Ekran dotykowy - Touchscreen

Uruchamianie aplikacji na smartfonie przez dotknięcie palcem ikony aplikacji wyświetlanej na ekranie dotykowym (wideo)

Dotykowy lub dotykowy jest montaż zarówno wejściowej ( „panel dotykowy”) i wyjścia ( „display”) urządzenia. Panel dotykowy jest zwykle umieszczony w górnej części elektronicznego wyświetlacza wizualnego systemu przetwarzania informacji . Wyświetlacz jest często wyświetlaczem LCD AMOLED lub OLED, podczas gdy system jest zwykle laptopem, tabletem lub smartfonem. Użytkownik może wprowadzać dane lub sterować systemem przetwarzania informacji za pomocą prostych lub wielodotykowych gestów, dotykając ekranu specjalnym rysikiem lub jednym lub kilkoma palcami. Niektóre ekrany dotykowe używają zwykłych lub specjalnie powlekanych rękawiczek do pracy, podczas gdy inne mogą pracować tylko przy użyciu specjalnego rysika lub długopisu. Użytkownik może za pomocą ekranu dotykowego reagować na to, co jest wyświetlane i, jeśli oprogramowanie na to pozwala, kontrolować sposób wyświetlania; na przykład powiększanie w celu zwiększenia rozmiaru tekstu.

Ekran dotykowy umożliwia użytkownikowi bezpośrednią interakcję z tym, co jest wyświetlane, zamiast używania myszy , touchpada lub innych podobnych urządzeń (innych niż rysik, który jest opcjonalny w większości nowoczesnych ekranów dotykowych).

Ekrany dotykowe są powszechne w urządzeniach takich jak konsole do gier , komputery osobiste , elektroniczne maszyny do głosowania i systemy punktów sprzedaży (POS). Mogą być również podłączone do komputerów lub jako terminale do sieci. Odgrywają one znaczącą rolę w projektowaniu urządzeń cyfrowych, takich jak osobiści asystenci cyfrowi (PDA) i niektóre czytniki e-booków . Ekrany dotykowe są również ważne w placówkach edukacyjnych, takich jak sale lekcyjne lub kampusy uniwersyteckie.

Popularność smartfonów, tabletów i wielu rodzajów urządzeń informatycznych napędza popyt i akceptację powszechnych ekranów dotykowych dla przenośnej i funkcjonalnej elektroniki. Ekrany dotykowe znajdują się w dziedzinie medycyny, przemysł ciężki , bankomatów (bankomatów), a także kioski, takich jak wyświetlacze muzeum lub automatyki pokojowej , gdzie klawiatura i mysz systemy nie pozwalają odpowiednio intuicyjny, szybki, ani dokładnej interakcji przez użytkownika z zawartość wyświetlacza.

W przeszłości czujnik ekranu dotykowego i towarzyszące mu oprogramowanie układowe oparte na kontrolerze były udostępniane przez szeroką gamę integratorów systemów z rynku wtórnego , a nie przez producentów wyświetlaczy, chipów lub płyt głównych . Producenci wyświetlaczy i producenci chipów uznali tendencję do akceptowania ekranów dotykowych jako elementu interfejsu użytkownika i zaczęli integrować ekrany dotykowe z podstawowym projektem swoich produktów.

Inteligentny termostat Ecobee z ekranem dotykowym

Historia

Prototypowy ekran dotykowy o wzajemnej pojemności xy (po lewej) opracowany w CERN w 1977 roku przez Franka Becka , brytyjskiego inżyniera elektronika, dla sterowni akceleratora CERN-u SPS ( Super Proton Synchrotron ). Był to dalszy rozwój ekranu pojemnościowego (po prawej), również opracowanego przez Stumpe w CERN w 1972 roku.

Eric Johnson z Royal Radar Establishment z siedzibą w Malvern w Anglii opisał swoją pracę nad pojemnościowymi ekranami dotykowymi w krótkim artykule opublikowanym w 1965 roku, a następnie pełniej – ze zdjęciami i diagramami – w artykule opublikowanym w 1967 roku. Zastosowanie technologii dotykowej do kontroli ruchu lotniczego został opisany w artykule opublikowanym w 1968 roku. Frank Beck i Bent Stumpe , inżynierowie z CERN (Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych), opracowali na początku lat 70. przezroczysty ekran dotykowy, oparty na pracy Stumpe'a w fabryce telewizorów na początku lat 70-tych. 1960. Następnie wyprodukowany przez CERN, a niedługo potem przez partnerów przemysłowych, został oddany do użytku w 1973 roku. W połowie lat sześćdziesiątych zespół skupiony wokół Rainera Mallebreina  [ de ] z Telefunken Konstanz opracował urządzenie wskazujące oparte na kurtynie ultradźwiękowej przed wyświetlaczem terminala do systemu kontroli ruchu lotniczego. W 1970 roku przekształciło się to w urządzenie o nazwie „Touchinput- Einrichtung ” ( „funkcja wprowadzania dotykowego”) dla terminala SIG 50, wykorzystujące przewodzący, szklany ekran przed wyświetlaczem. Zostało to opatentowane w 1971 roku, a patent został przyznany kilka lat później. Ten sam zespół już wymyślone i wprowadzone do obrotu na Rollkugel myszy RKS 100-86 do 100-86 SIG kilka lat wcześniej.

W 1977 roku amerykańska firma Elographics – we współpracy z firmą Siemens – rozpoczęła prace nad opracowaniem przejrzystej implementacji istniejącej technologii nieprzezroczystego touchpada, patent USA nr  3,911,215, 7 października 1975, która została opracowana przez założyciela Elographics, George'a Samuela Hursta . Powstały ekran dotykowy w technologii rezystancyjnej został po raz pierwszy zaprezentowany w 1982 roku. Ta firma, obecnie nazywana Elo Touch Solutions, nadal działa jako wiodący dostawca urządzeń interaktywnych do zastosowań biznesowych.

