Optische Maus – Wikipedia

Art der Computermaus

Eine drahtlose optische Microsoft-Maus

Ein optische Maus ist eine Computermaus, die eine Lichtquelle, typischerweise eine Leuchtdiode (LED), und einen Lichtdetektor, wie beispielsweise eine Anordnung von Fotodioden, verwendet, um Bewegungen relativ zu einer Oberfläche zu erfassen. Variationen der optischen Maus haben das ältere mechanische Mausdesign, bei dem bewegliche Teile zum Erfassen von Bewegungen verwendet werden, weitgehend ersetzt.

Die frühesten optischen Mäuse erkannten Bewegungen auf vorgedruckten Mauspadoberflächen. Moderne optische Mäuse arbeiten auf den meisten undurchsichtigen diffus reflektierenden Oberflächen wie Papier, aber die meisten von ihnen funktionieren nicht richtig auf spiegelnd reflektierenden Oberflächen wie poliertem Stein oder transparenten Oberflächen wie Glas. Optische Mäuse, die Dunkelfeldbeleuchtung verwenden, können auch auf solchen Oberflächen zuverlässig funktionieren.

Mechanische Mäuse[edit]

Obwohl dies nicht allgemein als optische Mäuse bezeichnet wird, verfolgten fast alle mechanischen Mäuse die Bewegung mithilfe von LEDs und Fotodioden, um zu erkennen, wann Infrarotlichtstrahlen Löcher in einem Paar inkrementeller Drehgeberräder (eines für links / rechts, eines für andere) passierten und nicht passierten für vorwärts / rückwärts), angetrieben von einem gummierten Ball. Daher ist der Hauptunterschied von „optischen Mäusen“ nicht die Verwendung von Optiken, sondern das völlige Fehlen beweglicher Teile zur Verfolgung der Mausbewegung, stattdessen wird ein vollständig festes System verwendet.

Frühe optische Mäuse[edit]

Ein früher optischer Xerox-Mauschip vor der Entwicklung des invertierten Verpackungsdesigns von Williams und Cherry

Die ersten beiden optischen Mäuse, die erstmals im Dezember 1980 von zwei unabhängigen Erfindern demonstriert wurden, hatten unterschiedliche Grundkonstruktionen:^[1][2][3]

Eine davon, erfunden von Steve Kirsch vom MIT und der Mouse Systems Corporation,^[4][5] verwendeten eine Infrarot-LED und einen Vier-Quadranten-Infrarotsensor, um Gitterlinien zu erfassen, die mit infrarotabsorbierender Tinte auf einer speziellen metallischen Oberfläche gedruckt wurden. Vorhersagealgorithmen in der CPU der Maus berechneten die Geschwindigkeit und Richtung über dem Gitter. Der andere Typ, der von Richard F. Lyon von Xerox erfunden wurde, verwendete einen 16-Pixel-Bildsensor für sichtbares Licht mit integrierter Bewegungserkennung auf demselben n-Typ (5) µm) MOS-Chip für integrierte Schaltkreise,^[6][7] und verfolgte die Bewegung von hellen Punkten in einem dunklen Feld eines gedruckten Papiers oder eines ähnlichen Mauspads.^[8] Die Kirsch- und Lyon-Maustypen zeigten ein sehr unterschiedliches Verhalten, da die Kirsch-Maus ein in das Pad eingebettetes xy-Koordinatensystem verwendete und beim Drehen des Pads nicht richtig funktionierte, während die Lyon-Maus das xy-Koordinatensystem des Mauskörpers verwendete. wie mechanische Mäuse.

Der optische Sensor eines Microsoft Wireless IntelliMouse Explorer (Version 1.0A)

Die optische Maus, die letztendlich mit dem Xerox STAR-Bürocomputer verkauft wurde, verwendete einen inversen Sensorchip-Verpackungsansatz, der von Lisa M. Williams und Robert S. Cherry vom Xerox Microelectronics Center patentiert wurde.^[9]

Moderne optische Mäuse[edit]

Mikroskopaufnahme des IntelliMouse Explorer-Sensor-Siliziumchips

Moderne oberflächenunabhängige optische Mäuse verwenden einen optoelektronischen Sensor (im Wesentlichen eine winzige Videokamera mit niedriger Auflösung), um aufeinanderfolgende Bilder der Oberfläche aufzunehmen, auf der die Maus arbeitet. Als die Rechenleistung billiger wurde, wurde es möglich, leistungsstärkere Spezial-Bildverarbeitungs-Chips in die Maus selbst einzubetten. Dieser Fortschritt ermöglichte es der Maus, Relativbewegungen auf einer Vielzahl von Oberflächen zu erkennen, die Bewegung der Maus in die Bewegung des Cursors umzuwandeln und die Notwendigkeit eines speziellen Mauspads zu eliminieren. Ein oberflächenunabhängiges optisches Mausdesign mit kohärentem Licht wurde 1988 von Stephen B. Jackson bei Xerox patentiert.^[10]

