So funktionieren Touch-Displays

Touchscreens stehen bei mobilen Endgeräten wie Tablet-PCs, Smartphones oder PDAs hoch im Kurs. Kleine Tastaturen sind heute oftmals gar nicht mehr nötig, denn die Techniken zur Fingereingabe über den Bildschirm sind ausgereift und werden von Seiten der Betriebssysteme immer besser unterstützt.

Aber wie funktionieren diese berührungsempfindlichen Bildschirme eigentlich? Dieser Artikel gibt einen Überblick über die heute verwendeten Touchscreen-Techniken in Smartphones, PDAs, Tablet PCs, Grafiktabletts aber auch in Bankterminals. Nach einem Überblick auf dieser Seite folgt eine ausführliche Beschreibung der unterschiedlichen Technologien auf den nächsten Seiten.

Resistiv - Touch durch Druck
Früher bei Smartphones, Tablet-PCs, wie z. B. beim Acer Aspire 1820PTZ und bei All-In-One Touchscreen-PCs, wie dem MSI AE2200 verwendet. Im Consumer-Umfeld fast komplett von Kapazitiv verdrängt.

Kapazitiv - Druck auf Glas
Typisch für die meisten aktuellen Multitouch-Geräte jeder Bauart: Smartphones, z. B. Samsung Galaxy S, HTC Desire, Motorola Milestone; fast alle Consumer Tablet-PCs, z. B. Apple iPad, Samsung Galaxy Tab, und All-In-One Touchscreen-PCs wie Acer Aspire Z3101

Induktiv - Tippen per Spule
Typisch für teure Profi Tablet-PCs, z.B. Fujitsu Stylistic ST6012, die nur mit einem speziellen Digitizer-Stift bedient werden können.

Akustisch – Unterbrechung von Schallwellen
Nur für robuste Systeme wie Fahrschein- oder Geldautomaten.

Optisch – Gitter aus Lichtschranken
Nur für robuste Systeme wie Fahrschein- oder Geldautomaten.

Vibration – Messung der Vibrationsenergie
Selten, für Großdisplays und Kiosk-Terminals

Dieser Artikel behandelt die Eingabe-Funktion von Bildschirmen, also alles, was per Finger oder Stift getätigt wird. Es geht hier aber nicht um die bilddarstellende Funktion. Wenn Sie nach einem Smartphone oder Tablet-PC suchen, stoßen Sie nämlich auch auf Angaben wie Auflösung (z. B. 1.024x600), Farben (z. B. 16 Mio) und Farbgebende Technik. Besonders letzteres ist durch eine Vielzahl von Bezeichnungen wie OLED, (Super-, Clear Black) AMOLED, SLCD, Retina Display und NOVA recht unübersichtlich. Das alles wird hier nicht behandelt: Wir stellen Touchscreens unter dem Gesichtspunkt Eingabe vor – die Ausgabeseite interessiert uns in diesem Zusammenhang nicht.

Mit der resistiven Eingabe-Methode gingen die Veteranen der heutigen Smartphones und Tablet-PCs an den Start. Zwei elektrisch leitfähige (Indium Zinnoxid), transparente Folien liegen übereinander und werden durch winzige Abstandhalter voneinander getrennt. Diese Abstands-Punkte (spacer dots) erkennen Sie sogar mit dem bloßen Auge.

Resistiv – Touch durch Druck

Nun liegt an den gegenüber liegenden Seiten der oberen Folie eine Spannung an, welche von einem Rand zum anderen abnimmt. Bei Druck auf das Display, wird die Spannung an die untere Folie durchgleitet. Die Auswertungselektronik bestimmt die Koordinate des Druckpunkts auf der X-Achse durch die Höhe der Spannung. Nur Millisekunden später wird eine Spannung an den anderen beiden Rändern angelegt, womit auf dieselbe Weise die Koordinate der Y-Achse ermittelt wird.

Vorteile: Mechanischer Druck erzeugt den Kontaktschluss. Daher kann ein Finger ebenso verwendet werden wie ein Fingernagel oder ein irgendein Stift. Bei den Geräten wird typischerweise ein Stylus-Pen mitgeliefert. Das ist ein Mini-Stift mit abgerundeter Kunststoff-Spitze. Die Fläche ist unempfindlich gegen Schmutz.

Nachteile: Es ist eine Kalibration notwendig, allerdings nur beim ersten Einrichten des Gerätes. Nachteilig ist die Optik der Spacer dots, welche eine makellose Display-Fläche verhindern. Der häufige Gebrauch des Stylus oder des Fingernagels führt oft zu einem Zerkratzen des Touchscreens. Chemikalien können die Oberfläche leicht angreifen. Die Lichtdurchlässigkeit liegt bei nur 70-80%. Multitouch mit mehreren Fingern ist möglich aber technisch sehr aufwendig.

