Ein Touchscreen ist eine berührungssensitive Bildschirmoberfläche, die beim Berühren Aktionen auslöst. Bei den Touchscreens unterscheidet man zwischen solchen, die nur eine Berührung erkennen, den Single-Touchscreens, solchen, die zwei Berührungen erkennen, den Dual-Touchscreens, und den Benutzerschnittstellen mit Multi-Touchscreens und Multi-User-Touchscreens. Letztere können beliebig viele Berührungspunkte gleichzeitig detektieren.
Die verschiedenen Touchscreen-Verfahren
Touchscreens und Multi-Touchscreens eignen sich ideal für Präsentationsterminals in Point of Information (POI) oder Point of Sale (POS), da Fehlbedienungen über Tastaturen ausgeschlossen werden. Darüber hinaus werden Touchscreens ebenso wie Folientastaturen in Eingabegeräten vor allem in der Fahrzeugdiagnose, in der Industrie- und Anlagensteuerung, in Industrie-PCs, der Medizintechnik, in Kassenautomaten sowie in Handys, Smartphones, PDAs, Tablets und anderen Handhelds mit Finger- oder Stifteingabe eingesetzt. Touchscreens bestehen aus dem berührungsempfindlichen Display, dem Touchscreen-Controller und dem Software-Treiber. Je nach Verfahren arbeiten sie optisch mit Infrarotlicht, kapazitiv, resistiv, induktiv oder akustisch mit Oberflächenwellen. Die meisten der aufgeführten Verfahren können nur einen Berührungspunkt detektieren und können deswegen nicht in Multi-Touchscreens eingesetzt werden, lediglich das Infrarotverfahren, die resistive und die kapazitive Technik können mehrere Berührungspunkte erkennen und werden auch in Multi-Touchscreens eingesetzt.
Der Infrarot-Touchscreen arbeitet mit einer Infrarot-Matrix, die aus Leuchtdioden und Fotodetektoren besteht. Die Leuchtdioden sind am oberen Bildschirmrand angebracht und an einer Seite des Infrarot-Touchscreens, die Fotodetektoren an den gegenüberliegenden Bildschirmseiten. Wird ein Infrarotstrahl durch einen Finger oder einen Stift unterbrochen, können daraus die Bildschirmkoordinaten ermittelt werden. Dies führt über die Software zur Auslösung einer bestimmten Funktion. Touchscreens mit Infrarotverfahren zeichnen sich durch eine hohe Bildqualität aus. Sie haben Multitouch-Funktionalität, die IR-Technik ist äußerst robust, sie kann bei kleinen und großen Bildschirmen und bei Sonneneinstrahlung angewendet werden und der Bildschirm muss lediglich berührt werden und kann verschmutzt sein. Bei Multi-Touch-Anwendung kann die Gestik der Finger mit Gestenerkennung in Zoom-, Dreh- oder Verschiebebewegungen umgesetzt werden.
Beim kapazitiven Verfahren ist die Bildschirmoberfläche in eine kapazitive Matrix eingeteilt. Durch Fingernähe oder Fingerdruck wird diese Matrix kapazitiv beeinflusst, was Rückschlüsse auf die XY-Koordinaten zulässt. Bei diesem Verfahren wird über die metallische Beschichtung aus Indium-Zinnoxid (ITO) auf dem Glas-Overlay ein geringes Spannungsfeld erzeugt. Bei Berührung erdet der Bedienende die Oberfläche und ändert dadurch das elektrische Feld. Der Stromfluss von den Ecken des Touchscreens zum Finger des Bedienenden ist proportional den XY-Koordinaten. Zu den kapazitiven Verfahren gehören die Projected Capacitive Touch (PCT), die Surface Capacitive Technology und das Mutual-Capacitance-Verfahren.
Die am weitesten verbreitete Technik ist die resistive Technik, die mit zwei semi-transparenten, leitfähig beschichteten Membranfolien aus Indium-Zinnoxid (ITO) arbeitet. Die eine Folie befindet sich in geringem Abstand oberhalb, die andere unmittelbar auf der Display-Oberfläche. Der Abstand zwischen den beiden ITO-Folien ist durch kleine, kaum sichtbare Abstandshalter festgelegt. An die Folien wird eine konstante Gleichspannung angelegt. Wird die obere Folie gedrückt, entsteht zwischen beiden Folien ein elektrischer Kontakt. Da die Folien vergleichbar einer Widerstandsmatrix sind, entsprechen die Spannungen in vertikaler und horizontaler Richtung dem Spannungsabfall und lassen direkte Rückschlüsse auf die X- und Y-Koordinaten zu, an der der Kontakt erfolgt ist. Nachteilig sind die Verringerung von Helligkeit und Kontrast durch die beschichteten Folien sowie die Dicke des Displays.