W 1972 roku grupa z University of Illinois złożyła wniosek o patent na optyczny ekran dotykowy, który stał się standardową częścią terminalu studenckiego Magnavox Plato IV i w tym celu zbudowano tysiące. Te ekrany dotykowe miały skrzyżowany układ czujników położenia na podczerwień 16×16 , z których każdy składał się z diody LED na jednej krawędzi ekranu i dopasowanego fototranzystora na drugiej krawędzi, wszystkie zamontowane przed monochromatycznym wyświetlaczem plazmowym . Ten układ może wykryć każdy nieprzezroczysty obiekt wielkości opuszka palca w bliskiej odległości od ekranu. Podobny ekran dotykowy był używany w HP-150 począwszy od 1983 roku. HP 150 był jednym z pierwszych komercyjnych komputerów z ekranem dotykowym na świecie. Firma HP zamontowała swoje nadajniki i odbiorniki podczerwieni wokół ramki 9-calowej lampy katodowej (CRT) firmy Sony .

W 1984 roku Fujitsu wypuściło touchpad dla Micro 16, aby dostosować się do złożoności znaków kanji , które były przechowywane jako kafelkowa grafika. W 1985 roku Sega wypuściła Terebi Oekaki, znaną również jako karta graficzna Sega, dla konsoli gier wideo SG-1000 i domowego komputera SC-3000 . Składał się z plastikowego długopisu i plastikowej tablicy z przezroczystym okienkiem, w którym wykrywane są naciski na długopis. Był używany głównie z aplikacją do rysowania. Graficzny tablet dotykowy został wydany dla komputera Sega AI w 1986 roku.

Dotykowe jednostki sterujące (CDU) zostały przetestowane na pokładach lotniczych samolotów komercyjnych na początku lat 80. XX wieku. Wstępne badania wykazały, że interfejs dotykowy zmniejszy obciążenie pilota, ponieważ załoga będzie mogła wybierać punkty, funkcje i czynności, zamiast „głową w dół” wpisywać na klawiaturze szerokości i długości geograficzne oraz kody punktów. Skuteczna integracja tej technologii miała na celu pomóc załogom lotniczym w utrzymaniu wysokiego poziomu świadomości sytuacyjnej wszystkich głównych aspektów operacji pojazdu, w tym toru lotu, funkcjonowania różnych systemów statku powietrznego i interakcji międzyludzkich.

Na początku lat 80. firma General Motors zleciła swojemu oddziałowi Delco Electronics projekt mający na celu zastąpienie nieistotnych funkcji samochodu (tj. innych niż przepustnica , skrzynia biegów , hamowanie i układ kierowniczy ) systemami mechanicznymi lub elektromechanicznymi alternatywami półprzewodnikowymi, tam gdzie to możliwe. . Gotowe urządzenie nazwano ECC dla „Electronic Control Center”, cyfrowego komputera i systemu sterowania oprogramowaniem połączonego przewodowo z różnymi czujnikami peryferyjnymi , serwomechanizmami , elektrozaworami , anteną i monochromatycznym ekranem dotykowym CRT, który funkcjonował zarówno jako wyświetlacz, jak i jedyny sposób wprowadzania danych. ECC zastąpił tradycyjne mechaniczne elementy sterujące i wyświetlacze stereo , wentylatora, nagrzewnicy i klimatyzacji i było w stanie dostarczać w czasie rzeczywistym bardzo szczegółowych i konkretnych informacji o skumulowanym i bieżącym stanie pracy pojazdu . ECC był standardowym wyposażeniem w Buick Riviera z lat 1985-1989 , a później w Buick Reatta z lat 1988-1989 , ale był niepopularny wśród konsumentów — częściowo ze względu na technofobię niektórych tradycyjnych klientów Buicka , ale głównie z powodu kosztownych problemów technicznych, z jakimi borykał się ekran dotykowy ECC co uniemożliwiłoby sterowanie klimatem lub działanie stereo.

Technologia wielodotykowa rozpoczęła się w 1982 r., kiedy grupa Input Research Group z University of Toronto opracowała pierwszy system wielodotykowy z możliwością wprowadzania danych przez człowieka, wykorzystujący panel z matowego szkła z kamerą umieszczoną za szkłem. W 1985 r. grupa University of Toronto, w tym Bill Buxton, opracowała tablet wielodotykowy, który wykorzystywał pojemność, a nie nieporęczne systemy optyczne oparte na kamerach (patrz Historia wielodotyku ).

Pierwsze dostępne na rynku graficzne oprogramowanie punktu sprzedaży (POS) zostało zademonstrowane na 16-bitowym kolorowym komputerze Atari 520ST . Zawierał interfejs z kolorowym ekranem dotykowym opartym na widżetach. Oprogramowanie ViewTouch POS zostało po raz pierwszy pokazane przez jego twórcę, Gene Moshera, na obszarze demonstracyjnym Atari Computer podczas targów Fall COMDEX w 1986 roku.

W 1987 roku firma Casio wprowadziła na rynek kieszonkowy komputer Casio PB-1000 z ekranem dotykowym składającym się z matrycy 4×4, co dało 16 obszarów dotykowych na małym ekranie graficznym LCD.

Do 1988 roku ekrany dotykowe miały złą reputację jako nieprecyzyjne. Większość książek o interfejsie użytkownika stwierdzała, że ​​wybór ekranu dotykowego był ograniczony do celów większych niż przeciętny palec. W tym czasie selekcje dokonywano w taki sposób, że cel był wybierany, gdy tylko palec go przesunął, a odpowiednia akcja była wykonywana natychmiast. Błędy były częste, z powodu paralaksy lub problemów z kalibracją, co prowadziło do frustracji użytkownika. „Strategia podnoszenia” została wprowadzona przez badaczy z laboratorium interakcji człowiek-komputer (HCIL) Uniwersytetu Maryland . Gdy użytkownik dotyka ekranu, otrzymuje informację zwrotną, co zostanie wybrane: użytkownicy mogą dostosować pozycję palca, a akcja ma miejsce tylko wtedy, gdy palec zostanie oderwany od ekranu. Umożliwiło to wybór małych obiektów, z dokładnością do jednego piksela na ekranie 640×480 Video Graphics Array (VGA) (standard w tamtych czasach).