Die ersten im Handel erhältlichen modernen optischen Computermäuse waren die Microsoft IntelliMouse mit IntelliEye und IntelliMouse Explorer, die 1999 mithilfe der von Hewlett-Packard entwickelten Technologie eingeführt wurden.^[11] Es funktionierte auf fast jeder Oberfläche und stellte eine willkommene Verbesserung gegenüber mechanischen Mäusen dar, die Schmutz aufnehmen, launisch verfolgen, zu rauer Handhabung einladen und häufig auseinandergenommen und gereinigt werden müssen. Andere Hersteller folgten bald dem Beispiel von Microsoft, indem sie Komponenten verwendeten, die von der HP-Ausgründung Agilent Technologies hergestellt wurden, und in den nächsten Jahren wurden mechanische Mäuse veraltet.

S5085 IC-Chip des optischen Sensors (CMOS-Sensor + Treiber)

Die Technologie, die der modernen optischen Computermaus zugrunde liegt, ist als digitale Bildkorrelation bekannt, eine Technologie, die von der Verteidigungsindustrie zur Verfolgung militärischer Ziele entwickelt wurde. In der optischen Lyoner Maus von 1980 wurde eine einfache Binärbildversion der digitalen Bildkorrelation verwendet. Optische Mäuse verwenden Bildsensoren, um natürlich vorkommende Texturen in Materialien wie Holz, Stoff, Mauspads und Formica abzubilden. Wenn diese Oberflächen von einer Leuchtdiode in einem Streifwinkel beleuchtet werden, werfen sie deutliche Schatten, die einem bei Sonnenuntergang beleuchteten hügeligen Gelände ähneln. Bilder dieser Oberflächen werden fortlaufend nacheinander aufgenommen und miteinander verglichen, um festzustellen, wie weit sich die Maus bewegt hat.

Um zu verstehen, wie der optische Fluss in optischen Mäusen verwendet wird, stellen Sie sich zwei Fotos desselben Objekts vor, die jedoch leicht voneinander versetzt sind. Legen Sie beide Fotos auf einen Leuchttisch, um sie transparent zu machen, und schieben Sie sie übereinander, bis ihre Bilder ausgerichtet sind. Der Betrag, um den die Kanten eines Fotos über das andere hinausragen, stellt den Versatz zwischen den Bildern dar und bei einer optischen Computermaus die zurückgelegte Strecke.

Optische Mäuse erfassen tausend aufeinanderfolgende Bilder oder mehr pro Sekunde. Abhängig davon, wie schnell sich die Maus bewegt, wird jedes Bild um einen Bruchteil eines Pixels oder bis zu mehreren Pixeln vom vorherigen versetzt. Optische Mäuse verarbeiten diese Bilder mathematisch unter Verwendung einer Kreuzkorrelation, um zu berechnen, um wie viel jedes aufeinanderfolgende Bild vom vorherigen versetzt ist.

Eine optische Maus könnte einen Bildsensor mit einem 18 × 18-Pixel-Array von monochromatischen Pixeln verwenden. Sein Sensor hat normalerweise denselben ASIC wie der, der zum Speichern und Verarbeiten der Bilder verwendet wird. Eine Verfeinerung würde den Korrelationsprozess beschleunigen, indem Informationen aus früheren Bewegungen verwendet werden, und eine andere Verfeinerung würde Totbänder verhindern, wenn sie sich langsam bewegen, indem Interpolation oder Frame-Skipping hinzugefügt werden.

