Touchscreen Technologies

von Susanne Keck

• 1. Einführung
• 2. Touchscreen Technologien
  • 2.1. Analog resistive Technologie
  • 2.2. Kapazitive Technologie
  • 2.3. Surface Acoustic Wave Technologie (Oberflächenwellen-Technologie)
  • 2.4. Infrarot-Technologie
  • 2.5. Dispersive Signal Technologie
• 3. Virtuelle Touchscreens
• 4. Einsatzbereiche von Touchscreens
• 5. Abschluss
• Quellenverzeichnis

1. Einführung

Touchscreens befinden sich heutzutage beinah in allen Lebensbereichen. Durch ihre intuitive Bedienung erleichtern sie gerade dem unerfahrenen Benutzer das leichte Bedienen von technischen Geräten in der Alltagswelt. Sie begegnen uns häufig an Messeständen, an welchen zahlreiche Informationssysteme Auskunft über die vorgestellten Produkte geben, aber auch Ticket- , Bank- oder Geldautomaten arbeiten häufig mit Hilfe von Touchscreen Technologien. Andere Anwendungsgebiete sind mitunter aber auch die Industrie, in der Touchscreens zum Beispiel zur Steuerung von Maschinen Verwendung finden oder im Bereich der Spieleindustrie, bei welcher sie für Spielautomaten oder Arcade Games eingesetzt werden. Nicht zuletzt finden wir Touchscreen Technologien aber auch in eigenen Geräten, wie zum Beispiel PDAs oder Handys. Diese Liste an Einsatzbereichen des Touchscreens ließe sich beliebig erweitern. Tatsache ist, dass uns Touchscreens ständig im Alltag begegnen, wir sie aber häufig nur unbewusst wahrnehmen und dennoch gerne verwenden und ihre Bedienung meist als angenehm empfinden.

Allgemein versteht man unter einem Touchscreen, auch Tastschirm oder Sensorbildschirm genannt, eine auf dem Bildschirm angebrachte berührungssensitive Schicht, welche auf Kontakt des Benutzers mit seinem Finger oder einem je nach verwendeter Technologie geeigneten Zeigegriffel reagiert. [vgl. 10]

Der Touchscreen ist ein Eingabegerät mit direkter Wirkung, das heißt die Eingabe erfolgt direkt auf dem angezeigten Raum, nicht abseits der Anzeige, wie dies beispielsweise bei Maus oder Tastatur der Fall wäre. Zudem erfolgt die Positionierung beim Touchscreen absolut, das heißt sie ist nicht abhängig von der vorhergehenden Position. Folglich bieten Touchscreens eine äußerst intuitive Bedienung, da der Bildschirm zugleich als Benutzeroberfläche dient und nicht der Umweg über externe Eingabegeräte gewählt werden muss. Damit eignen sich Touchscreens besonders für Dialogsysteme in der Alltagswelt, wie zum Beispiel für Bankkunden oder Benutzer verschiedener Informationsterminals. [vgl. 3, 5]

2. Touchscreen Technologien

Insgesamt gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Touchscreen Technologien. Im Folgenden sollen die wichtigsten Technologien erläutert werden, ihre Vor- und Nachteile diskutiert werden, sowie verwendete Einsatzgebiete für die jeweiligen Systeme genannt werden.

2.1. Analog resistive Technologie

Resistive Touchscreens bestehen aus zwei sich gegenüberliegenden, transparenten, leitfähigen ITO-Schichten (Indiumzinnoxid), welche durch zahlreiche isolierte Abstandshalter, so genannte „Spacer-Dots“ voneinander getrennt sind. Die innere ITO-Schicht befindet sich auf einem festen Glasbildschirm, die äußere Schicht wird von einer flexiblen, kratzfesten Kunststofffolie geschützt. Mittels eines Steuergerätes wird an den leitenden Schichten Spannung angelegt, so dass auf der inneren Schicht ein Spannungsgradient in X-Richtung erzeugt wird, auf der äußeren Schicht ein Spannungsgradient in Y-Richtung. Sobald der Bildschirm berührt wird, wird die obere Schicht auf die darunter liegende gedrückt, somit ein elektrischer Kontakt hergestellt und damit die Spannung an dieser Stelle verändert. Der so genannte Controller berechnet anschließend entsprechend der anliegenden Spannung die X-Y-Koordinate des berührten Punktes. [vgl. 1, 6, 9]

Vorteil der resistiven Technologie ist vor allem, dass eine Bedienung nicht wie bei anderen Technologien nur mittels der Finger möglich ist, sondern es können auch andere Zeigegeräte wie Kunststoffstifte, Kugelschreibere oder ähnliches verwendet werden. Zudem sind Touchscreens dieser Art relativ preiswert und bieten dennoch eine enorme Präzision durch die hohe Touchauflösung. Des weiteren ist das System durch die schützende Kunststofffolie relativ unempfindlich gegen Schmutz und sogar eine Anwendung in Feuchträumen ist hier möglich. Die Nachteile bestehen in der relativ geringen Lichtdurchlässigkeit von lediglich 70-80% und der Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen oder verschiedenen Chemikalien. [vgl. 1, 2, 7, 9]

