Jak ekrany rozpoznają dotyk? Podstawowe zasady działania paneli dotykowych.

Opublikowano: Listopad 30, 2012

Technologie wykorzystywane w panelach dotykowych są głównym zagadnieniem w dzisiejszych urządzeniach cyfrowych – smartfonach, tabletach (jak np. iPad), ekranach w kamerach i aparatach fotograficznych, Nintendo DS i urządzeniach opartych o Windows 7. Terminem „ekran dotykowy” (touch panel) określa się różne technologie umożliwiające wykrycie dotknięcia ekranu palcem lub specjalnym piórkiem (stylusem). W tym dokumencie opiszemy podstawowe metody rozpoznawania dotyku i wyjaśnimy ich charakterystyki i optymalne zastosowania dla każdej z nich.

Uwaga: Poniższy tekst jest tłumaczeniem z japońskiego, artykułu zamieszczonego w ITmedia „Jak ekrany rozpoznają dotyk? Podstawowe zasady działania paneli dotykowych” („How Can a Screen Sense Touch? A Basic Understanding of Touch Panels”) opublikowanego  27 września 2010 r. Copyright 2011 ITmedia Inc. All Rights Reserved.

Panele dotykowe stały się częścią naszego codziennego życia

dotyk_01Panel dotykowy jest elementem wyposażenia pozwalającym użytkownikowi wchodzić w interakcję z komputerem przez bezpośrednie dotykanie ekranu.  Wbudowane w monitor sensory wykrywające dotyk umożliwiają wydawanie komputerowi różnych instrukcji w zależności od miejsca dotknięcia ekranu palcem lub stylusem. W gruncie rzeczy, jest to połączenie dwóch funkcji w jednym urządzeniu – ekranu i urządzenia wejściowego.

Prawdopodobnie nie każdy sobie zdaje sprawę z tego jak często i w jak wielu zastosowaniach spotykamy ekrany dotykowe codziennym w życiu. Posiadając smartfona korzystamy z ekranu dotykowego codziennie, ale nie tylko tu możemy je spotkać – posiadają je bankomaty, biletomaty w środkach komunikacji, elektroniczne kioski informacyjne w centrach handlowych, samoobsługowe cyfrowe drukarki w dużych zakładach fotograficznych, terminale informacyjne w bibliotekach, kopiarki i systemy nawigacyjne.

Głównym czynnikiem napędzającym ekspansję ekranów dotykowych są bezsprzecznie korzyści, wynikające z intuicyjnego sposobu ich obsługi. Dzięki temu, że są one używane do wydawania komend przez bezpośrednie dotykanie wyświetlonych ikon i przycisków, to obsługa urządzeń, w które są wyposażone, jest łatwa do zrozumienia nawet przez osoby nieprzywykłe do obsługi komputerów. Ekrany dotykowe przyczyniają się do miniaturyzacji i uproszczenia urządzeń, dzięki połączeniu ekranu i urządzenia wejściowego – dotychczas osobnych – w jeden element wyposażenia. A ponieważ przyciski na ekranie dotykowym są generowane przez oprogramowanie, to można łatwo zmieniać ich znaczenie i zmieniać cały interfejs obsługi użytkownika.

dotyk_02

Główne przykłady zastosowania monitorów LCD z panelami dotykowymi. Urządzenia te są używane w szerokich zastosowaniach.

 

Ekrany dotykowe muszą spełniać szeroki zakres wymogów w zależności od zastosowania – przede wszystkim czytelność obrazu, dokładność rozpoznawania miejsca dotyku, szybka reakcja na dotyk, wytrzymałość czy koszt instalacji. Ich charakterystyki mogą się znacznie różnić w zależności od wybranej metody wykrywania dotyku. Kilka z nich – najczęściej spotykanych – omówimy poniżej.

