Berührungsempfindlicher Bildschirm - Touchscreen

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Ein Touchscreen oder Touchscreen ist die Zusammenstellung eines Eingabe- ('Touchpanel') und eines Ausgabegeräts ('Display'). Das Touchpanel ist normalerweise auf einer elektronischen visuellen Anzeige eines Informationsverarbeitungssystems angeordnet . Das Display ist häufig ein LCD- oder OLED- Display, während das System normalerweise ein Laptop, Tablet oder Smartphone ist. Ein Benutzer kann das Informationsverarbeitungssystem durch einfache oder Multi-Touch- Gesten eingeben oder steuern, indem er den Bildschirm mit einem speziellen Stift oder einem oder mehreren Fingern berührt . Einige Touchscreens verwenden normale oder speziell beschichtete Handschuhe, während andere möglicherweise nur mit einem speziellen Stift oder Stift arbeiten. Der Benutzer kann über den Touchscreen auf die Anzeige reagieren und, sofern die Software dies zulässt, steuern, wie die Anzeige angezeigt wird. Zum Beispiel Zoomen , um die Textgröße zu erhöhen.

Der Touchscreen ermöglicht es dem Benutzer, direkt mit dem Angezeigten zu interagieren, anstatt eine Maus , ein Touchpad oder andere derartige Geräte (außer einem Stift, der für die meisten modernen Touchscreens optional ist) zu verwenden.

Touchscreens sind in Geräten wie Spielekonsolen , PCs , elektronischen Abstimmungsgeräten und POS-Systemen ( Point-of-Sale ) üblich. Sie können auch an Computer oder als Terminals an Netzwerke angeschlossen werden. Sie spielen eine herausragende Rolle bei der Gestaltung digitaler Geräte wie persönlicher digitaler Assistenten (PDAs) und einiger E-Reader . Touchscreens sind auch in Bildungseinrichtungen wie Klassenzimmern oder auf dem College-Campus wichtig.

Die Popularität von Smartphones, Tablets und vielen Arten von Informationsgeräten treibt die Nachfrage und Akzeptanz gängiger Touchscreens für tragbare und funktionale Elektronik an. Touchscreens sind im medizinischen Bereich, in der Schwerindustrie , an Geldautomaten (ATMs) und an Kiosken wie Museumsdisplays oder Raumautomatisierung zu finden , wo Tastatur- und Maussysteme keine entsprechend intuitive, schnelle oder genaue Interaktion des Benutzers mit dem ermöglichen Inhalt der Anzeige.

In der Vergangenheit wurden der Touchscreen-Sensor und die zugehörige Controller-basierte Firmware von einer Vielzahl von Systemintegratoren nach dem Inverkehrbringen und nicht von Herstellern von Displays, Chips oder Motherboards zur Verfügung gestellt . Displayhersteller und Chiphersteller haben den Trend zur Akzeptanz von Touchscreens als Benutzeroberflächenkomponente erkannt und begonnen, Touchscreens in das grundlegende Design ihrer Produkte zu integrieren.

Geschichte

Der Prototyp des xy-Touchscreens mit gegenseitiger Kapazität (links) wurde 1977 am CERN von Frank Beck , einem britischen Elektronikingenieur, für den Kontrollraum des CERN-Beschleunigers SPS ( Super Proton Synchrotron ) entwickelt. Dies war eine Weiterentwicklung des Selbstkapazitätsschirms (rechts), der ebenfalls 1972 von Stumpe am CERN entwickelt wurde.

Eric Johnson vom Royal Radar Establishment in Malvern , England, beschrieb seine Arbeit an kapazitiven Touchscreens in einem kurzen Artikel, der 1965 veröffentlicht wurde, und dann ausführlicher - mit Fotos und Diagrammen - in einem Artikel, der 1967 veröffentlicht wurde. Die Anwendung der Touch-Technologie für die Luftverkehrskontrolle wurde in einem Artikel veröffentlicht im Jahre 1968 beschrieben Frank Beck und Bent Stumpe , Ingenieure von CERN (Europäische Organisation für Kernforschung), entwickelt einen transparenten Touchscreen in den frühen 1970er Jahren, basierend auf Stumpe Arbeit in einem Fernseh Fabrik in den frühen 1960er Jahre. Dann wurde es vom CERN und kurz darauf von Industriepartnern hergestellt und 1973 in Betrieb genommen. 1977 begann ein amerikanisches Unternehmen, Elographics, in Zusammenarbeit mit Siemens mit der Entwicklung einer transparenten Implementierung einer bestehenden undurchsichtigen Touchpad-Technologie, einem US-Patent Nr.  3,911,215, 7. Oktober 1975, entwickelt von Elographics 'Gründer George Samuel Hurst . Der resultierende Touchscreen mit resistiver Technologie wurde erstmals 1982 gezeigt.

1972 meldete eine Gruppe an der Universität von Illinois ein Patent für einen optischen Touchscreen an, der zum Standardbestandteil des Magnavox Plato IV Student Terminal wurde, und Tausende wurden zu diesem Zweck gebaut. Diese Touchscreens hatten eine gekreuzte Anordnung von 16 × 16- Infrarot- Positionssensoren, die jeweils aus einer LED an einer Kante des Bildschirms und einem passenden Fototransistor an der anderen Kante zusammengesetzt waren und alle vor einer monochromen Plasmaanzeige montiert waren . Diese Anordnung könnte jedes undurchsichtige Objekt in Fingerspitzengröße in unmittelbarer Nähe des Bildschirms erfassen. Ein ähnlicher Touchscreen wurde ab 1983 beim HP-150 verwendet . Der HP 150 war einer der frühesten kommerziellen Touchscreen-Computer der Welt. HP montierte ihren Infrarot - Sender und Empfänger um die Blende von einer 9-Zoll - Sony Kathodenstrahlröhre (CRT).

Im Jahr 1984 veröffentlichte Fujitsu ein Touchpad für das Micro 16 , um der Komplexität der Kanji- Zeichen Rechnung zu tragen , die als gekachelte Grafiken gespeichert wurden . 1985 veröffentlichte Sega das Terebi Oekaki, auch als Sega Graphic Board bekannt, für die SG-1000- Videospielkonsole und den SC-3000 -Heimcomputer . Es bestand aus einem Plastikstift und einer Plastikplatte mit einem transparenten Fenster, in dem Stiftpressen erkannt wurden. Es wurde hauptsächlich mit einer Zeichensoftware verwendet. 1986 wurde ein grafisches Touch-Tablet für den Sega AI-Computer veröffentlicht.