Sears i in. (1990) dokonał przeglądu ówczesnych badań naukowych dotyczących jedno- i wielodotykowej interakcji człowiek-komputer , opisując gesty, takie jak obracanie pokręteł, regulacja suwaków i przesuwanie ekranu w celu aktywacji przełącznika (lub gestu w kształcie litery U dla przełącznik). Zespół HCIL opracował i zbadał małe klawiatury z ekranem dotykowym (w tym badanie, które wykazało, że użytkownicy mogą pisać z szybkością 25 wpm na klawiaturze z ekranem dotykowym), ułatwiając ich wprowadzanie na urządzenia mobilne. Zaprojektowali również i wdrożyli gesty wielodotykowe, takie jak zaznaczanie zakresu linii, łączenie obiektów oraz gest „dotknij-kliknij”, aby wybrać przy jednoczesnym utrzymaniu lokalizacji innym palcem.

W 1990 roku firma HCIL zademonstrowała suwak ekranu dotykowego, który został później cytowany jako stan techniki w sporze patentowym dotyczącym blokady ekranu między Apple a innymi dostawcami telefonów komórkowych z ekranem dotykowym (w odniesieniu do patentu USA nr 7 657 849 ).

W latach 1991-1992 prototyp PDA Sun Star7 wdrożył ekran dotykowy z przewijaniem bezwładnościowym . W 1993 roku IBM wypuścił IBM Simon pierwszy telefon z ekranem dotykowym.

Wczesna próba przenośna konsola gier wideo z ekranem dotykowym kontroli była Sega „s przeznaczone następcą Game Gear , chociaż urządzenie to ostatecznie na półkę i nigdy zwolniony ze względu na drogie koszty technologii ekranu dotykowego na początku 1990 roku.

Pierwszym telefonem komórkowym z pojemnościowym ekranem dotykowym był LG Prada wydany w maju 2007 roku (czyli przed pierwszym iPhone'em ).

Ekrany dotykowe nie byłyby powszechnie używane w grach wideo aż do premiery Nintendo DS w 2004 roku. Do niedawna większość konsumenckich ekranów dotykowych mogła wyczuwać tylko jeden punkt kontaktu na raz, a niewielu było w stanie wyczuć, jak mocno się dotyka. Zmieniło się to wraz z komercjalizacją technologii wielodotykowej, a Apple Watch został wydany z wyświetlaczem wrażliwym na siłę w kwietniu 2015 roku.

W 2007 r. 93% dostarczonych ekranów dotykowych było rezystancyjnych, a tylko 4% miało przewidywaną pojemność. W 2013 r. 3% dostarczonych ekranów dotykowych było rezystancyjnych, a 90% to przewidywana pojemność.

Technologie

Istnieje wiele technologii ekranów dotykowych z różnymi metodami wykrywania dotyku.

Rezystancyjny

Rezystancyjny panel dotykowy zawiera kilka cienkich warstw, z których najbardziej istotne są dwa przezroczyste warstwy rezystywnych naprzeciw siebie cienką szczelinę pomiędzy nimi. Górna warstwa (ta, która jest dotykana) ma powłokę na spodniej powierzchni; tuż pod nim znajduje się podobna warstwa oporowa na wierzchu podłoża. Jedna warstwa ma połączenia przewodzące po bokach, druga na górze i na dole. Do jednej warstwy przykładane jest napięcie i wykrywane przez drugą. Gdy obiekt, taki jak czubek palca lub końcówka rysika, naciska na zewnętrzną powierzchnię, obie warstwy stykają się, aby się połączyć w tym punkcie. Panel zachowuje się wtedy jak para dzielników napięcia , jedna oś na raz. Dzięki szybkiemu przełączaniu się między poszczególnymi warstwami można wykryć położenie nacisku na ekranie.

Dotyk rezystancyjny jest stosowany w restauracjach, fabrykach i szpitalach ze względu na wysoką tolerancję na płyny i zanieczyszczenia. Główną zaletą technologii dotykowej rezystancyjnej jest jej niski koszt. Dodatkowo, ponieważ do wyczucia dotyku potrzebny jest tylko wystarczający nacisk, można ich używać w rękawiczkach lub używając czegoś sztywnego jako substytutu palca. Wady to konieczność dociskania i ryzyko uszkodzenia ostrymi przedmiotami. Ekrany dotykowe rezystancyjne również cierpią na gorszy kontrast, ze względu na dodatkowe odbicia (tj. odblaski) od warstw materiału umieszczonego na ekranie. Jest to rodzaj ekranu dotykowego, który został użyty przez Nintendo w rodzinie DS , z rodziną 3DS oraz Wii U GamePad .

Powierzchniowa fala akustyczna

Technologia powierzchniowej fali akustycznej (SAW) wykorzystuje fale ultradźwiękowe , które przechodzą przez panel ekranu dotykowego. Po dotknięciu panelu część fali zostaje pochłonięta. Zmiana fal ultradźwiękowych jest przetwarzana przez kontroler w celu określenia położenia zdarzenia dotykowego. Panele dotykowe powierzchniowej fali akustycznej mogą zostać uszkodzone przez elementy zewnętrzne. Zanieczyszczenia na powierzchni mogą również zakłócać funkcjonalność ekranu dotykowego.

Urządzenia SAW mają szeroki zakres zastosowań, w tym linie opóźniające , filtry, korelatory i konwertery DC na DC .

Pojemnościowy

Pojemnościowy ekran dotykowy telefonu komórkowego
Zegarek Casio TC500 z pojemnościowym czujnikiem dotykowym z 1983 roku, z ustawionym pod kątem światłem eksponującym płytki czujnika dotykowego i ślady wyryte na górnej powierzchni szkła zegarka.

