电脑中的光笔是什么？

光笔，本质上是一支触控笔，是一种对光敏感的计算机输入设备。它通常用于突出显示文本、对象或修改计算机屏幕或显示器上的数据。与触摸屏类似，它允许用户与屏幕上的用户界面对象进行交互，但具有更高的定位精度。它可与任何基于 CRT 的显示器一起使用。这些设备最初是为了在显示器上突出显示和操作对象而设计的。CRT 显示器会扫描屏幕；因此，光笔与 CRT 显示器配合良好。

光笔使用 LCD 显示器的能力尚不明确。然而，在日本，“Display 2006”展会上，日立和东芝展示了一个类似的想法。而且，作为马萨诸塞州理工学院 Whirlwind 项目的一部分，光笔于 1955 年首次被创造出来。此外，它还可以被视为触摸屏的前身；当阴极射线管被电子束扫描时，它会检测屏幕附近像素的亮度变化。最终，该输入设备逐渐消失，因为它与现代 LCD 屏幕不兼容。

光笔的应用

光笔在不同领域都有应用，并且利用了时代的进步。一些一流的应用包括：

1. 计算机辅助设计 (CAD)：光笔是早期 CAD 系统的设备，允许工程师和建筑师精确地在显示器上绘图和操作对象。
2. 早期图形和艺术程序：光笔已用于早期的 计算机图像和艺术应用程序，使用户能够直接在显示屏上创建数字艺术和图像。
3. 文本编辑：光笔已用于文本编辑和文字处理程序。用户可以直接在显示屏上选择和编辑文本。
4. 医学影像：光笔已应用于医学影像，用于注释和控制图像，使医生和放射科医生更容易分析和解释医学扫描。
5. 教育软件：光笔已集成到教育软件中，以促进互动式课程的学习。
6. 早期游戏：光笔已用于一些早期视频游戏中，为游戏体验增添了互动性。
7. 工业和科学应用：在研究和开发环境中，光笔已用于数据可视化和分析，帮助科学家和工程师完成工作。

光笔的历史

第一支光笔最初是作为马萨诸塞州理工学院 Whirlwind 项目的一部分于 1955 年左右开发的，并在 20 世纪 60 年代得到应用。在军事空中监视中，它被用于 AN/FSQ-7 的态势显示控制台，这是光笔的常见用途之一。与 Whirlwind 项目的关系并不令人意外。

在 20 世纪 60 年代，光笔可用于纯文本终端，并在 IBM 2250 等图形终端上变得普遍。在 20 世纪 80 年代，光笔的使用范围扩展到 Fairlight CMI 等音乐工作站，以及 Atari、Commodore 8 位计算机、MSX 计算机和 Amstrad PCW 家用计算机等设备；因此，它在此期间变得流行。一些图形卡和设备也提供了连接光笔的接口，例如 BM PC 兼容的 CGA 和 HGC，以及早期的 Tandy 1000 计算机。

此外，三洋公司还为 MSX 计算机生产了光笔接口卡。但作为通用输入设备的光笔逐渐被淘汰，因为用户需要使用倾斜显示器的书桌，或者长时间将手臂举在设备屏幕前。此外，由于触摸屏的发明，光笔在现代已经不再使用。

光笔的遗产和影响

虽然光笔不再是主流设备，但它们在人机交互和计算领域的遗产和影响是不可忽视的。以下是光笔影响技术格局的一些方式：

1. 早期用户界面创新：光笔在早期图形用户界面的开发中发挥了重要作用，为我们今天使用的现代 GUI 铺平了道路。
2. 开创交互式图形：光笔促成了早期计算机图形和艺术节目的出现，为创造性表达和虚拟设计开辟了新的可能性。
3. 医学和科学进步：在医学和研究等领域，光笔帮助专家以以前不可能的方式与数据和图像进行交互。
4. 教育技术：光笔在教育软件程序的演变中发挥了作用，增强了教育系统的互动性和参与度。
5. 概念启发：手持指向设备直接与显示屏交互的概念启发了后来的触控笔和触摸屏等输入设备的开发。