Berührungsempfindliche Steuerungseinheiten (CDUs) wurden Anfang der 1980er Jahre für Flugdecks von Verkehrsflugzeugen evaluiert. Erste Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Touch-Oberfläche die Arbeitsbelastung des Piloten verringern würde, da die Besatzung dann Wegpunkte, Funktionen und Aktionen auswählen könnte, anstatt mit dem Kopf nach unten Breiten-, Längen- und Wegpunktcodes auf einer Tastatur einzugeben. Eine effektive Integration dieser Technologie sollte den Flugbesatzungen helfen, ein hohes Maß an Situationsbewusstsein für alle wichtigen Aspekte des Fahrzeugbetriebs aufrechtzuerhalten, einschließlich der Flugbahn, der Funktionsweise verschiedener Flugzeugsysteme und der menschlichen Interaktionen von Moment zu Moment.

In den frühen 1980er Jahren beauftragte General Motors seine Delco Electronics- Abteilung mit einem Projekt, das darauf abzielte, die nicht wesentlichen Funktionen eines Automobils (dh außer Gas , Getriebe , Bremsen und Lenkung ) durch mechanische oder elektromechanische Systeme durch Festkörperalternativen zu ersetzen, wo immer dies möglich war . Das fertige Gerät wurde als ECC für "Electronic Control Center" bezeichnet, ein digitales Computer- und Softwaresteuerungssystem , das mit verschiedenen peripheren Sensoren , Servos , Magneten , Antennen und einem monochromen CRT-Touchscreen fest verdrahtet ist und sowohl als Anzeige als auch als einzige Eingabemethode fungierte. Das ECC ersetzte die herkömmlichen Steuerungen und Anzeigen für Stereoanlagen , Lüfter, Heizungen und Klimaanlagen und war in der Lage, in Echtzeit sehr detaillierte und spezifische Informationen über den kumulierten und aktuellen Betriebsstatus des Fahrzeugs bereitzustellen . Das ECC war Standardausrüstung an der Buick Riviera von 1985 bis 1989 und später an der Buick Reatta von 1988 bis 1989, war jedoch bei den Verbrauchern unbeliebt - teilweise aufgrund der Technophobie einiger traditioneller Buick- Kunden, aber hauptsächlich aufgrund kostspieliger technischer Probleme, unter denen der Touchscreen des ECC litt Dies würde eine Klimatisierung oder einen Stereobetrieb unmöglich machen.

Die Multi-Touch- Technologie begann 1982, als die Input Research Group der Universität von Toronto das erste Multi-Touch-System für die Eingabe von Menschen entwickelte, bei dem eine Milchglasscheibe mit einer Kamera hinter dem Glas verwendet wurde. 1985 entwickelte die Gruppe der Universität von Toronto, zu der auch Bill Buxton gehörte, ein Multitouch-Tablet, das Kapazitäten anstelle sperriger kamerabasierter optischer Erfassungssysteme verwendete (siehe Geschichte der Multitouch ).

Der erste kommerziell erhältliche graphische Point-of-Sale (PO) -Software wurde auf den 16-Bit - demonstriert Atari 520ST Farbcomputern. Es verfügte über eine farbige Touchscreen-Widget-gesteuerte Oberfläche. Die ViewTouch POS-Software wurde erstmals 1986 von ihrem Entwickler Gene Mosher auf dem Atari Computer-Demonstrationsbereich der COMDEX- Herbstausstellung gezeigt .

1987 brachte Casio den Taschencomputer Casio PB-1000 mit einem Touchscreen auf den Markt, der aus einer 4 × 4-Matrix besteht, was zu 16 Berührungsbereichen auf seinem kleinen LCD-Grafikbildschirm führte.

Touchscreens hatten den schlechten Ruf, bis 1988 ungenau zu sein. In den meisten Büchern zur Benutzeroberfläche wurde angegeben, dass die Auswahl an Touchscreens auf Ziele beschränkt war, die größer als der durchschnittliche Finger waren. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Auswahl so getroffen, dass ein Ziel ausgewählt wurde, sobald der Finger darüber kam, und die entsprechende Aktion sofort ausgeführt wurde. Fehler waren aufgrund von Parallaxen- oder Kalibrierungsproblemen häufig und führten zu Frustration des Benutzers. Die " Abhebestrategie " wurde von Forschern des Human-Computer Interaction Lab (HCIL) der University of Maryland eingeführt. Wenn Benutzer den Bildschirm berühren, wird eine Rückmeldung darüber gegeben, was ausgewählt wird: Benutzer können die Position des Fingers anpassen, und die Aktion wird nur ausgeführt, wenn der Finger vom Bildschirm abgehoben wird. Dies ermöglichte die Auswahl kleiner Ziele bis zu einem einzelnen Pixel auf einem 640 × 480 Video Graphics Array (VGA) -Bildschirm (ein Standard dieser Zeit).

Sears et al. (1990) gaben einen Überblick über die akademische Forschung zur Interaktion zwischen Mensch und Computer mit Einzel- und Mehrfachberührung , beschrieben Gesten wie das Drehen von Knöpfen, das Einstellen von Schiebereglern und das Wischen des Bildschirms, um einen Schalter (oder eine U-förmige Geste für a) zu aktivieren Kippschalter). Das HCIL-Team entwickelte und untersuchte kleine Touchscreen-Tastaturen (einschließlich einer Studie, in der gezeigt wurde, dass Benutzer mit 25 wpm auf einer Touchscreen-Tastatur tippen können ), um die Einführung auf Mobilgeräten zu erleichtern . Sie entwarfen und implementierten auch Multitouch-Gesten wie das Auswählen eines Linienbereichs, das Verbinden von Objekten und eine "Tap-Click" -Geste, die ausgewählt werden kann, während die Position mit einem anderen Finger beibehalten wird.