Pojemnościowy panel dotykowy składa się z izolatora , takiego jak szkło , pokrytego przezroczystym przewodnikiem , takim jak tlenek indowo-cynowy (ITO). Ponieważ ludzkie ciało jest również przewodnikiem elektrycznym, dotknięcie powierzchni ekranu powoduje zniekształcenie pola elektrostatycznego ekranu , mierzalne jako zmiana pojemności . Do określenia lokalizacji dotyku można użyć różnych technologii. Lokalizacja jest następnie wysyłana do kontrolera w celu przetworzenia. Istnieją ekrany dotykowe, które wykorzystują srebro zamiast ITO, ponieważ ITO powoduje kilka problemów środowiskowych ze względu na użycie indu. Kontroler jest zazwyczaj układem scalonym ASIC (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) (CMOS) , który z kolei wysyła sygnały do cyfrowego procesora sygnałowego CMOS (DSP) w celu przetworzenia.

W przeciwieństwie do rezystancyjnego ekranu dotykowego , niektóre pojemnościowe ekrany dotykowe nie mogą być używane do wykrywania palca przez materiał elektroizolacyjny, taki jak rękawiczki. Ta wada szczególnie wpływa na użyteczność w elektronice użytkowej, takiej jak dotykowe tablety PC i pojemnościowe smartfony w chłodne dni, kiedy ludzie mogą nosić rękawiczki. Można go pokonać za pomocą specjalnego rysika pojemnościowego lub specjalnej rękawicy aplikacyjnej z wyhaftowaną łatą z przewodzącego nici, umożliwiającą kontakt elektryczny z opuszkiem palca użytkownika.

Niskiej jakości zasilacz impulsowy o odpowiednio niestabilnym, zaszumionym napięciu może chwilowo zakłócać precyzję, dokładność i czułość pojemnościowych ekranów dotykowych.

Niektórzy producenci wyświetlaczy pojemnościowych nadal opracowują cieńsze i dokładniejsze ekrany dotykowe. Te do urządzeń mobilnych są obecnie produkowane w technologii „in-cell”, takiej jak ekrany Super AMOLED firmy Samsung , która eliminuje warstwę, budując kondensatory wewnątrz samego wyświetlacza. Ten rodzaj ekranu dotykowego zmniejsza widoczną odległość między palcem użytkownika a tym, co użytkownik dotyka na ekranie, zmniejszając grubość i wagę wyświetlacza, co jest pożądane w smartfonach .

Prosty kondensator z płytami równoległymi ma dwa przewodniki oddzielone warstwą dielektryczną. Większość energii w tym systemie jest skoncentrowana bezpośrednio między płytami. Część energii rozlewa się na obszar poza płytami, a linie pola elektrycznego związane z tym efektem nazywane są polami brzegowymi. Częścią wyzwania, jakim jest stworzenie praktycznego czujnika pojemnościowego, jest zaprojektowanie zestawu ścieżek obwodów drukowanych, które kierują pola brzegowe do aktywnego obszaru wykrywania dostępnego dla użytkownika. Kondensator z płytą równoległą nie jest dobrym wyborem dla takiego wzorca czujnika. Umieszczenie palca w pobliżu otaczających pól elektrycznych zwiększa powierzchnię przewodzącą układowi pojemnościowemu. Dodatkowa pojemność magazynowania ładunku dodana przez palec jest znana jako pojemność palca lub CF. Pojemność czujnika bez palca jest znana jako pojemność pasożytnicza lub CP.

Pojemność powierzchniowa

W tej podstawowej technologii tylko jedna strona izolatora jest pokryta warstwą przewodzącą. Do warstwy przykładane jest niewielkie napięcie, co powoduje powstanie jednolitego pola elektrostatycznego. Kiedy przewodnik, taki jak ludzki palec, dotyka niepowleczonej powierzchni, kondensator tworzy się dynamicznie. Sterownik czujnika może określić położenie dotyku pośrednio na podstawie zmiany pojemności mierzonej z czterech rogów panelu. Ponieważ nie ma ruchomych części, jest średnio wytrzymały, ale ma ograniczoną rozdzielczość, jest podatny na fałszywe sygnały z pasożytniczego sprzężenia pojemnościowego i wymaga kalibracji podczas produkcji. Dlatego jest najczęściej używany w prostych zastosowaniach, takich jak sterowniki przemysłowe i kioski .

Chociaż niektóre standardowe metody wykrywania pojemności mają charakter projekcyjny, w tym sensie, że mogą być używane do wykrywania palca przez nieprzewodzącą powierzchnię, są bardzo wrażliwe na wahania temperatury, które rozszerzają lub kurczą płytki czujnikowe, powodując wahania pojemności tych płyt. Te fluktuacje powodują duży hałas w tle, więc do dokładnego wykrywania wymagany jest silny sygnał palca. Ogranicza to zastosowania do tych, w których palec bezpośrednio dotyka elementu czujnikowego lub jest wykrywany przez stosunkowo cienką nieprzewodzącą powierzchnię.

Przewidywana pojemność

Tylna strona kuli wielodotykowej, oparta na technologii projektowanego pojemnościowego dotyku (PCT)
Ekran dotykowy o pojemności projekcji 8 x 8 wyprodukowany z drutu miedzianego pokrytego izolacją 25 mikronów, osadzonego w przezroczystej folii poliestrowej.
Ten diagram pokazuje, w jaki sposób osiem wejść na ekran dotykowy lub klawiaturę kratową tworzy 28 unikalnych skrzyżowań, w przeciwieństwie do 16 skrzyżowań utworzonych przy użyciu standardowego multipleksowanego ekranu dotykowego x/y .
Schemat projekcyjnego pojemnościowego ekranu dotykowego

Technologia Projected Capacitive Touch (PCT; również PCAP) jest odmianą technologii pojemnościowego dotyku, ale w której czułość na dotyk, dokładność, rozdzielczość i szybkość dotyku zostały znacznie ulepszone dzięki zastosowaniu prostej formy „sztucznej inteligencji”. To inteligentne przetwarzanie umożliwia dokładne i niezawodne odwzorowanie wykrywania palca przez bardzo grube szkło, a nawet podwójne szyby.

