觸摸屏種類與原理、結構

1、觸摸屏種類與原理、結構% K4 6 N, h2 v3 D# |! l+ A+ F/ & ?( c7 i9 ?觸摸屏的幾個概念:" w3 ) J' d7 y' 5 7 d; _( G- A7 C7 P 所謂觸摸屏，從市場概念來講，就是一種人人都會使用的計算機輸入設備，或者說是人人都會使用的與計算機溝通的設備。不用學習，人人都會使用，是觸摸屏最大的魔力，這一點無論是鍵盤還是鼠標，都無法與其相比。人人都會使用，也就標志著計算機應用普及時代的真正到來。這也是我們發(fā)展觸摸屏，發(fā)展KIOSK，發(fā)展KIOSK網(wǎng)絡，努力形成中國觸摸產(chǎn)業(yè)的原因。, " |% i

2、9; x% 0 M/ u0 ?8 x / L) H+ b8 0 B: t/ S從技術原理角度來講，觸摸屏是一套透明的絕對定位系統(tǒng)，首先它必須保證是透明的，因此它必須通過材料科技來解決透明問題，像數(shù)字化儀、寫字板、電梯開關，它們都不是觸摸屏；其次它是絕對坐標，手指摸哪就是哪，不需要第二個動作，不像鼠標，是相對定位的一套系統(tǒng)，我們可以注意到，觸摸屏軟件都不需要光標，有光標反倒影響用戶的注意力，因為光標是給相對定位的設備用的，相對定位的設備要移動到一個地方首先要知道現(xiàn)在在何處，往哪個方向去，每時每刻還需要不停的給用戶反饋當前的位置才不至于出現(xiàn)偏差。這些對采取絕對坐標定位的觸摸屏來說都不需要；再其次就

3、是能檢測手指的觸摸動作并且判斷手指位置，各類觸摸屏技術就是圍繞“檢測手指觸摸”而八仙過海各顯神通的。9 a; t5 e. b& l# D) h, % M# B) j# |2 h! K# K觸摸屏的第一個特性：) 3 e4 j) B0 I$ l( h2 k( h& n ! ?! W3 G: u  j) y9 Z% 透明，它直接影響到觸摸屏的視覺效果。透明有透明的程度問題，紅外線技術觸摸屏和表面聲波觸摸屏只隔了一層純玻璃，透明可算佼佼者，其它觸摸屏這點就要好好推敲一番，“透明”，在觸摸屏行業(yè)里，只是個非常泛泛的概念，我們知道，很多觸摸屏是多層的復合薄膜，僅用透明

4、一點來概括它的視覺效果是不夠的，它應該至少包括四個特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度，還能再分，比如反光程度包括鏡面反光程度和衍射反光程度，只不過我們的觸摸屏表面衍射反光還沒到達CD 盤的程度，對用戶而言，這四個度量已經(jīng)基本夠了。今天我盡量不結合具體的觸摸屏去“排隊”，技術是在前進的，今天也許是聲波屏最理想，明天也許又是另一種，我們通過觸摸屏的技術本質引申出一些觸摸屏的概念，目的是讓用戶自己學會思考、學會判斷，選購適用的觸摸屏。. E: M# w4 |& |, s, i1 p6 k9 w# u1 p  s% o4 U; X' X; v 先說透明度和色彩

5、失真度，首先提醒大家，我們看到的彩色世界包含了可見光波段中的各種波長色，在沒有完全解決透明材料科技之前，或者說還沒有低成本的很好解決透明材料科技之前，多層復合薄膜的觸摸屏在各波長下的透光性還不能達到理想的一致狀態(tài)，下面是一個示意圖：!   h# t( f% b. E$ e9 r. E2 _/ W; L. D) T8 U1 2 x 1.jpg (20.45 KB)2009-3-7 11:18 ' B* w  9 f& Y2 R' K& Y4 b7 E由于透光性與波長曲線圖的存在，通過觸摸屏看到的圖象不可避免的與原圖象產(chǎn)生了色

6、彩失真，靜態(tài)的圖象感覺還只是色彩的失真，動態(tài)的多媒體圖象感覺就不是很舒服了，色彩失真度也就是圖中的最大色彩失真度自然是越小越好。平常所說的透明度也只能是圖中的平均透明度，當然是越高越好。5 Y6 w! K% o7 |+ A0   J3 A8 l. t8 T# a: u% D 反光性，主要是指由于鏡面反射造成圖像上重疊身后的光影，如人影、窗戶、燈光等。反光是觸摸屏帶來的負面效果，越小越好，它影響用戶的瀏覽速度，嚴重時甚至無法辨認圖像字符，反光性強的觸摸屏使用環(huán)境受到限制，現(xiàn)場的燈光布置也被迫需要調整。大多數(shù)存在反光問題的觸摸屏都提供另外一種經(jīng)過表面處理的型號：磨砂面觸摸屏，也