Im Jahr 1990 demonstrierte HCIL einen Touchscreen Slider, der später als Stand der Technik in dem zitierten wurde Lock Screen Patentstreit zwischen Apple und anderem Touchscreen - Handy - Anbieter (in Bezug auf dem US - Patent 7.657.849 ).

In den Jahren 1991–1992 implementierte der Sun Star7-Prototyp- PDA einen Touchscreen mit Trägheitslauf . 1993 veröffentlichte IBM mit dem IBM Simon das erste Touchscreen-Telefon.

Ein früher Versuch einer Handheld-Spielekonsole mit Touchscreen- Steuerung war Segas beabsichtigter Nachfolger des Game Gear , obwohl das Gerät aufgrund der teuren Kosten für die Touchscreen-Technologie Anfang der neunziger Jahre endgültig eingestellt und nie veröffentlicht wurde.

Das erste Mobiltelefon mit einem kapazitiven Touchscreen war LG Prada, das im Mai 2007 (vor dem ersten iPhone ) veröffentlicht wurde.

Touchscreens wurden bis zur Veröffentlichung des Nintendo DS im Jahr 2004 nicht häufig für Videospiele verwendet . Bis vor kurzem konnten die meisten Consumer-Touchscreens jeweils nur einen Kontaktpunkt erfassen, und nur wenige konnten erkennen, wie stark man berührt. Dies hat sich mit der Kommerzialisierung der Multi-Touch-Technologie und der Veröffentlichung der Apple Watch mit einem kraftempfindlichen Display im April 2015 geändert .

Im Jahr 2007 waren 93% der ausgelieferten Touchscreens resistiv und nur 4% hatten eine projizierte Kapazität. Im Jahr 2013 waren 3% der ausgelieferten Touchscreens resistiv und 90% hatten eine projizierte Kapazität.

Technologien

Es gibt eine Vielzahl von Touchscreen-Technologien mit unterschiedlichen Berührungserfassungsmethoden.

Resistiv

Ein resistives Touchscreen-Panel besteht aus mehreren dünnen Schichten, von denen die wichtigsten zwei transparente elektrisch resistive Schichten sind, die sich mit einem dünnen Spalt dazwischen gegenüberliegen. Die oberste Schicht (die, die berührt wird) hat eine Beschichtung auf der Unterseite; Unmittelbar darunter befindet sich eine ähnliche Widerstandsschicht auf dem Substrat. Eine Schicht hat entlang ihrer Seiten leitende Verbindungen, die andere oben und unten. Eine Spannung wird an eine Schicht angelegt und von der anderen erfasst. Wenn ein Objekt wie eine Fingerspitze oder eine Stiftspitze auf die Außenfläche drückt, berühren sich die beiden Schichten, um an diesem Punkt verbunden zu werden. Das Panel verhält sich dann wie ein Paar Spannungsteiler , jeweils eine Achse nach der anderen. Durch schnelles Umschalten zwischen den einzelnen Schichten kann die Druckposition auf dem Bildschirm erfasst werden.

Resistive Berührungen werden in Restaurants, Fabriken und Krankenhäusern aufgrund ihrer hohen Toleranz gegenüber Flüssigkeiten und Verunreinigungen verwendet. Ein Hauptvorteil der Resistive-Touch-Technologie sind ihre geringen Kosten. Da nur ein ausreichender Druck erforderlich ist, um die Berührung zu erfassen, können sie außerdem mit Handschuhen oder unter Verwendung von Starrem als Fingerersatz verwendet werden. Zu den Nachteilen zählen das Herunterdrücken und die Gefahr der Beschädigung durch scharfe Gegenstände. Resistive Touchscreens leiden auch unter einem schlechteren Kontrast, da zusätzliche Reflexionen (dh Blendung) von den über dem Bildschirm angeordneten Materialschichten auftreten. Dies ist die Art von Touchscreen, die von Nintendo in der DS-Familie , der 3DS-Familie und dem Wii U GamePad verwendet wurde .

Oberflächenschallwelle

Die SAW-Technologie (Surface Acoustic Wave) verwendet Ultraschallwellen , die über das Touchscreen-Panel übertragen werden. Wenn das Panel berührt wird, wird ein Teil der Welle absorbiert. Die Änderung der Ultraschallwellen wird von der Steuerung verarbeitet , um die Position des Berührungsereignisses zu bestimmen. Oberflächen-Touchscreen-Panels mit Schallwellen können durch äußere Elemente beschädigt werden. Verunreinigungen auf der Oberfläche können auch die Funktionalität des Touchscreens beeinträchtigen.

Kapazitiv

Kapazitiver Touchscreen eines Mobiltelefons
Die kapazitive Berührungssensoruhr Casio TC500 aus dem Jahr 1983 mit abgewinkeltem Licht, das die Berührungssensorpads und -spuren freilegt, die auf die obere Oberfläche des Uhrglases geätzt sind.

Ein kapazitives Touchscreen-Panel besteht aus einem Isolator wie Glas , der mit einem transparenten Leiter wie Indiumzinnoxid (ITO) beschichtet ist . Da der menschliche Körper auch ein elektrischer Leiter ist, führt das Berühren der Oberfläche des Bildschirms zu einer Verzerrung des elektrostatischen Feldes des Bildschirms , die als Änderung der Kapazität gemessen werden kann . Verschiedene Technologien können verwendet werden, um den Ort der Berührung zu bestimmen. Der Standort wird dann zur Verarbeitung an die Steuerung gesendet. Es gibt Touchscreens, die Silber anstelle von ITO verwenden, da ITO aufgrund der Verwendung von Indium mehrere Umweltprobleme verursacht. Die Steuerung ist typischerweise ein komplementärer anwendungsspezifischer Metalloxid-Halbleiter- (CMOS-) Chip (ASIC), der wiederum die Signale zur Verarbeitung an einen digitalen CMOS- Signalprozessor (DSP) sendet .

Im Gegensatz zu einem resistiven Touchscreen können einige kapazitive Touchscreens nicht zum Erkennen eines Fingers durch elektrisch isolierendes Material wie Handschuhe verwendet werden. Dieser Nachteil wirkt sich insbesondere auf die Benutzerfreundlichkeit in der Unterhaltungselektronik aus, wie z. B. Touch-Tablet-PCs und kapazitive Smartphones bei kaltem Wetter, wenn Personen möglicherweise Handschuhe tragen. Es kann mit einem speziellen kapazitiven Stift oder einem speziellen Anwendungshandschuh mit einem gestickten Stück leitenden Fadens überwunden werden, der einen elektrischen Kontakt mit der Fingerspitze des Benutzers ermöglicht.

