Na przestrzeni lat technologia ekranów dotykowych poczyniła znaczący postęp, począwszy od pierwszych systemów opartych na rysikach, które pojawiły się jeszcze w latach 40-tych, po pojemnościowe ekrany dotykowe wykorzystywane powszechnie we współczesnych monitorach. Kolejne usprawnienia technologiczne wiązały się również z coraz szerszym wyborem rozwiązań dla konsumentów.
Obecnie wyróżnia się kilka typów urządzeń, które obok pojemnościowych ekranów dotykowych pojawiają się najczęściej w środowiskach komercyjnych, przemysłowych i konsumenckich. Technologie te obejmują ekrany rezystancyjne, akustyczne (SAW), na podczerwień, optyczne i obrazowania pola bliskiego (NFI). Każda z nich wyróżnia się określonymi zaletami i wadami w zależności od planowanych zastosowań.
W niniejszym artykule omówimy poszczególne rodzaje ekranów dotykowych, ich mechanizmy działania i potencjalne zalety w różnych warunkach.
Ekrany pojemnościowe
Pojemnościowe ekrany dotykowe składają się zwykle z jednej lub dwóch głównych warstw i wykorzystują pojemność elektryczną do pomiaru dotyku. Jednowarstwowe ekrany dotykowe opierają się na powierzchniowej pojemnościowej technologii dotykowej, a dwuwarstwowe wykorzystują tzw. projekcyjną technologię pojemnościową (PCT).
Powierzchniowa pojemnościowa technologia dotykowa
Powierzchniowy pojemnościowy ekran dotykowy składa się z warstwy szkła pokrytej materiałem przewodzącym. Zwykle jest to tlenek cynowo-indowy (ITO), który jest związkiem metali o właściwościach przewodzących. Warstwa szkła z przewodnikiem jest następnie umieszczana pod pokrywą. Wokół warstwy przewodzącej rozmieszcza się elektrody mające zapewniać jednolite napięcie.
W chwili dotknięcia ekranu palcem (lub rysikiem pojemnościowym) następuje pobór prądu przewodzonego przez ciało ludzkie. Jest on mierzony w każdym rogu warstwy przewodzącej, co pozwala wyznaczyć współrzędne x i y punktu styku na powierzchni ekranu dotykowego.
Powierzchniowe pojemnościowe ekrany dotykowe zazwyczaj wyróżniają się wyższym kontrastem i trwałością w porównaniu do ekranów rezystancyjnych, a przy tym nie są tak złożone technicznie jak projekcyjne ekrany dotykowe. Z tego względu w środowiskach komercyjnych i przemysłowych znajdują one częste zastosowanie w podstawowych urządzeniach sterowniczych, a także kioskach i systemach punktów sprzedaży.
Projekcyjna technologia pojemnościowa
Projekcyjne pojemnościowe ekrany dotykowe działają w podobny sposób, jednak ich budowa jest nieco inna. Te ekrany dotykowe zawierają na dnie warstwę szkła z czujnikiem pokrytą powłoką tlenku cynowo-indowego (ITO). Ponad nią znajduje się izolator pokryty kolejną warstwą ITO, który oddziela czujnik od szklanej warstwy wierzchniej.
Powłoki ITO są umiejscowione prostopadle, tworząc siatkę z wieloma punktami przecięcia elektrod. Dzięki zastosowaniu inteligentnej obróbki sygnału i poborowi prądu za pośrednictwem przewodnika (np. palca), tak skonstruowany układ wykrywa i precyzyjnie przewiduje ruch palca.
W porównaniu do standardowej technologii pojemnościowej, przewagą projekcyjnej technologii pojemnościowej jest możliwość wykrywania pasywnych rysików lub ruchu palca w rękawiczce na powierzchni ekranu. Ponadto ekrany wykonane w tej technologii są bardziej odporne na gromadzenie się kurzu i wilgoć, przez co sprawdzają się znakomicie w placówkach komercyjnych, takich jak restauracje, czy w zakładach przemysłu ciężkiego.