7、叫防眩型，價格略高一些，防眩型反光性明顯下降，適用于采光非常充足的大廳或展覽場所，不過，防眩型的透光性和清晰度也隨之有較大幅度的下降。清晰度，有些觸摸屏加裝之后，字跡模糊，圖像細節(jié)模糊，整個屏幕顯得模模糊糊，看不太清楚，這就是清晰度太差。清晰度的問題主要是多層薄膜結構的觸摸屏，由于薄膜層之間光反復反射折射而造成的，此外防眩型觸摸屏由于表面磨砂也造成清晰度下降。清晰度不好，眼睛容易疲勞，對眼睛也有一定傷害，選購觸摸屏時要注意判別。4 j7 1 G/ X! u5 D4 0 ; a. n: _* m: |/ p6 M; U觸摸屏的第二個特性：# * o3 U5 l# P) , Z1 B 2 W/ t

8、' . v: Q$ a2 z& D) r觸摸屏是絕對坐標系統(tǒng)，要選哪就直接點那，與鼠標這類相對定位系統(tǒng)的本質區(qū)別是一次到位的直觀性。絕對坐標系的特點是每一次定位坐標與上一次定位坐標沒有關系，觸摸屏在物理上是一套獨立的坐標定位系統(tǒng)，每次觸摸的數(shù)據(jù)通過校準數(shù)據(jù)轉為屏幕上的坐標，這樣，就要求觸摸屏這套坐標不管在什么情況下，同一點的輸出數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，如果不穩(wěn)定，那么這觸摸屏就不能保證絕對坐標定位，點不準，這就是觸摸屏最怕的問題：漂移。技術原理上凡是不能保證同一點觸摸每一次采樣數(shù)據(jù)相同的觸摸屏都免不了漂移這個問題，目前有漂移現(xiàn)象的只有電容觸摸屏。' T/ I* Q& H5

9、 A6 m$ $ r$ e% p' o. Y0 i, Q觸摸屏的第三個特性：9 Q; q( V4 0 N$ Q, j  v& a- k. J. W/ S+ U8 U+ U' n: i% U& A 檢測觸摸并定位，各種觸摸屏技術都是依靠各自的傳感器來工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。觸摸屏的傳感器方式還決定了該觸摸屏如何識別多點觸摸的問題，也就是超過一點的 同時觸摸怎么辦？有人觸摸時接著旁邊又有人觸摸怎么辦？這是觸摸屏使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，我認為最理想的方

10、式是：超過一點的同時觸摸誰也不判斷，一直等到多點觸摸移走，有人觸摸接著又有人觸摸應該是分先后都判斷，當然是技術上可能的話。/ o( J+ W* a3 ) O" D& P1 v# $   H8 k2 & |- G; y" b( n- 0 s2 K: M$ G8 H觸摸屏種類：/ d) o0 ( v0 X8 t" B5 Q/ q2 f# v9 q) g6 " G# L觸摸屏原理2 q5 5 h6 W8 g9 V: c# W& J3 n% j- j2 s( D% n* 9 p& ?( X7 z4 ?/ S(

11、' o觸摸屏結構% V3 / + T9 W0 M9 O3 d" ! |+ Q! p隨著個人計算機之日漸普及.新款輸入機器也陸續(xù)的被開發(fā)應市了.我將針對時下頗受重視的新型輸入方式.即touch panel 的原理和構造進行講解. 所謂的touch panel 是指在顯示面板(display)上用手指頭或特殊筆尖輕輕的觸摸就完成點位.也就所謂pointing 的一種新式輸入裝置.從分類上看前者是屬于手指觸摸型.而后者則是用筆尖觸摸型。touch panel 的優(yōu)點在于它能看顯示面板(display)的同時就能直接進行接點位(pointing).這點確實是本方式在方便上勝過其它,如

12、:鍵盤.鼠標.等之所在。/ c4 b4 + s: n- z) ; / Q* B8 K# |" R$ o筆觸型(Pen touch)多半在精度要求較高的圖畫或手寫文字時使用.而手指觸摸型則是筆劃精度無須太精確時使用。手指觸摸型不像筆觸型(Pen touch)須要備有特殊筆.它只要用手指頭直接觸摸顯示面板(display)便能達成輸入，這樣的構造無形中更加拉近了人和計算機之間的距離。筆觸型(Pen touch)的touch panel 包括有:電磁感應型和靜電感應型.手指觸摸型touch panel 則包括容量式.光學式。音響式.壓力檢出型以及MEMBRANE 型(透明導電膠片)等.這些