Ein Schaltnetzteil mit geringer Qualität und einer entsprechend instabilen, verrauschten Spannung kann vorübergehend die Präzision, Genauigkeit und Empfindlichkeit kapazitiver Touchscreens beeinträchtigen.

Einige Hersteller kapazitiver Displays entwickeln weiterhin dünnere und genauere Touchscreens. Diejenigen für mobile Geräte werden jetzt mit "In-Cell" -Technologie hergestellt, wie beispielsweise in den Super AMOLED- Bildschirmen von Samsung , die eine Schicht eliminieren, indem die Kondensatoren im Display selbst aufgebaut werden. Diese Art von Touchscreen verringert den sichtbaren Abstand zwischen dem Finger des Benutzers und dem, was der Benutzer auf dem Bildschirm berührt, und verringert die Dicke und das Gewicht des Displays, was bei Smartphones wünschenswert ist .

Ein einfacher Parallelplattenkondensator hat zwei Leiter, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Der größte Teil der Energie in diesem System wird direkt zwischen den Platten konzentriert. Ein Teil der Energie gelangt in den Bereich außerhalb der Platten, und die mit diesem Effekt verbundenen elektrischen Feldlinien werden als Randfelder bezeichnet. Ein Teil der Herausforderung bei der Herstellung eines praktischen kapazitiven Sensors besteht darin, einen Satz gedruckter Schaltungsspuren zu entwerfen, die Randfelder in einen aktiven Erfassungsbereich lenken, der für einen Benutzer zugänglich ist. Ein Parallelplattenkondensator ist für ein solches Sensormuster keine gute Wahl. Wenn Sie einen Finger in der Nähe von elektrischen Randfeldern platzieren, wird dem kapazitiven System eine leitende Oberfläche hinzugefügt. Die zusätzliche Ladungsspeicherkapazität, die durch den Finger hinzugefügt wird, wird als Fingerkapazität oder CF bezeichnet. Die Kapazität des Sensors ohne Finger ist als parasitäre Kapazität oder CP bekannt.

Oberflächenkapazität

Bei dieser Basistechnologie ist nur eine Seite des Isolators mit einer leitenden Schicht beschichtet. Eine kleine Spannung wird an die Schicht angelegt, was zu einem gleichmäßigen elektrostatischen Feld führt. Wenn ein Leiter wie ein menschlicher Finger die unbeschichtete Oberfläche berührt, wird dynamisch ein Kondensator gebildet. Die Steuerung des Sensors kann den Ort der Berührung indirekt aus der Änderung der Kapazität bestimmen, die an den vier Ecken des Panels gemessen wird. Da es keine beweglichen Teile enthält, ist es mäßig haltbar, hat jedoch eine begrenzte Auflösung, ist anfällig für falsche Signale von parasitären kapazitiven Kopplungen und muss während der Herstellung kalibriert werden. Es wird daher am häufigsten in einfachen Anwendungen wie Industriesteuerungen und Kiosken verwendet .

Obwohl einige Standard-Kapazitätserfassungsverfahren in dem Sinne projektiv sind, dass sie verwendet werden können, um einen Finger durch eine nicht leitende Oberfläche zu erfassen, sind sie sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, die die Erfassungsplatten ausdehnen oder zusammenziehen und Kapazitätsschwankungen verursachen dieser Platten. Diese Schwankungen führen zu starken Hintergrundgeräuschen, sodass für eine genaue Erkennung ein starkes Fingersignal erforderlich ist. Dies beschränkt Anwendungen auf solche, bei denen der Finger das Sensorelement direkt berührt oder durch eine relativ dünne nicht leitende Oberfläche erfasst wird.

Projizierte Kapazität

Rückseite eines Multitouch-Globus, basierend auf der PCT-Technologie (Projected Capacitive Touch)
8 x 8 Touchscreen mit projizierter Kapazität, hergestellt aus einem isolierten, mit 25 Mikron beschichteten Kupferdraht, eingebettet in eine klare Polyesterfolie.
Dieses Diagramm zeigt, wie acht Eingaben in einen Gitter-Touchscreen oder eine Tastatur 28 eindeutige Schnittpunkte erzeugen, im Gegensatz zu 16 Schnittpunkten, die mit einem standardmäßigen x / y-Multiplex-Touchscreen erstellt wurden.
Schema des projizierten kapazitiven Touchscreens

Die projizierte kapazitive Berührungstechnologie (PCT; auch PCAP) ist eine Variante der kapazitiven Berührungstechnologie, bei der jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Berührung, Genauigkeit, Auflösung und Berührungsgeschwindigkeit durch die Verwendung einer einfachen Form der "künstlichen Intelligenz" erheblich verbessert wurden. Diese intelligente Verarbeitung ermöglicht die präzise und zuverlässige Projektion der Fingersensoren durch sehr dickes Glas und sogar Doppelverglasung.

Einige moderne PCT-Touchscreens bestehen aus Tausenden von diskreten Tasten, aber die meisten PCT-Touchscreens bestehen aus einer x / y-Matrix aus Zeilen und Spalten aus leitendem Material, die auf Glasscheiben geschichtet sind. Dies kann entweder durch Ätzen einer einzelnen leitenden Schicht zur Bildung eines Gittermusters von Elektroden , durch Ätzen von zwei getrennten senkrechten Schichten aus leitendem Material mit parallelen Linien oder Spuren zur Bildung eines Gitters oder durch Bildung eines x / y-Gitters aus feinem Material erfolgen. isolationsbeschichtete Drähte in einer einzigen Schicht. Die Anzahl der Finger, die gleichzeitig erkannt werden können, wird durch die Anzahl der Überkreuzungspunkte (x * y) bestimmt. Die Anzahl der Überkreuzungspunkte kann jedoch durch Verwendung eines diagonalen Gitterlayouts nahezu verdoppelt werden, wobei anstelle von x Elementen, die immer nur y Elemente kreuzen, jedes leitende Element jedes andere Element kreuzt.