Ekrany rezystancyjne
Rezystancyjne ekrany dotykowe często wykorzystuje się do zastosowań komercyjnych i przemysłowych. Wynika to z faktu, że reagują one wyłącznie na bezpośredni dotyk, a ich funkcjonalność nie jest ograniczona przez kontakt z cieczami lub pyłem. Można je również obsługiwać w rękawiczkach lub przy pomocy rysika, co dodatkowo zwiększa ich atrakcyjność do zastosowań komercyjnych.
Dwiema najważniejszymi warstwami rezystancyjnego ekranu dotykowego jest stabilna warstwa spodnia wykonana ze szkła i elastyczna warstwa wierzchnia wykonana z politereftalanu etylenu (PET) lub polinaftalanu etylenu (PEN).
Obie warstwy są zazwyczaj pokrywane powłoką tlenku cynowo-indowego (ITO). Dodatkowo, na wierzchu warstwy ITO od strony szkła umieszczane są podkładki dystansowe, aby zapobiec przypadkowemu stykowi warstw i zarejestrowaniu błędnego sygnału.
Dokładny sposób pomiaru dotyku przez rezystancyjne ekrany dotykowe zależy od tego, czy posiadają one cztero- czy pięcioprzewodową konstrukcję.
Ekrany czteroprzewodowe
Czteroprzewodowe ekrany dotykowe są prostsze pod względem konstrukcji. Zawierają one po dwa przewody podłączone z lewej strony oraz prawej strony spodniej warstwy szkła. Oprócz tego układ zawiera po dwa przewody połączone z wierzchnią i spodnią stroną górnej warstwy.
Prąd jest podawany do powłoki ITO nałożonej na warstwę szkła. Po naciśnięciu górnej warstwy, rezystywne warstwy szkła i PET/PEN stykają się, tworząc obwód elektryczny funkcjonujący jako dzielnik napięcia.
Przy pomocy górnych i dolnych przewodów napięcie elektryczne jest mierzone na górnej warstwie, aby wyznaczyć współrzędną na osi x. Współrzędna na osi y jest wyznaczana w analogiczny sposób na dolnej warstwie, przy użyciu przewodów z lewej i prawej strony. Kolejność pomiarów może ulec zmianie w zależności od zastosowania.
Ze względu na swoją ekonomiczność i względną precyzję pomiaru, czteroprzewodowe ekrany dotykowe są najczęściej wykorzystywane w małych ekranach dotykowych produkowanych masowo na rynek konsumencki.
Ekrany pięcioprzewodowe
Jedną z najczęstszych usterek czteroprzewodowych ekranów dotykowych jest stopniowa degradacja wierzchniej warstwy ITO, co znacząco zmniejsza ich wartość użytkową. Pięcioprzewodowe ekrany dotykowe powstały z myślą o rozwiązaniu tego problemu.
Dokonują one pomiarów współrzędnych x i y na dolnej warstwie, wykorzystując do tego pierwsze cztery przewody. Takie działanie jest możliwe dzięki zastosowaniu specjalnego układu przewodzącego wokół krawędzi warstwy dolnej. Piąty przewód jest połączony z warstwą górną i służy wyłącznie do pomiaru napięcia w warstwie dolnej.
Dzięki zastosowaniu takiej konstrukcji pięcioprzewodowe ekrany dotykowe są o wiele trwalsze niż czteroprzewodowe i znajdują częstsze zastosowanie komercyjne oraz w przemyśle ciężkim.
Ekrany akustyczne SAW
Ekrany akustyczne SAW są wytworem technologii dotykowej opartej na falach ultradźwiękowych, która umożliwia wykrycie sygnału na powierzchni wyświetlacza. Słyną one z wysokiej przejrzystości, trwałości i dokładności w wykrywaniu gestów.