Niektóre nowoczesne ekrany dotykowe PCT składają się z tysięcy dyskretnych klawiszy, ale większość ekranów dotykowych PCT składa się z matrycy x/y rzędów i kolumn materiału przewodzącego, ułożonej na arkuszach szkła. Można to zrobić albo wytrawiając pojedynczą warstwę przewodzącą, aby utworzyć siatkowy wzór elektrod , albo wytrawiając dwie oddzielne, prostopadłe warstwy materiału przewodzącego z równoległymi liniami lub ścieżkami, aby utworzyć siatkę, lub tworząc drobną siatkę x/y, przewody z izolacją w jednej warstwie. Liczba palców, które można wykryć jednocześnie, jest określona przez liczbę punktów przecięcia (x * y) . Jednak liczbę punktów przecięcia można prawie podwoić, stosując ukośny układ siatki, w którym zamiast x elementów tylko przecinających y elementów, każdy przewodzący element przecina każdy inny element .

Warstwa przewodząca jest często przezroczysta i jest wykonana z tlenku indowo-cynowego (ITO), przezroczystego przewodnika elektrycznego. W niektórych konstrukcjach napięcie przyłożone do tej siatki wytwarza jednolite pole elektrostatyczne, które można zmierzyć. Kiedy obiekt przewodzący, taki jak palec, styka się z panelem PCT, zniekształca on w tym miejscu lokalne pole elektrostatyczne. Jest to mierzalne jako zmiana pojemności. Jeśli palec wypełnia lukę między dwoma „ścieżkami”, pole ładowania jest dalej przerywane i wykrywane przez kontroler. Pojemność można zmieniać i mierzyć w każdym punkcie siatki. Ten system jest w stanie dokładnie śledzić dotknięcia.

Ze względu na to, że górna warstwa PCT jest szkłem, jest on bardziej wytrzymały niż tańsza rezystancyjna technologia dotykowa. W przeciwieństwie do tradycyjnej pojemnościowej technologii dotykowej, system PCT może wyczuć pasywny rysik lub palec w rękawiczce. Jednak wilgoć na powierzchni panelu, wysoka wilgotność lub nagromadzony kurz mogą wpływać na wydajność. Te czynniki środowiskowe nie stanowią jednak problemu w przypadku ekranów dotykowych opartych na „cienkich przewodach”, ponieważ ekrany dotykowe oparte na przewodach mają znacznie niższą „pasożytniczą” pojemność, a odległość między sąsiednimi przewodami jest większa.

Istnieją dwa rodzaje PCT: pojemność wzajemna i pojemność własna.

Pojemność wzajemna

Jest to powszechne podejście PCT, które wykorzystuje fakt, że większość obiektów przewodzących jest w stanie utrzymać ładunek, jeśli znajdują się bardzo blisko siebie. We wzajemnych czujnikach pojemnościowych kondensator jest z natury tworzony przez ścieżkę rzędu i ścieżkę kolumny na każdym przecięciu siatki. Na przykład tablica 16×14 miałaby 224 niezależne kondensatory. Do wierszy lub kolumn przykładane jest napięcie. Zbliżenie palca lub rysika przewodzącego do powierzchni czujnika zmienia lokalne pole elektrostatyczne, co z kolei zmniejsza wzajemną pojemność. Zmiana pojemności w każdym pojedynczym punkcie siatki może być mierzona w celu dokładnego określenia lokalizacji dotyku poprzez pomiar napięcia na drugiej osi. Wzajemna pojemność umożliwia obsługę wielodotykową, w której można jednocześnie dokładnie śledzić wiele palców, dłoni lub rysików.

Własna pojemność

Czujniki z pojemnością własną mogą mieć taką samą siatkę XY, jak czujniki z pojemnością wzajemną, ale kolumny i wiersze działają niezależnie. W przypadku pojemności własnej obciążenie pojemnościowe palca jest mierzone na każdej elektrodzie kolumny lub rzędu za pomocą miernika prądu lub zmiany częstotliwości oscylatora RC.

Palec można wykryć w dowolnym miejscu na całej długości rzędu. Jeśli ten palec zostanie również wykryty przez kolumnę, można założyć, że pozycja palca znajduje się na przecięciu tej pary wiersz/kolumna. Pozwala to na szybkie i dokładne wykrycie pojedynczego palca, ale powoduje pewne niejasności w przypadku wykrycia więcej niż jednego palca. Dwa palce mogą mieć cztery możliwe pozycje wykrywania, z których tylko dwie są prawdziwe. Jednak dzięki selektywnemu odczulaniu dowolnych punktów styku w sporze można łatwo wyeliminować sprzeczne wyniki. Umożliwia to użycie „pojemności własnej” do obsługi wielodotykowej.

Alternatywnie, niejednoznaczności można uniknąć, stosując sygnał „odczulający” do wszystkich kolumn oprócz jednej . Pozostawia to tylko krótki fragment dowolnego rzędu wrażliwego na dotyk. Wybierając sekwencję tych sekcji w rzędzie, można określić dokładną pozycję wielu palców w tym rzędzie. Ten proces można następnie powtórzyć dla wszystkich pozostałych wierszy, aż do zeskanowania całego ekranu.

Samopojemnościowe warstwy ekranu dotykowego są używane w telefonach komórkowych, takich jak Sony Xperia Sola , Samsung Galaxy S4 , Galaxy Note 3 , Galaxy S5 i Galaxy Alpha .

Pojemność własna jest znacznie bardziej czuła niż pojemność wzajemna i jest używana głównie do pojedynczego dotyku, prostego gestu i wykrywania bliskości, gdzie palec nie musi nawet dotykać szklanej powierzchni. Pojemność wzajemna jest używana głównie w aplikacjach wielodotykowych. Wielu producentów ekranów dotykowych stosuje w tym samym produkcie zarówno technologię własną, jak i wzajemną, łącząc w ten sposób ich indywidualne zalety.

