Touchscreen

Ein Touchscreen, Tastschirm, Berührungsbildschirm bzw. Sensorbildschirm ist ein kombiniertes Ein- und Ausgabegerät, bei dem durch Berührung von Teilen eines Bildes der Programmablauf eines technischen Gerätes, meist eines Computers, direkt gesteuert werden kann. Die technische Umsetzung der Befehlseingabe ist für den Nutzer gleichsam unsichtbar und erzeugt so den Eindruck einer unmittelbaren Steuerung eines Computers per Fingerzeig. Das Bild, welches durch das darauf oder darunter befindliche Touchpad berührungsempfindlich gemacht wird, kann auf verschiedene Weise erzeugt werden: dynamisch mittels Monitoren, über Projektion oder physikalisch (etwa als Ausdruck).

Statt einen Cursor per Maus oder Ähnliches zu steuern, kann der Finger oder ein Zeigestift verwendet werden. Die Anzeige eines Mauszeigers wird damit überflüssig.

Die Analogie zum Mausklick ist ein kurzes Tippen. Durch Ziehen des Fingers oder Stiftes über den Touchscreen kann eine Drag-and-Drop-Operation ausgeführt werden. Manche Systeme können mehrere gleichzeitige Berührungen zu Befehlen verarbeiten (Multi-Touch), um zum Beispiel angezeigte Elemente zu drehen oder zu skalieren.

Samsung Galaxy Tab mit Multi-Touch-Bildschirm

Anwendungen

Touchscreens finden als Info-Monitore, zum Beispiel auf Messen, zur Orientierung in großen Kaufhäusern, zur Bedienung von Smartphones oder für die Fahrplanauskunft auf Bahnhöfen Verwendung. Hin und wieder sind auch in den Schaufenstern von Apotheken oder Reiseveranstaltern Touchscreens zu finden, über die detaillierte Informationen abgerufen werden können. Darüber hinaus werden Touchscreens bei Spielautomaten und Arcade-Spielen eingesetzt. Oft werden sie auch für die Steuerung von Maschinen in der Industrie eingesetzt (Industrie-PCs), hier insbesondere da sie weniger schmutzanfällig sind als andere Eingabegeräte wie Tastaturen. Bei manchen Banken gibt es Geldautomaten mit Touchscreen-Display. In Banken werden sie immer öfter für Überweisungsterminals eingesetzt, wobei die SAW-Technik (Surface Acoustic Wave) zum Einsatz kommt, weil diese relativ vandalensicher ist. Durch ihre Glasoberfläche verkratzt und beschädigt sie nicht so schnell wie beispielsweise resistive Systeme mit ITO-Folie als Oberfläche.

Touchscreen-Terminals, die zur öffentlichen Informationsweitergabe eingesetzt werden, werden in der IT-Branche als Point of Interest oder abgekürzt, POI, bezeichnet. Terminals, die zum Verkauf dienen, werden Point of sale, oder abgekürzt POS genannt. Letztere haben sich entgegen der hohen Erwartung der Wirtschaft und der IT-Branche nur eingeschränkt durchgesetzt. Gründe dafür sind neben dem Wartungsaufwand für die Geräte oft die mangelnde Anpassung der Software an die besonderen Bedienungsbedingungen der Touchscreengeräte, oder oft schlicht auch die unergonomische und unattraktive Software und fehlender Nutzen für die Bediener.

In neueren, modernen Autos werden immer öfter Multifunktionsdisplays als Touchscreen ausgelegt. Neue Techniken bieten hier sogar eine elektronisch erzeugte, taktile Wahrnehmbarkeit.

In Heimsystemen sind Touchscreens kaum verbreitet, einzig im Bereich der PDAs, Tablet PCs, Smartphones und bei der Spielkonsole Nintendo DS sind sie in größerem Einsatz. Die hier zur Vermeidung von auf dem kleinen Bildschirm störenden Fingerabdrücken eingesetzten Eingabestifte (auch: Stylus) sind aber recht unergonomisch und führen oft bei stärkerem Gebrauch zu einem Verkratzen des Touchscreens. Das Problem lässt sich bisher nur mit einem besonders weichen Eingabestift oder Aufkleben einer Schutzfolie lösen.

Ein Touchscreen muss nicht zwingend vor ein Display montiert werden, auch die Verwendung als Ersatz einer Folientastatur ist möglich. Hierzu wird hinter dem Touchscreen (an der Stelle an der normalerweise der Computerbildschirm sitzt) eine bedruckte (Polyester-) Folie aufgebracht. Es gibt verschiedene Ansätze Touchscreens komplett von physikalischen Monitoren zu lösen, um auch Projektionen von Benutzeroberflächen interaktiv nutzbar zu machen. Beispiel hierzu ist das inzwischen wieder eingestellte „Virtual Touchscreen“ von Siemens, oder verschiedene Systeme des Fraunhoferinstituts.