13、都是根據(jù)各種不同原理經(jīng)過開發(fā)而后逐漸普及下來的。/ Z9 / Q- T/ _; W& H: d& 8 g) g# l, E+ ?. U+ s; R, F5 b# x* E4 q8 G5 m本文將針對利用透明,且具導電性的MEMBRANE 式手指觸摸型touch panel 作如下重點式說明., , F/ $ s, p: x" l0 e' U/ C4 F& J" u7 T手指觸摸型touch panel  U: G+ C0 N- b/ S: + k/ W" _# m4 O; T1 ?3 N一. 光學式1 |* u:

14、 T. L( R2 R, n/ p1 c! z+ |7 r, M光學式touch panel 有如圖1 所示:在顯示面板(display)周邊配置著會發(fā)光的二極管(diode)和受光的單體.由于diode 所輻射出來的光束是呈矩陣形的.所以假如用手指頭等把光束遮斷了.是可測出被遮斷的光束位置至手指觸摸的所在位置. 為了避免外界光源的干預本方式采用了比可視光的波長還要長的近紅外光之光束.光學式觸摸型 touch panel 經(jīng)配裝在液晶panel 或CRTdisplay 顯示面板(display)上當作輸入裝置,為了保護使用者的眼力,有些光學式的touch panel 會在CRT 上加涂一層過濾

15、膜。' b* 4 P# r5 b' x5 i$ 0 H- w1 F" V8 P 2.jpg (34.86 KB)2009-3-7 11:40圖1 光學式touch panel: m5 b) B  K1 L" 9 B9 d3.jpg (26.58 KB)2009-3-7 11:40圖2 容量式touch panel5 h1 y8 Y; y, K/ k2 W& t' y6 v2 q! 8 x2 m' P% R' _$ z7 a" O1 二. 容量式8 N8 - n2 b( C# K4 K) R- L-

16、 K2 X5 U- o; G- Q( A. Z3 k: p把導電性玻璃的透明導電膠片如圖2 予以模式化(pattern),而后配置多數(shù)獨立的電極.當手指觸摸到電極時.人體的容量會加在回路上.本裝置瞬即檢測到點位(pointing)位置。) x  D% o2 b) S) F+ B/ A- H& y! C' m+ q容量式touch panel 對鉛筆芯或帶著手套的手指頭觸摸是不會起反應的.以CRT 顯示面板(display)為例,多半都如圖示般直接就把電極配置在面板(faceplate)上.到了最近更是把它當作口袋型計算機或手表計算機的輸入裝置來使用, 茲將音

17、響式touch panel 的原理說明如下.沿著玻璃板的X 和Y 軸之各邊埋設壓電素子.每當壓電素子振蕩輻射出來的表面波.以反射波形態(tài)彈回時.就以其經(jīng)過時間作為計算玻璃板的障礙物(圖3).就這樣,壓電素子把4MHz 高頻交互在XY 軸(1*10-3sec 為周期)作6*10-6sec 振蕩玻璃面板的污漬或傷痕往往會造成誤動作的原因.所以除了要作定期性(1-2 回/日)玻璃面清掃外,更要注意玻璃面板不得有金屬等對象觸碰！8 C0 W$ m6 e$ G% P, ( C* H7 ) # v 4.jpg (38.71 KB)2009-3-7 11:474 G' w& a% ?+ C)

18、: p3 P圖3 音響式touch panel 方塊圖( l  V1 X* x0 A( 0 M, c$ x9 e5 q) H: l. T3 h% T三. 壓力檢出式2 c( H- J+ W) _) d8 4 - G; . O% ?; _' q. h8 D) b在玻璃面板之4 端配置壓力感應器使得加在玻璃面板的外力印加點坐標經(jīng)由配置在4 端的壓力感應器予以檢測及計算.壓力檢出式touch panel 就是根據(jù)這樣的原理制造完成的.原理和構造固然簡單,但若要求取高精度的touch panel 的話,必須備有高精度的壓力感應器,感應器的溫度保證網(wǎng)絡,以及因手指觸摸不夠精確

19、,以及因受振動影響而作之對策,等等都要作得非常慎重。目前16mminch 畫面已能作到±5mm 的精度了。' $ f8 S; d0 m/ # E- C: t# K. X3 C, B( h6 p& R33.jpg (42.61 KB)2009-3-7 11:47( 1 w, w6 C: p) X* f) ?+ A  r圖4 壓力檢出式touch panel 方塊圖 , " y. m5 Z- b6 + r  F" H: o* L4 9 _2 t$ m: t四. MEMBRANE 式1 P) v/ _' d

