第三章 基本原理介紹 3.1 光學滑鼠操作原理
3.2 CMOS 影像感測器元件
3.2.1 CMOS 影像感測器元件簡介
以 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）為影像感測器的構想早在 1968 年便被提出來，不過由於當時光蝕刻（Photolithography）技術未成熟，並未開發出 有實用價值的感測器。直到 1990 年代初期，次微米半導體製程技術成熟，才又使得 CMOS 影像感測器得到注目[21]。CMOS 影像感測器是由陣列式的感光像素（Pixel cell）所構 成，像素是 CMOS 影像感測器的基本單位，其包含一個光二極體，用來產生與入射光 成比例的電荷，也包含一些電晶體，以提供緩衝轉換和復位功能。像素電容累積的電荷 被抽樣緩衝傳送給放大器（Gain Amplifiers）與類比／數位轉換器（A/D Converter） 之 後，攝取影像之原始訊號才得以形成，由這些功能構成一組 CMOS 影像感測器，如圖 3.3[22]。
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圖 3.3 CMOS 影像感測器架構
CMOS 影像感測器依像素結構可分為：被動像素感測器（CMOS Passive Pixel Image Sensor, CMOS PPS）與主動像素感測器（CMOS Active Pixel Image Sensor, CMOS APS）。
基本像素結構如圖 3.4 所示。原理為將每個獨立的電晶體（電容器）置於每個影像感測 單元處（像素）充當開關，當光線激發出電子後，將電子儲存於電容器中。不同的是，
被動像素感測器將放大器置於每行末端，如此一來線路輸出阻抗高，且容易產生隨機雜 訊及較低的動態範圍；而主動像素感測元件則是直接在每一單位像素上加上放大器及雜 訊控制元件，解決了隨機雜訊的問題，使影像品質得到明顯的改善，此低雜訊、高速、
提升動態感測能力等優點，非常適合作光學滑鼠之影像位移感測元件[22]。
圖 3.4 (a)被動像素感測器架構 (b)主動像素感測器架構
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3.2.2 CMOS 影像感測器位移與方向偵測方法
動態影像中每一個畫面都是由一連串像素之灰階值所組成，灰階值為射入影像經影 像處理器作量子化後以 0 及 1 作二進位編碼（binary coding），一般採用 256 個圖素（picture cell），每個畫素採 6 位元調製值，最亮處以 111111 表示，而最暗處用 000000 表示，
如圖 3.5。[23]
圖 3.5 (a) 畫素位址地圖 (b) 以”白紙”為待測物所感應的調階值
由上述可知，動態影像位移是由一連串連續時間的靜態畫面組合而成，而每一張畫 面在連續的時間軸上通常都有兩個特性：(a) 朝同一方向持續移動的趨勢與(b) 相鄰時間 中畫面上圖案的差異性不大。如上圖 3.2 所示。依這兩個特性，若能找到畫面上的圖案 在時間軸上移動的方向，則影像位移感測器僅需要紀錄圖案移動的方向以及將同一圖案 中在時間軸上有變化的部分加以編碼計算ΔX 與ΔY 位移。以同一圖案在連續時間軸上 差異值來作位移的評估與預測的方法稱作「動態預測法」（Motion estimation）[22]。另 外基於減少感測器的計算複雜度、紀錄動態向量數目及提升動態預測效率考量下，亦有 提出將每張畫面切割成數個 像素的區塊（block）且每一區塊都被當成獨立圖案，
如圖 3.5。此種以區塊為動態預測的方式又稱「區塊動態預測法」（Block motion estimation）
[24]。
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圖 3.6 區塊動態預測法示意圖
圖 3.6 之區塊動態預測法是取前一個圖像（frame）中間之 像素位置（Position 0）當參考圖像（reference frame），接著將前一個參考圖線和目前擷取到的圖像（current frame）進行區塊比較的影像處理，看看哪個位置的區塊（Position 1~8）和參考圖像的 區塊最像，便可得知移動方向並計算出相對位移距離。[22][24]
3.3 CMOS 影像感測器元件－PAW3204DB
