Část 2. Akustická a infračervená technologie

Mobilní telefon, tablet, bankomat, plán obchodů v obchodním centru, registrace na poště, přehled vlakových spojů, měřicí přístroj, téměř každý dnes použije některý ze jmenovaných typů přístrojů a použije displej přístroje pro jeho ovládání. Displej zjednodušuje ovládání přístroje a nabízí téměř intuitivní práci s ním. V současné informační době se tak stává při komunikaci naprostou samozřejmostí. Všem těmto způsobům komunikace s přístroji různého zaměření je společná vlastnost – dotykové ovládání.

Tento text navazuje na článek v minulém čísle časopisu ELEKTRO (12/2020): Dotykové displeje – Odporová a kapacitní technologie a přibližuje další používané technologie. Věnoval se dotykovým displejům využívajícím tří technologií: základní čtyřvodičové a modifikované pětivodičové odporové technologii a kapacitní technologii.

Dotykový displej tvoří části – panel, řadič a ovladač. Řadič řídí dotykovou vrstvu a spojuje ji s počítačem. Dotykem na panel se vzniklý signál zpracuje řadičem, který data dále předá procesoru. Převádí tedy informaci z dotykové vrstvy na data, která jsou srozumitelná počítači. Ovladač komunikuje přes řadič s operačním systémem a pohyb prstu převede na pohyb kurzoru.

 
Obr. 1. Princip technologie povrchové akustické vlny

Povrchová akustická vlna

Jedná se o technologii využívající povrchovou akustickou vlnu (Surface Acoustic Wave).

Povrch je tvořen speciálně vytvrzenou a mechanicky odolnou skleněnou deskou. Na její vrchní straně se na okrajích nacházejí čtyři měniče a speciální reflexní prvky. Měniče tvořené piezoelektrickými materiály jsou umístěné v rozích desky a natočeny ve směru reflexních prvků. Dva měniče jsou obvykle vysílače, které převádějí elektrický signál na akustické vlny o frekvenci asi 5 MHz, které se pohybují po povrchu skleněné desky. Další dva měniče jsou přijímače, které převádějí akustickou povrchovou vlnu na elektrický signál.

Soustava reflexních prvků je tvořena sérií krátkých „proužků“ orientovaných pod úhlem 45°, které odráží akustickou vlnu z vysílače přes detekovanou aktivní plochu a na druhé straně pak zpět do prostoru přijímače. Pro odstínění všech vln, které se odrazí od reflexních prvků, jsou za nimi v rozích umístěné speciální pohlcující vrstvy. Tím se zamezí vzniku parazitních interferenčních jevů.

Povrchové akustické vlny jsou na skle snadno absorbovány měkkými materiály, které se ho dotýkají. Řídicí elektronika generuje krátké vysokofrekvenční elektrické impulzy vždy pro jeden z vysílačů, který generuje akustické vlny. Na každém reflexním proužku se část této vlny odrazí a dále se pohybuje přes detekovanou plochu. Na druhé straně jsou protilehlými reflexními proužky odráženy zpět do rohu, kde je umístěn přijímač, který vlny opět převádí na elektrický signál. Tento proces reprezentuje detekci v jedné ose např. v ose X. Použitím stejné struktury s dalším párem vysílač/přijímač a otočením o 90° se vytvoří detekce v druhé ose, např. Y, a vznikne požadovaná dvourozměrná detekce plochy (obr. 1).

Cesta odražených vln je kratší pro trasy blíže k páru vysílač/přijímač a delší pro opačnou stranu displeje. Protože je rychlost šíření zvuku v rámci dotykové plochy konstantní a v porovnání s rychlostí zpracování dnešní elektroniky relativně pomalá, není problém pro řídící a zpracovávající obvody rozlišit jednotlivé dráhy přes dotykovou plochu mezi sebou podle doby, kterou vlna potřebuje k jejímu překonání. Vyslaná energie je tak rovnoměrně časově rozprostřena v přijímaném signálu (z krátkého impulzu z vysílače vznikne široký obdélník v přijímači) a lze rozlišit útlumy v jednotlivých dráhách a tedy i v místech displeje.

Vysílání i příjem je stále aktivní, střídá se detekce (skenování) v ose X aY. Řízení si neustále vytváří a ukládá z přijímaného signálu „digitální mapu“ dotykové plochy a umí případně eliminovat vliv trvalých tlumících prvků jako prach a nanesené nečistoty adaptivní změnou detekční hranice. Reaguje tedy pouze na krátkodobé a výrazné útlumy způsobené např. dotykem prstu na skleněnou plochu.

Výhodou této technologie je výborná prostupnost světla (průhlednost), velká přesnost rozlišení a dobrá časová stálost. Systém není třeba rekalibrovat. Z nevýhod lze jmenovat nutnost dotyku pouze prstem, rukavicí popř. jemnou tužkou. Pro dotek nelze použít tvrdý předmět (pero). Funkčnost můžou ovlivnit nečistoty, prach nebo voda, neboť technologie je citlivá na znečištění. I malá nečistota může pohltit akustické vlny a na displeji vznikne hluché místo.