Ekrany dotykowe SAW działają poprzez wytwarzanie fal ultradźwiękowych w poprzek powierzchni wyświetlacza, którą stanowi zwykle pojedyncza tafla szkła. Fale są wytwarzane poprzez transmisję sygnałów elektrycznych do przetworników piezoelektrycznych rozmieszczonych wzdłuż krawędzi ekranu. Dotknięcie ekranu miękkim materiałem zdolnym do pochłaniania fal dźwiękowych (np. palcem) zakłóca fale akustyczne, wywołując zmiany w amplitudzie i częstotliwości fal.
Zakłócenia są następnie wykrywane przez przetworniki odbierające umiejscowione przeciwlegle do nadających. Analizując czas i natężenie odbieranych sygnałów, system ekranu jest w stanie precyzyjnie określić pozycję i charakterystykę dotyku.
Jedną z głównych zalet ekranów dotykowych SAW jest nadzwyczajna przejrzystość. W przeciwieństwie do ekranów rezystancyjnych, które są podatne na spadek jakości obrazu ze względu na zastosowanie wielu warstw, ekrany SAW zachowują wyrazistość pierwotnego obrazu, gdyż wykorzystują wyłącznie pojedynczy panel ze szkła.
Dodatkowo, ekrany dotykowe SAW wyróżniają się wysoką trwałością i odpornością na zarysowania i zanieczyszczenia, przez co sprawdzają się w trudnych warunkach oraz przy intensywnym użytkowaniu.
Nie oznacza to jednak, że są one całkowicie pozbawione wad w porównaniu do innych technologii ekranów dotykowych. Przykładowo, niektóre z nich mogą nie zapewniać obsługi wielodotykowej równie skutecznie, co ekrany pojemnościowe. Fale dźwiękowe mogą też ulegać zakłóceniom wskutek kontaktu z cieczami. Oba te czynniki ograniczają ich wydajność w pewnych zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych, zwłaszcza jeżeli wymagają one odczytu złożonych gestów lub interakcji.
Warto też zaznaczyć, że ekrany dotykowe SAW bywają droższe w produkcji niż ich rezystancyjne lub pojemnościowe odpowiedniki, co wynika z konieczności zastosowania specjalistycznych podzespołów i precyzyjnej kalibracji.
Ekrany na podczerwień
Ekrany dotykowe na podczerwień są przykładem technologii sterowania dotykiem, która zakłada wykorzystanie wiązek podczerwieni do wykrywania sygnałów dotykowych na powierzchni wyświetlacza. Mogą być one wykorzystywane do różnych zastosowań interaktywnych, w tym w kioskach informacyjnych, digital signage, czy panelach sterowniczych w określonych środowiskach przemysłowych.
Ekrany dotykowe na podczerwień zawierają zazwyczaj baterie diod podczerwieni rozmieszczone wzdłuż krawędzi ekranu, które emitują światło w poprzek jego powierzchni. Rozmieszczone po przeciwległych stronach fotodetektory wykrywają wywołane dotykiem zakłócenia w świetle podczerwonym. Promienie podczerwieni są rozmieszczone na ekranie w formie macierzy w kierunkach osi x oraz y.
Gdy użytkownik dotyka ekranu, blokuje część emitowanych wiązek światła, co powoduje wyłączenie fotodetektorów pod wpływem braku sygnału świetlnego. Sterownik ekranu dotykowego interpretuje takie zakłócenia, aby określić precyzyjną lokalizację i charakterystykę dotyku.
Jedną z głównych zalet ekranów dotykowych na podczerwień jest ich wytrzymałość i odporność na zużycie, ponieważ nie zawierają one warstw podatnych na degradację z biegiem czasu. Ponadto zapewniają one również doskonałą ostrość obrazu za sprawą braku dodatkowych warstw na powierzchni wyświetlacza. Ekrany dotykowe na podczerwień umożliwiają również sterowanie wielodotykowe, rozpoznając bardziej złożone interakcje i gesty.
