غروب الشمس. تُلتقط صور هذه الأسطح بشكل متتابع وتُقارن ببعضها لتحديد المسافة التي قطعتها الفأرة.

مبدأ التشغيل

لفهم كيفية استخدام التدفق البصري في الفأرة الضوئية، تخيل صورتين لنفس الجسم ولكن بإزاحة طفيفة بينهما. ضع الصورتين على طاولة إضاءة لجعلهما شفافتين، ثم حرك إحداهما فوق الأخرى حتى تتطابق الصورتان. يمثل مقدار بروز حواف إحدى الصورتين عن الأخرى مقدار الإزاحة بينهما، وفي حالة الفأرة الضوئية، يمثل هذا المقدار المسافة التي قطعتها الفأرة.

تلتقط الفأرات الضوئية ألف صورة متتالية أو أكثر في الثانية. وبحسب سرعة حركة الفأرة، تختلف كل صورة عن سابقتها بمقدار جزء من البكسل أو عدة بكسلات. تعالج الفأرات الضوئية هذه الصور رياضيًا باستخدام الارتباط المتبادل لحساب مقدار اختلاف كل صورة عن سابقتها. عادةً ما يكون خرج المستشعر الضوئي عبارة عن إحداثيات دلتا. تسمح بعض الدوائر المتكاملة الضوئية بالحصول على بيانات الصور أيضًا. تتضمن تصميمات مستشعرات الفأرة عادةً نظامًا لاكتساب الصور ومعالجات الإشارات الرقمية لمعالجة البيانات بسرعة.X, Y

قد تستخدم الفأرة الضوئية مستشعر صور يحتوي على مصفوفة 18 × 18 بكسل من البكسلات أحادية اللون. وعادةً ما يشترك مستشعرها في نفس الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) المستخدمة لتخزين الصور ومعالجتها. ومن التحسينات الممكنة تسريع عملية الربط باستخدام معلومات من الحركات السابقة، ومنع ظهور مناطق ميتة عند الحركة البطيئة عن طريق إضافة الاستيفاء أو تخطي الإطارات.

حظي تطوير الفأرة الضوئية الحديثة في شركة هيوليت-باكارد بدعم سلسلة من المشاريع ذات الصلة خلال تسعينيات القرن الماضي في مختبرات إتش بي. وفي عام 1992، مُنح ويليام هولاند براءة الاختراع الأمريكية رقم 5,089,712، كما مُنح كل من جون إرتل، وويليام هولاند، وكينت فنسنت، ورويمينغ جامب، وريتشارد بالدوين براءة الاختراع الأمريكية رقم 5,149,980 لقياس التقدم الخطي للورق في الطابعة من خلال ربط صور ألياف الورق. حصل كل من روس آر. ألين، وديفيد بيرد، ومارك تي. سميث، وباركلي جيه. توليس على براءتي اختراع أمريكيتين رقم 5,578,813 (1996) و5,644,139 (1997) لمبادئ الملاحة البصرية ثنائية الأبعاد (أي قياس الموقع) القائمة على اكتشاف وربط السمات المجهرية المتأصلة في السطح الذي يتحرك عليه مستشعر الملاحة، واستخدام قياسات موقع كل طرف من طرفي مستشعر صورة خطي (للمستند) لإعادة بناء صورة المستند. هذا هو مفهوم المسح الضوئي اليدوي المستخدم في الماسح الضوئي المحمول HP CapShare 920. من خلال وصف وسيلة بصرية تتغلب بشكل واضح على قيود العجلات والكرات والأسطوانات المستخدمة في فئران الحاسوب الحديثة، تم التنبؤ بالفأرة البصرية. شكلت هذه البراءات الأساس لبراءة الاختراع الأمريكية رقم 5,729,008 (1998) الممنوحة لترافيس ن. بلالوك، وريتشارد أ. بومغارتنر، وتوماس هورناك، ومارك ت. سميث، وباركلي ج. توليس، حيث تم تحقيق استشعار صور ميزات السطح، ومعالجة الصور، وربط الصور بواسطة دائرة متكاملة لإنتاج قياس للموقع. كما تم تحسين دقة الملاحة البصرية ثنائية الأبعاد، اللازمة لتطبيق الملاحة البصرية في القياس الدقيق ثنائي الأبعاد للوسائط (الورق) المتقدمة في طابعات HP DesignJet كبيرة الحجم، بشكل أكبر في براءة الاختراع الأمريكية رقم 6,195,475 الممنوحة في عام 2001 لريموند ج. بوسوليل الابن، وروس ر. ألين.