Die Entwicklung der modernen optischen Maus bei Hewlett-Packard Co. wurde in den neunziger Jahren durch eine Reihe verwandter Projekte bei HP Laboratories unterstützt. 1992 erhielt William Holland das US-Patent 5,089,712 und John Ertel, William Holland, Kent Vincent, Rueiming Jamp und Richard Baldwin das US-Patent 5,149,980 zur Messung des linearen Papiervorschubs in einem Drucker durch Korrelieren von Bildern von Papierfasern. Ross R. Allen, David Beard, Mark T. Smith und Barclay J. Tullis erhielten die US-Patente 5,578,813 (1996) und 5,644,139 (1997) für zweidimensionale optische Navigationsprinzipien (dh Positionsmessprinzipien), die auf der Erfassung und Korrelation von Mikroskopen basieren inhärente Merkmale der Oberfläche, über die sich der Navigationssensor bewegte, und Verwenden von Positionsmessungen an jedem Ende eines linearen (Dokument-) Bildsensors, um ein Bild des Dokuments zu rekonstruieren. Dies ist das Freihand-Scan-Konzept, das im HP CapShare 920-Handscanner verwendet wird. Durch die Beschreibung eines optischen Mittels, das die Einschränkungen von Rädern, Kugeln und Rollen, die in modernen Computermäusen verwendet werden, explizit überwunden hat, wurde die optische Maus vorweggenommen. Diese Patente bildeten die Grundlage für das US-Patent 5,729,008 (1998), das Travis N. Blalock, Richard A. Baumgartner, Thomas Hornak, Mark T. Smith und Barclay J. Tullis erteilt wurde, wobei die Erfassung von Oberflächenmerkmalen, die Bildverarbeitung und die Bildkorrelation wurde durch eine integrierte Schaltung realisiert, um eine Positionsmessung zu erzeugen. Die verbesserte Präzision der optischen 2D-Navigation, die für die Anwendung der optischen Navigation zur präzisen 2D-Messung des Fortschritts von Medien (Papier) in HP DesignJet-Großformatdruckern erforderlich ist, wurde im US-Patent 6,195,475, das 2001 an Raymond G. Beausoleil, Jr., erteilt wurde, weiter verfeinert Ross R. Allen.

Während die Rekonstruktion des Bildes in der Dokumentenscananwendung (Allen et al.) Eine Auflösung durch die optischen Navigatoren in der Größenordnung von 1/600 Zoll erforderte, profitiert die Implementierung der optischen Positionsmessung in Computermäusen nicht nur von den damit verbundenen Kostenreduzierungen beim Navigieren mit niedrigerer Auflösung, genießen aber auch den Vorteil der visuellen Rückmeldung an den Benutzer der Cursorposition auf dem Computerbildschirm. Im Jahr 2002 erhielten Gary Gordon, Derek Knee, Rajeev Badyal und Jason Hartlove das US-Patent 6,433,780^[12] für eine optische Computermaus, die die Position unter Verwendung der Bildkorrelation gemessen hat. Einige kleine Trackpads funktionieren wie eine optische Maus.

Lichtquelle[edit]

LED-Mäuse[edit]

Die blaue LED-basierte V-Mouse VM-101

Optische Mäuse verwendeten häufig Leuchtdioden (LEDs) zur Beleuchtung, wenn sie zum ersten Mal populär wurden. Die Farbe der LEDs der optischen Maus kann variieren, am häufigsten ist jedoch Rot, da rote Dioden kostengünstig und Silizium-Fotodetektoren sehr empfindlich gegenüber rotem Licht sind. IR-LEDs sind ebenfalls weit verbreitet.^[13] Manchmal werden auch andere Farben verwendet, z. B. die rechts abgebildete blaue LED der V-Mouse VM-101.

Lasermäuse[edit]

Obwohl für das bloße Auge unsichtbar, wird das von dieser Lasermaus erzeugte Licht als Farbe Lila erfasst, da CCDs für einen breiteren Lichtwellenlängenbereich als das menschliche Auge empfindlich sind.

Die Lasermaus verwendet eine Infrarot-Laserdiode anstelle einer LED, um die Oberfläche unter ihrem Sensor zu beleuchten. Bereits 1998 lieferte Sun Microsystems eine Lasermaus mit ihren Sun SPARCstation-Servern und Workstations.^[14]

Lasermäuse traten jedoch erst 2004 in den Mainstream-Verbrauchermarkt ein, nachdem ein Team von Agilent Laboratories, Palo Alto, unter der Leitung von Doug Baney eine laserbasierte Maus auf Basis eines 850-nm-VCSEL (Lasers) entwickelt hatte, die eine 20-fache Verbesserung bot bei der Verfolgung der Leistung. Tong Xie, Marshall T. Depue und Douglas M. Baney erhielten die US-Patente 7.116.427 und 7.321.359 für ihre Arbeit an VCSEL-basierten Verbrauchermäusen mit geringem Stromverbrauch und breiter Navigierbarkeit. Paul Machin von Logitech stellte in Zusammenarbeit mit Agilent Technologies die neue Technologie als MX 1000 Lasermaus. Diese Maus verwendet einen kleinen Infrarotlaser (VCSEL) anstelle einer LED und hat die Auflösung des von der Maus aufgenommenen Bildes erheblich erhöht. Die Laserbeleuchtung ermöglicht im Vergleich zu optisch beleuchteten Mäusen mit LED-Beleuchtung eine überlegene Oberflächenverfolgung.^[15]