Naturalnie nie są one również pozbawione wad w porównaniu do innych technologii ekranów dotykowych. Po pierwsze, są one podatne na zakłócenia ze strony oświetlenia zewnętrznego i źródeł podczerwieni, co może wpływać na dokładność wykrywania dotyku, zwłaszcza przy dużym natężeniu światła. Z tego względu, są one mniej przydatne do użytku terenowego lub w miejscach znanych z dynamicznie zmieniającego się oświetlenia, np. w sektorze morskim.
Ponadto ekrany tego typu wymagają częstej kalibracji dla zachowania dokładności, co może być trudne w niektórych warunkach. Drugim istotnym ograniczeniem jest skłonność do wychwytywania fałszywych sygnałów pochodzących od pyłu, kurzu lub kropli wody zaburzających wiązki podczerwieni.
Połączenie tych czynników sprawia, że ekrany dotykowe na podczerwień są gorzej przystosowane do warunków przemysłowych, choć nadal można je stosować w mniej newralgicznych funkcjach komercyjnych, np. jako panele obsługi dla klientów. W takich scenariuszach stosuje się jednak z reguły pojemnościowe ekrany dotykowe z uwagi na ich ekonomiczność.
Ekrany optyczne
Ekrany dotykowe tego typu zawierają zwykle diody LED na podczerwień rozmieszczone wokół krawędzi ekranu, które emitują strumienie światła w formie siatki pokrywającej jego powierzchnię. Po przeciwległych stronach znajdują się kamery CMOS na podczerwień lub czujniki wychwytujące odbicia emitowanego światła.
W chwili dotknięcia ekranu przez użytkownika następuje zaburzenie części wiązek podczerwieni, co wpływa na odbicia światła rejestrowane przez kamery lub czujniki. Sterownik ekranu dotykowego analizuje zmiany, aby określić precyzyjną lokalizację i charakterystykę dotyku.
Technologia obrazowania optycznego różni się od opisanych wcześniej ekranów na podczerwień ze względu na wykorzystanie kamer lub czujników podczerwieni zamiast fotodetektorów.
W rezultacie optyczne ekrany dotykowe oferują bardziej wyrazisty oraz niż te na podczerwień, a także częściej obsługują sterowanie wielodotykowe.
Należy jednak wspomnieć, że optyczne ekrany dotykowe mają podobne wady, co ekrany na podczerwień. Oznacza to, że sprawdzają się gorzej w przemyśle ciężkim, gdzie występują trudne warunki otoczenia.
Ekrany NFI
Ekrany NFI (ang. obrazowanie bliskiego pola) wykorzystują zestaw czujników rozmieszczonych wokół krawędzi ekranu, które emitują pola elektryczne w poprzek jego powierzchni.
Obiekty przewodzące prąd (jak np. rysik lub palec) zaburzają generowane pole elektryczne, umożliwiając czujnikom precyzyjne wykrycie miejsca i natężenia zakłóceń. Zgromadzone dane są później przetwarzane, aby określić współrzędne i rodzaj komendy dotykowej.
Jednym z głównych atutów ekranów dotykowych NFI jest zdolność wykrywania dotyku z dużą precyzją i czułością nawet w trudnych warunkach środowiskowych lub przez rękawiczki. Ponadto urządzenia tego typu oferują obsługę wielodotykową i inne metody podawania sygnału wejściowego.
Z drugiej strony, ekrany dotykowe NFI są obarczone wyższymi kosztami produkcji niż pojemnościowe ekrany dotykowe. Pochłaniają one również więcej energii wskutek ciągłego generowania pól elektrycznych, co może wpływać na żywotność baterii w urządzeniach przenośnych, ale nie jest aż tak uciążliwe w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych.
Ponadto ekrany dotykowe NFI mogą być bardziej podatne na zakłócenia pochodzące od zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Z tych powodów ekrany dotykowe NFI nie były wdrażane na szeroką skalę w ostatnich latach.