Geräte: Samsung Omnia, Sony Ericsson xperia x1, Palm-PDAs & Apples Newton (Klassiker), Convertible Acer Aspire 1820PTZ Timeline, Tablet PCs AOC 7-Zoll (Low-End), Archos 7, ältere All-in-One-PCs wie MSI AE2200

Die resistive Technik wurde fast von der kapazitiven verdrängt. Dieser Touchscreen besteht aus einer Glasplatte, die beidseitig transparent mit Metalloxyd beschichtet ist. Die Beschichtung in Streifenform lässt ein Gitter entstehen, an dessen Kreuzungspunkten viele Kondensatoren entstehen. Diese erzeugen ein elektrisches Feld, welches sich bei Haut-Berührung über den Kreuzungspunkten verändert. Der menschliche Körper leitet nämlich Strom. X- und Y-Koordinaten werden ermittelt, indem auf beiden Seiten der Glasplatte der ankommende Strom gemessen wird.

Kapazitiv – Druck auf Glas

Was passiert bei der Eingabe mit mehreren Fingern, dem Multitouch? Hier muss die Auswertungselektronik mehrere Berührungspunkte gleichzeitig erkennen. Weil die Ströme an allen Gitterstreifen (X- und Y-Achse) gleichzeitig ausgelesen werden, ist das aber möglich. Sogar vier oder mehr Berührungspunkte können erfasst werden.

Vorteile: Keine Kalibrierung notwendig. Langlebiger und unempfindlicher als resistives Touch. Weil bereits leichteste Berührungen erfasst werden, eignet sich Kapazitiv deutlicher besser für Bedienvorgänge wie Scrollen, Verschieben oder Multi-Touch mit mehreren Fingern. Höhere Optische Transparenz als resistives Touch

Nachteile: Ohne die elektrisch leitende Haut funktioniert es nicht. Stift, Fingernagel oder Handschuhe machen die Bedienung unmöglich. Unter Umständen ist das leitfähige Netz auch mit dem bloßen Auge sichtbar.

Geräte: So gut wie jedes Multitouch-Gerät hat ein kapazitives Display.
Notebook-Mausersatz, Apple iPad, Samsung Galaxy Tab, Acer Liquid, Acer neoTouch, Apple iPhone 3GS, iPhone 4, Blackberry Storm 2, HTC Desire, LG Electronics P500 Optimus One, Motorola Milestone 2, Nokia C7/C6/N8, All-In-One Touchscreen PCs wie Acer Aspire Z5710 oder ASUS Eee Top ET2010AGT, Hybride-Multitouch-Systeme wie ASUS Eee PC T91

Die induktive Technik ist für mobile Endgeräte in der Consumer-Welt selten geworden, für Profi-Geräte oder Einsatzgebiete wie Ingenieurwesen, Medizin oder Bildung ist sie aber wichtiger denn je. Das induktive Touchscreen kann nur über spezielle Eingabestifte (Digitizer) mit einer integrierten Spule genutzt werden. Ein Magnetfeld, wie bei den kapazitiven Touchscreens erzeugt durch ein Netz aus Metalloxyd hinter dem Display, sendet elektromagnetische Wellen zum Stift hin. Dessen Spule erzeugt einen Strom und sendet damit ein Signal zur Positionsbestimmung. Dieses Signal wird durch horizontal und vertikal ausgerichtete Antennen empfangen, welche am Display angebracht sind. Die Antennen ändern ihren Funktionsmodus alle 20 Mikrosekunden zwischen Senden und Empfangen. Ein Controller kann mit den Daten die Position des Stiftes eindeutig ermitteln.

Induktiv – Tippen per Spule

Die Bedienung mit dem Finger, wie sie heute in den Consumer-Geräte vorherrschen, entwickelte sich erst nach der induktiven Digitizer-Eingabe. Nach Microsofts Tablet PC Spezifikation Anfang der 90er Jahre war eine Bedienung mit Fingern gar nicht vorgesehen. Das induktive Touchscreen hat sich bei Grafiktabletts durchgesetzt, denn beim Zeichnen und Schreiben kann die Hand aufgelegt werden, ohne dass eine Eingabe erfolgt. Die Möglichkeit sehr exakter Eingaben ohne Störquellen hat auch eine Vielzahl von industrietauglichem Tablet-PCs oder Convertible-Laptops entstehen lassen.

