光学式マウス

光学式マウスは、小型カメラとデジタル画像処理を使用して表面に対する動きを検出するコンピュータ マウスです。光学式マウスのさまざまなバリエーションが、頻繁に掃除する必要があった古い機械式マウスに取って代わりました。

最も初期の光学式マウスは、用意された表面上の動きを検出しましたが、広く受け入れられることはありませんでした。デジタル画像相関を使用し、ほぼすべての表面で機能する現代の光学式マウスは、2000年にゲイリー・ゴードン、デレク・ニー、ラジーヴ・バディアル、ジェイソン・ハートラブによって発明され、米国特許6,433,780を取得しました。^{[1]その技術は、}コンピュータ歴史博物館が行った発明者の1人へのインタビューで説明されています。

光学式マウスとは一般には呼ばれませんが、ほぼすべての機械式マウスは、ゴム製のボールで駆動される2 つの増分ロータリー エンコーダ ホイール(1 つは左右用、もう 1 つは前後用) の穴を赤外線光線が通過したか通過しなかったかを検出するLED とフォトダイオードを使用して動きを追跡します。したがって、「光学式マウス」の主な特徴は、光学部品を使用していることではなく、マウスの動きを追跡するための可動部品がまったくなく、完全にソリッド ステートのシステムを使用していることです。

最初の2種類の光学式マウスは、1980年12月に2人の独立した発明家によって初めて実演され、それぞれ異なる基本設計となっていました。^{[2] [3] [4]} そのうちの1つは、MITのスティーブ・カーシュとマウスシステムズコーポレーションによって発明され、^{[5] [6]}赤外線LEDと4象限赤外線センサーを使用して、特殊な金属表面に赤外線吸収インクで印刷されたグリッド線を検出しました。マウスのCPUの予測アルゴリズムが、グリッド上の速度と方向を計算しました。ゼロックス社のリチャード・F・ライオンによって発明されたもう1つのタイプは、同じn型（5μm）MOS集積回路チップ上に統合された動き検出機能を備えた16ピクセルの可視光画像センサーを使用し、^{[7] [8]}印刷された紙や同様のマウスパッドの暗いフィールドでの光点の動きを追跡しました。^[9]キルシュマウスとリヨンマウスは動作が大きく異なり、キルシュマウスはパッドに埋め込まれたxy座標系を使用していたため、パッドを回転させると正しく動作しませんでしたが、リヨンマウスは機械式マウスと同様にマウス本体のxy座標系を使用していました。  

最終的にゼロックスSTARオフィスコンピュータとともに販売された光学式マウスは、ゼロックスマイクロエレクトロニクスセンターのリサ・M・ウィリアムズとロバート・S・チェリーが特許を取得した反転センサーチップパッケージング手法を採用していました。^[10]

Mouse Systems (Kirsch) の設計は同社自身によってPC 互換の形で商品化され販売された^{[11]ほか、} Sun Microsystemsワークステーション^[12]やData GeneralによってOEM 用にブランド名が変更されたバリエーションも販売された^[13]。

現代の表面非依存型光学マウスは、光電子 センサー（本質的には、小さな低解像度のビデオカメラ）を使用して、マウスが動作する表面の連続画像を撮影することで機能します。コンピューティングパワーが安価になるにつれて、より強力な専用画像処理 チップをマウス自体に組み込むことが可能になりました。この進歩により、マウスはさまざまな表面上の相対的な動きを検出できるようになり、マウスの動きをカーソルの動きに変換して、特別なマウスパッドが不要になりました。表面非依存型コヒーレント光光学マウスの設計は、実際に動作することが示されなかったにもかかわらず、1988年にゼロックスのスティーブン・B・ジャクソンによって特許を取得しました。^[14]

しかし、ゼロックス社の発明は商業的に大規模に利用されることはなく、光学式マウスは、マイクロソフト社が1999年にIntelliEyeとIntelliMouse Explorerを搭載したIntelliMouseをリリースするまで、パソコン市場ではなかなか見かけることはありませんでした。 ^{[15] [16]}これらのマウスは、ヒューレット・パッカード社が子会社のアジレント・テクノロジーズ社の下で開発した技術を使用していました（下記参照）。これらのマウスは、ほとんどあらゆる表面で動作し、汚れがつき、気まぐれに動き、乱暴に扱われ、頻繁に分解して掃除する必要のある機械式マウスに比べて歓迎すべき改善でした。他のメーカーもすぐにマイクロソフトに追随し、例えばアップル社はPro Mouse ^[15]で、アジレント社（HPから分離独立）製の部品を使用し、その後数年間で機械式マウスは時代遅れになりました。