مصدر الضوء

فأرة LED

فأرة V-Mouse VM-101 المزودة بمصابيح LED زرقاء

استخدمت الفأرات الضوئية في بدايات انتشارها مصابيح LED للإضاءة. تتنوع ألوان مصابيح LED في الفأرة الضوئية، لكن اللون الأحمر هو الأكثر شيوعًا، نظرًا لانخفاض تكلفة مصابيح LED الحمراء وحساسية كاشفات الضوء المصنوعة من السيليكون العالية للضوء الأحمر. كما تُستخدم مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع. [ 16 ] وتُستخدم ألوان أخرى أحيانًا، مثل مصباح LED الأزرق في فأرة V-Mouse VM-101 الموضحة على اليمين.

فأرة ليزرية

على الرغم من أن الضوء الناتج عن فأرة الليزر هذه غير مرئي للعين المجردة، إلا أنه يتم التقاطه باللون الأرجواني لأن أجهزة CCD حساسة لنطاق أوسع من أطوال موجات الضوء مقارنة بالعين البشرية.

تستخدم فأرة الليزر صمامًا ثنائيًا ليزريًا يعمل بالأشعة تحت الحمراء بدلًا من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) لإضاءة السطح أسفل مستشعرها. في عام 1998، زودت شركة صن مايكروسيستمز خوادم ومحطات عمل صن سبارك ستيشن بفأرة ليزرية. [ 17 ] مع ذلك، لم تدخل فئران الليزر سوق المستهلكين على نطاق واسع حتى عام 2004، بعد أن طور فريق في مختبرات أجيلنت، بالو ألتو، بقيادة دوغ باني، فأرة ليزرية تعتمد على ليزر VCSEL  بتردد 850 نانومتر ، مما أدى إلى تحسين أداء التتبع بمقدار 20 ضعفًا. حصل كل من تونغ شي، ومارشال تي. ديبو، ودوغلاس إم. باني على براءتي اختراع أمريكيتين رقم 7,116,427 و7,321,359 لعملهم على فئران استهلاكية منخفضة الطاقة وذات نطاق حركة واسع تعتمد على ليزر VCSEL. قدم بول ماشين من شركة لوجيتك ، بالتعاون مع أجيلنت تكنولوجيز ، هذه التقنية الجديدة تحت اسم فأرة الليزر MX 1000 . تستخدم هذه الفأرة ليزرًا صغيرًا يعمل بالأشعة تحت الحمراء (VCSEL) بدلًا من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، مما أدى إلى زيادة ملحوظة في دقة الصورة الملتقطة. وقد مكّن إضاءة الليزر من تتبع الأسطح بشكل أفضل مقارنةً بالفأرات الضوئية التي تعمل بإضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء. [ 18 ]

في عام 2008، قدمت شركة Avago Technologies مستشعرات الملاحة بالليزر التي تم دمج باعثها في الدائرة المتكاملة باستخدام تقنية VCSEL . [ 19 ]

في أغسطس 2009، قدمت شركة لوجيتك فئرانًا مزودة باثنين من الليزر، لتحسين التتبع على الزجاج والأسطح اللامعة؛ وأطلقوا عليها اسم مستشعر الليزر " داركفيلد ". [ 20 ]

قوة

غالباً ما يصمم المصنّعون فئرانهم الضوئية، وخاصةً الطرازات اللاسلكية التي تعمل بالبطارية، لتوفير الطاقة قدر الإمكان. ولتحقيق ذلك، يخفت ضوء الليزر أو مؤشر LED أو يومض عند وضع الاستعداد (لكل فأرة مدة استعداد مختلفة). يحتوي أحد التطبيقات النموذجية (من شركة لوجيتك ) على أربع حالات طاقة، حيث يتم إرسال نبضات إلى المستشعر بمعدلات مختلفة في الثانية.