20、3 _( z$ P" t0 T; z1 Q; l6 把表面已經(jīng)加工處理過的二片透明電極(厚0.1-0.2mm 的塑料片)中間以隔片對向區(qū)開就完成透明開關了.圖5塑料片(plastic)具柔軟性,所以當手指一按壓就立即凹下去和對向的電極形成接觸.由于下方電極是固定的有時也會采用導電性玻璃作為材料.membrane 式touch panel 可分成二種樣式.其一是把透明電極加工成短冊形狀,而完成縱橫相互交差的矩陣圖(matrix).請三照圖6.其二.利用透明電極比較均勻的表面電阻組合成如圖7 的電路.就在觸摸位置上將流入電路的電流值( analogue 值)用A/D 變換器轉換成數(shù)字化(

21、digital),如此便成為計出位置的analogue type 了.前者的matrix 數(shù)以10*1020*20 者較多.通常都會在輸入menu 時使用之.最近比較常見的口袋型電動玩具.科學博物館會場之信息索引用輸入機器,以及銀行/大飯店等之終端用手指觸摸型(touchpanel)大半都是這種矩陣圖(matrix type)所構成的.8 $ O  A* 7 a5 v( j7 H+ M4 x; z9 e* 6 p3 X2 MAnalogue type 的點位(pointing)精確度須視A/D 變換器之分解能力及透明導電膜片之表面電阻均勻值如何而定.前者只要用12bit 就

22、可以獲得4.096*4.096 的精度.但若是后者的精度不夠時就無法達成高精度了.筆者等正傾全力開發(fā)Analogue type 用透明導電膜.深信將來一定出現(xiàn)高精度Analogue type 觸摸型touch panel.& V; ?0 m" v8 & L% K, Z7 S- k; _9 s) j/ _* C0 & m 1.jpg (24.21 KB)2009-3-7 11:47* l) V% P& z$ l8 s' E9 x+ ! g) 圖5 透明斷面圖1.jpg (54.93 KB)2009-3-7 11:54圖6 矩陣圖(matrix)式

23、之pen touch9 + _1 C6 h) k0 4 j) N; a用手指按壓前方的film,它就會和后方film 導通. -   L8 4 J% j 2.jpg (16.74 KB)2009-3-7 11:54圖7 Analogue type(透明電極. 透明電阻film)所構成的pen touch9 , J2 W3 q/ J" $ I1 P9 R' F/ X9 d% n: u  Q9 ?# w5 J: n& Q# |( Z% C: z1 A. H五. Pen touch 型touch panel  U+

24、 k+ M# T) n; _2 # C: p% d. L0 ) b# Q3 l, L$ v; % P把透明電極和玻璃所構成的透明性digitizer 設置在顯示面板(display)上就成為筆觸型(pen touch)的面板了,這和digitizer 原理分類一樣,可分成電磁感應型和靜電感應型兩種.1 S. i0 W  U1 u. p/ % O9 A& o. . 電磁感應型已有手寫文字自動處理(word processor).以及和平面顯示板(display)組合而成的手寫文字/圖形輸入用高分解能(10 條/mm 以上)觸摸型(touch panel)等之式作例.請

25、參照圖8.而圖9 所示的就是(SONY 透明框架)靜電感應型.具有10 條/mm 的分解能力,甚至精度達到±200m 之高分解能touch panel.% L. v& f5 L* B) n2 f5 Z& o6 U# J, 4 r5 b+ RPen touch 型touch panel 雖然都要依靠特殊筆.所以比較麻煩.但是,這類機種可經(jīng)由高精度點位”(pointing)而能適合于描繪圖形.% D0 G* T) C; ?  P; q$ p6 i6 H8 w! 4 * c6 h% Q, j( + W/ c4 a( ( a( e2 R3 K 4.jpg

26、(26.94 KB)2009-3-7 11:547 c$ a9 + G) y4 |7 g圖8 Pentouch 形式之touch panel(電磁感應型)電路原理% z% s' n' o& I! / J+ T/ L( W, Z& 1.jpg (14.59 KB)2009-3-7 11:569 u3 Y0 K$ O$ r  n7 k 2.jpg (16.87 KB)2009-3-7 11:56圖9 Pentouch 形式之touch panel(靜電感應型)之原理(a)和構成(b)圖+ ?4 J! y" U7 W) i, b. p1

27、' u! ' ' g) ) V% P3 e如何分類使用touch panel?5 f5 t7 N: ; P2 l0 z1 O& K$ b8 I* S$ |- 表1 是各種pointing 機件的特性比較,這里便可看出touch panel 在操作時有良好的指示性，筆觸型(Pentouchtype)的touch panel 精度也非常優(yōu)異。) Z, r0 A% g& ?* i8 y$ 1.jpg (74.57 KB)2009-3-7 11:59; l2 t. _9 U" A. H8 q% t) 4 V& m7 N/ |. n! W& 5.jpg (54.82 KB)2009-3-7 11:59! z: Y* & e: y0 P9 V接著把touch panel 的輸入功能和用途例記述如表2。由”點位”(pointing)的精度而