Ein Klassiker erfindet sich neu

Fachbeitrag Medizin + Elektronik 01/2020

Infrarot-Touchscreens? Das sind doch die hässlichen, im Sonnenlicht nicht bedienbaren Touchscreens mit dicken Rahmen, die man von Fahrkartenautomaten kennt! Multitouch, Gesten? Gibt es nicht! Doch: Eine neue Technologie greift das altbekannte Prinzip der Lichtschranke auf und transferiert es in die aktuelle HMI-Technik.

© Neonode
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Die Infrarot-Technik für Touchscreens blickt auf eine lange Geschichte zurück. Das Prinzip ist simpel: In x- und y-Richtung des Bildschirms wird ein Lichtgitter aufgespannt, bei dessen Unterbrechung jeder eindringende Gegenstand detektiert und dessen Position ausgewertet werden kann (Bild 1). Diese Technik ist einfach, robust und hat den Vorteil, vom Display getrennt zu sein. Sie kommt dort zum Einsatz, wo Displays extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind: zum Beispiel bei Fahrkarten- und Bankautomaten. Dort kann man sich auf die Absicherung der Display-Oberfläche konzentrieren und den Anforderungen gerecht machen. Etwa eine dicke Scheibe aus Schutzglas montieren, die im Beschädigungsfall ausgetauscht werden kann.

Es gibt jedoch einige Nachteile. Mit der Diagonale steigt die Anzahl an IR-Emittern und Detektor-Dioden sowie die Stromaufnahme. Helles Umgebungslicht, wie das zu manchen Tageszeiten direkt einfallende Sonnenlicht, überlagert sich mit dem Nutzsignal und blendet die Fotodioden, die das Signal empfangen sollen.

Da der Touchscreen hinter der Frontplatte montiert ist, liegt das Display relativ tief im Gehäuse, wodurch die Randbereiche bei schrägem Blickwinkel schlecht ablesbar sind. Ein neuer Ansatz vermeidet diese Nachteile und bietet gleichzeitig ein modernes Bedienkonzept.

Bild 1 (links). Funktionsprinzip des Infrarot-Touchscreens; Bild 2 (rechts). Funktionsprinzip des zForce-Touchscreens.
Bild 1 (links). Funktionsprinzip des Infrarot-Touchscreens; Bild 2 (rechts). Funktionsprinzip des zForce-Touchscreens.

Infrarot-Laser mit Reflexion

Die Technologie, die unter dem Namen "zForce" bekannt ist, bringt Sender und Empfänger nebeneinander in einem streifenförmigen Gehäuse unter, das nur auf einer Längsseite des Displays montiert werden muss (Bild 2). Sie wertet nicht die Unterbrechung eines Lichtvorhangs, sondern die Reflexion des emittierten Lichts durch einen Gegenstand in Sichtweite aus.

Die Erkennung von Mehrfinger-Funktionen und Gesten erledigt der eingebaute Controller. Diese Technologie bietet gegenüber PCAP-Touchscreens mehrere Vorteile: Die Bedienung muss nicht mit einem leitfähigen Gegenstand erfolgen; gegenüber elektromagnetischen Feldern und hellem Umgebungslicht ist sie unempfindlich; der eingebaute Controller präsentiert sich als USB-HID (Human Interface Device) und arbeitet deshalb sofort mit dem Betriebssystem eines entsprechenden Hosts zusammen und ersetzt oder ergänzt die Maus-Funktionen als Single- oder Multitouch.

Bei Infrarot-Touchscreens ist - wie bereits erwähnt - der Sensor mit dem Gehäuse verbunden, aber nicht zwangsläufig mit dem Display verklebt. Bild 3 zeigt einen Querschnitt durch die Konstruktion. Die Displayoberfläche liegt hinter Frontplatte, Touchsensor und Schutzglas weit innen im Gerät. Um den gesamten Displayinhalt einzusehen, muss der Benutzer geradlinig vor dem Gerät stehen. Für die Integration des z-Force-Sensors gibt es mehrere Möglichkeiten. Er kann entweder bündig mit dem Gehäuse oder außen auf dem Gehäuse (Bild 4) montiert werden. Oberhalb des Displays können Ablagerungen wie Staub und Wasser die Funktion nicht beeinträchtigen. Das Display rückt näher nach vorne im Gerät.