  • 11500: تشغيل كامل، للحصول على استجابة دقيقة أثناء الحركة، يظهر الضوء ساطعًا.
  • 1100: حالة التشغيل الاحتياطية أثناء عدم الحركة، يبدو الإضاءة خافتة.
  • 110: وضع الاستعداد
  • 12: حالة النوم

يمكن اكتشاف الحركة في أي من هذه الحالات؛ بعض الفئران تقوم بإيقاف تشغيل المستشعر تمامًا في حالة السكون، مما يتطلب النقر على زر لإيقاظها.

توفر الفأرات الضوئية التي تستخدم عناصر الأشعة تحت الحمراء (مصابيح LED أو ليزر) زيادة كبيرة في عمر البطارية مقارنةً بالإضاءة المرئية. بعض الفأرات، مثل  فأرة الليزر Logitech V450 848 نانومتر، قادرة على العمل ببطاريتين AA لمدة عام كامل، وذلك بفضل استهلاكها المنخفض للطاقة من ليزر الأشعة تحت الحمراء.

قد تتخلى الفأرات المصممة للاستخدام في التطبيقات التي تتطلب زمن استجابة منخفضًا وسرعة استجابة عالية، مثل ألعاب الفيديو ، عن ميزات توفير الطاقة، وتتطلب اتصالًا سلكيًا لتحسين الأداء. ومن أمثلة هذه الفأرات التي تُضحي بتوفير الطاقة لصالح الأداء: Logitech G5 و Razer Copperhead.

الفأرة الضوئية مقابل الفأرة الميكانيكية

تستخدم فأرة Logitech iFeel الضوئية مصباح LED أحمر لإسقاط الضوء على سطح التتبع.

على عكس الفأرة الميكانيكية، التي قد تتراكم الأوساخ على آليات التتبع فيها، لا تحتوي الفأرة الضوئية على أجزاء متحركة (باستثناء الأزرار وعجلات التمرير)؛ لذا فهي لا تتطلب صيانة سوى إزالة الأوساخ التي قد تتجمع أسفل باعث الضوء. مع ذلك، لا تستطيع عمومًا التتبع على الأسطح اللامعة والشفافة ، بما في ذلك بعض وسادات الفأرة، مما يتسبب في انحراف المؤشر بشكل غير متوقع أثناء الاستخدام. كما تواجه الفأرات ذات القدرة الأقل على معالجة الصور مشاكل في تتبع الحركة السريعة، في حين أن بعض الفأرات عالية الجودة قادرة على التتبع بسرعة تتجاوز مترين في الثانية .

بعض طرازات فئران الليزر يمكنها التتبع على الأسطح اللامعة والشفافة وتتمتع بحساسية أعلى بكثير.

اعتبارًا من عام 2006كانت متطلبات الطاقة المتوسطة للفئران الميكانيكية أقل من نظيراتها البصرية؛ فالطاقة التي تستخدمها الفئران صغيرة نسبيًا ولا تعتبر ذات أهمية إلا عندما يتم الحصول على الطاقة من البطاريات ذات السعة المحدودة.