光笔如何工作？

光笔的操作基于一个非常简单的过程。它在尖端集成了一个光敏光电管，可以检测光。当光笔的尖端接触到计算机、笔记本电脑或其他屏幕时，它可以检测到该点的光线，然后将此信息发送到计算机进行处理。

计算机可以感知检测到光的坐标，并使用这些信息执行各种任务。光笔的操作基于这样一个事实：当时的阴极射线管 (CRT)显示器（以及许多现代显示器）通过扫描电子束进行工作。当电子束击中屏幕上的发光点时，它会发出光。光笔与扫描过程同步，并检测屏幕在其区域何时发出可见光。

同步过程如下：

• 屏幕扫描系统开始，电子束处于已知的起始位置。
• 光笔的光电管暴露在屏幕发出的光线下。当光笔检测到此光线时，它会向计算机发送信号。
• 计算机在收到光笔信号时，会记录电子束在屏幕上的当前位置。该位置对应于光笔指向的屏幕上的位置。
• 计算机随后可以将此位置信息用于各种功能，例如在屏幕上绘图、选择对象或执行操作。

光笔的优点

在某些情况下，与鼠标相比，光笔非常有效。专用笔允许您直接通过显示器与计算机桌面进行交互，其接口消除了传统鼠标。当您使用专用笔和显示器时，它效果很好。与鼠标相比，光笔的应用范围较小，因为它们是相当专业的利基工具。然而，光笔有多种优点，如下所示：

精确选择工具

使用光笔，您可以直接单击屏幕上的光标位置；因此，它为用户提供了与屏幕进行交互的精确度优势。因此，在需要快速、精确选择的地方，光笔更有用。

轻便的艺术应用

与鼠标相比，光笔与艺术和设计工作非常兼容。如果您从事设计或计算机相关工作，这可能会非常笨拙，导致实践效率低下且不受欢迎。光笔能够执行类似于绘图板的功能，允许用户通过自然的绘图动作绘制平滑、清晰的线条。然而，与图形输入板相比，光笔在绘图应用方面被认为精度较低，因为存在延迟问题。

节省桌面空间

如果您桌面空间有限，光笔系统会非常高效，因为它们不需要鼠标垫。实际上，计算机主机、键盘和显示器占用的空间更大。光笔可以存放在显示器上的夹子上，这往往会减少桌面空间的需求。而且，桌面空间将被节省。

光笔的缺点

光笔存在一些局限性，如下所示：

笨拙的姿势

使用光笔时，姿势是导致手腕疲劳的最大缺点之一。由于需要与屏幕进行交互，因此光笔需要一种有点笨拙的姿势才能高效使用。例如，为了最大限度地提高精度，您在大多数情况下都需要稍微向前倾斜，这会破坏您的身体姿势。根据显示器的大小和方向，您可能需要长时间使用光笔，这也会导致手腕疲劳。

需要专用显示器

为了与笔进行交互，光笔系统需要专用的显示器。对于几乎所有光笔系统，为了使显示器异常沉重和笨重，它们都是采用阴极射线管技术制造的。此外，为了确定 CRT 显示器上屏幕元素的 P 位置，显示器中使用的电子射线会被笔检测到。与图形输入板和触摸屏显示器相比，光笔系统确实模糊不清；因此，获得一个也可能很困难。

通用性差

虽然光笔系统能够很好地处理特定任务，但其他接口更适合通用桌面计算。与光笔相比，标准的触摸屏以及鼠标和键盘接口的物理应力更小，操作也更简便。此外，光笔的部署成本可能更高，尤其是在大规模或企业部署中。

光笔的其他术语

• 在演示期间，光笔一词可能经常使用，因为它是一种使用光线的指向性输入设备。光笔作为非常集中的激光指示器或设备，有助于在演示期间引导观众注意特定区域，例如图像、标题或其他文本。
• 与图形输入板（绘图板或数位板）一样，光笔也可用于定义笔（触控笔）。图形输入板将手持触控笔的信息转换为自然输入设备。

光笔的技术设计和组件

尽管被归类为基本的指向设备，光笔却有许多复杂的部件协同工作，将 CRT 屏幕上的光信号检测并传输到计算机系统。其操作基于表面亮度变化的检测，这些变化会被计算机转换为电信号。

