Specklemuster

Lasermäuse und andere Nager

Im ersten Teil unseres Maus-Artikels erfahren Sie, wie klassische optische Mäuse funktionieren.

Lasermäuse

Einige aktuelle optische Mäuse nutzen wieder LEDs und Sensoren im Infrarotbereich statt im sichtbaren Licht. Das verbessert zwar die Erkennung der Unterlage nur unwesentlich, spart allerdings ein wenig an Energie. Eine tatsächliche Verbesserung bieten erst die Lasermäuse, weil sie auch auf den mehrfach genannten glatten, strukturlosen Oberflächen funktionieren. Dabei liegt die optische Auflösung von Lasermäusen nicht notwendigerweise höher als die ihrer LED-Kollegen. Doch sie verwenden als Lichtquelle einen schwachen Infrarot-Laser und können sich den so genannten „Speckle-Effekt“ zunutze machen. Der Laserstrahl muss dafür nicht fokussiert sein – das vermeidet zum einen Gesundheitsschäden bei den Nutzern, etwa wenn sie genau in die Lichtquelle blicken, bringt zum anderen günstigere Laserdioden mit niedrigerer Fertigungstoleranz zum Einsatz.

Die ersten Prototypen der Lasermäuse entstanden bereits 1998, die erste marktfähige Variante wurde 2004 präsentiert. Diese bot eine Auflösung von 800 dpi und eine Bildverarbeitungsrate von 5,8 Megapixeln pro Sekunde. Lasermäuse benötigen keine Musterstruktur in ihrer Unterlage, weil sie dieses Muster durch Interferenz der zurückgeworfenen Lichtwellen selbst erzeugen. Voraussetzung ist, dass die Oberfläche winzige Unebenheiten aufweist, die größer sind als die Laserlicht-Wellenlänge. Das ist im allgemeinen auch bei hochpolierten und transparenten Oberflächen der Fall.

Fleck-Effekt

Lasermäuse erzeugen in Wechselwirkung mit ihrer Unterlage ein Fleckenmuster (englisch speck oder speckle = Sprenkel, Tupfen). Es braucht die kohärenten Lichtwellen einer Laserquelle, um in der Reflexion an einer Oberfläche analysierbare Beugungsmuster zu erhalten. Jede Unebenheit der Oberfläche sorgt dafür, dass einzelne Wellen in andere Richtungen reflektiert werden als ihre Nachbarn. Dadurch kommt es zu Überlagerung, Verstärkung und Auslöschung. Ein eindeutiges Interferenzmuster eines Bereichs entsteht, wenn die Unebenheiten größer sind als die Wellenlänge des Laserlichts - bei den Computermäusen sind dies etwa 832-864 Nanometer. Selbst Lack, Glas oder poliertes Metall weist in diesem Größenmaßstab meist eine Rauigkeit auf und verändert so das Specklemuster.

Die reflektierten Laserstrahlen fallen direkt auf den Bildsensor, eine Linse entfällt bei Lasermäusen. Wie bei ihren herkömmlichen Kollegen aber nehmen die Sensoren schnelle Bildfolgen der Oberflächeninformation auf und sind in der Lage, aus der seitlichen Verschiebung der Fleckmuster die gewünschten Informationen für die Berechnung des optischen Flusses zu liefern. Da die Laserdioden mit gepulstem Licht arbeiten, benötigen sie weniger Energie als die permanent intensiv leuchtenden LEDs. Dies wird bei kabellos arbeitenden Mäusen zum Vorteil, da ihre Batterien dann länger halten.

Weitere Varianten

Eine neue Technik namens „Blue Track“ soll die Vorteile von Licht- und Lasermäusen vereinen und auf sehr glatten ebenso wie auf sehr rauen Oberflächen wie Teppich oder Holz funktionieren. Laut Hersteller Microsoft soll die Kombination von blauem sichtbarem Licht, einer Spiegeloptik samt Weitwinkellinse und einem neu entwickelten Bildsensor samt „proprietärer Pixelgeometrie“ einen hohen Bildkontrast und eine bisher unerreichte Genauigkeit bringen. Klar ist, dass die Methode mit einem größeren Strahldurchmesser als die Lasermäuse arbeitet und der CMOS-Sensor 1000 bis 4000 dpi auflöst. Ob die (im Detail nicht beschriebene) Spiegeltechnik allerdings dem Speckleeffekt nahekommen kann, muss sich noch zeigen. Auf Teppichen, Sofabezug oder Holz arbeiten allerdings auch schon die meisten herkömmlichen LED-Mäuse gut.

Andere „Maus-Ähnliche“ funktionieren mithilfe eines Beschleunigungssensors, die eine Bewegung nicht nur in zwei Dimensionen, sondern dank dreier Achsen auch im reellen Raum wahrnehmen können. Solche Zeigeinstrumente sind also nicht mehr auf eine Oberfläche beschränkt, sondern melden eine Beschleunigung – und damit auch die relative Bewegung – in drei Dimensionen. Wohl bekanntestes Beispiel ist die Sensoreinheit des Wii-Controllers von Nintendo, der seine räumliche Absolutposition zusätzlich mit einer integrierten Infrarotkamera und zweier Infrarot-Lichtpunkte im Zimmer ermittelt.