Die leitende Schicht ist häufig transparent und besteht aus Indiumzinnoxid (ITO), einem transparenten elektrischen Leiter. Bei einigen Konstruktionen erzeugt die an dieses Gitter angelegte Spannung ein gleichmäßiges elektrostatisches Feld, das gemessen werden kann. Wenn ein leitfähiges Objekt wie ein Finger mit einem PCT-Panel in Kontakt kommt, verzerrt es an diesem Punkt das lokale elektrostatische Feld. Dies ist als Kapazitätsänderung messbar. Wenn ein Finger die Lücke zwischen zwei der "Spuren" überbrückt, wird das Ladungsfeld weiter unterbrochen und von der Steuerung erkannt. Die Kapazität kann an jedem einzelnen Punkt des Netzes geändert und gemessen werden. Dieses System kann Berührungen genau verfolgen.

Da die oberste Schicht eines PCT aus Glas besteht, ist es robuster als die kostengünstigere resistive Touch-Technologie. Im Gegensatz zur herkömmlichen kapazitiven Touch-Technologie kann ein PCT-System einen passiven Stift oder einen behandschuhten Finger erkennen. Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Platte, hohe Luftfeuchtigkeit oder angesammelter Staub können jedoch die Leistung beeinträchtigen. Diese Umgebungsfaktoren sind jedoch bei Touchscreens auf der Basis von "feinem Draht" kein Problem, da Touchscreens auf Drahtbasis eine viel geringere "parasitäre" Kapazität aufweisen und ein größerer Abstand zwischen benachbarten Leitern besteht.

Es gibt zwei Arten von PCT: gegenseitige Kapazität und Eigenkapazität.

Gegenseitige Kapazität

Dies ist ein gängiger PCT-Ansatz, bei dem die Tatsache genutzt wird, dass die meisten leitfähigen Objekte eine Ladung halten können, wenn sie sehr nahe beieinander liegen. Bei gegenseitigen kapazitiven Sensoren wird ein Kondensator inhärent durch die Zeilen- und Spaltenspur an jedem Schnittpunkt des Gitters gebildet. Ein 16 × 14-Array hätte beispielsweise 224 unabhängige Kondensatoren. An die Zeilen oder Spalten wird eine Spannung angelegt. Wenn Sie einen Finger oder einen leitfähigen Stift nahe an die Oberfläche des Sensors bringen, ändert sich das lokale elektrostatische Feld, was wiederum die gegenseitige Kapazität verringert. Die Kapazitätsänderung an jedem einzelnen Punkt des Gitters kann gemessen werden, um den Berührungsort durch Messen der Spannung in der anderen Achse genau zu bestimmen. Die gegenseitige Kapazität ermöglicht einen Multitouch-Betrieb, bei dem mehrere Finger, Handflächen oder Stifte gleichzeitig genau verfolgt werden können.

Eigenkapazität

Selbstkapazitätssensoren können das gleiche XY-Gitter wie gegenseitige Kapazitätssensoren haben, aber die Spalten und Zeilen arbeiten unabhängig voneinander. Bei Eigenkapazität wird die kapazitive Last eines Fingers an jeder Säulen- oder Zeilenelektrode mit einem Strommesser oder die Frequenzänderung eines RC-Oszillators gemessen.

Ein Finger kann überall entlang der gesamten Länge einer Reihe erkannt werden. Wenn dieser Finger auch von einer Spalte erkannt wird, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Fingerposition am Schnittpunkt dieses Zeilen- / Spaltenpaars befindet. Dies ermöglicht die schnelle und genaue Erkennung eines einzelnen Fingers, führt jedoch zu Unklarheiten, wenn mehr als ein Finger erkannt werden soll. Zwei Finger können vier mögliche Erkennungspositionen haben, von denen nur zwei wahr sind. Durch die selektive Desensibilisierung von Berührungspunkten in Konflikten können jedoch widersprüchliche Ergebnisse leicht beseitigt werden. Dadurch kann "Self Capacitance" für den Multi-Touch-Betrieb verwendet werden.

Alternativ kann Mehrdeutigkeit vermieden werden, indem ein "Desensibilisierungs" -Signal an alle bis auf eine der Spalten angelegt wird. Dadurch bleibt nur ein kurzer Abschnitt einer berührungsempfindlichen Reihe übrig. Durch Auswahl einer Sequenz dieser Abschnitte entlang der Reihe ist es möglich, die genaue Position mehrerer Finger entlang dieser Reihe zu bestimmen. Dieser Vorgang kann dann für alle anderen Zeilen wiederholt werden, bis der gesamte Bildschirm gescannt wurde.

Selbstkapazitive Touchscreen-Schichten werden auf Mobiltelefonen wie dem Sony Xperia Sola , dem Samsung Galaxy S4 , dem Galaxy Note 3 , dem Galaxy S5 und dem Galaxy Alpha verwendet .

Die Eigenkapazität ist weitaus empfindlicher als die gegenseitige Kapazität und wird hauptsächlich für Einzelberührungen, einfache Gesten und Näherungserfassungen verwendet, bei denen der Finger nicht einmal die Glasoberfläche berühren muss. Die gegenseitige Kapazität wird hauptsächlich für Multitouch-Anwendungen verwendet. Viele Touchscreen-Hersteller verwenden sowohl Selbst- als auch gegenseitige Kapazitätstechnologien im selben Produkt und kombinieren so ihre individuellen Vorteile.

Verwendung des Stifts auf kapazitiven Bildschirmen

Kapazitive Touchscreens müssen nicht unbedingt mit einem Finger bedient werden, aber bis vor kurzem konnte der Kauf der erforderlichen Spezialstifte recht teuer sein. Die Kosten für diese Technologie sind in den letzten Jahren stark gesunken, und kapazitive Stifte sind jetzt gegen eine geringe Gebühr erhältlich und werden häufig kostenlos mit mobilem Zubehör verschenkt. Diese bestehen aus einer elektrisch leitenden Welle mit einer weichen leitenden Gummispitze, wodurch die Finger widerstandsfähig mit der Spitze des Stifts verbunden werden.