現代の光学式コンピュータマウスの基礎となっている技術は、デジタル画像相関と呼ばれ、軍事目標を追跡するために防衛産業が開発した技術です。デジタル画像相関の単純なバイナリ画像バージョンは、1980 年の Lyon 光学式マウスで使用されていました。光学式マウスは、画像センサーを使用して、木材、布、マウスパッド、Formicaなどの素材に自然に発生するテクスチャを画像化します。これらの表面は、発光ダイオードによってかすめ角で照らされると、日没で照らされた丘陵地帯に似た明確な影を落とします。これらの表面の画像は連続的にキャプチャされ、互いに比較されて、マウスの移動距離が判定されます。

光学式マウスでオプティカル フローがどのように使用されるかを理解するには、わずかにずれている以外は同じ物体の写真を 2 枚想像してください。両方の写真をライト テーブルに置いて透明にし、画像が一列に並ぶまで一方を他方の上にスライドさせます。一方の写真の端が他方の写真からはみ出す量は画像間のオフセットを表し、光学式コンピュータ マウスの場合は移動した距離を表します。

光学式マウスは、1 秒間に 1,000 枚以上の連続画像をキャプチャします。マウスの移動速度に応じて、各画像は前の画像から 1 ピクセル分または数ピクセル分オフセットされます。光学式マウスは、相互相関を使用してこれらの画像を数学的に処理し、連続する各画像が前の画像からどれだけオフセットされているかを計算します。^[要出典]光学センサーの出力は通常、デルタX, Y座標です。一部の光学 IC では、画像データも取得できます。マウスには通常、高速データ処理のために何らかの画像取得システムとDSP プロセッサが組み込まれています。

光学式マウスでは、18 × 18 ピクセルの単色ピクセル配列を持つイメージ センサーが使用される場合があります。そのセンサーは通常、画像の保存と処理に使用される ASIC と同じASICを共有します。1 つの改良点は、以前の動作からの情報を使用して相関プロセスを加速することであり、もう 1 つの改良点は、補間またはフレーム スキップを追加して、ゆっくりと移動するときにデッドバンドを防ぐことです。^{[引用が必要]}

ヒューレット・パッカード社における最新の光学式マウスの開発は、1990 年代に HP 研究所で行われた一連の関連プロジェクトによって支えられました。1992 年にウィリアム・ホランドは米国特許 5,089,712 を取得し、ジョン・エルテル、ウィリアム・ホランド、ケント・ヴィンセント、ルエイミング・ジャンプ、リチャード・ボールドウィンは、紙繊維の画像を相関させることによってプリンタの紙の直線送りを測定する技術で米国特許 5,149,980 を取得しました。 Ross R. Allen、David Beard、Mark T. Smith、および Barclay J. Tullis は、ナビゲーション センサーが移動する表面の微細な固有の特徴を検出して相関させ、線形 (ドキュメント) イメージ センサーの各端の位置測定を使用してドキュメントの画像を再構成する 2 次元光学ナビゲーション (位置測定) 原理で、米国特許 5,578,813 (1996 年) および 5,644,139 (1997 年) を取得しました。これは、HP CapShare 920 ハンドヘルド スキャナーで使用されているフリーハンド スキャンの概念です。当時のコンピューター マウスで使用されているホイール、ボール、およびローラーの制限を明確に克服する光学的手段を説明することで、光学式マウスの先駆けとなりました。これらの特許は、Travis N. Blalock、Richard A. Baumgartner、Thomas Hornak、Mark T. Smith、および Barclay J. Tullis に与えられた米国特許 5,729,008 (1998) の基礎となり、表面特徴画像検知、画像処理、および画像相関が集積回路によって実現され、位置測定が行われました。HP DesignJet 大判プリンタでのメディア (用紙) の前進の正確な 2D 測定に光学ナビゲーションを適用するために必要な 2D 光学ナビゲーションの精度の向上は、Raymond G. Beausoleil , Jr. および Ross R. Allen に 2001 年に与えられた米国特許 6,195,475 でさらに改良されました。

文書スキャンアプリケーション (Allen ら) で画像を再構成するには、光学ナビゲータで 1/600 インチ程度の解像度が必要でしたが、コンピュータマウスに光学位置測定を実装すると、低解像度でのナビゲーションに伴うコスト削減のメリットを享受できるだけでなく、コンピュータディスプレイ上のカーソル位置をユーザーに視覚的にフィードバックできるという利点もあります。2002 年に、Gary Gordon 、Derek Knee、Rajeev Badyal、Jason Hartlove は、画像相関を使用して位置を測定する光学式コンピュータマウスで米国特許 6,433,780 ^[1]を取得しました。一部の小型トラックパッド(Blackberry スマートフォンのものなど) は、光学式マウスのように動作します。

光学式マウスは、普及当初は照明に発光ダイオード（LED）を使用することが多かった。光学式マウスのLEDの色は様々だが、赤色ダイオードは安価で、シリコン光検出器は赤色光に非常に敏感であるため、赤色が最も一般的である。IR LEDも広く使用されている。 ^[17]右に示すV-Mouse VM-101の青色LEDのように、他の色が使用されることもある。

