Infrarot-Touchscreen neu entdeckt / Markt & Technik

Fachbeitrag Markt & Technik 49/2019

Touchscreen-Technologie zForce

Die Infrarot-Technik für Touchscreens blickt auf eine lange Geschichte zurück, birgt aber auch Nachteile. Eine neue Technologie bietet eine Alternative, indem sie das altbekannte Prinzip der Lichtschranke aufgreift und es in die aktuelle HMI-Technik transferiert.

© Neonode
© Neonode

Das Prinzip der Infrarot-Technik ist simpel: In x- und y-Richtung des Bildschirms wird ein Lichtgitter aufgespannt. Wird dieses unterbrochen, lässt sich jeder eindringende Gegenstand detektieren und dessen Position auswerten. Diese Technik ist einfach und robust, und sie hat den Vorteil vom Display getrennt zu sein. Verwendet wird sie dort, wo Displays extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, etwa durch Umgebungstemperaturen oder Vandalismus. Beispiele sind Fahrkarten- und Bankautomaten, wo man sich auf die Absicherung der Displayoberfläche konzentriert und sie den Anforderungen gerecht macht, beispielsweise eine dicke Scheibe aus Schutzglas montiert, die im Beschädigungsfall ausgetauscht wird.

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.

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

Infrarot-Laser mit Reflexion

Die unter dem Namen „zForce“ bekannte Technologie bringt Sender und Empfänger nebeneinander in einem streifenförmigen Gehäuse unter, das nur auf einer Längsseite des Displays montiert werden muss. 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.

Funktionsprinzip des Infrarot-Touchscreen (links); Funktionsprinzip des zForce-Touchscreens (rechts)
Funktionsprinzip des Infrarot-Touchscreen (links); Funktionsprinzip des zForce-Touchscreens (rechts)

Systemintegration

Bei Infrarot-Touchscreens ist der Sensor mit dem Gehäuse verbunden, aber nicht zwangsläufig mit dem Display verklebt. Die Displayoberfläche liegt hinter der 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. So lässt er sich entweder bündig mit dem Gehäuse oder außen auf dem Gehäuse montieren. Ablagerungen oberhalb des Displays, wie Staub und Wasser, beeinträchtigen die Funktion nicht, das Display rückt näher nach vorne im Gerät.

 

Bild 2: Querschnitt durch ein Infrarot-Touchscreen-System (links); Querschnitt durch ein zForce-Touchscreen-System (rechts)

Applikationen

Die zForce-Technologie eignet sich hervorragend für den Einsatz in rauen Umgebungen im Innen- und Außenbereich, wo andere Touchprinzipien versagen, oder um existierende Systeme nachzurüsten. Durch den weiten Temperaturbereich ist der Einsatz in industrieller Umgebung problemlos möglich. Die Bedienung ist mit jedem lichtreflektierenden Gegenstand möglich, also auch mit Schutzhandschuhen, Kreditkarten und Stiften. Selbst mit nassen oder schmutzigen Händen oder langen Fingernägeln ist eine Bedienung möglich. Weil der Touchsensor außerhalb des Displays montiert wird, lässt sich das Display ohne Rücksicht auf den Touchscreen vor den, Umgebungsbedingungen schützen. Gegenüber eingestrahlten elektromagnetischen Störungen ist der Touchsensor unempfindlich, was einen Einsatz in Nutzfahrzeugen, landwirtschaftlichen Geräten und Maschinen mit großen elektrischen Antrieben ermöglicht. 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, denn die Displayöffnung 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, weil im Gegensatz zum IR-Touchscreen nur eine Dimension abgedeckt werden muss. Sogar das ist kein Muss: Mit einem selektiven Touchbereich ist es etwa möglich, das On-Screen-Menü eines Großbildschirms in einer unteren Ecke zu bedienen, ohne dass der Touchsensor die gesamte Breite des Bildschirms abdecken muss.

Andere Einsatzgebiete

Je nach Orientierung des Lasers lässt sich zForce als Touchscreen, Lichtschranke oder Näherungssensor einsetzen. 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: Sensor-Modul, rechts Öffnung für Sender und Empfänger (© Neonode)

Touch-Screen ohne Berührung

Während der Ersatz konventioneller Touchscreens nahe liegt, findet die zForce-Technologie weitere Einsatzgebiete; Ideal ist sie für die 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.

 

Bild: Einsatz als Lichtschranke (links) und Näherungssensor (rechts)

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

Software-Integration

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.

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.

  • Optik: Weil die Technik ohne Abdeckung des Displays funktioniert, lässt sich das Display hier für die Applikation optimieren. Optische Parameter wie Transparenz, Reflexion und Kontrast werden von zForce nicht beeinflusst.
     
  • Integration: Dadurch, dass die direkte Verbindung zum Display nicht 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 gegenüber allen herkömmlichen Chemikalien, die zur Reinigung oder auch Sterilisierung im medizinischen Umfeld verwendet werden, resistent. 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 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 unabhängig von der Zahl der Betätigungen hoch.
     
  • Ergonomie: Während das Argument für PCAP die ebene, bündig abschließende Oberfläche ist, punktet der zForce-Sensor damit, dass er sich für spezielle Applikationen eignet. Er bietet Multitouch-Funktionen und erkennt mehrere Finger und Gesten. Außerdem ist er mit allen Medien bedienbar, seien es dicke Handschuhe, Kreditkarten oder Fingernägel. Diese Eigenschaft lässt sich ausnutzen, um eine berührungslose Bedienung in sterilen Bereichen oder mit verschmutzten Händen zu ermöglichen. Unter dem Aspekt des besonderen Designs kann der Touchsensor auch ganz in einer Oberfläche verschwinden und verborgen zur Bedienung verwendet werden.
Vergleich gängiger Touch-Technologien
Vergleich gängiger Touch-Technologien
Kontakt

Kontakt HY-LINE

Helpdesk 089 / 614 503 40

E-Mail computer@hy-line.de

Kontakt Schweiz

Helpdesk +41 52 647 42 00

E-Mail info@hy-line.ch