 
Obr. 3. Osmivodičové odporové zapojení, Obr. 4. Detailní pohled na kapacitní dotykový displej

Infračervené záření, 

Technologie je založena na přerušení toku paprsku infračerveného záření (obr. 2). Okolo displeje je umístěn rám, který na jedné straně obsahuje řadu světelných zdrojů (IR-LED diody) a na protější straně jsou umístěna světelná čidla (fototranzistory). IR-LED diody vytvoří hustou síť infračervených paprsků. Při dotyku na displej jakýmkoliv předmětem se světelný paprsek v tomto místě přeruší a na světelné čidlo nedopadne. Pomocí elektroniky se zjistí přesné souřadnice dotyku X a Y.

Technologie je určena pro náročné aplikace. Je to jediná technologie, která nespoléhá na povrchový senzor pro registraci doteku. Pro aktivaci některého bodu displeje není nutné dotýkat se přímo podkladu a opotřebení dotekového skla je výrazně nižší. Další výhodou je 100% propustnost světla a také to, že diody a fototranzistory jsou umístěné za okraji displeje a jsou chráněné proti poškození. Životnost samotného snímacího mechanismu je neomezená. Systém lze zhotovit jako rám, který je možné nasadit na jakýkoli monitor. Pokud je takto vybaven např. starý CRT monitor, změní se v moderní dotykovou obrazovku.

Infračervené dotykové panely se využívají např. v lékařství a strojírenství, neboť jsou těsně uzavřeny a lze je ovládat celou řadou měkkých i tvrdých materiálů. Výhodami jsou výborná stabilita a prostupnost světla, odolná skla pro náročnější aplikace a schopnost práce v horších prostředích, a tedy dlouhá životnost. Z dalších vlastností lze jmenovat stálý, bezkalibrační provoz, vícebodový dotek (více prsty najednou) nebo „kreslení“ prstem.

Nevýhodou je vysoká cena a menší rozlišovací schopnost.

Obr. 5. Kapacitní dotykový displej v rastru 8 x 8 vyrobený 25 μm technologií s měděným drátem vloženým do polyesterového filmu

Bezdotykové ovládání

Technologie floating touch představuje bezdotykové ovládání displeje (Sony Xperia Sola). K bezdotykovému ovládání stačí přiblížení prstu nad displej do vzdálenosti 20 mm. Displej je vybaven dvěma typy kapacitních dotykových senzorů. Prvním typem jsou senzory pro snímání vzájemné kapacity, které jsou velmi přesné a podporují multitouch, mají však malý dosah. Druhým jsou samostatné senzory pro snímání vlastní kapacity, které jsou mnohem větší a vytvářejí silný signál. Ten dokáže detekovat prst vzdálený až 20 milimetrů od displeje. Samostatné senzory však nepodporují multitouch. Vývojářům se podařilo v displeji zkombinovat oba typy těchto snímačů, displej proto podporuje multitouch (v případě dotyku) a zároveň bezdotykové ovládání.

Ostatní

Displeje typu Open Frame jsou dotykové panely určené pro zabudování do informačních kiosků, info boxů, automatů atd. Jsou dodávány bez krytů, plastových rámečků a příp. na přání zákazníka se speciálními úchytovými lištami, aby se daly snadno připevnit do kioskových řešení na míru. Kromě standardních dotykových panelů lze použít panely typu anti-vandal, které používají silné tvrzené sklo s laminátovou úpravou odolnou proti mechanickému poškození.

Je nutné doplnit, že kromě čtyřvodičové a pětivodičové odporové technologie (viz minulé číslo časopisu), existuje také osmivodičové zapojení (obr. 3). Jedná se o vylepšení čtyřvodičové technologie, kde na každé elektrodě jsou dva vodiče. Čtyři přidané vodiče slouží ke kalibraci dotykové plochy a zobrazovacího displeje z důvodu opotřebení hardwaru, změně odporu vodičů atd.

V tabulce je stručné a přehledné porovnání uvedených technologií dotykových obrazovek.

Tab.: Porovnání technologií dotykových obrazovek

Zdroje:
https://cs.wikipedia.org/wiki/Dotyková_obrazovka

https://www.china-lcd-touchscreen.com

https://www.technofriend.in/wp-content/uploads/2020/10/img11.gif

Https://www.basic4mcu.com/data/file/p17/3660040653_JG9PQCzF_5_blogyepp.jpg3Ftype3Dw2

https://www.dmccoltd.com/english/museum/touchscreens/technologies/images/img5.gif

https://en.wikipedia.org/wiki/Touchscreen#Self-capacitance

Dotykové displeje - Část 1. Odporová a kapacitní technologie