Von den genannten Touch-Verfahren unterstützen die meisten nur einfache Touchsreens mit Single-Touch. Andere Verfahren wie Diffused Illumination (DI), Diffused Surface Illumination (DSI) oder Frustrated Total Internal Reflection (FTIR) sind Multitouch-Verfahren.
Eine andere von Wacom entwickelte Technik arbeitet auf elektromagnetischer Basis ohne direkten Bildschirmkontakt. Dabei befindet sich unterhalb des Displays eine Sensor-Leiterplatte, auf der viele Antennenspulen aufgebracht sind. Im Eingabestift befindet sich der Resonanzkreis, der auf die Antennenfrequenz abgestimmt ist. Über die einzelnen Antennen wird nacheinander HF-Energie abgestrahlt, das im Nahfeld in den Resonanzkreis des Stiftes eingekoppelt und für die Positionsbestimmung ausgewertet wird.
Das Verfahren kennt zwei Modi, den Sende- und Empfangsmodus. Im Sendemodus, die in wenigen Mikrosekunden nacheinander eingeschaltet werden. Im Sendemodus nimmt Schwingkreis im Eingabestift Energie auf, die er im Empfangsmodus an die Antennen im Sensor-Board abgibt. Aus der Feldstärke der von den einzelnen Antennen empfangenen Energie, wird die Stiftposition unter Berücksichtigung des Drucks, der Neigung und anderer Parameter errechnet.
Neben den genannten Verfahren gibt es mit dem Tap Tracker noch ein Verfahren der akustischen Sensorik. Diese Technik wertet die Laufzeit von Schallwellen aus, die von vier piezoelektrischen Sensoren aufgenommen werden, die sich an den vier Bildschirmecken des Touchscreens befinden.. Wird der Touchscreen berührt, entsteht ein einzigartiger Berührungsgklang. Aus den Laufzeitunterschieden des Berührungsklangs wird mit akustischer Pulserkennung (APR) die Berührungsposition bestimmt.
Die Oberflächenwellentechnik, Surface Acoustic Wave (SAW), arbeitet mit Ultraschall und akustischer Pulserkennung (APR). Bei dieser Technik laufen die Ultraschallwellen über die Display-Oberfläche und werden bei Berührung des SAW-Touchscreens teilweise absorbiert. Aus der Amplitudenänderung leitet der Touchscreen-Controller die XY-Koordinaten ab. Jede Position auf dem Glas erzeugt eine eigene Amplitudenänderung. Mehrere Sensoren, die an den Kanten des Touchscreens angebracht sind, erfassen die Amplitudenänderung des Ultraschalls, aus der die Controllerkarte über Referenzamplituden die XY-Koordinaten errechnet.
Ein weiteres Verfahren ist das Biegewellenverfahren, das vergleichbar dem Biegewellenwandler arbeitet. Dieses Verfahren wird auch als Dispersive Signal Technology bezeichnet. Dispersive Signal Technology (DST) basiert darauf, dass bei Berührung des Touchscreens durch die Vibration eine Welle entsteht, die sich gleichmäßig in alle Richtungen über den Bildschirm ausbreitet. Die sich ausbreitende Schwingung wird an den vier Bildschirmecken mit piezoelektrischen Detektoren detektiert. Aus der Laufzeit der der detektierten Spannungen ermittelt der Touchscreen-Controller über einen Algorithmus die Berührungsposition auf dem Display. Das Biegewellen-Prinzip ist unempfindlich gegen Verschmutzung. Die Berührung kann wie bei anderen Verfahren mit dem Finger, einem Handschuh oder einem Stift erfolgen.
Die optische Positionserkennung arbeitet mit zwei Miniaturkameras, die in den oberen beiden Bildschirmecken angebracht sind. Der gesamte Bildschirm wird von den Seiten und von unten gleichmäßig mit Infrarotlicht beleuchtet. Berührt ein Finger die Bildschirmoberfläche, detektieren die Kameras weniger Licht. Aus den erfassten Werten der beiden Miniaturkameras berechnet der Touchscreen-Controller die Berührungsposition.
Einige von den beschriebenen Sensortechniken werden auch in Multi-Touchscreens benutzt, bei denen die Eingabe gleichzeitig mit mehreren Fingern erfolgt.