觸摸屏種類與原理、結(jié)構(gòu)

觸摸屏種類與原理、結(jié)構(gòu)

觸摸屏的幾個概念：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(jī)輸入設(shè)備，或者說是人人都會使用的與計算機(jī)溝通的設(shè)備。不用學(xué)習(xí)，人人都會使用，是觸摸屏最大的魔力，這一點(diǎn)無論是鍵盤還是鼠標(biāo)，都無法與其相比。人人都會使用，也就標(biāo)志著計算機(jī)應(yīng)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(luò)，努力形成中國觸摸產(chǎn)業(yè)的原因。從技術(shù)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(guān)，它們都不是觸摸屏；其次它是絕對坐標(biāo)，手指摸哪就是哪，不需要第二個動作，不像鼠標(biāo)，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(biāo)，有光標(biāo)反倒影響用戶的注意力，因?yàn)楣鈽?biāo)是給相對定位的設(shè)備用的，相對定位的設(shè)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(dāng)前的位置才不至于出現(xiàn)偏差。這些對采取絕對坐標(biāo)定位的觸摸屏來說都不需要；再其次就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(shù)就是圍繞“檢測手指觸摸”而八仙過海各顯神通的。觸摸屏的第一個特性：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(shù)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(diǎn)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(fù)合薄膜，僅用透明一點(diǎn)來概括它的視覺效果是不夠的，它應(yīng)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(dá)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(jié)合具體的觸摸屏去“排隊(duì)”，技術(shù)是在前進(jìn)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(shù)本質(zhì)引申出一些觸摸屏的概念，目的是讓用戶自己學(xué)會思考、學(xué)會判斷，選購適用的觸摸屏。先說透明度和色彩失真度，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(fù)合薄膜的觸摸屏在各波長下的透光性還不能達(dá)到理想的一致狀態(tài)，下面是一個示意圖：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(dāng)然是越高越好。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(fù)面效果，越小越好，它影響用戶的瀏覽速度，嚴(yán)重時甚至無法辨認(rèn)圖像字符，反光性強(qiáng)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(diào)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(xì)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(jié)構(gòu)的觸摸屏，由于薄膜層之間光反復(fù)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?xí)r要注意判別。觸摸屏的第二個特性：觸摸屏是絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，要選哪就直接點(diǎn)那，與鼠標(biāo)這類相對定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別是一次到位的直觀性。絕對坐標(biāo)系的特點(diǎn)是每一次定位坐標(biāo)與上一次定位坐標(biāo)沒有關(guān)系，觸摸屏在物理上是一套獨(dú)立的坐標(biāo)定位系統(tǒng)，每次觸摸的數(shù)據(jù)通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為屏幕上的坐標(biāo)，這樣，就要求觸摸屏這套坐標(biāo)不管在什么情況下，同一點(diǎn)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(biāo)定位，點(diǎn)不準(zhǔn)，這就是觸摸屏最怕的問題：漂移。技術(shù)原理上凡是不能保證同一點(diǎn)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。觸摸屏的第三個特性：檢測觸摸并定位，各種觸摸屏技術(shù)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(yīng)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(diǎn)觸摸的問題，也就是超過一點(diǎn)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(rèn)為最理想的方式是：超過一點(diǎn)的同時觸摸誰也不判斷，一直等到多點(diǎn)觸摸移走，有人觸摸接著又有人觸摸應(yīng)該是分先后都判斷，當(dāng)然是技術(shù)上可能的話。觸摸屏種類：觸摸屏原理觸摸屏結(jié)構(gòu)隨著個人計算機(jī)之日漸普及.新款輸入機(jī)器也陸續(xù)的被開發(fā)應(yīng)市了.我將針對時下頗受重視

的新型輸入方式.即touchpanel的原理和構(gòu)造進(jìn)行講解.所謂的touchpanel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(diǎn)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。touchpanel

的優(yōu)點(diǎn)在于它能看顯示面板(display)的同時就能直接進(jìn)行接點(diǎn)位(pointing).這點(diǎn)確實(shí)是

本方式在方便上勝過其它，如:鍵盤.鼠標(biāo)……..等之所在。筆觸型(Pentouch)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(Pentouch)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(dá)成輸入，這樣的構(gòu)造無形中更加拉近了人和計算機(jī)之

間的距離。筆觸型(Pentouch)的touchpanel包括有：電磁感應(yīng)型和靜電感應(yīng)型.手指觸摸

型touchpanel則包括容量式.光學(xué)式。音響式.壓力檢出型以及MEMBRANE型(透明導(dǎo)電膠

片)等.這些都是根據(jù)各種不同原理經(jīng)過開發(fā)而后逐漸普及下來的。本文將針對利用透明，且具導(dǎo)電性的MEMBRANE式手指觸摸型touchpanel作如下重點(diǎn)式說

明.手指觸摸型touchpanel光學(xué)式光學(xué)式touchpanel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(yù)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(xué)式觸摸型touchpanel經(jīng)

配裝在液晶panel或CRTdisplay顯示面板(display)上當(dāng)作輸入裝置，為了保護(hù)使用者的

眼力,有些光學(xué)式的touchpanel會在CRT上加涂一層過濾膜。圖1光學(xué)式touchpanel圖2容量式touchpanel容量式把導(dǎo)電性玻璃的透明導(dǎo)電膠片如圖2予以模式化(pattern),而后配置多數(shù)獨(dú)立的電極.當(dāng)

