Ekran dotykowy, czyli touch screen albo touch panel

Dla czytelników należących do pokolenia digital natives urządzenia z ekranami dotykowymi i graficznymi menu są czymś równie naturalnym, jak wschód słońca, czy zmiany pór roku. W podobnym kierunku zmierzają doświadczenia coraz większej liczby członków pokolenia tak zwanego digital immigrants, którzy także –  w swoich smartfonach, laptopach czy nawet komputerach stacjonarnych – doświadczają wygody korzystania z coraz tańszych i coraz lepszych ekranów dotykowych. Zmysł dotyku jest jednym z najczulszych i najbardziej uniwersalnych spośród tych, którymi dysponujemy.

Dzięki dotykowi możemy rozpoznawać faktury przedmiotów, ich kształty, wymiary i ciężar, możemy stwierdzić czy dotykany obiekt jest zimny czy ciepły twardy czy miękki. Zmysł dotyku umożliwia także wykrywanie ruchu cieczy, gazów i przedmiotów trwałych, niektóre obszary czuciowe zmysłu dotyku u człowieka są tak czułe, że pozwalają wykryć przedmioty o wymiarze dochodzącym do 0,001 mm!

Dzięki wysokiej czułości i precyzji zmysłu dotyku powstały alfabety Braille’a, Bell-Waita i Moone’a, za pomocą których osoby niewidome mogą czytać – używając opuszki palców zamiast oczu – różnorodne publikacje.

Badania touch panel

Badania nad touch panelami prowadzone były – z sukcesami na skalę użytkowych prototypów – na wielu uczelniach od lat 50 XX wieku, jednak z różnych przyczyn żadne z opracowanych rozwiązań nie trafiło do produkcji. Jednym z pierwszych masowych odbiorców zainteresowanych praktycznym zastosowaniem touch paneli były agendy rządowe w USA odpowiadające za kontrolę ruchu lotniczego, którego szybki rozwój wymagał stosowania coraz bardziej wyrafinowanych środków technicznych wspomagających bezpieczne nim zarządzanie.

Precyzja zmysłu dotyku, a także naturalność i wygoda korzystania z niego zachęciły amerykańskiego naukowca George’a Hursta, pracującego na Uniwersytecie w Kentucky, do podjęcia własnych badań nad możliwościami wykorzystania dotyku do wprowadzania danych do ówczesnych maszyn cyfrowych, co w 1974 roku zaowocowało wprowadzeniem do produkcji rezystancyjnego ekranu dotykowego (touch panela), którego sposób działania pozostał niezmieniony do dziś.

Jak jest zbudowany touch panel?

Touch panel jest zbudowany z dwóch rozdzielonych warstw przeźroczystej folii z nałożonymi na wewnętrznych powierzchniach warstwami rezystancyjnymi. Warstwy rezystancyjne są to ścieżki (paski) wykonane z przeźroczystego materiału przewodzącego ITO (Indium-Tin-Oxide). W chwili naciśnięcia zewnętrznej warstwy folii za pomocą palca lub specjalnego piórka, prostopadłe do siebie warstwy ITO pokrywające folie stykają się ze sobą tworząc dwa dzielniki napięcia, zwarte ze sobą poprzez rezystancję styku folii.

Konieczność wywarcia relatywnie silnego nacisku mechanicznego na niewielkiej powierzchni powoduje, że touch panele rezystancyjne mają tendencję do zużywania się, ale na szczęście współczesne technologie zapewniają trwałość dochodzącą do 35 mln uderzeń piórka.

Napięcia odczytywane z dzielników w osiach X i Y są ustalone przez wartości połączonych ze sobą powierzchni rezystancyjnych, zatem niosą one informację o położeniu w przestrzeni 2D naciśniętego punktu. Napięcia te są odczytywane za pomocą specjalnego sprzętowego kontrolera. W najprostszych przypadkach kontroler odczytuje i przetwarza do postaci cyfrowej współrzędne naciśniętego punktu, ale w wersji rozbudowanej potrafi rozpoznawać także gesty, za pomocą których można wygodnie sterować pracą urządzenia i wbudowanymi w nie aplikacjami.

Ze względu na wymaganą elastyczność, zaawansowane algorytmy obsługi touch paneli są często realizowane programowo, co pozwala na ich dowolne dostosowywanie do zmieniających się potrzeb użytkowników i pomysłów twórców smartfonów lub innych urządzeń z wbudowanym dotykowym interfejsem sterującym.

Touch panele pojemnościowe

Pomimo dobrych parametrów i niskich kosztów produkcji touch paneli rezystancyjnych wiele firm prowadziło badania nad alternatywnymi sposobami lokalizacji miejsca dotknięcia wyświetlacza, co zaowocowało powstaniem – obecnie bardzo popularnych – touch paneli pojemnościowych, stosowanych między innymi w iPhone’ach i iPadach. Zastosowano w nich matrycę kondensatorów (elementów gromadzących ładunki elektryczne), których okładziny są wykonane z tego samego przeźroczystego materiału przewodzącego – ITO – z którego wykonuje się powierzchnie rezystywne w touch panelach rezystancyjnych.

Zbliżenie palca do takiej matrycy powoduje zmianę ilości ładunku gromadzonego w kondensatorach ulokowanych pod palcem, co jest wykrywane w płaszczyźnie 2D przez kontroler obsługujący touch panel. Rozdzielczość pozycjonowania jest zależna od liczby wbudowanych kondensatorów, która nawet w najtańszych współczesnych rozwiązaniach dorównuje liczbie pikseli wyświetlaczy OLED i LCD.

Ze względu na sposób określania współrzędnych dotykanych miejsc wyświetlacza, touch panele pojemnościowe umożliwiają łatwą implementację bardziej zaawansowanych algorytmów detekcji gestów, co z kolei ułatwia rozbudowę bibliotek gestów obsługiwanych przez urządzenia nowych generacji.

Poszukiwanie nowych rozwiązań w ekranie dotykowym

Pomimo łatwości stosowania, wygodzie obsługi, dużych możliwości i niskich cen produkcji, najpopularniejsze obecnie touch panele nie są pozbawione niedoskonałości, które stymulują konstruktorów do prowadzenia badań nad rozwiązaniami alternatywnymi. W rozwiązaniach przemysłowych są stosowane touch panele wykorzystujące do detekcji miejsc naciśnięcia efekt fali powierzchniowej lub detektory mikrofalowe, w urządzeniach mobilnych stosowane są coraz częściej touch panele wykorzystujące podczerwień.

Tu kierunki badań i testów rozdzieliły się na dwa nurty:

• touch panele z pasywnymi detektorami podczerwieni, które wykrywają miejsce przyłożenia palca dzięki emitowanemu przez niego ciepłu,
• touch panele z aktywnymi detektorami podczerwieni, w których podczerwone światło laserowe odbite od palca przyłożonego do powierzchni wyświetlacza umożliwia precyzyjny pomiar jego odległości od punktów referencyjnych.

Jednym z największych kreatorów nowych pomysłów i liderów badań nad nowymi technologiami produkcji touch paneli jest firma ELOtouch, której „matką” jest należąca do wspomnianego George’a Hursta firma Elographics – producent pierwszych na świecie touch paneli.  Sądząc po liczbie prezentowanych i wdrażanych przez nią coraz doskonalszych rozwiązań, pomysłowość pracujących w tej firmie inżynierów nie jest niczym ograniczona, co wróży nam jeszcze większy komfort korzystania z nowoczesnych urządzeń mobilnych.

Opracowano na podstawie artykułu z MT.

Porównywarka cen sprzętu RTV