Nachteile: Nur mit speziellen Eingabestiften nutzbar

Vorteile: In Schreibhaltung ruft der Handballen keine Reaktion hervor. Die Bildschirmoberfläche kann aus Glas oder einem ähnlich robusten Material bestehen. Die Stiftposition kann auch dann ermittelt werden, wenn selbiger die Oberfläche nicht berührt. Der erzeugte Induktionsstrom kann für Knöpfe oder Druckmesser verwendet werden, die ermitteln, wie fest der Stift auf die Oberfläche gedrückt wird. Im fortschrittlichen Einsatz kann der Neigungswinkel des Stiftes erkannt werden. Korrekte Eingaben sind auch möglich, wenn das Gerät mit Schmutz, Staub oder Spritzwasser bedeckt ist. Die Stifte benötigen keine Batterien.

Geräte: Grafiktabletts, wie IC Intracom Manhattan oder Wacom Bamboo; Profi Grafik-Displays, wie Wacom Cintiq 12WX

Jetzt betreten wir das Gebiet der Bankterminals und der Deutsche-Bahn-Automaten. Die Akustische Oberflächenwelle (SAW = Surface Acoustic Wave) registriert physikalisch die Unterbrechung von Schallwellen. Das Touchscreen kann aus einer klaren Glasscheibe ohne Beschichtung bestehen. Signalgeber an den horizontalen sowie vertikalen Rändern senden konstant Ultraschallwellen aus, welche vom gegenüber montierten Signalempfänger empfangen werden. Ein aufliegender Finger absorbiert die Schallwellen und der Signalempfänger erkennt eine Unterbrechung. Weil es Signalempfänger für horizontal und vertikal gibt, kann der Controller die X- und Y-Koordinate der Eingabe genau berechnen.

Akustisch – Unterbrechung von Schallwellen

Nachteile: SAW-Touchscreens sind Multi-Touch untauglich, denn sie können nur eine Berührung gleichzeitig verarbeiten. Verschmutzungen oder Beschädigungen des Glases können die Schwallwellen unterbrechen und zu Irritationen des Controllers führen.

Vorteile: Perfekt für Terminals mit Sicherheit vor Vandalismus und hoher Lebensdauer. Es kann unbehandeltes, kratzfestes (Sicherheits-) Glas genutzt werden. Die Lichtdurchlässigkeit liegt bei 100%.

Geräte: Fahrschein- oder Geldautomaten, Kassensysteme, Informationsautomaten

Im Rahmen des Bildschirms sitzen eine Reihe von Lampen und lichtempfindliche Sensoren. Diese bauen ein vertikales und horizontales Netz aus Lichtschranken auf. Werden eine X- und Y-Schranke unterbrochen, kann die genaue Position des Fingers bestimmt werden. Das Prinzip ist also identisch mit dem akustischen Touchscreens.

Optisch – Gitter aus Lichtschranken

Nachteile: Im Vergleich zu kapazitiv, resistiv oder induktiv ist die Ortung relativ ungenau. Die Fehlerquellen sind vielfältig, denn Staub vor den Sensoren kann zu Bedienfehlern führen. Der räumliche Aufbau seitlich vor dem Display verhindert die Nutzung bei Smartphones und Tablet PCs.

Vorteile: Wie beim akustischen Touchscreen kann unbehandeltes Glas genutzt werden.

Geräte: Fahrschein- oder Geldautomaten, Kassensysteme, Informationsautomaten

DST (Dispersive-Signal-Technology) ist die jüngste Entwicklung, welche die Robustheit einer Glas-Oberfläche mit der Störsicherheit und Genauigkeit der kapazitiven Eingabe verbinden will. Berührungen werden durch Vibrationen auf dem Trägermaterial erkannt und verortet.

Dafür sind in den Ecken des Touchscreens Sensoren angebracht, welche die Vibrationsenergie messen. Eine so genannte Biegewelle fließt hierbei durch das Trägermaterial bis in die Ecken. Deren Beschaffenheit gibt nun Auskunft über die Position des Berührungspunktes (Dispersionsanalyse). Ruhende Gegenstände oder Hände auf dem Trägermaterial erzeugen keine Vibration.

Vibration – Messung der Vibrationsenergie

Vorteile: Ruhende Handflächen oder abgelegte Gegenstände werden ignoriert. Eingaben können per Finger, mit Handschuhen oder mit einem passiven Stift (Stylus) erfolgen. Die Unterschriftenerfassung ist mit den bisherigen optischen und akustischen Touchscreens nicht möglich, hiermit funktioniert es. Verschmutzungen oder Kratzer auf der Bildschirmoberfläche sind kein Problem für die Erfassung.

Nachteile: Bislang nur für große Terminals geeignet.

Geräte: Großdisplays und Kiosk-Terminals, Touchpanels und Produkte von 3M.

(Quelle: PC-Welt)