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(diǎn)位(pointing)位置。容量式touchpanel對鉛筆芯或帶著手套的手指頭觸摸是不會起反應(yīng)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(dāng)作口袋型計算機(jī)或手表計算機(jī)的輸入裝置來使用，茲將音響式touchpanel的原理說明如下.沿著玻璃板的X和Y軸之各邊埋設(shè)壓電素子.每當(dāng)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！圖3音響式touchpanel方塊圖壓力檢出式在玻璃面板之4端配置壓力感應(yīng)器使得加在玻璃面板的外力印加點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)由配置在4端的

壓力感應(yīng)器予以檢測及計算.壓力檢出式touchpanel就是根據(jù)這樣的原理制造完成的.原

理和構(gòu)造固然簡單,但若要求取高精度的touchpanel的話，必須備有高精度的壓力感應(yīng)器,

感應(yīng)器的溫度保證網(wǎng)絡(luò),以及因手指觸摸不夠精確，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。圖4壓力檢出式touchpanel方塊圖MEMBRANE式

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(guān)了.圖5塑料片(plastic)具柔軟性，所以當(dāng)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(dǎo)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(zhuǎn)換成數(shù)字化(digital),如

此便成為計出位置的analoguetype了.前者的matrix數(shù)以10*10~20*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(xué)博物館會場之信息索引用

輸入機(jī)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

(matrixtype)所構(gòu)成的.Analoguetype的點(diǎn)位(pointing)精確度須視A/D變換器之分解能力及透明導(dǎo)電膜片之表

面電阻均勻值如何而定.前者只要用12bit就可以獲得4.096*4.096的精度.但若是后者的

精度不夠時就無法達(dá)成高精度了.筆者等正傾全力開發(fā)Analoguetype用透明導(dǎo)電膜.深信

將來一定出現(xiàn)高精度Analoguetype觸摸型touchpanel.圖5透明斷面圖圖6矩陣圖(matrix)式之pentouch用手指按壓前方的film,它就會和后方film導(dǎo)通.圖7Analoguetype(透明電極.透明電阻film)所構(gòu)成的pentouchPentouch型touchpanel把透明電極和玻璃所構(gòu)成的透明性digitizer設(shè)置在顯示面板(display)上就成為筆觸型(pentouch)的面板了，這和digitizer原理分類一樣,可分成電磁感應(yīng)型和靜電感應(yīng)型兩種.電磁感應(yīng)型已有手寫文字自動處理(wordprocessor).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(touchpanel)等之式作例.請

參照圖8.而圖9所示的就是（SONY透明框架）靜電感應(yīng)型.具有10條/mm的分解能力，甚至

精度達(dá)到土200um之高分解能touchpanel.Pentouch型touchpanel雖然都要依靠特殊筆.所以比較麻煩.但是，這類機(jī)種可經(jīng)由高精度點(diǎn)位"（pointing）而能適合于描繪圖形.圖8Pentouch形式之touchpanel（電磁感應(yīng)型）電路原理(a)圖mm(b)圖mm圖9Pentouch形式之touchpanel(靜電感應(yīng)型)之原理(a)和構(gòu)成(b)圖如何分類使用touchpanel?表1是各種pointing機(jī)件的特性比較,這里便可看出touchpanel在操作時有良好的指示性，筆觸型(Pentouchtype)的touchpanel精度也非常優(yōu)異。Ji1各楝，重扯(poiMi哩xa件之比?？蜕抑甘咎解韪?盅募成俯考窣膳型(?打七pen)r◎X'A、oro卜5JLX◎,?r0!*"”又0/。Q不能說手twjchscreen?1X△鹿智手杖洎企(J3O瞻3dJ訪1一—我ntst作畫分解施Butthfanel⑥|◎|萬我2心《赤晚11N之帕入功佬和回途例*Vio新■*!；豐■TV，啟用一牌目心3-f+整吹w-ntl1^71mh|A—7/kMni接著把touchpanel的輸入功能和用途例記述如表2。由”點(diǎn)位"(pointing)的精度而言，手指模觸型touchpanel雖然只限于其中的指示輸入(顯示選擇).但是筆觸型(Pentouch)的touchpanel則用手直接描繪也可以達(dá)成輸入.如同前面的原理分類時曾作過講解一樣，不但種類多.甚至連同種制品經(jīng)由不同廠商制造都會在性能和價格上產(chǎn)生大差異，有時會因手指觸摸造成touchpanel上殘留指紋或在呈彎曲面CRT(cathode-raytube一陰極線管)上面裝設(shè)平面的touchpanel,如此一來顯示面板的端部可能因視差而造成點(diǎn)位(pointing)時之位置偏差.指紋的對策是運(yùn)用某種加工使手指觸摸到的touchpanel不容易殘留指紋痕跡.此外，也有很多位置偏差之對策是沿著CRT曲面構(gòu)成touchpanel來達(dá)成目的.茲將具體內(nèi)容陳述如下:光學(xué)式touchpanel的基本原理是利用光束(beam)和受光素子配置成曲線狀者.而音響式則是利用三次曲面(曲率半徑為25英寸)的玻璃板。此外就是membrane式的把2次曲面(圖10)或加工成3次曲面者.如何從眾多touchpanel(CRT.液晶display.pla