ekrany dotykowe

Ekrany dotykowe
Zastosowanie
Panele dotykowe stosuje się głównie w urządzeniach cyfrowych
takich jak smartfony, tabletach, aparatach fotograficznych i wielu
innych.
Wprowadzenie
Terminem „ekran dotykowy” (touch panel) określa się różne technologie
umożliwiające wykrycie dotknięcia ekranu palcem lub rysikiem.
Panel dotykowy umożliwia użytkownikowi wejście 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 bądź rysikiem.,
Jest to połączenie dwóch funkcji w jednym urządzeniu – ekranu i
urządzenia wejściowego.
Ekrany rezystancyjne
Miejsce dotyku ekranu przez palec,
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. Naciśnięcie
powierzchni ekranu zwiera elektrodę
warstwy wierzchniej z elektrodą
szklanego ekranu, umożliwiając
przepływ prądu między nimi. Miejsce
zwarcia jest identyfikowane przez
pomiar zmiany napięcia.
Ekrany rezystancyjne
Zaletą jest niski koszt produkcji, dzięki jego prostej strukturze. Zużywa
mniej prądu niż inne technologie, a dzięki pokryciu dodatkową
warstwą jest bardziej odporny na kurz i wodę. Sygnał wejściowy
powstaje dzięki wywarciu nacisku na wierzchnią warstwę, to można go
wywołać nie tylko naciskając gołym palcem, ale również przez
rękawiczkę czy dowolny rysik.
Do wad zaliczymy 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. Poza monitorami LCD, te również są najczęściej
wykorzystywane w tych samych rodzajach urządzeń, co ekrany
rezystancyjne, czyli np. smartfony i tablety.
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 do
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 powierzchniowo-pojemnościowe
Najczęściej wykorzystywane są w dużych
panelach. W tego typu panelach przeźroczysta
elektroda 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. Dużą
trudność sprawia wykrywanie dotyku w dwóch
lub więcej miejscach w tym samym czasie,
czyli tzw multi-touch.
Ekrany pojemnościowo-projekcyjne
Panele te są najczęściej używane w mniejszych ekranach.
Szczególnie przyciągnęły uwagę w zastosowaniu w urządzeniach
przenośnych. Dzięki nim smartfony czy tablety mogą osiągać wysoką
precyzję działania funkcji multi-touch 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.
Ekrany pojemnościowo-projekcyjne
Na wewnętrzną strukturę takich
ekranów składa się szklane podłoże
ze zintegrowanym układem
scalonym, 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.
Ekrany pojemnościowo-projekcyjne
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.
Wspólną cechą ekranów pojemnościowych jest fakt, że w odróżnieniu od
rezystancyjnych ekranów dotykowych, nie reagują na dotyk przez ubranie lub
standardowym rysikiem. 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 rysikiem. Nie można z nich
korzystać w rękawiczkach oraz są wrażliwe na znajdujące się w pobliżu metalowe
elementy.
Ekrany wykorzystujące akustyczną falę
powierzchniową 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 kustyczną”.
Pomijając normalne monitory LCD, są one często wykorzystywane
w urządzeniach znajdujących się w przestrzeni publicznej, np.
terminalach kasowych, bankomatach i kioskach informacyjnych.
Ekrany wykorzystujące akustyczną falę
powierzchniową SAW
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.
Ekrany wykorzystujące akustyczną falę
powierzchniową SAW
Charakteryzują się wysoką przepuszczalnością świetlną oraz doskonałą
wyrazistością, gdyż nie jest wymagane stosowanie 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.
Wadą 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 rysików i
mogą reagować na różne przypadkowe substancje, jak np. krople wody lub małe
insekty.
Optyczny ekran dotykowy
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 rysiki, jak również rozpoznawanie
wielodotyku 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.
Stosowana w monitorach LCD.
Ekrany dotykowe z indukcją elektromagnetyczną
Różni się nieco od tych opisanych powyżej. Jest wykorzystywana w
urządzeniach takich jak graficzne tablety LCD, komputerach tabletowych
oraz samoobsługowych kabinach fotograficznych.
Pozwala ona osiągnąć bardzo wysoką dokładność. Kiedy użytkownik
dotyka ekranu przy pomocy specjalnego rysika generującego pole
magnetyczne, sensory w panelu odbierają energię elektromagnetyczną i
wykorzystują do określenia pozycji rysika.
Wymagany specjalnego rysika, dotyk palcem nie jest możliwy, co
ogranicza zakres zastosowań. Technologia ta powstała na potrzeby
tabletów graficznych, oferuje doskonałą czułość sensorów dzięki czemu
możliwa jest np. stopniowa zmiana grubości rysowanej linii, wraz ze
zmianą siły nacisku rysika na ekran (wykorzystana pojemność
elektrostatyczna).
Porównanie ekranów dotykowych