Korzystanie z rysika na ekranach pojemnościowych

Pojemnościowe ekrany dotykowe niekoniecznie muszą być obsługiwane palcem, ale do niedawna wymagane specjalne rysiki mogły być dość drogie w zakupie. Koszt tej technologii znacznie spadł w ostatnich latach, a rysiki pojemnościowe są obecnie powszechnie dostępne za symboliczną opłatą i często rozdawane wraz z akcesoriami mobilnymi. Składają się one z przewodzącego elektrycznie trzonu z miękką przewodzącą gumową końcówką, dzięki czemu oporowo łączą palce z końcówką rysika.

Siatka na podczerwień

Czujniki podczerwieni zamontowane wokół wyświetlacza obserwują wejście użytkownika na ekranie dotykowym na terminalu PLATO V w 1981 roku. Przedstawiono charakterystyczną pomarańczową poświatę monochromatycznego wyświetlacza plazmowego.

An podczerwieni dotykowy wykorzystuje szereg XY podczerwone diody LED oraz fotodetektor pary brzegach ekranu w celu wykrywania zakłóceń w strukturze LED belki. Te wiązki LED krzyżują się ze sobą w układzie pionowym i poziomym. Pomaga to czujnikom określić dokładną lokalizację dotyku. Główną zaletą takiego systemu jest to, że może on wykryć zasadniczo każdy nieprzezroczysty przedmiot, w tym palec, palec w rękawiczce, rysik lub długopis. Jest zwykle używany w zastosowaniach zewnętrznych i systemach POS, które nie mogą polegać na przewodniku (takim jak goły palec) do aktywacji ekranu dotykowego. W przeciwieństwie do pojemnościowych ekranów dotykowych , ekrany dotykowe na podczerwień nie wymagają żadnych wzorów na szkle, co zwiększa trwałość i przejrzystość optyczną całego systemu. Ekrany dotykowe na podczerwień są wrażliwe na brud i kurz, które mogą zakłócać promienie podczerwieni, a także cierpią z powodu paralaksy na zakrzywionych powierzchniach i przypadkowego naciśnięcia, gdy użytkownik unosi palec nad ekranem podczas wyszukiwania elementu do wybrania.

Projekcja akrylowa na podczerwień

Półprzezroczysty arkusz akrylowy służy jako ekran do tylnej projekcji do wyświetlania informacji. Krawędzie arkusza akrylowego są oświetlone diodami podczerwieni, a kamery na podczerwień skupiają się na tylnej stronie arkusza. Obiekty umieszczone na arkuszu są wykrywane przez kamery. Gdy arkusz jest dotykany przez użytkownika, odkształcenie skutkuje wyciekiem światła podczerwonego, które osiąga szczyty w punktach maksymalnego nacisku, wskazując miejsce dotknięcia przez użytkownika. Tablety Microsoft PixelSense korzystają z tej technologii.

Obrazowanie optyczne

Optyczne ekrany dotykowe są stosunkowo nowoczesnym rozwinięciem technologii ekranów dotykowych, w której dwa lub więcej czujników obrazu (takich jak czujniki CMOS ) są umieszczone wokół krawędzi (głównie rogów) ekranu. Podświetlenie w podczerwieni umieszczono w polu widzenia czujnika po przeciwnej stronie ekranu. Dotyk blokuje niektóre światła z czujników, a położenie i rozmiar dotykanego obiektu można obliczyć (patrz wizualny kadłub ). Ta technologia zyskuje na popularności ze względu na jej skalowalność, wszechstronność i przystępność cenową dla większych ekranów dotykowych.

Rozproszona technologia sygnału

Wprowadzony w 2002 roku przez firmę 3M system wykrywa dotyk za pomocą czujników do pomiaru piezoelektryczności szkła. Złożone algorytmy interpretują te informacje i podają rzeczywistą lokalizację dotyku. Na technologię nie ma wpływu kurz i inne elementy zewnętrzne, w tym zarysowania. Ponieważ nie ma potrzeby umieszczania dodatkowych elementów na ekranie, zapewnia również doskonałą przejrzystość optyczną. Do generowania zdarzeń dotykowych można użyć dowolnego obiektu, w tym palców w rękawiczkach. Minusem jest to, że po pierwszym dotknięciu system nie może wykryć nieruchomego palca. Jednak z tego samego powodu przedmioty w stanie spoczynku nie zakłócają rozpoznawania dotyku.

Rozpoznawanie impulsów akustycznych

Kluczem do tej technologii jest to, że dotyk w dowolnym miejscu na powierzchni generuje falę dźwiękową w podłożu, która następnie wytwarza unikalny połączony sygnał mierzony przez co najmniej trzy małe przetworniki przymocowane do krawędzi ekranu dotykowego. Zdigitalizowany sygnał jest porównywany z listą odpowiadającą każdej pozycji na powierzchni, określając lokalizację dotyku. Ruchomy dotyk jest śledzony przez szybkie powtarzanie tego procesu. Dźwięki obce i otoczenia są ignorowane, ponieważ nie pasują do żadnego zapisanego profilu dźwiękowego. Technologia ta różni się od innych technologii opartych na dźwięku tym, że wykorzystuje prostą metodę wyszukiwania zamiast drogiego sprzętu do przetwarzania sygnału. Podobnie jak w przypadku rozproszonego systemu technologii sygnału, nieruchomy palec nie może zostać wykryty po pierwszym dotknięciu. Jednak z tego samego powodu rozpoznawanie dotyku nie jest zakłócane przez żadne spoczywające przedmioty. Technologia została stworzona przez SoundTouch Ltd na początku 2000 roku, zgodnie z opisem w rodzinie patentów EP1852772, i wprowadzona na rynek przez oddział Elo firmy Tyco International w 2006 roku jako Acoustic Pulse Recognition. Ekran dotykowy używany przez Elo jest wykonany ze zwykłego szkła, co zapewnia dobrą trwałość i przejrzystość optyczną. Technologia zwykle zachowuje dokładność dzięki zadrapaniom i kurzowi na ekranie. Technologia ta jest również dobrze dostosowana do wyświetlaczy, które są fizycznie większe.