Glaslaser (oder glaser) Mäuse haben die gleiche Fähigkeit wie eine Lasermaus, arbeiten jedoch auf Spiegel- oder transparenten Glasoberflächen weitaus besser als andere optische Mäuse auf diesen Oberflächen.^[16][17] Im Jahr 2008 führte Avago Technologies Lasernavigationssensoren ein, deren Emitter mithilfe der VCSEL-Technologie in den IC integriert wurde.^[18]

Im August 2009 führte Logitech Mäuse mit zwei Lasern ein, um Glas und glänzende Oberflächen besser verfolgen zu können. Sie nannten sie einen “Dunkelfeld” -Lasersensor.^[19]

Hersteller entwickeln häufig ihre optischen Mäuse – insbesondere batteriebetriebene Funkmodelle -, um nach Möglichkeit Strom zu sparen. Dazu dimmt oder blinkt die Maus im Standby-Modus den Laser oder die LED (jede Maus hat eine andere Standby-Zeit). Eine typische Implementierung (von Logitech) hat vier Leistungszustände, in denen der Sensor mit unterschiedlichen Raten pro Sekunde gepulst wird:^{[citation needed]}

• 11500: Voll eingeschaltet, für eine genaue Reaktion während der Bewegung erscheint die Beleuchtung hell.
• 1100: aktiver Fallback-Zustand, während er sich nicht bewegt, die Beleuchtung erscheint matt.
• 110: Standby
• 12: Schlafzustand

In jedem dieser Zustände kann eine Bewegung festgestellt werden. Einige Mäuse schalten den Sensor im Schlafzustand vollständig aus und benötigen zum Aufwecken einen Knopfdruck.^[20]

Optische Mäuse, die Infrarotelemente (LEDs oder Laser) verwenden, bieten eine erhebliche Verlängerung der Batterielebensdauer gegenüber der Beleuchtung mit sichtbarem Spektrum. Einige Mäuse, wie die Logitech V450 848 nm Lasermaus, können aufgrund des geringen Strombedarfs des Infrarotlasers ein ganzes Jahr lang mit zwei AA-Batterien betrieben werden.^{[clarification needed]}

Mäuse, die für Anwendungen entwickelt wurden, bei denen eine geringe Latenz und eine hohe Reaktionsfähigkeit wichtig sind, z. B. beim Spielen von Videospielen, können Energiesparfunktionen auslassen und erfordern eine Kabelverbindung, um die Leistung zu verbessern. Beispiele für Mäuse, die Energieeinsparungen zugunsten der Leistung opfern, sind der Logitech G5 und der Razer Copperhead.

Optische versus mechanische Mäuse[edit]

Die optische Logitech iFeel-Maus verwendet eine rote LED, um Licht auf die Tracking-Oberfläche zu projizieren.

Im Gegensatz zu mechanischen Mäusen, deren Verfolgungsmechanismen durch Flusen verstopft werden können, haben optische Mäuse keine beweglichen Teile (außer Knöpfen und Scrollrädern). Daher müssen sie nur gewartet werden, um Schmutz zu entfernen, der sich unter dem Lichtsender ansammeln könnte. Im Allgemeinen können sie jedoch nicht auf glänzenden und transparenten Oberflächen, einschließlich einiger Mauspads, verfolgen, was dazu führt, dass der Cursor während des Betriebs unvorhersehbar driftet. Mäuse mit weniger Bildverarbeitungsleistung haben auch Probleme, schnelle Bewegungen zu verfolgen, während einige hochwertige Mäuse schneller als 2 m / s verfolgen können.

Einige Modelle von Lasermäusen können auf glänzenden und transparenten Oberflächen verfolgen und weisen eine viel höhere Empfindlichkeit auf.

Stand 2006^[update] mechanische Mäuse hatten einen geringeren durchschnittlichen Leistungsbedarf als ihre optischen Gegenstücke; Die von Mäusen verbrauchte Leistung ist relativ gering und nur dann von Bedeutung, wenn die Leistung aus Batterien mit ihrer begrenzten Kapazität stammt.

Optische Modelle übertreffen mechanische Mäuse auf unebenen, glatten, weichen, klebrigen oder losen Oberflächen und im Allgemeinen in mobilen Situationen ohne Mauspads. Da optische Mäuse Bewegungen basierend auf einem Bild rendern, das von der LED (oder Infrarotdiode) beleuchtet wird, kann die Verwendung mit mehrfarbigen Mauspads zu einer unzuverlässigen Leistung führen. Lasermäuse leiden jedoch nicht unter diesen Problemen und verfolgen solche Oberflächen.

Verweise[edit]