Ekrany rezystancyjne (opornościowe)

W 2010 r. (przypis tłum.: kiedy powstawał artykuł), wykorzystanie warstwy rezystancyjnej było najczęściej używaną metodą wykrywania dotyku na rynku ekranów dotykowych. Ekrany takie określane są  „panelami wrażliwymi na nacisk” lub „panelami z warstwą analogowo-rezystancyjną”. Poza monitorami LCD, technologia ta jest wykorzystywana w wielu małych i średniej wielkości urządzeniach, takich jak smartfony, tabletach, systemach nawigacji samochodowej czy Nintendo DS.

W tej technologii miejsce dotyku ekranu przez palec, stylus lub inny obiekt, jest określane dzięki wykryciu zmian w nacisku. Taki monitor posiada prostą wewnętrzną budowę: szklany ekran i błona wierzchniej warstwy są rozdzielone cienką przerwą, na obu znajdują się przeźroczyste elektrody (warstwa elektrody). Naciśnięcie powierzchni ekranu zwiera elektrodę warstwy wierzchniej z elektrodą szklanego ekranu, umożliwiając przepływ prądu między nimi. Miejsce zwarcia jest identyfikowane przez pomiar zmiany napięcia.

dotyk_03

Zaletą tego systemu jest niski koszt produkcji, dzięki jego prostej strukturze. Zużywa on również mniej prądu niż inne technologie, a dzięki pokryciu dodatkową warstwą jest bardziej odporny na kurz i wodę. Ponieważ sygnał wejściowy powstaje dzięki wywarciu nacisku na wierzchnią warstwę, to można go wywołać nie tylko naciskając gołym palcem, ale również przez rękawiczkę czy dowolny stylus. Ten typ ekranu nadaje się również do wprowadzania tekstu pisanego ręcznie.

Do niedogodności tego systemu należy zaliczyć mniejszą przepuszczalność światła (ograniczona jakość wyświetlania) spowodowaną przez dodatkowe warstwy – wierzchnią i dwóch warstw elektrod; względnie mniejszą trwałość i odporność na uderzenia; ograniczoną dokładność wykrywania dotyku w przypadku większych rozmiarów ekranu. (Większa dokładność może jednak być osiągnięta innymi sposobami – np. przez podzielenie ekranu na mniejsze, niezależne obszary w obrębie, których odbywa się detekcja).

Ekrany pojemnościowe

Pojemnościowe ekrany dotykowe są drugimi w kolejności, po ekranach rezystancyjnych, najczęściej wykorzystywanymi metodami wykrywania dotyku. I podobnie jak w przypadku opisanych powyżej ekranów rezystancyjnych, są one nazywane „analogowo-pojemnościowymi ekranami dotykowymi”. I poza monitorami LCD, te również są najczęściej wykorzystywane w tych samych rodzajach urządzeń, co ekrany rezystancyjne, czyli np. smartfony i tablety.

W tym przypadku, miejsce dotyku jest określane przez sensory wykrywające niewielkie zmiany w natężeniu prądu elektrycznego generowanego przez kontakt z palcem lub zmiany ładunku elektrostatycznego. Ponieważ sensory reagują na elektrostatyczną pojemność ludzkiego ciała, kiedy palec dotyka ekranu, to mogą one działać w sposób podobny przesuwania wskaźnika przez dotykany obszar ekranu.

Z metody tej korzystają dwa podtypy ekranów dotykowych: powierzchniowo-pojemnościowe oraz projekcyjno-pojemnościowe. Różnią się one między sobą wewnętrzną budową.

Ekrany dotykowe powierzchniowo-pojemnościowe (surface capacitive)

Ekrany powierzchniowo- pojemnościowe są najczęściej wykorzystywane w relatywnie dużych panelach. W tego typu panelach przeźroczysta elektroda (warstwa elektrody) jest umieszczona ponad szklanym podłożem i dodatkowo przykryta warstwą ochronną. Do elektrod umieszczonych w czterech rogach szklanego podłoża jest przykładane napięcie, generujące na całym panelu jednolite niskonapięciowe pole elektryczne. Współrzędne miejsca dotknięcia ekranu palcem są obliczane na podstawie pomiaru zmian w pojemności elektrostatycznej w tych czterech narożnikach ekranu.

dotyk_04

Ten typ dotykowego ekranu pojemnościowego ma prostszą budowę niż pojemnościowo-projekcyjny i dzięki temu jest tańszy w produkcji. Jednak w jego przypadku dużą trudność sprawia wykrywanie dotyku w dwóch lub więcej miejscach w tym samym czasie, czyli multi-dotyk (multi-touch).