Budowa

Istnieje kilka głównych sposobów na zbudowanie ekranu dotykowego. Kluczowym celem jest rozpoznanie jednego lub więcej palców dotykających wyświetlacz, zinterpretowanie polecenia, które on reprezentuje i przekazanie polecenia do odpowiedniej aplikacji.

W podejściu rezystancyjnym, które kiedyś było najpopularniejszą techniką, są zazwyczaj cztery warstwy:

  1. Wierzchnia warstwa powlekana poliestrem z przezroczystą metaliczną powłoką przewodzącą na spodzie.
  2. Przekładka samoprzylepna
  3. Warstwa szkła pokryta przezroczystą metaliczną powłoką przewodzącą na górze
  4. Warstwa klejąca na tylnej stronie szyby do montażu.

Gdy użytkownik dotknie powierzchni, system rejestruje zmianę prądu elektrycznego, który przepływa przez wyświetlacz.

Technologia sygnału dyspersyjnego mierzy efekt piezoelektryczny — napięcie generowane podczas przyłożenia siły mechanicznej do materiału — który występuje chemicznie po dotknięciu wzmocnionego podłoża szklanego.

Istnieją dwa podejścia oparte na podczerwieni. W jednym, szereg czujników wykrywa palec dotykający lub prawie dotykający wyświetlacza, przerywając w ten sposób wiązki światła podczerwonego rzutowane na ekran. W drugiej, zamontowane na dole kamery na podczerwień rejestrują ciepło od dotknięcia ekranu.

W każdym przypadku system określa zamierzone polecenie na podstawie kontrolek wyświetlanych na ekranie w czasie i miejscu dotknięcia.

Rozwój

Rozwój ekranów wielodotykowych ułatwił śledzenie więcej niż jednego palca na ekranie; w ten sposób możliwe są operacje wymagające więcej niż jednego palca. Urządzenia te pozwalają również wielu użytkownikom na jednoczesną interakcję z ekranem dotykowym.

Wraz z rosnącym wykorzystaniem ekranów dotykowych, koszt technologii ekranu dotykowego jest rutynowo pochłaniany przez produkty, które go zawierają i jest prawie całkowicie wyeliminowany. Technologia ekranu dotykowego wykazała się niezawodnością i można ją znaleźć w samolotach, samochodach, konsolach do gier, systemach sterowania maszynami, urządzeniach i przenośnych urządzeniach wyświetlających, w tym telefonach komórkowych; Przewiduje się, że rynek ekranów dotykowych dla urządzeń mobilnych wyniesie do 2009 roku 5 miliardów dolarów.

Zdolność do dokładnego wskazywania na sam ekran również rozwija się wraz z pojawiającymi się hybrydami graficznymi tablet-ekran . Polifluorek winylidenu (PVFD) odgrywa główną rolę w tej innowacji ze względu na swoje wysokie właściwości piezoelektryczne, które pozwalają tabletowi wyczuwać nacisk, dzięki czemu takie rzeczy, jak malowanie cyfrowe, zachowują się bardziej jak papier i ołówek.

TapSense, wprowadzony na rynek w październiku 2011 r., umożliwia ekranom dotykowym rozróżnienie, która część dłoni została użyta do wprowadzania danych, np. opuszki palca, knykcie i paznokieć. Może to być używane na różne sposoby, na przykład do kopiowania i wklejania, pisania wielkich liter, aktywowania różnych trybów rysowania itp.

Prawdziwa praktyczna integracja obrazu telewizyjnego z funkcjami zwykłego, nowoczesnego komputera może być innowacją w niedalekiej przyszłości: na przykład „wszystkie informacje na żywo” w Internecie o filmie lub aktorach na wideo, lista innych muzyka podczas normalnego wideoklipu piosenki lub wiadomości o danej osobie.

Ergonomia i użytkowanie

Dokładność ekranu dotykowego

Aby ekrany dotykowe były skutecznymi urządzeniami wejściowymi, użytkownicy muszą mieć możliwość dokładnego wybierania celów i unikania przypadkowego wyboru sąsiednich celów. Projekt interfejsów dotykowych powinien odzwierciedlać techniczne możliwości systemu, ergonomię , psychologię poznawczą i fizjologię człowieka .

Wytyczne dotyczące projektów ekranów dotykowych zostały po raz pierwszy opracowane w latach 90. XX wieku, w oparciu o wczesne badania i faktyczne wykorzystanie starszych systemów, zwykle wykorzystujących siatki podczerwieni — które w dużym stopniu zależały od wielkości palców użytkownika. Te wytyczne są mniej istotne w przypadku większości nowoczesnych urządzeń wykorzystujących pojemnościową lub rezystancyjną technologię dotykową.

Od połowy 2000 r. producenci systemów operacyjnych dla smartfonów ogłaszali standardy, ale różnią się one między producentami i pozwalają na znaczne zróżnicowanie rozmiaru w zależności od zmian technologicznych, więc są nieodpowiednie z punktu widzenia czynników ludzkich .

O wiele ważniejsza jest dokładność, jaką ludzie mają w wybieraniu celów palcem lub rysikiem. Dokładność wyboru użytkownika różni się w zależności od pozycji na ekranie: użytkownicy są najdokładniejsi na środku, mniej na lewej i prawej krawędzi, a najmniej dokładni na górnej, a zwłaszcza na dolnej krawędzi. R95 dokładność (wymagany promień 95% dokładności pomiarowej) wynosi od 7 mm (0,28 cala) w środku do 12 mm (0,47 cala) w dolnych narożach. Użytkownicy zdają sobie z tego sprawę podświadomie i poświęcają więcej czasu na wybranie obiektów, które są mniejsze lub znajdują się na krawędziach lub rogach ekranu dotykowego.

Ta niedokładność użytkownika wynika z paralaksy , ostrości wzroku i szybkości sprzężenia zwrotnego między oczami i palcami. Precyzja samego ludzkiego palca jest znacznie, znacznie wyższa, więc jeśli zapewnione są technologie wspomagające, takie jak lupy ekranowe, użytkownicy mogą poruszać palcem (po zetknięciu się z ekranem) z precyzją nawet 0,1 mm ( 0,004 cala).