Infrarotgitter

Um das Display herum montierte Infrarotsensoren überwachen 1981 die Touchscreen-Eingabe eines Benutzers an diesem PLATO V-Terminal. Das charakteristische orange Leuchten des monochromatischen Plasma-Displays ist dargestellt.

Ein Infrarot- Touchscreen verwendet eine Anordnung von XY-Infrarot- LED- und Fotodetektorpaaren an den Rändern des Bildschirms, um eine Störung im Muster der LED-Strahlen zu erkennen. Diese LED-Strahlen kreuzen sich in vertikalen und horizontalen Mustern. Dies hilft den Sensoren, den genauen Ort der Berührung zu erfassen. Ein Hauptvorteil eines solchen Systems besteht darin, dass es im Wesentlichen jedes undurchsichtige Objekt erkennen kann, einschließlich eines Fingers, eines behandschuhten Fingers, eines Stifts oder eines Stifts. Es wird im Allgemeinen in Außenanwendungen und POS-Systemen verwendet, die sich nicht auf einen Leiter (z. B. einen bloßen Finger) verlassen können, um den Touchscreen zu aktivieren. Im Gegensatz zu kapazitiven Touchscreens erfordern Infrarot-Touchscreens keine Muster auf dem Glas, was die Haltbarkeit und optische Klarheit des Gesamtsystems erhöht. Infrarot-Touchscreens reagieren empfindlich auf Schmutz und Staub, die die Infrarotstrahlen stören können, und leiden unter Parallaxe in gekrümmten Oberflächen und versehentlichem Drücken, wenn der Benutzer einen Finger über den Bildschirm bewegt, während er nach dem zu wählenden Objekt sucht.

Infrarot-Acrylprojektion

Eine durchscheinende Acrylplatte wird als Rückprojektionsfläche zur Anzeige von Informationen verwendet. Die Kanten der Acrylfolie werden von Infrarot-LEDs beleuchtet, und Infrarotkameras werden auf die Rückseite der Folie fokussiert. Auf dem Blatt platzierte Objekte sind für die Kameras erkennbar. Wenn das Blatt vom Benutzer berührt wird, führt die Verformung zu einem Austreten von Infrarotlicht, das an den Punkten des maximalen Drucks seinen Höhepunkt erreicht und den Berührungsort des Benutzers anzeigt. Die PixelSense- Tablets von Microsoft verwenden diese Technologie.

Optische Bildgebung

Optische Touchscreens sind eine relativ moderne Entwicklung in der Touchscreen-Technologie, bei der zwei oder mehr Bildsensoren (z. B. CMOS-Sensoren ) an den Rändern (meist den Ecken) des Bildschirms angebracht sind. Infrarot-Hintergrundbeleuchtung befindet sich im Sichtfeld des Sensors auf der gegenüberliegenden Seite des Bildschirms. Eine Berührung blockiert einige Lichter von den Sensoren und die Position und Größe des berührenden Objekts kann berechnet werden (siehe visuelle Hülle ). Diese Technologie erfreut sich aufgrund ihrer Skalierbarkeit, Vielseitigkeit und Erschwinglichkeit für größere Touchscreens wachsender Beliebtheit.

Dispersive Signaltechnologie

Dieses 2002 von 3M eingeführte System erkennt Berührungen mithilfe von Sensoren zur Messung der Piezoelektrizität im Glas. Komplexe Algorithmen interpretieren diese Informationen und liefern den tatsächlichen Ort der Berührung. Die Technologie wird nicht von Staub und anderen äußeren Elementen, einschließlich Kratzern, beeinflusst. Da keine zusätzlichen Elemente auf dem Bildschirm erforderlich sind, soll auch eine hervorragende optische Klarheit erzielt werden. Jedes Objekt kann verwendet werden, um Berührungsereignisse zu erzeugen, einschließlich behandschuhter Finger. Ein Nachteil ist, dass das System nach der ersten Berührung keinen bewegungslosen Finger erkennen kann. Aus dem gleichen Grund stören ruhende Objekte die Berührungserkennung jedoch nicht.

Akustische Impulserkennung

Der Schlüssel zu dieser Technologie besteht darin, dass eine Berührung an einer beliebigen Position auf der Oberfläche eine Schallwelle im Substrat erzeugt, die dann ein einzigartiges kombiniertes Signal erzeugt, das von drei oder mehr winzigen Wandlern gemessen wird, die an den Rändern des Touchscreens angebracht sind. Das digitalisierte Signal wird mit einer Liste verglichen, die jeder Position auf der Oberfläche entspricht und den Berührungsort bestimmt. Eine sich bewegende Berührung wird durch schnelle Wiederholung dieses Vorgangs verfolgt. Neben- und Umgebungsgeräusche werden ignoriert, da sie keinem gespeicherten Geräuschprofil entsprechen. Die Technologie unterscheidet sich von anderen Sound-basierten Technologien durch die Verwendung einer einfachen Suchmethode anstelle teurer Hardware für die Signalverarbeitung. Wie beim System der dispersiven Signaltechnologie kann ein bewegungsloser Finger nach der ersten Berührung nicht erkannt werden. Aus dem gleichen Grund wird die Berührungserkennung jedoch nicht durch ruhende Objekte gestört. Die Technologie wurde von SoundTouch Ltd in den frühen 2000er Jahren entwickelt, wie von der Patentfamilie EP1852772 beschrieben, und 2006 von der Elo-Division von Tyco International als Acoustic Pulse Recognition auf den Markt gebracht . Der von Elo verwendete Touchscreen besteht aus normalem Glas und bietet eine gute Haltbarkeit und optische Klarheit. Die Technologie behält normalerweise die Genauigkeit mit Kratzern und Staub auf dem Bildschirm bei. Die Technologie eignet sich auch gut für Displays, die physisch größer sind.

Konstruktion

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Touchscreen zu erstellen. Die Hauptziele sind das Erkennen eines oder mehrerer Finger, die eine Anzeige berühren, das Interpretieren des Befehls, den dies darstellt, und das Kommunizieren des Befehls an die entsprechende Anwendung.