Ekrany dotykowe pojemnościowo-projekcyjne

Pojemnościowo-projekcyjne panele dotykowe są najczęściej używane w mniejszych ekranach niż w przypadku paneli powierzchniowo-projekcyjnych. A szczególnie przyciągnęły uwagę w zastosowaniu w urządzeniach przenośnych. Dzięki nim iPhone, iPod Touch, oraz iPad mogą osiągać wysoką precyzję działania funkcji multi-touch (wielodotyku) i dużą szybkość reakcji.

Na wewnętrzną strukturę takich ekranów składa się szklane podłoże ze zintegrowanym układem IC, niezbędnym do przeprowadzania obliczeń, ponad nim znajduje się warstwa z wieloma przeźroczystymi elektrodami ułożonymi wg specjalnego wzoru. Z wierzchu znajduje się szklana lub plastikowa powierzchnia ochronna. Kiedy palec zbliża się do powierzchni ekranu, wartości pojemności elektrostatycznej na pobliskich elektrodach zmieniają się, a z ich pomiaru można precyzyjnie obliczyć miejsce dotyku.

dotyk_05

Unikalną cechą ekranów pojemnościowo-projekcyjnych jest to, że duża ilość elektrod umożliwia dokładne wykrywanie wielu punktów dotyku (multi-touch). Aczkolwiek ekrany tego typu, wykorzystujące tlenek indowo-cynowy (indium-tin-oxide (ITO)), wykorzystywane najczęściej w smartfonach i podobnych urządzeniach, słabo się sprawdzają w przypadku dużych ekranów. Wynika to z tego, że z większym rozmiarem wiąże się zwiększenie oporu prądu (np. wpływając na wolniejsze przesyłanie sygnałów), a za tym zwiększenie ilości błędów i zakłóceń w dokładności wykrywania dotyku.

W większych pojemnościowo-projekcyjnych ekranach dotykowych jako warstwę przeźroczystych elektrod wykorzystuje się siatkę bardzo cienkich przewodów elektrycznych. O ile dzięki zmniejszonej w ten sposób oporności stają się one bardzo czułe, to technologia zdecydowanie mniej się nadaje do zastosowania w masowej produkcji, niż wytrawianie ITO.

To tyle, jeśli chodzi o różnice między tymi dwoma rodzajami ekranów pojemnościowych.  Wspólną ich cechą jest fakt, że w odróżnieniu od rezystancyjnych ekranów dotykowych, nie reagują na dotyk przez ubranie lub standardowym stylusem. Charakteryzują się dużą odpornością na kurz, krople wody, oraz że są trwałe i wysoce odporne na zadrapania. Dodatkowo, ich przepuszczalność świetlna jest wyższa w porównaniu do rezystancyjnych ekranów dotykowych.

Z drugiej strony, panele te wymagają dotyku gołym palcem lub specjalnym stylusem. Nie można z nich korzystać w rękawiczkach oraz są wrażliwe na znajdujące się w pobliżu metalowe elementy.

Ekrany dotykowe wykorzystujące efekt akustycznej fali powierzchniowej (Surface acoustic wave (SAW))

Ekrany dotykowe wykorzystujące efekt akustycznej fali powierzchniowej (SAW) zostały opracowane głównie po to, aby uniknąć ograniczeń w przepuszczalności światła w panelach rezystancyjnych, czyli żeby uzyskać wysoki poziom jasności i czytelności ekranu dotykowego. Są też często skrótowo nazywane ekranami dotykowymi z „falą powierzchniową” lub „falą akustyczną”. Pomijając normalne monitory LCD, są one często wykorzystywane w urządzeniach znajdujących się w przestrzeni publicznej, np. terminalach kasowych, bankomatach i kioskach informacyjnych.

