Rückkehr der Infrarot-Touchscreens

Fachbeitrag Elektronik 25/2019

Neuer alter Bekannter in der HMI-Entwicklung:

Infrarot-Touchscreens sind wieder eine Alternative in der HMI-Entwicklung. Mit einem modifizierten Ansatz entfallen die bekannten Nachteile – dicke Rahmen und eingeschränkte Funktionstüchtigkeit bei Sonnenlicht. Auch Multitouch und Gestensteuerung sind mittlerweile möglich.

© Neonode
© Neonode

Die Infrarot-Technik (IR) für Touchscreens blickt auf eine lange Geschichte zurück. Das Prinzip ist simpel: in x- und y-Richtung des Bildschirms wird ein Lichtgitter aufgespannt, dessen Unterbrechung durch einen Gegenstand detektiert und die Position ermittelt werden kann (Bild 1). Diese Technik ist einfach, robust und kann vom Display getrennt werden, um sich auf die Absicherung der Displayfront zu fokussieren. Für öffentlich zugängliche Systeme wie Fahrkarten- und Bankautomaten, die gegen Vandalismus geschützt werden müssen, spielen solche Überlegungen eine große Rolle. Die IR-Technik wird allgemein dort verwendet, wo Displays extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, etwa durch stark schwankende Umgebungstemperaturen oder raue Betriebsbedingungen. 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.

Bild 1: Funktionsprinzip eines Infrarot-Touchscreens
Bild 1: Funktionsprinzip eines Infrarot-Touchscreens

Da 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-Laserdioden mit Reflexion

Bild 2: Funktionsprinzip des zForce-Touchscreens
Bild 2: Funktionsprinzip des zForce-Touchscreens

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. Sie wertet nicht die Unterbrechung eines Lichtvorhangs, sondern die Reflexion des emittierten Lichts durch einen Gegenstand in Sichtweite aus (Bild 2). Ein integrierter Controller erkennt Mehrfingerfunktionen und Gesten. Dieser Ansatz bietet gegenüber PCAP-Touchscreens mehrere Vorteile. Die Bedienung muss nicht mit einem leitfähigen Gegenstand erfolgen und gegenüber elektromagnetischen Feldern ist sie unempfindlich. Die Funktionsbeeinträchtigung durch helles Umgebungslicht, für die IR-Touchscreens bekannt waren, tritt hier nicht mehr auf.

Systemintegration und Anwendungen

Bei Infrarot-Touchscreens ist der Sensor mit dem Gehäuse verbunden, aber nicht zwangsläufig mit dem Display verklebt. Dadurch kann ein Monitor über einen Retrofit-Bausatz nachträglich aufgerüstet werden. Für Notebook-Anwender gibt es fertige Leisten, die es zu einem Touchscreen-Notebook aufrüsten. Bild 3 zeigt einen Querschnitt durch die Konstruktion. Die Displayoberfläche liegt hinter Frontplatte, Touchsensor und Schutzglas weit innen im Gerät. Um den gesamten dargestellten Inhalt 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 (siehe 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. 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.

 

Bild 3: Querschnitt durch ein Infrarot-Touchscreen-System

Die Technologie eignet sich für den Einsatz in rauen Umgebungen im Innen- und Außenbereich, wo andere Touch-Prinzipien nicht mehr funktionieren. Sie kann auch zur Nachrüstung in Bestandssystemen verwendet werden. 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, Eine Bedienung ist auch mit nassen oder schmutzigen Händen möglich. Durch die Robustheit gegen elektromagnetische Störeinstrahlung eignen sich zForce-HMIs für Nutzfahrzeuge, landwirtschaftliche Geräte und Maschinen mit großen elektrischen Antrieben.

Das Funktionsprinzip erlaubt, die Displayoberfläche mit einer Abschirmung gegen elektronisches Abhören des dargestellten Inhalts zu versehen, oder in einer empfindlichen Umgebung nicht durch Strahlungen zu stören. Diese Schutzfunktion ist auch nach innen wirksam: Die Displayöffnung als Einfallstor für elektrische Störsignale kann abgedichtet werden.

 

Bild 4: Querschnitt durch ein zForce-Touchscreen-System

Als „Smart Sensor“, z. B. an einer Arbeitsplatte aus Holz oder Stein kommt der Sensor auch ohne Display aus. Die Kosten skalieren besser mit der Größe des Bildschirms als beim etablierten Ansatz für IR-Touchsensoren, da nur noch eine Dimension mit IR-Emitter und Fotosensoren abgedeckt werden muss. Möglich ist auch das Aufsetzen eines selektiven Touchbereichs. Soll das On-Screen-Menü eines Großbildschirms nur in einer unteren Ecke bedient werden, muss der Touchsensor dafür nicht die gesamte Breite des Bildschirms abdecken.

Umfunktionieren als Näherungssensor

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. In der Funktion als Lichtschranke kann die Präsenz von (unerwünschten) Objekten erkannt werden und als Näherungssensor beispielsweise die Kollision von Saug- oder Mährobotern mit ihrer Umwelt vermieden werden.

 

Bild 5: Einsatz als Lichtschranke (links) und Näherungssensor (rechts)

Fokus auf Medizintechnik

Den größten Mehrwert bietet zForce für die Monitore bildgebender Verfahren in der Medizintechnik. Dort ist eine blickwinkelunabhängige, farbtreue Darstellung eine zentrale Anforderung. Eine IR-Touch-Bedienung beeinflusst die optischen Eigenschaften des Displays wie Kontrast, Entspiegelung und Parallaxe nicht. Außerdem kann die Bedienung berührungslos erfolgen. Dadurch bietet sich die Technologie auch für öffentliche Plätze an, wo Aufzüge gerufen, Automaten bedient und Toilettenspülungen ausgelöst werden sollen. 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.

Vergleich mit Alternativen

Den Vergleich mit anderen Technologien braucht zForce nicht zu scheuen. 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. Ein Vergleich mit alternativen Touch-Technologien ist in Tabelle 1 gezeigt.

Robustheit

Der Touchsensor selber ist gegenüber herkömmlichen Chemikalien, die zur Reinigung oder auch Sterilisierung im medizinischen Umfeld verwendet werden, resistent. Dem Vandalismus, der sich meist gegen das Display richtet, lässt sich mit einer geeigneten Frontscheibe begegnen. Da das Funktionsprinzip nicht auf elektromagnetischen Feldern, sondern auf Licht außerhalb des sichtbaren Spektrums 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.

 

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

Ergonomie

Tabelle 1: Vergleich gängiger Touch-Technologien
Tabelle 1: Vergleich gängiger Touch-Technologien

Das Argument für PCAP ist die ebene, bündig abschließende Oberfläche. Für einen zForce-Sensor spricht seine Eignung für spezielle Applikationen. Er bietet Multitouch-Funktionen, erkennt mehrere Finger sowie Gesten und ist mit allen Medien – Handschuhe, Stifte, Fingernägel – bedienbar. 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.

Fazit: zahlreiche Pluspunkte

Auch wenn heute die Mehrzahl aller Touchscreens auf dem PCAP-Prinzip basiert, gibt es doch Anwendungen, für die sich diese Technik 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. Anwendungen ergeben sich auch ohne Display. Und vielleicht dürfte es sogar auch die Arbeitsplatte in der Küche sein...

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