レーザーマウスは、 LEDの代わりに赤外線 レーザーダイオードを使用してセンサーの下の表面を照らします。早くも1998年に、Sun MicrosystemsはSun SPARCstationサーバーおよびワークステーションにレーザーマウスを提供しました。^[18] しかし、レーザーマウスが一般消費者市場に登場したのは2004年で、Doug Baney率いるAgilent Laboratories, Palo Altoのチームが850 nm VCSELをベースに追跡性能を20倍向上させたレーザーベースのマウスを開発した後のことでした。Tong Xie、Marshall T. Depue、およびDouglas M. Baneyは、低消費電力で幅広い操作性を備えたVCSELベースの消費者向けマウスに関する研究で、米国特許7,116,427号と7,321,359号を取得しました。LogitechのPaul Machinは、Agilent Technologiesと提携して、この新技術をMX 1000レーザーマウスとして発表しました。このマウスはLEDの代わりに小型赤外線レーザー（VCSEL）を使用し、マウスで撮影した画像の解像度を大幅に向上させました。レーザー照明により、LED照明の光学式マウスに比べて優れた表面追跡が可能になりました。^[19]

2008年、アバゴ・テクノロジーはVCSEL技術を使用してエミッターをICに統合したレーザーナビゲーションセンサーを発表しました。^[20]

2009年8月、ロジテックはガラスや光沢のある表面での追跡性を向上させるために2つのレーザーを搭載したマウスを発表しました。同社はこれを「ダークフィールド」レーザーセンサーと名付けました。しかし、これは顕微鏡で使用される暗視野照明とはほとんど関係がありません。ロジテックの説明^[21]によると、低コントラストを検出した場合、より良い照明のために異なる方向から2番目のレーザーを使用します。

メーカーは、光学式マウス、特に電池式のワイヤレスモデルを設計する際に、可能な限り電力を節約することがよくあります。そのために、マウスはスタンバイ モードのときにレーザーまたは LED を暗くしたり点滅させたりします (マウスごとにスタンバイ時間は異なります)。一般的な実装 ( Logitechによる) には 4 つの電源状態があり、センサーは 1 秒あたりの異なる速度でパルスを発します。^{[引用が必要]}

• 11500: フルオン、移動中の正確な反応のため、照明が明るく見えます。
• 1100: 移動していないときにフォールバックがアクティブな状態になり、照明が鈍く見える。
• 110: スタンバイ
• 12: 睡眠状態

これらのいずれの状態でも動きを検出できます。マウスによっては、スリープ状態ではセンサーが完全にオフになり、起動するにはボタンをクリックする必要があります。

赤外線素子 (LED またはレーザー) を使用する光学式マウスは、可視スペクトル照明に比べてバッテリー寿命が大幅に長くなります。Logitech V450 848 nm レーザー マウスなどの一部のマウスは、赤外線レーザーの電力要件が低いため、単三電池 2 本で 1 年間作動できます。^{[説明が必要]}

ビデオ ゲームをプレイするなど、低遅延と高応答性が重要となる用途向けに設計されたマウスでは、省電力機能が省略され、パフォーマンスを向上させるために有線接続が必要になる場合があります。省電力を犠牲にしてパフォーマンスを優先するマウスの例としては、Logitech G5やRazer Copperhead などがあります。

機械式マウスは追跡機構が糸くずで詰まることがありますが、光学式マウスには可動部品がありません (ボタンとスクロール ホイールを除く)。そのため、発光体の下に溜まったゴミを取り除く以外はメンテナンスの必要がありません。ただし、マウス パッドなど、光沢のある透明な表面では追跡できないことが多く、操作中にカーソルが予期せずドリフトします。画像処理能力の低いマウスは高速な動きを追跡するのに問題がありますが、一部の高品質マウスは 2 m/sを超える速度で追跡できます。

レーザー マウスの一部のモデルは、光沢のある透明な表面でも追跡でき、感度がはるかに高くなります。

2006 年時点では、^{[アップデート]}機械式マウスの平均電力要件は光学式マウスよりも低くなっていました。マウスが使用する電力は比較的小さく、容量が限られたバッテリーから電力を供給する場合にのみ重要な考慮事項となります。

光学式モデルは、凹凸のある表面、滑りやすい表面、柔らかい表面、粘着性のある表面、または緩い表面、および一般的にマウス パッドのない移動環境では、機械式マウスよりも優れたパフォーマンスを発揮します。光学式マウスは LED (または赤外線ダイオード)が照らす画像に基づいて動きをレンダリングするため、多色のマウス パッドを使用するとパフォーマンスが不安定になる可能性があります。ただし、レーザー マウスではこれらの問題は発生せず、そのような表面でも追跡できます。

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