Ekrany SAW wykrywają miejsce dotyku palcem lub innym przedmiotem dzięki pomiarowi tłumienia fali ultradźwiękowej rozchodzącej się po ich powierzchni. Kluczową rolę w wewnętrznej budowie tych ekranów pełni klika przetworników piezoelektrycznych rozmieszczonych w rogach szklanego podłoża i emitujących ultradźwiękowe fale akustyczne, w postaci wibracji powierzchni ekranu. Fale te są rejestrowane i mierzone przez przetworniki umieszczone po przeciwnej stronie. W wyniku dotknięcia ekranu, ultradźwiękowe fale są absorbowane i tłumione przez palec lub inny dotykający obiekt. Miejsce dotknięcia jest ustalane na podstawie wyniki pomiaru tych zmian. Oczywiście użytkownik nie odczuwa tych wibracji podczas kontaktu z ekranem. Ekrany te są bardzo łatwe w użyciu.

dotyk_06

Siłą tego typu ekranów dotykowych jest wysoka przepuszczalność świetlna oraz doskonała wyrazistość, ponieważ metoda ta nie wymaga stosowania dodatkowych warstw czy przeźroczystych elektrod nakładanych na ekran. Dodatkowo szklana powierzchnia ekranu zapewnia większą trwałość i wytrzymałość na zadrapania niż ekrany pojemnościowe. Ponadto, nawet jeśli powierzchnia ekranu zostanie zarysowana to dalej pozostanie on wrażliwy na dotyk (w przypadku ekranów pojemnościowych zadrapanie czasem może spowodować przerwanie prawidłowego przepływu sygnałów). Pod względem budowy ten typ ekranu zapewnia najwyższą stabilność i długą żywotność, wolną od wynikających z czasu użytkowania zmian w charakterystyce działania i odchyleń w wykrywaniu miejsca dotyku.

Słabymi punktami tej technologii jest ograniczenie wykrywania dotyku do tylko palcami lub innymi miękkimi obiektami (również rękawiczki), które są w stanie zaabsorbować fale ultradźwiękowe. Ekrany te wymagają specjalnie do nich dostosowanych stylusów i mogą reagować na różne przypadkowe substancje, jak np. krople wody lub małe insekty.

Jakby nie patrzeć, ekrany tego typu posiadają względnie niewiele wad. Ostatnie ulepszenia, np. w technologii produkcji, pozwoliły również poprawić jej stosunek wydajności do ceny.

Optyczne ekrany dotykowe pracujące w podczerwieni (Infrared optical imaging)

Na kategorię optycznych ekranów dotykowych składa się kilka technologii wykrywania dotyku. W ostatnich latach wzrosła ilość produktów korzystających optyczne sensory podczerwieni do wykrywania dotyku metodą triangulacji, głównie w większych panelach.

Ekrany z tej kategorii są wyposażone w podczerwone diody LED w lewym i prawym, górnym rogu panelu oraz sensor optyczny (kamera). Emitowane przez nie światło jest odbijane przez odblaskową taśmę umieszczoną wzdłuż dolnej krawędzi ekranu. Kiedy palec lub inny obiekt dotyka ekran, czujnik optyczny rejestruje cienie wynikające z blokowania światła podczerwonego. Na tej podstawie metodą triangulacji generowane są współrzędne miejsca dotyku.

Optyczny ekran dotykowy

Mocną stroną tej technologii jest reagowanie nie tylko na dotyk gołym palcem, ale również przez rękawiczkę lub zwykłe stylusy, jak również rozpoznawanie wielodotyku (multi-touch) oraz przepuszczalność świetlna porównywalna do tej, jaka jest osiągana w ekranach dotykowych SAW. Pozostałymi zaletami jest łatwość stosowania tej technologii w większych ekranach oraz wysoka trwałość, wynikająca z faktu, iż nie ma tu miejsca bezpośredni kontakt z sensorami.