Funktionsweise

Es gibt mehrere Funktionsprinzipien zur Umsetzung der Berührungsempfindlichkeit:

Resistive Systeme
Kapazitive Systeme
Induktive Systeme
SAW (Surface Acoustic Wave) – „(schall)wellen-gesteuerte Systeme“
Optische Systeme (in der Regel Infrarotlicht-Gitter vor dem Monitor)
Dispersive-Signal-Technology-Systeme

Resistive Touchscreens

Funktionsprinzip
resistiver Touchscreens

Resistive Touchscreens reagieren auf Druck, der zwei elektrisch leitfähige Schichten stellenweise verbindet.^[1] Die Schichten bilden so einen Spannungsteiler, an dem der elektrische Widerstand gemessen wird, um die Position der Druckstelle zu ermitteln. Die Bezeichnung dieser Touchscreens ist auf das englische Wort resistivity für (elektrischer) Widerstand zurückzuführen.

Sie bestehen aus einer äußeren Polyesterschicht und einer inneren Glas- oder Kunststoffscheibe, die durch Abstandshalter getrennt sind.^[2] Die einander zugewandten Flächen sind mit Indiumzinnoxid beschichtet, einem lichtdurchlässigen Halbleiter. Die Abstandshalter sind so klein, dass sie nur bei sehr genauem Hinsehen zu erkennen sind und werden Spacer Dots genannt, wörtlich übersetzt Abstandspunkte.

Um die Position der Druckstelle zu ermitteln, wird an einer der leitfähigen Schichten Gleichspannung angelegt. Die Spannung fällt von einem Rand der Schicht zum gegenüberliegenden Rand hin gleichmäßig ab. An der Druckstelle ist die Spannung beider Schichten gleich, weil sie dort verbunden sind. Die zweite leitfähige Schicht ist die Verbindung dieser Stelle nach außen. Zwischen dem Rand dieser zweiten Schicht und den beiden gegenüberliegenden Rändern der ersten Schicht sind zwei Spannungen messbar. Wenn die beiden Spannungen gleich sind, ist der Druckpunkt genau in der Mitte zwischen den beiden Rändern der ersten Schicht. Je höher eine Spannung im Verhältnis zur anderen ist, desto weiter ist der Druckpunkt vom jeweiligen Rand entfernt.

Ein Beispiel:

Der Touchscreen ist x = 75 mm breit.

Zwischen linkem und rechtem Rand der unteren Schicht wird die Spannung U = 5 Volt angelegt.

Die obere Schicht wird nicht an die äußere Spannung angeschlossen.

Sie wird an einer Stelle auf die untere gedrückt. Die Widerstände innerhalb der oberen Schicht bis zu ihren Rändern spielen in der folgenden Betrachtung vorerst keine Rolle, da hochohmig gemessen wird.

Am Rand (einem Rand) der oberen Schicht werden folgende Spannungen gemessen:

U₁ = 2 Volt zum linken Rand der unteren Schicht

U₂ = 3 Volt zum rechten Rand der unteren Schicht

Die Abstände zwischen der Druckstelle und den Rändern des Touchscreens betragen:

$x_1 = U_1 \cdot \frac{x}{U} = 2\,\mathrm{V} \cdot \frac{75\,\mathrm{mm}}{5\,\mathrm{V}} = 30\,\mathrm{mm}$

$x_2 = U_2 \cdot \frac{x}{U} = 3\,\mathrm{V} \cdot \frac{75\,\mathrm{mm}}{5\,\mathrm{V}} = 45\,\mathrm{mm}$

Es muss immer eine zweite Messung dieser Art durchgeführt werden, mit vertauschten Rollen der beiden Schichten, so dass die Abstände zu den anderen Rändern ermittelt werden. Erst dann ist die Position in der Fläche festgestellt. Um die zwei Dimensionen zu erfassen, wird die Gleichspannung also abwechselnd über Kreuz angelegt.

Four-Wire

Four-Wire (Vier-Draht) ist die einfachste und älteste Konstruktion zur Bewerkstelligung dieser Kreuzung. Dabei wird die Spannung abwechselnd an beide leitfähigen Schichten angelegt, in jeweils unterschiedlicher Ausrichtung. Es sind deshalb vier Drähte zum Anschluss erforderlich, was dem ganzen seinen Namen gibt.