Bei dem Widerstandsansatz, der früher die beliebteste Technik war, gibt es typischerweise vier Schichten:

  1. Obere polyesterbeschichtete Schicht mit einer transparenten metallisch leitenden Beschichtung auf der Unterseite.
  2. Klebstoffabstandshalter
  3. Glasschicht mit einer transparenten metallisch leitenden Beschichtung auf der Oberseite beschichtet
  4. Klebeschicht auf der Rückseite des Glases zur Montage.

Wenn ein Benutzer die Oberfläche berührt, zeichnet das System die Änderung des elektrischen Stroms auf, der durch das Display fließt.

Die Dispersive-Signal-Technologie misst den piezoelektrischen Effekt - die Spannung, die erzeugt wird, wenn eine mechanische Kraft auf ein Material ausgeübt wird -, die chemisch auftritt, wenn ein verstärktes Glassubstrat berührt wird.

Es gibt zwei infrarotbasierte Ansätze. In einem Fall erfasst eine Anordnung von Sensoren einen Finger, der das Display berührt oder fast berührt, wodurch Infrarotlichtstrahlen unterbrochen werden, die über den Bildschirm projiziert werden. Bei der anderen Seite zeichnen unten montierte Infrarotkameras die Wärme von Bildschirmberührungen auf.

In jedem Fall bestimmt das System den beabsichtigten Befehl basierend auf den Steuerelementen, die zum Zeitpunkt und am Ort der Berührung auf dem Bildschirm angezeigt werden.

Entwicklung

Die Entwicklung von Multitouch-Bildschirmen ermöglichte die Verfolgung von mehr als einem Finger auf dem Bildschirm. Somit sind Operationen möglich, die mehr als einen Finger erfordern. Mit diesen Geräten können auch mehrere Benutzer gleichzeitig mit dem Touchscreen interagieren.

Mit der zunehmenden Verwendung von Touchscreens werden die Kosten der Touchscreen-Technologie routinemäßig in die Produkte aufgenommen, in denen sie enthalten sind, und sie werden nahezu eliminiert. Die Touchscreen-Technologie hat Zuverlässigkeit bewiesen und ist in Flugzeugen, Automobilen, Spielekonsolen, Maschinensteuerungssystemen, Geräten und Handheld-Anzeigegeräten, einschließlich Mobiltelefonen, zu finden. Der Touchscreen-Markt für mobile Geräte soll bis 2009 5 Milliarden US-Dollar produzieren.

Die Fähigkeit, genau auf den Bildschirm selbst zu zeigen, verbessert sich auch mit den aufkommenden Grafik-Tablet-Bildschirm- Hybriden. Polyvinylidenfluorid (PVFD) spielt aufgrund seiner hohen piezoelektrischen Eigenschaften, die es dem Tablet ermöglichen, Druck zu erfassen, eine wichtige Rolle bei dieser Innovation. Dadurch verhalten sich beispielsweise digitale Malereien eher wie Papier und Bleistift.

Mit TapSense, das im Oktober 2011 angekündigt wurde, können Touchscreens unterscheiden, welcher Teil der Hand für die Eingabe verwendet wurde, z. B. Fingerspitze, Knöchel und Fingernagel. Dies kann auf verschiedene Arten verwendet werden, zum Beispiel zum Kopieren und Einfügen, zum Großschreiben von Buchstaben, zum Aktivieren verschiedener Zeichenmodi usw.

Eine echte praktische Integration zwischen Fernsehbildern und den Funktionen eines normalen modernen PCs könnte in naher Zukunft eine Innovation sein: zum Beispiel "All-Live-Informationen" im Internet über einen Film oder die Schauspieler auf Video, eine Liste anderer Musik während eines normalen Videoclips eines Songs oder Nachrichten über eine Person.

Ergonomie und Nutzung

Touchscreen-Genauigkeit

Damit Touchscreens effektive Eingabegeräte sind, müssen Benutzer in der Lage sein, Ziele genau auszuwählen und eine versehentliche Auswahl benachbarter Ziele zu vermeiden. Das Design der Touchscreen-Schnittstellen sollte die technischen Fähigkeiten des Systems, die Ergonomie , die kognitive Psychologie und die menschliche Physiologie widerspiegeln .

Richtlinien für Touchscreen-Designs wurden erstmals in den 1990er Jahren entwickelt, basierend auf frühen Forschungen und der tatsächlichen Verwendung älterer Systeme, typischerweise unter Verwendung von Infrarotgittern - die stark von der Größe der Finger des Benutzers abhingen. Diese Richtlinien sind für den Großteil moderner Geräte, die kapazitive oder resistive Touch-Technologie verwenden, weniger relevant.

Ab Mitte der 2000er Jahre haben Hersteller von Betriebssystemen für Smartphones Standards veröffentlicht, die jedoch von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sind und aufgrund von technologischen Änderungen erhebliche Größenunterschiede zulassen. Sie sind daher aus Sicht der menschlichen Faktoren ungeeignet .

Viel wichtiger ist die Genauigkeit, die Menschen bei der Auswahl von Zielen mit dem Finger oder einem Stift haben. Die Genauigkeit der Benutzerauswahl variiert je nach Position auf dem Bildschirm: Benutzer sind in der Mitte am genauesten, am linken und rechten Rand weniger genau und am oberen Rand und insbesondere am unteren Rand am wenigsten genau. Die R95- Genauigkeit (erforderlicher Radius für 95% Zielgenauigkeit) variiert von 7 mm in der Mitte bis 12 mm in den unteren Ecken. Benutzer sind sich dessen unbewusst bewusst und nehmen sich mehr Zeit, um Ziele auszuwählen, die kleiner sind oder sich an den Rändern oder Ecken des Touchscreens befinden.

Diese Ungenauigkeit des Benutzers ist auf Parallaxe , Sehschärfe und die Geschwindigkeit der Rückkopplungsschleife zwischen Augen und Fingern zurückzuführen. Die Präzision des menschlichen Fingers allein ist viel, viel höher als diese. Wenn also unterstützende Technologien wie Bildschirmlupen bereitgestellt werden, können Benutzer ihren Finger (sobald sie mit dem Bildschirm in Kontakt sind) mit einer Präzision von nur 0,1 mm (einmal in Kontakt mit dem Bildschirm) bewegen. 0,004 in).