Bedienung mit Handschuhen

Die zForce-Technologie eignet sich unter anderem für den Gebrauch in rauen Umgebungen im Innen- und Außenbereich, wo andere Touch-Prinzipien versagen. Mit ihr lassen sich auch bereits existierende Systeme nachrüsten. Durch den weiten Temperaturbereich ist der Einsatz in industrieller Umgebung problemlos möglich. Die Bedienung kann mit jedem Gegenstand erfolgen, der Licht reflektiert, also auch mit Schutzhandschuhen, Kreditkarten und Stiften. Selbst mit nassen oder schmutzigen Händen oder langen Fingernägeln ist eine Bedienung einfach. Da der Touchsensor außerhalb des Displays montiert wird, kann das Display ohne Rücksicht auf den Touchscreen vor den Umgebungsbedingungen geschützt werden.

Gegenüber eingestrahlten elektromagnetischen Störungen ist der Touchsensor unempfindlich. Daher kann er in Nutzfahrzeugen, landwirtschaftlichen Geräten und Maschinen mit großen elektrischen Antrieben genutzt werden. Das Funktionsprinzip erlaubt, die Displayoberfläche mit einer Abschirmung gegen Abhören zu versehen oder in einer empfindlichen Umgebung nicht durch Strahlungen zu stören.

Natürlich funktioniert der Schutz auch nach innen: Die Display-Öffnung als Einfallstor für elektrische Störsignale kann abgedichtet werden. Als "Smart Sensor", zum Beispiel an einer Arbeitsplatte aus Holz oder Stein, kommt der Sensor auch ohne Display aus. Die Kosten skalieren gut mit der Größe des Bildschirms, da im Gegensatz zum IR-Touchscreen nur eine Dimension abgedeckt werden muss. Sogar das ist kein Muss: Mit einem selektiven Touchbereich kann beispielsweise das On-Screen-Menü eines Großbildschirms in einer unteren Ecke bedient werden, ohne dass der Touchsensor die gesamte Breite des Bildschirms abdecken muss.

Je nach Orientierung des Lasers kann zForce als Touchscreen, Lichtschranke oder Näherungssensor eingesetzt werden. Bild 5 zeigt die Unterschiede. Mit um 90° gedrehter Ausrichtung dient der Sensor als eindimensionale Bedienoberfläche. Im Gegensatz zu herkömmlichen Näherungssensoren, die die Signalstärke als Indikator für die Position eines Objekts auswerten, bestimmen hier die Kombination von Sender- und Empfänger-Signal die Position eines Objekts.

Bild 3 (links). Querschnitt durch ein Infrarot-Touchscreen-System; Bild 4 (mitte). Querschnitt durch ein zForce-Touchscreen-System; Bild 5 (rechts). Einsatz als Lichtschranke (links) und Näherungssensor (rechts).
Bild 3 (links). Querschnitt durch ein Infrarot-Touchscreen-System; Bild 4 (mitte). Querschnitt durch ein zForce-Touchscreen-System; Bild 5 (rechts). Einsatz als Lichtschranke (links) und Näherungssensor (rechts).

Touchscreen ohne Berührung

Während der Ersatz konventioneller Touchscreens nahe liegt, findet die zForce-Technologie weitere Einsatzgebiete, zum Beispiel für Monitore bildgebender Verfahren in der Medizintechnik. Die Bildqualität wie Kontrast, Vergütung, Entspiegelung und Parallaxe bleiben erhalten, da die optischen Eigenschaften der Displayoberfläche nicht beeinflusst werden. Nicht nur hier zeigt sich der Vorteil, mit sterilen Handschuhen keine Oberfläche berühren zu müssen, sondern auch an öffentlichen Plätzen, wo Aufzüge gerufen, Automaten bedient und Toilettenspülungen ausgelöst werden sollen: Keime haben keine Chance, sich auszubreiten. Auch in der Lebensmittelindustrie oder der Restaurantküche können Geräte mit "schmutzigen" Fingern bedient werden, ohne die Oberfläche zu berühren und den darunter liegenden Bildschirm unlesbar zu machen.