本論文預計採用由原相科技公司（PixArt Imaging Inc.）研發生產之低功率無線滑鼠 感測器，型號為 PAW3204DB。選擇此感測器的原因主要是由於筆型滑鼠為使操作方便 自然，故無線感測器較為適合，此外便是追求低功耗，高傳輸速率為佳，接下來幾小節 將會針對此感測器作詳細的介紹。
3.3.1 PAW3204DB 感測器規格[25]
PAW3204DB CMOS 光學滑鼠感測器有下列特點：
單電源供應
具完整 2-D（ΔX;ΔY）位移感測能力
於各種表面皆能正確位置偵測估算
高位移速率偵測達 28 inches/sec
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高解析能力達 1600 CPI（Count per inch）
內含編譯與檔案轉換之序列介面（Serial interface）
無偵測到位移時進入省能模式
內建低耗能的時間計時器（Low Power Timer, LPT）以用於睡眠模式
建立 MOTSWK pin 以用於轉換睡眠／操作模式
內建 LED 光源驅動電路
PAW3204DB CMOS 光學滑鼠感測器主要規格如下表 3.1：
表 3.1 PAW3204DB CMOS 光學滑鼠感測器主要規格表 Item Specification
Power Supply Operating voltage
1.73V~1.87V (VDD and VDDA short) 2.5V~2.9V (VDD)
Optical Lens 1:1
Speed 28 inches/sec
Resolution 400/500/600/800/1000(Default) /1200/1600 CPI
Frame Rate 3000 frames/sec Typical Operating
Current
3mA @ Mouse moving (Normal) 300μA @ Mouse not moving (Sleep1) 60μA @ Mouse not moving (Sleep2) 7μA @ Power down mode
Package Staggered DIP8
PAW3204DB 感測器就功能分成九大部份，如圖 3.7。
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圖 3.7 PAW3204DB 感測器內部功能區塊圖 3.3.2 PAW3204DB 感測器重要參數
評斷光學滑鼠感測器性能的方式，主要有三大重點：
1. 影像擷取速度（Frame rate）
又稱內部採樣率、掃描頻率、拍照速率……等，是對滑鼠光學系統影像採樣能力的 描述參數，單位通常以 FPS（Frames per second）表示，亦在掃描器應用以赫茲（Hz）
表示。工作原理為：當 LED 光源照射工作表面，位移感測器以一定的頻率捕捉工作 表面反射的快照（Snapshot），由影像位移演算引擎（Navigator Engine）分析和比較 這些快照的差異，從而判定滑鼠移動的方向和距離。影像擷取速度的高低決定了圖 像的連貫性好壞以及對微小移動的響應，擷取速度越高則在越短的時間內影像處理 分析的次數越多，於是獲得的資訊越充分、圖像越連貫，表現在光學滑鼠的操作上 則是反應更敏捷、準確和帄穩，並且對任何細微的移動都能作出響應。[22]
2. 位移解析度（Resolution）
解析度的單位一般以 dpi（dots per inch, 每英吋點數）來表示，不過實際上以 cpi（count per inch, 每英吋測量次數）為單位較為適當。解析度影響兩個層面：當解析度上升 時，由於單位距離中的測量次數增加，所以第一是精準度隨之上升，第二點是相對 的在使用滑鼠時，實際移動距離則會縮短。在較高螢幕解析度下使用時，會比較容 易感受到解析度上升的效果，這代表來回移動滑鼠游標時，不需要大幅度移動滑鼠。
[22]
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3. 移動速度（Motion speed）
在相同的距離之下移動所需的時間越短則速度越快。我們可以此項標準來定義光學 系統之感光像素大小，比如以表 3.1 所示之解析度列表取一較帄均的 800cpi 解析度，
在此規格標準下，必頇滿足移動距離一英吋而得到 800 次數（counts）的計算，則感 光像素大小如式 3-1 計算，不得大於 30μm，才能偵測到一次（a count）的位移。於 是我們在後面章節便定義光學系統的像素大小為 。[22]
Eq.3-1
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