Z drugiej strony, technologia ta, wymusza szeroką ramkę wokół ekranu, ponieważ sensor obrazu jest instalowany za zewnątrz monitora. Dodatkowo, ich dokładność wykrywania dotyku jest podatna na zakłócenia pochodzące z zewnętrznego oświetlenia. Błędy detekcji mogą się pojawiać w przypadku silnego oświetlenia padającego na ekran lub jeśli użytkownik próbuje go dotykać przy pomocy lśniących przedmiotów.

Wraz z pojawieniem się Windows 7 pojawiło się wiele monitorów LCD wykorzystujących tę metodę i komputerów obsługujących wbudowaną w ten system operacyjny funkcję wielodotyku. Oczekuje się, że technologia ta będzie coraz częściej wykorzystywana.

Ekrany dotykowe z indukcją elektromagnetyczną

Ta metoda różni się nieco od tych opisanych powyżej. Jest wykorzystywana w urządzeniach takich jak graficzne tablety LCD, komputerach tabletowych oraz samoobsługowych kabinach fotograficznych, tzw. purikura.

Ta metoda wykrywania dotyku, pierwotnie nie była związana z monitorami LCD i dopiero później rozpoczęto instalowanie tego typu sensorów na monitorach LCD. Pozwala ona osiągnąć bardzo wysoką dokładność. Kiedy użytkownik dotyka ekranu przy pomocy specjalnego stylusa generującego pole magnetyczne, sensory w panelu odbierają energię elektromagnetyczną i wykorzystują do określenia pozycji stylusa.

Ponieważ wymagany jest specjalny stylus, dotyk palcem lub zwykłym stylusem nie jest możliwy, to ta technologia ma ograniczony zakres zastosowań. Ma to złe i dobre strony, np. eliminuje błędy wprowadzania powodowane przez otoczenie lub niezamierzony dotknięcia ekranu. W związku z tym, że technologia ta powstała na potrzeby tabletów graficznych, to oferuje doskonałą czułość sensorów dzięki czemu możliwa jest np. stopniowa zmiana grubości rysowanej linii, wraz ze zmianą siły nacisku stylusa na ekran (wykorzystana pojemność elektrostatyczna). Takie podejście do tematu pozwala również na osiągnięcie wysokiej przejrzystości ekranu i trwałości.

Podsumowanie technologii wykorzystywanych w ekranach dotykowych

Poniższa tabela podsumowuje charakterystyki omówionych przez nas ekranów dotykowych. Należy pamiętać, że nawet w przypadku urządzeń korzystających tej samej metody wykrywania dotyku, ich funkcjonalność i wydajność może się znacznie różnić pomiędzy nimi. Używajcie więc tych informacji tylko jako wprowadzenie do ogólnej charakterystyki konkretnego produktu. Co więcej, uwzględniając szybki rozwój technologii rozpoznawania dotyku oraz redukcji kosztów, informacje te są tylko migawką aktualnych trendów (wrzesień 2010).

 

Porównanie charakterystyk głównych technologii stosowanych w panelach dotykowych
Metoda wykrywania dotyku Rezystancyjna Pojemnościowa SAW (fala akustyczna) Optyczna (podczerwień) Indukcja elektromagnetyczna
Przejrzystość Słaba Dobra Dobra Doskonała Doskonała
Dotyk palcem Doskonała Doskonała Doskonała Doskonała Nie
Dotyk przez rękawiczkę Doskonała Nie Dobra Doskonała Nie
Dotyk stylusem Doskonała Słaba (specialny stylus) Dobra (specialny stylus) Dobra (zależny od użytych materiałów) Excellent (specialny stylus)
Trwałość Słaba Doskonała Doskonała Doskonała Doskonała
Odporność na zachlapanie wodą Doskonała Doskonała Słaba Dobra Doskonała
Koszt Rozsądny Wysoki Rozsądny Wysoki Wysoki

 

 

Każdy typ ekranów dotykowych ma swoje zalety i wady.  Żadna z obecnie oferowanych technologii nie przewyższa w przytłaczający sposób pozostałych, we wszystkich aspektach zagadnienia. Przy wyborze konkretnego rozwiązania należy kierować się docelowym zastosowaniem i środowiskiem, w jakim ekran dotykowy ma pracować.