In der Funktion als Lichtschranke kann die Technologie verwendet werden, um die Präsenz von (unerwünschten) Objekten zu erkennen, und das System kann entsprechende Aktionen vornehmen. Als Näherungssensor kann er auch in bewegten Objekten eingebaut werden, um Kollisionen mit der Umwelt zu vermeiden, wie in Saug- oder Mährobotern.

Vergleich mit anderen Touch-Technologien

Im Vergleich mit anderen Technologien schneidet zForce gut ab. Insbesondere die fehlende Kopplung zum darunter liegenden Display ermöglicht Applikationen, die so mit anderen Touchscreens nicht realisierbar sind. Bild 6 zeigt den Sensor in der Seitenansicht.

Vergleich gängiger Touch-Technologien.
Vergleich gängiger Touch-Technologien.

Optik

Da die Technik ohne Abdeckung des Displays funktioniert, kann das Display hier für die Applikation optimiert werden. Optische Parameter wie Transparenz, Reflexion und Kontrast werden von zForce nicht beeinflusst.

Integration

Das keine direkte Verbindung zum Display nötig ist, kann ein Monitor über einen Retrofit-Bausatz nachträglich aufgerüstet werden. Für Notebook-Anwender gibt es fertige Leisten, die es zu einem Touchscreen-Notebook aufrüsten.

Robustheit

Der Touchsensor selber ist resistent gegenüber herkömmlichen Chemikalien, die zur Reinigung oder auch Sterilisierung im medizinischen Umfeld verwendet werden. Der Vandalismus, der sich meist gegen das Display richtet, wird dort mit einer geeigneten Frontscheibe unwirksam gemacht. Da das Funktionsprinzip nicht auf elektromagnetischen Feldern, sondern auf "unsichtbarem" Licht basiert, gibt der Sensor weder elektromagnetische Strahlung ab, noch lässt er sich von anwesenden Feldern oder Störimpulsen in seiner Funktion beeinträchtigen. Umgebungslicht von der Sonne oder starken Lichtquellen sieht der Sensor auf Grund von Filtern nicht. Die Lebensdauer ist hoch - unabhängig von der Zahl der Betätigungen.

Ergonomie

Bild 6. Sensor-Modul, rechts Öffnung für Sender und Empfänger.

Während das Argument für P-CAP die ebene, bündig abschließende Oberfläche ist, kann der zForce-Sensor mit der Eignung für spezielle Applikationen punkten. Er bietet Multitouch-Funktionen mit der Erkennung von mehreren Fingern und Gesten und ist mit allen Medien bedienbar, seien es dicke Handschuhe, Kreditkarten oder Fingernägel. Diese Eigenschaft kann auch ausgenutzt werden, um eine berührungslose Bedienung in sterilen Bereichen oder mit verschmutzten Händen zu ermöglichen. Unter dem Aspekt besonderen Designs kann der Touchsensor auch ganz in einer Oberfläche verschwinden und verborgen zur Bedienung verwendet werden. Die Tabelle stellt die Technologien im Vergleich dar.

Bild 6. Sensor-Modul, rechts Öffnung für Sender und Empfänger.

Fazit

Auch wenn heute die Mehrzahl aller Touchscreens auf dem P-CAP-Prinzip basieren, gibt es doch Anwendungen, für die sie sich weniger gut eignet. Die zForce-Technologie bietet den Vorteil der separaten Montage; die Displayoberfläche wird durch den Touchscreen nicht beeinflusst. Dadurch kann sie nach anderen Kriterien ausgelegt werden: Für den rauen Einsatz, für die Bedienung mit jedem Gegenstand, dort, wo eine tatsächliche Berührung des Touchscreens nicht erwünscht ist oder wo die Bildqualität nicht durch eine auf dem Display angebrachte zusätzliche Schicht beeinflusst werden darf.

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