Infrarot-Touchscreens mit Lichtschrankenprinzip

Fachbeitrag open automation 06/2019

Die Infrarot-Touchtechnologie hat viele Vor-, aber eben auch Nachteile. Letztere spiegeln sich in Kommentaren wider, wie: Infrarot-Touchscreens – das sind doch die hässlichen, im Sonnenlicht unbedienbaren Touchscreens mit den dicken Rahmen, die man von Fahrkartenautomaten kennt?! Oder: Multitouch und Gestensteuerung – das gibt es nicht. Eine neue Technologie greift nun das altbekannte Lichtschrankenprinzip auf und transferiert es in die aktuelle HMI-Technik. HY-LINE erklärt das Funktionsprinzip und zeigt neue Anwendungsgebiete auf.

© Neonode
© Neonode

Die Infrarot-Technologie 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 wird. Diese Technik ist nicht nur einfach, sondern auch robust und hat den Vorteil, vom Display getrennt zu sein. Sie ist dann die richtige Wahl, wenn Displays extremen Umgebungsbedingungen, wie hohe Umgebungstemperaturen oder Vandalismus, ausgesetzt sind. Beispielapplikationen sind Fahrkarten- und Bankautomaten. In diesen Fällen konzentriert sich der Gerätehersteller auf die Absicherung der Displayoberfläche und passt sie an die Anforderungen an, indem er zum Beispiel eine dicke Scheibe aus Schutzglas montiert, die im Beschädigungsfall ausgetauscht werden kann.

Die Infrarot-Technologie bringt aber auch einige Nachteile mit sich: Mit der Diagonale steigt die Anzahl an IR-Emittern und Detektordioden sowie die Stromaufnahme. Helles Umgebungslicht oder direkt einfallendes Sonnenlicht überlagert sich mit dem Nutzsignal und blendet die Fotodioden, die das Signal empfangen sollen. Da der Touchscreen hinter der Frontplatte montiert wird, liegt das Display relativ tief im Gehäuse, wodurch die Randbereiche bei schrägem Blickwinkel schlecht ablesbar werden.

Funktionsprinzip des Infrarot-Touchscreens (links) und Querschnitt durch ein Infrarot-Touchscreensystem (rechts)
Funktionsprinzip des Infrarot-Touchscreens (links) und Querschnitt durch ein Infrarot-Touchscreensystem (rechts)

Infrarot-Laser mit Reflexion

Ein neuer Ansatz der bekannten Technologie vermeidet diese Nachteile und bietet gleichzeitig ein modernes Bedienkonzept: Die Touchscreen-Technologie, die unter dem Namen „zForce“ bekannt ist, bringt Sender und Empfänger nebeneinander in einem langen, schmalen 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 Mehrfingerfunktionen und Gesten erfolgt mittels eines eingebauten Controllers. Dieser fungiert 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.

Für die Integration des „zForce“-Sensors gibt es mehrere Möglichkeiten: Er kann entweder bündig mit dem Gehäuse oder außen auf dem Gehäuse montiert werden. Oberhalb des Displays beeinträchtigen Ablagerungen, wie Staub und Wasser, die Funktion nicht. Das Display rückt näher nach vorne im Gerät Da der Touchsensor generell außerhalb des Displays montiert wird, kann das Display ohne Rücksicht auf den Touchscreen vor den Umgebungsbedingungen geschützt werden. Das Funktionsprinzip erlaubt es einerseits, die Displayoberfläche mit einer Abschirmung gegen Abhören zu versehen. Auf der anderen Seite stört es empfindliche Umgebungen nicht durch Strahlungen. Natürlich funktioniert der Schutz auch nach innen: 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, da im Gegensatz zum IR-Touchscreen nur eine Dimension abgedeckt werden muss. Und auch 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 ist „zForce“ als Touchscreen, Lichtschranke oder Näherungssensor einsetzbar. In der Funktion als Lichtschranke kann die Technologie verwendet werden, um die Präsenz von (unerwünschten) Objekten zu erkennen, und das System kann entsprechende Aktionen einleiten. Als Näherungssensor lässt er sich auch in bewegten Objekten einbauen, um Kollisionen mit der Umwelt zu vermeiden. 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.

Funktionsprinzip des "zForce"-Touchscreens (links) und Querschnitt durch ein "zForce"-Touchscreensystem (rechts)
Funktionsprinzip des "zForce"-Touchscreens (links) und Querschnitt durch ein "zForce"-Touchscreensystem (rechts)

Neue Applikationen erschließen

Vergleich gängiger Touchtechnologien
Vergleich gängiger Touchtechnologien

Die „zForce“-Technologie eignet sich hervorragend für den Einsatz in rauen Umgebungen im Innen- und Außenbereich, wo andere Touchprinzipien versagen. Durch den weiten Temperaturbereich ist der Einsatz in industrieller Umgebung problemlos möglich. Die Gerätebedienung 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.

Mit diesen Eigenschaften lassen sich weitere Applikationsfelder erschließen. So eignet sich die „zForce“-Technologie beispielsweise ideal 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. Der Touchsensor selbst ist gegenüber alten herkömmlichen Chemikalien, die zur Reinigung oder auch Sterilisierung im medizinischen Umfeld verwendet werden, resistent. Dem Vandalismus, der sich meist gegen das Display richtet, wird mit einer geeigneten Frontscheibe entgegengewirkt. 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 aufgrund von Filtern nicht. Die Lebensdauer ist unabhängig von der Zahl der Betätigungen hoch.

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.

Fazit

Auch wenn heute die Mehrzahl aller Touchscreens auf dem PCAP-Prinzip basieren, gibt es doch Anwendungen, für die sie weniger gut geeignet sind. Während das Argument für PCAP 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. Zudem bietet die „zForce“-Technologie 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. Prinzipiell muss nicht einmal ein Display hinterlegt sein.

 

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