تتفوق الفئران الضوئية على الفئران الميكانيكية على الأسطح غير المستوية، والزلقة، والناعمة، واللزجة، أو غير الثابتة، وعمومًا في حالات التنقل التي لا تتوفر فيها وسادات مخصصة للفأرة . ولأن الفئران الضوئية تعتمد في حركتها على صورة تُضيئها مصابيح LED (أو الصمام الثنائي بالأشعة تحت الحمراء) ، فقد يؤدي استخدامها مع وسادات فأرة متعددة الألوان إلى أداء غير موثوق؛ بينما لا تعاني الفئران الليزرية من هذه المشاكل، وتعمل بكفاءة على هذه الأسطح.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جون ماركوف (10 مايو 1982). "فئران الحاسوب تخرج مسرعة من مختبرات البحث والتطوير" . إنفوورلد . 4 (18): 10-11 . ISSN 0199-6649 . 
  2. ↑ جون ماركوف (21 فبراير 1983). "في دائرة الضوء: الفأر الذي تدحرج" . إنفوورلد . 5 (8). مجموعة إنفوورلد الإعلامية: 28. الرقم الدولي الموحد للدوريات 0199-6649 . 
  3. ↑ سول شير (1988). أجهزة الإدخال . دار النشر الأكاديمية. رقم ISBN 0126399700.
  4. ↑ ليز كاراغيانيس (خريف 1997). "ستيف كيرش" . مجلة إم آي تي ​​سبكتروم . مؤرشف من الأصل في 22 مارس 2008.
  5. ↑ "صور لشركات مرتبطة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: إنفوسيك، سانتا كلارا، كاليفورنيا" . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: أثر الابتكار . معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. مؤرشف من الأصل في 1 ديسمبر 1998. تم الاطلاع عليه في 31 ديسمبر 2006 .
  6. ↑ ليون، ريتشارد ف. (أغسطس 1981). "الفأرة الضوئية، ومنهجية معمارية لأجهزة الاستشعار الرقمية الذكية" (ملف PDF) . في: إتش تي كونغ؛ روبرت ف. سبرول؛ جاي ل. ستيل (محررون). أنظمة VLSI والحسابات . مطبعة علوم الحاسوب. الصفحات 1-19 . doi : 10.1007/978-3-642-68402-9_1 . ISBN  978-3-642-68404-3.
  7. ↑ ستان أوغارتن (1983). أحدث التقنيات: تاريخ مصور للدائرة المتكاملة . تيكنور آند فيلدز. الصفحات 60-61 . ISBN  0-89919-195-9.
  8. ↑ "لوحة ماوس زيروكس" . Digibarn.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2010 .
  9. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 4751505 
  10. ↑ "الفأرة الضوئية، بالطريقة القديمة" . 10 ديسمبر 2016. مؤرشف من الأصل في 7 فبراير 2022. تم الاطلاع عليه في 29 أبريل 2023. [صورة الغلاف] فأرة الكمبيوتر - فأرة ضوئية متطورة [...] شركة أنظمة الفأرة
  11. ↑ "فئران وألواح بصرية من شركة صن آند ماوس سيستمز" . retrotechnology.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 مارس 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2023 .
  12. ↑ "فأرة ضوئية قديمة" . ويكيميديا ​​كومنز . 20 يوليو 2010. مؤرشف من الأصل في 18 فبراير 2021. تم الاطلاع عليه في 29 أبريل 2023 .
  13. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 4794384 
  14. 1 2 ليون، ر. ل. (2014). "الفأرة البصرية: رؤية مدمجة محاكاة حيوية مبكرة" . في: كيساكانين، برانيسلاف؛ مارغريت جيلاوتز (محرران). التطورات في رؤية الحاسوب المدمجة . سبرينغر. ص 20. ISBN   9783319093871– عبر كتب جوجل.
  15. ↑ "بيان صحفي من مايكروسوفت، 19 أبريل 1999" . مايكروسوفت. 1999-04-19. مؤرشف من الأصل في 2011-11-28 . تم الاطلاع عليه في 2011-05-11 .
  16. ^ وين ل. روش (2003). Winn L. Rosch الكتاب المقدس للأجهزة ( الطبعة السادسة). كيو للنشر. ص. 756. ردمك   978-0-7897-2859-3.
  17. ↑ "نصائح هندسة الحاسوب - الفأرة" . مؤرشف من الأصل في 5 مايو 2009. تم الاطلاع عليه في 31 ديسمبر 2006 .
  18. ↑ "فأرة لوجيتك MX1000 اللاسلكية الليزرية" . سي نت . 4 نوفمبر 2004. تم الاطلاع عليه في 19 يوليو 2018 .
  19. ↑ "أعلنت شركة Avago Technologies عن مستشعرات ليزرية مصغرة للملاحة لتطبيقات الفأرة" . 28 يناير 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 مارس 2013 .
  20. ↑ "موجز ابتكارات لوجيتك داركفيلد" (ملف PDF) . لوجيتك . 2009.