1. 光电探测器（光电二极管或光电晶体管）：光笔的核心元件是其光电探测器，它负责检测 CRT 显示器的光。如果扫描电子束移过光笔指向的位置，光电探测器会由于该点的亮度增加而开启，并以电脉冲的形式向计算机提供点击信号。
   
2. 电路板：内部电路板与 CRT 电子束的向前和向后扫描、水平和垂直运动保持同步，设置同步标准，并注册屏幕上的笔位置。电路板将来自光电探测器的信号发送给计算机。它包含电阻器、电容器和放大器等组件，以保持电路中信号的稳定性和准确性。电路板还处理通过光电探测器的信号。
3. 电缆和连接器：光笔使用坚固的电缆连接到计算机。旧版本使用串行或并行端口连接，但较新的型号在显卡或光笔适配器上具有专用端口。
4. 塑料外壳：塑料外壳符合人体工程学，并容纳内部组件。它的形状像一支笔或触控笔，易于使用，并且在操作时提供良好的触感。
5. 激活按钮：大多数光笔在外壳上都有一个按钮，模仿鼠标点击，允许用户直接与屏幕进行交互以进行选择、绘图或编辑。

光笔的现代改编和继承者

随着从 CRT 过渡到 LCD 和 OLED 屏幕，传统光笔几乎已经过时。然而，它们仍然存在于各种现代外围设备中。如前所述，它们直接与屏幕交互的原理存在于许多现代技术中，包括：

1. 触摸屏触控笔

大多数触摸屏触控笔，如 Apple Pencil、Samsung S Pen 和 Microsoft Surface Pen，是光笔的现代等价物。它们的应用不仅限于数字艺术或设计，也对笔记记录者有用。这些现代工具增强了在电容式或有源数位板上的精确书写和绘图。与依赖 CRT 扫描的光笔不同，现代触控笔使用电磁共振或蓝牙连接来提高精度。

2. 触摸屏技术

大多数消费应用已被触摸屏取代，而触摸屏又取代了光笔。从智能手机到信息亭的计算机操作设备都使用基于触摸的界面。没有光笔，触摸感应设备的应用范围就更小了，而且对于我们今天拥有的交互式设备来说，它的功能不可低估。

3. 图形输入板和数位板

例如，Wacom 平板电脑使用触控笔与压敏表面进行交互，该表面将手部运动捕获为数字输入。这些平板电脑虽然不直接使用光检测，但功能与光笔类似，用户可以精确地绘图和设计。

4. 光枪和体感控制器

在游戏中，像《打鸭子》中使用过的光枪通过响应 CRT 屏幕发出的光线而起作用。这些运动探测器的现代例子包括任天堂 Wii Remote 和 PlayStation Move，它们使用红外传感器而不是光检测，但基于相同的直接交互原理。

光笔如何与 CRT 显示器同步

由于 CRT 显示器通过扫描电子束来刷新屏幕，因此光笔通过检测电子束何时到达其尖端来工作。以下是该方法的完整指南：

1. 扫描电子束 - CRT 显示器通过电子束在涂有磷光体的像素上移动来刷新屏幕，使其发光。
2. 光检测 - 当电子束移动到光笔尖端下方时，光电管会检测到亮度的峰值。
3. 时间计算 - 计算机计算扫描开始和检测信号之间的时间间隔，从而确定精确位置。
4. 光标移动 - 计算机使用检测到的坐标来更新光标位置，并执行诸如选择对象等关键功能。

这种优化对基于 CRT 的系统效果很好，但对于不依赖扫描电子束的 LCD 和 LED 显示器系统来说却变得不必要了。

技术挑战和光笔的衰落

光笔使用量下降的原因可以归结为技术和人体工程学方面的挑战

1. 与 LCD 屏幕不兼容

光笔依赖于 CRT 显示器相关的电子束扫描系统。由于 LCD 屏幕具有不同的照明系统，不涉及快速的电子束扫描，因此传统光笔无法在 LCD 屏幕上使用。曾尝试过对光笔进行改编以使其适用于 LCD，但这些尝试从未获得广泛认可。