Handposition, verwendete Ziffer und Umschaltung

Benutzer von Handheld- und tragbaren Touchscreen-Geräten halten sie auf verschiedene Weise und ändern routinemäßig ihre Haltemethode und Auswahl, um sie an die Position und Art der Eingabe anzupassen. Es gibt vier grundlegende Arten der Handheld-Interaktion:

  • Zumindest teilweise mit beiden Händen halten und mit einem Daumen klopfen
  • Mit zwei Händen halten und mit beiden Daumen klopfen
  • Mit einer Hand halten, mit dem Finger (oder selten mit dem Daumen) einer anderen Hand tippen
  • Halten Sie das Gerät in einer Hand und tippen Sie mit dem Daumen derselben Hand

Nutzungsraten variieren stark. Während das Tippen mit zwei Daumen bei vielen allgemeinen Interaktionen selten auftritt (1–3%), wird es bei 41% der Typisierungsinteraktionen verwendet.

Darüber hinaus werden Geräte häufig auf Oberflächen (Schreibtische oder Tische) aufgestellt, und Tablets werden insbesondere in Ständen verwendet. Der Benutzer kann in diesen Fällen mit dem Finger oder Daumen zeigen, auswählen oder gestikulieren und die Verwendung dieser Methoden variieren.

Kombiniert mit Haptik

Touchscreens werden häufig mit haptischen Reaktionssystemen verwendet. Ein häufiges Beispiel für diese Technologie ist das Vibrationsfeedback, das beim Tippen auf eine Taste auf dem Touchscreen bereitgestellt wird. Haptik wird verwendet, um die Benutzererfahrung mit Touchscreens durch simuliertes taktiles Feedback zu verbessern. Sie kann so gestaltet werden, dass sie sofort reagiert und teilweise der Reaktionsverzögerung auf dem Bildschirm entgegenwirkt. Untersuchungen der Universität Glasgow (Brewster, Chohan und Brown, 2007; und in jüngerer Zeit Hogan) zeigen, dass Touchscreen-Benutzer Eingabefehler (um 20%) reduzieren, die Eingabegeschwindigkeit (um 20%) erhöhen und ihre kognitive Belastung (um 20%) verringern 40%), wenn Touchscreens mit Haptik oder taktilem Feedback kombiniert werden. Darüber hinaus untersuchte eine 2013 vom Boston College durchgeführte Studie die Auswirkungen der haptischen Stimulation von Touchscreens auf die Auslösung des psychologischen Eigentums an einem Produkt. Ihre Untersuchungen ergaben, dass eine Touchscreen-Fähigkeit, ein hohes Maß an haptischer Beteiligung einzubeziehen, dazu führte, dass Kunden sich den Produkten, die sie entwarfen oder kauften, mehr begabten. Die Studie berichtete auch, dass Verbraucher, die einen Touchscreen verwenden, bereit sind, einen höheren Preis für die von ihnen gekauften Artikel zu akzeptieren.

Kundendienst

Die Touchscreen-Technologie hat sich im 21. Jahrhundert in viele Aspekte der Kundendienstbranche integriert. Die Restaurantbranche ist ein gutes Beispiel für die Implementierung von Touchscreens in diesem Bereich. Kettenrestaurants wie Taco Bell, Panera Bread und McDonald's bieten Touchscreens als Option an, wenn Kunden Artikel von der Speisekarte bestellen. Während das Hinzufügen von Touchscreens eine Entwicklung für diese Branche darstellt, können Kunden den Touchscreen umgehen und bei einem traditionellen Kassierer bestellen. Um noch einen Schritt weiter zu gehen, hat ein Restaurant in Bangalore versucht, den Bestellvorgang vollständig zu automatisieren. Kunden setzen sich an einen mit Touchscreens eingebetteten Tisch und bestellen ein umfangreiches Menü. Sobald die Bestellung aufgegeben wurde, wird sie elektronisch an die Küche gesendet. Diese Arten von Touchscreens passen unter die POS-Systeme (Point of Sale), die im Abschnitt "Lead" aufgeführt sind.

"Gorilla Arm"

Die erweiterte Verwendung von gestischen Schnittstellen ohne die Fähigkeit des Benutzers, seinen Arm auszuruhen, wird als "Gorilla-Arm" bezeichnet. Es kann zu Müdigkeit und sogar zu Verletzungen durch wiederholten Stress führen, wenn es routinemäßig in einer Arbeitsumgebung verwendet wird. Bestimmte frühe stiftbasierte Schnittstellen erforderten, dass der Bediener einen Großteil des Arbeitstages in dieser Position arbeitete. In vielen Zusammenhängen ist es eine Lösung, dem Benutzer zu erlauben, seine Hand oder seinen Arm auf dem Eingabegerät oder einem Rahmen um dieses herum abzulegen. Dieses Phänomen wird häufig als Beispiel für Bewegungen angeführt, die durch ein geeignetes ergonomisches Design minimiert werden müssen.

Nicht unterstützte Touchscreens sind in Anwendungen wie Geldautomaten und Datenkiosken immer noch recht verbreitet , stellen jedoch kein Problem dar, da der typische Benutzer nur für kurze und weit auseinander liegende Zeiträume aktiv ist.

Fingerabdrücke

Fingerabdrücke und Flecken auf einem iPad- Touchscreen ( Tablet-Computer )

Touchscreens können unter dem Problem von Fingerabdrücken auf dem Display leiden. Dies kann durch die Verwendung von Materialien mit optischen Beschichtungen gemindert werden , um die sichtbaren Auswirkungen von Fingerabdruckölen zu verringern. Die meisten modernen Smartphones haben oleophobe Beschichtungen, die die Menge an Ölrückständen verringern. Eine weitere Möglichkeit ist es, eine matt Anti-Glare installiert Displayschutzfolie , die eine leicht aufgeraute Oberfläche erzeugt , die nicht leicht verschmiert behalten.

Handschuhberührung

Touchscreens funktionieren meistens nicht, wenn der Benutzer Handschuhe trägt. Die Dicke des Handschuhs und das Material, aus dem sie bestehen, spielen dabei eine wichtige Rolle und die Fähigkeit eines Touchscreens, eine Berührung aufzunehmen.

Siehe auch

Verweise

Quellen

Externe Links