Four-Wire hat den Nachteil schnell nachlassender Präzision bei der Erfassung der Druckstelle.^[2] Die äußere Polyesterschicht des Touchscreens wird durch seine Benutzung mechanisch belastet. Dadurch verliert die leitfähige Beschichtung ihrer Innenseite an Gleichmäßigkeit. Diese Beschichtung ist bei Four-Wire aber ein Maß für die Position der Druckstelle.

Five-Wire

Five-Wire vermeidet das Nachlassen der Präzision, indem die äußere leitfähige Schicht nicht als Maß für die Position der Druckstelle herangezogen wird.^[2] Sie dient nur zum Weiterleiten der Spannung von der unteren Schicht und ist mit einem zusätzlichen fünften Draht angeschlossen. Die anderen vier Anschlüsse befinden sich an den Ecken der unteren Schicht. Vor jeder der beiden Messungen werden jeweils zwei benachbarte Ecken direkt verbunden und dann an die beiden Eckenpaare die Spannung angelegt. Zwischen erster und zweiter Messung wird zur zweiten möglichen Zusammenstellung von Eckenpaaren umgeschaltet.

Six-Wire, Seven-Wire und Eight-Wire

Six-Wire und Seven-Wire sind Variationen von Five-Wire, während Eight-Wire eine Variation von Four-Wire ist.^[2]

Kapazitive Touchscreens

Kapazitiver Touchscreen eines Mobiltelefons mit deutlich sichtbarem leitfähigen Netz

Ein kapazitiver Touchscreen ist ein mit durchsichtigem Metalloxid beschichtetes Glassubstrat. Eine an den Ecken der Beschichtung angelegte Spannung erzeugt ein konstantes, gleichmäßiges elektrisches Feld. Es entsteht ein geringer Ladungstransport, der im Entladezyklus in Form eines Stromes an den Ecken gemessen wird. Die resultierenden Ströme aus den Ecken stehen im direkten Verhältnis zu der Touchposition. Der Controller verarbeitet die Informationen.

Eine andere Bauart nutzt zwei Ebenen aus leitfähigen Streifen. Die Streifen sind rechtwinklig und voneinander isoliert angebracht. Eine Ebene dient als Sensor, die andere übernimmt die Aufgabe des Treibers. Befindet sich ein Finger am Kreuzungspunkt zweier Streifen, so ändert sich die Kapazität des Kondensators und es kommt ein größeres Signal am Empfängerstreifen an.

Kapazitive Touchscreens können nur mit dem bloßen Finger, leitfähigen Eingabestiften oder speziell angefertigten Hilfsmitteln, nicht aber mit einem herkömmlichen Eingabestift oder in Handschuhen bedient werden. Von dieser Einschränkung sind insbesondere auch Menschen mit Handprothesen betroffen, da sie nur mit speziellen Handschuhen oder Eingabestiften die Möglichkeit haben, die Bedienfelder zu aktivieren. In dieser Hinsicht bilden kapazitive Systeme unter Umständen eine Hürde im Sinne der Barrierefreiheit.

Induktive Touchscreens

Induktive Touchscreens haben gegenüber den anderen beiden Verfahren den Nachteil, dass sie sich nur über spezielle Eingabestifte (mit einer integrierten Spule) nutzen lassen, eine Technik, die von Grafiktabletts übernommen wurde.

Dennoch bieten sie einige Vorteile, die andere Techniken nicht bieten und werden z. B. bei teureren Tablet-PCs und Bildschirmen mit integriertem Grafiktablett wie dem Wacom Cintiq gerne genutzt:

In der Schreibhaltung wird durch den liegenden Handballen keine Reaktion hervorgerufen. Bei den anderen Varianten muss hier die Software die aufliegende Hand erkennen und ignorieren, falls der Touchscreen mit einem Stift berührt wird.
Die Bildschirmoberfläche kann – wie auch bei den kapazitiven Touchscreens – aus Glas oder einem ähnlich robusten Material angefertigt werden, da keine mechanische Einwirkung wie bei den resistiven Modellen notwendig ist.
Die Stiftposition kann auch ermittelt werden, wenn der Stift die Oberfläche nicht berührt, sondern sich in einem (geringen) Abstand über ihr befindet.
Der Induktionsstrom kann verwendet werden, um zusätzliche Elemente des Stiftes zu betreiben, z. B. Knöpfe oder Druckmesser, um zu ermitteln, wie fest der Stift auf die Oberfläche gedrückt wird.
Einige Modelle können überdies auch den Neigungswinkel des Stiftes ermitteln.

Grafikprogramme können durch diese zusätzlichen Informationen ein realistischeres Verhalten der simulierten Stifte und Pinsel ermöglichen. Induktive Touchscreens sind für portable Geräte aufgrund des deutlich höheren Energiebedarfs weniger geeignet.