2. 人体工程学和疲劳

用户在使用光笔一段时间后会出现手臂疲劳，因为将设备举到屏幕上需要他们保持手臂抬高姿势。与允许放松手部姿势的老鼠和触摸板不同，光笔要求用户将手臂保持在抬高的位置。

3. 功能有限

与光笔不同，鼠标可以滚动、拖动、单击和选择。图形用户界面（GUI）集成了更复杂的功能，需要设备提供多种输入选项。笔式输入设备只能选择和指向，并且缺乏指向设备的精度。

4. 其他输入方法的兴起

随着 20 世纪 80 年代鼠标的推出，接口设备的需求激增。它们使用起来更自然，并且不需要特殊硬件或特定类型的屏幕。触摸板和触摸屏的添加进一步增强了人机交互。

光笔技术的现代应用

虽然“光笔”可能并未广泛使用，但它们的遗产在以下领域得以延续：

1. 数字艺术与设计

数字艺术触控笔在现代的发展促进了数字艺术作品的创作

• 压感：使艺术家能够确定画笔笔触的宽度和不透明度，类似于现实生活中的工具。
• 倾斜识别：允许使用倾斜角度的铅笔或画笔实现的阴影技术。
• 防掌触：通过忽略无意的掌触屏幕来提高生产力。

2. 医学和外科应用

触控笔技术提高了医学领域的准确性和有效性

• 放射学中的数字注释：放射科医生使用触控笔在 X 射线、MRI 和 CT 扫描的诊断图像上进行标记，以进行高级高亮显示和注释。
• 机器人手术：精密笔用于引导手术中的机器人器械，从而提高复杂手术的准确性。

3. 教育与在线学习

智能和互动设备的使用改变了学习方式

• 交互式白板：参与者使用触控笔进行笔记、解方程和绘制图表，积极参与课程。
• 基于平板电脑的学习：学生使用触控笔进行笔记、计算和绘制图表。

4. 工业与工程设计

在其他技术领域，触控笔用于精细和精细的工作。

• CAD 软件：工程师使用响应式触控笔进行精确的 3D 建模和仿真。
• 建筑草图：建筑师使用触控笔在平板电脑上书写平面图和结构。

5. 游戏与娱乐

光笔的初步想法已经演变为有助于增强游戏参与度

• 体感控制器：任天堂 Switch Joy-Cons 等设备采用类似于早期光笔技术的运动传感。
• VR 绘图应用：雕塑家使用类似触控笔的工具在虚拟空间中雕刻三维艺术品。

常见问题解答 - 光笔

1. 什么是光笔，它是如何工作的？

光笔是一种输入设备，它使用光敏设备与 CRT 显示器配合，通过检测电子束的位置来实现十字准线控制和光标定位。光笔由一个光电管组成，当放在屏幕上时，它会检测光线并发送所得信号，从而实现光标定位。

2. 为什么光笔会过时？

光笔是为采用电子束扫描的 CRT 显示器而设计的，因为没有现代技术（如 LCD 或 LED 屏幕）。此外，由于存在鼠标、触摸屏、高级触控笔和 Apple Pencil 等人体工程学设备，非人体工程学和四肢过度劳累的角度进一步加剧了光笔的可用性。

3. 现代计算中是什么取代了光笔？

当前的选项包括电容式触控笔（例如 iPad 触控笔）、触摸屏界面以及 Wacom 等平板电脑。与依赖 CRT 显示器的光笔相比，这些现代工具提供了增强的精度、压力敏感性和与当今屏幕的兼容性。

4. 光笔最常用于哪里？

它们广泛用于医疗（扫描被注释）、计算机辅助设计 CAD、早期图形设计、文本编辑，甚至游戏，如街机系统中的光枪。这些工具的专业性质意味着它们永远不会像鼠标和键盘那样获得普遍接受。

5. 光笔技术还有未来吗？

尽管传统光笔已经过时，但 AR/VR 触控笔、具有笔触预测功能的 AI 驱动数字笔以及眼动追踪辅助设备的发展仍在延续它们的遗产。对用于 OLED 显示器和量子点笔的研究也可能带来一些有用的创新，尽管主流复兴不太可能。