Pozycja ręki, cyfra używana i przełączanie

Użytkownicy podręcznych i przenośnych urządzeń z ekranem dotykowym trzymają je na różne sposoby i rutynowo zmieniają sposób trzymania i wyboru, aby dopasować je do pozycji i rodzaju wprowadzania. Istnieją cztery podstawowe typy interakcji na urządzeniach przenośnych:

  • Trzymanie przynajmniej częściowo obiema rękami, stukanie jednym kciukiem
  • Trzymanie dwiema rękami i stukanie dwoma kciukami
  • Trzymanie jedną ręką, stukanie palcem (lub rzadziej kciukiem) drugiej ręki
  • Trzymanie urządzenia jedną ręką i stukanie kciukiem tej samej ręki

Stawki użytkowania są bardzo zróżnicowane. Podczas gdy stukanie dwoma kciukami jest rzadko spotykane (1–3%) w przypadku wielu ogólnych interakcji, jest ono używane w przypadku 41% interakcji związanych z pisaniem.

Ponadto urządzenia są często umieszczane na powierzchniach (biurka lub stoły), a zwłaszcza tablety są używane na stojakach. W takich przypadkach użytkownik może wskazywać, wybierać lub gestykulować palcem lub kciukiem i zmieniać sposób korzystania z tych metod.

W połączeniu z dotykiem

Ekrany dotykowe są często używane z systemami reakcji dotykowych . Typowym przykładem tej technologii jest wibracyjne sprzężenie zwrotne, które pojawia się po dotknięciu przycisku na ekranie dotykowym. Haptyki są wykorzystywane do poprawy doświadczeń użytkownika z ekranami dotykowymi, zapewniając symulowane dotykowe informacje zwrotne i mogą być zaprojektowane tak, aby reagowały natychmiast, częściowo przeciwdziałając opóźnieniom reakcji na ekranie. Badania z University of Glasgow (Brewster, Chohan i Brown, 2007; a ostatnio Hogan) pokazują, że użytkownicy ekranu dotykowego redukują błędy wprowadzania (o 20%), zwiększają szybkość wprowadzania (o 20%) i zmniejszają obciążenie poznawcze (o 20%). 40%), gdy ekrany dotykowe są połączone z haptyczną lub dotykową informacją zwrotną. Ponadto w badaniu przeprowadzonym w 2013 r. przez Boston College zbadano wpływ stymulacji dotykowej na ekrany dotykowe na wyzwalanie psychologicznej własności produktu. Ich badania wykazały, że zdolność ekranów dotykowych do wprowadzania dużej ilości zaangażowania dotykowego sprawiała, że ​​klienci czuli się bardziej obdarzeni produktami, które projektowali lub kupowali. Badanie wykazało również, że konsumenci korzystający z ekranu dotykowego byli skłonni zaakceptować wyższą cenę za kupowane przedmioty.

Obsługa klienta

Technologia ekranu dotykowego została zintegrowana z wieloma aspektami branży obsługi klienta w XXI wieku. Branża restauracyjna jest dobrym przykładem wdrożenia ekranu dotykowego w tej dziedzinie. Sieciowe restauracje, takie jak Taco Bell, Panera Bread i McDonald's, oferują ekrany dotykowe jako opcję, gdy klienci zamawiają pozycje z menu. Chociaż dodanie ekranów dotykowych jest postępem w tej branży, klienci mogą pominąć ekran dotykowy i złożyć zamówienie u tradycyjnego kasjera. Aby pójść o krok dalej, restauracja w Bangalore podjęła próbę całkowitego zautomatyzowania procesu zamawiania. Klienci siadają do stołu z wbudowanymi ekranami dotykowymi i zamawiają obszerne menu. Po złożeniu zamówienia jest ono wysyłane drogą elektroniczną do kuchni. Tego typu ekrany dotykowe pasują do systemów punktów sprzedaży (POS) wymienionych w sekcji wiodącej.

„Ramię goryla”

Rozszerzone użycie interfejsów gestów bez możliwości oparcia ramienia przez użytkownika jest określane jako „ramię goryla”. Może powodować zmęczenie, a nawet urazy spowodowane powtarzającym się stresem, gdy są rutynowo stosowane w miejscu pracy. Niektóre wczesne interfejsy oparte na piórach wymagały od operatora pracy w tej pozycji przez większą część dnia pracy. Umożliwienie użytkownikowi oparcia dłoni lub ramienia na urządzeniu wejściowym lub ramie wokół niego jest rozwiązaniem tego problemu w wielu kontekstach. Zjawisko to jest często przytaczane jako przykład ruchów, które należy zminimalizować dzięki odpowiedniej ergonomicznej konstrukcji.

Nieobsługiwane ekrany dotykowe są nadal dość powszechne w aplikacjach, takich jak bankomaty i kioski danych, ale nie stanowią problemu, ponieważ typowy użytkownik angażuje się tylko w krótkich i szeroko rozstawionych okresach.

Odciski palców

Odciski palców i smugi na ekranie dotykowym iPada ( tabletu )

Ekrany dotykowe mogą cierpieć z powodu problemu odcisków palców na wyświetlaczu. Można to złagodzić, stosując materiały z powłokami optycznymi zaprojektowanymi w celu zmniejszenia widocznych efektów olejków daktyloskopijnych. Większość nowoczesnych smartfonów ma powłoki oleofobowe , które zmniejszają ilość pozostałości oleju. Inną opcją jest zainstalowanie matowego, antyodblaskowego zabezpieczenia ekranu , które tworzy lekko chropowatą powierzchnię, która nie zatrzymuje łatwo smug.

Dotyk rękawicy

Ekrany dotykowe nie działają przez większość czasu, gdy użytkownik nosi rękawiczki. Istotną rolę odgrywa w tym grubość rękawicy i materiał, z którego są wykonane, a także zdolność wychwytywania dotyku przez ekran dotykowy.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

Zewnętrzne linki