Anwendung findet diese Technologie vor allem in der Industrie, zum Beispiel zur Steuerung von Maschinen, sowie bei PDAs oder Handys mit Touchscreen. Weitere Anwendungsgebiete wären Informationsterminals wie sie beispielsweise auf Messeständen zu finden sind oder im Bereich der Automobilindustrie Navigationssysteme. Da resistive Touchscreens nicht nur vielseitig einsetzbar sind, sondern auch im Vergleich zu ihren Konkurrenten äußerst preisgünstig, stellen sie die am häufigsten verwendete Technologie dar. [vgl. 1, 9]

2.2. Kapazitive Technologie

Bei der kapazitiven Technologie wird auf ein Glassubstrat eine transparente Beschichtung aus leitfähigem Metall-Oxid aufgetragen. Die äußere Seite ist zusätzlich mit einer aufgeschmolzenen Glasschicht als Kratzschutz versehen. An jedem der vier Eckpunkte wird eine Rechteckspannung angelegt, womit ein gleichförmiges elektrisches Feld erzeugt wird, welches sich vergleichbar zu einem gewöhnlichen Kondensator verhält. Durch Berührung des Systems erzeugt der Benutzer über seinen Finger und Körper eine kapazitive Verbindung zur Erde. Dadurch entsteht ein geringer Ladungstransport, welcher in Form eines schwachen elektrischen Stroms an den Eckpunkten gemessen werden kann. Der Controller wertet anschließend die resultierenden Ströme aus und kann somit die exakten Koordinaten der Berührung bestimmen. [vgl. 1, 6, 9]

Vorteile der kapazitiven Technologie sind nicht nur die hohe Lebensdauer, welche aus dem kapazitiven Wirkungsprinzip resultiert, sondern auch die hohe Präzision und damit Zuverlässigkeit des Systems. Des weiteren bietet diese Technologie im Vergleich zur resistiven Technologie bessere optische Transparenz und ist zudem beständiger gegen vielerlei Arten von Schmutz, Flüssigkeiten oder Chemikalien. Zwar stellt diese Technologie eine der haltbarsten dar, dafür leider auch eine der teuersten. Ein zusätzlicher Nachteil zeigt sich darin, dass die Bedienung nur mit dem Finger oder mit Eingabestiften, die speziell für den kapazitiven Touchscreen entwickelt sein müssen, möglich ist. [vgl. 1, 2, 7, 9]

Bedingt durch die große Zuverlässigkeit dieser Technologie findet sie sich vor allem in öffentlich zugänglichen System, wie zum Beispiel Bankautomaten, aber auch Informationsterminals wieder. Aber auch an Kiosksystemen oder Spielautomaten findet die kapazitive Technologie gerne Verwendung. [vgl. 1, 9]

2.3. Surface Acoustic Wave Technologie (Oberflächenwellen-Technologie)

Die so genannte Oberflächenwellen-Technologie, auch Surface Acoustic Wave Technologie genannt, arbeitet lediglich mit einer klaren Glasscheibe ohne jegliche Art von Folien oder andere Beschichtungen der Oberfläche. Um jedoch den Schutz vor Beschädigungen durch den Benutzer oder andere Umwelteinflüsse zu erhöhen, findet man häufig die Verwendung eines davor angebrachten Sicherheitsglases. An zwei Seitenflächen des Glassubstrats sind Signalgeber montiert, welche sowohl horizontal als auch vertikal Ultraschallwellen aussenden. Die über die Benutzeroberfläche laufenden Wellen werden von der Oberfläche reflektiert und auf der gegenüberliegenden Seite von einem Sensor empfangen. Berührt der Benutzer den Bildschirm, wird ein Teil der Ultraschallwellen absorbiert und die Position der Berührung kann durch die Veränderung bestimmt werden. Diese Information wird anschließend an den Controller zur Weiterverarbeitung gesendet. [vgl. 1, 6, 9]

Ein großer Vorteil der Oberflächenwellen-Technologie ist ihre hohe optische Transparenz. Da keine zusätzlichen Beschichtungen angebracht werden müssen, liegt ihre Lichtdurchlässigkeit bei nahezu 100%. Zudem arbeitet diese Technologie mit einer äußerst hohen Präzision. Durch die Verwendung eines reinen Glassubstrats verfügt dieses System nicht zuletzt über eine sehr hohe Beständigkeit. Wiederum nachteilig wäre bei dieser Technologie allerdings, dass die Bedienung lediglich mit dem Finger oder zumindest einem anderen weichen Medium möglich ist. Die Anwendung in Feuchträumen wäre hier nicht möglich, da Wassertropfen die Ultraschallwellen absorbieren können und somit die Funktionsweise beeinflusst würde. Zwar ist das System relativ gut gegen Beschädigungen geschützt, eine vollständige Vandalismusfestigkeit bietet es dennoch nicht, da Flüssigkeiten oder andere Verunreinigungen wie zum Beispiel Kaugummi die Sensoren und damit das gesamte System stören können. Auch die negative Beeinflussung des Systems durch Ultraschallwellen aus der Umgebung wäre hier denkbar. [vgl. 1, 2, 3, 7, 9]

Durch ihre im Vergleich zu anderen Systemen dennoch gute Vandalismusfestigkeit und hohe Genauigkeit der Anwendung findet die Ultraschallwellen-Technologie vor allem Verwendung in Terminals von Kreditinstituten, zum einen an Geldautomaten, zum anderen aber auch an Automaten für Überweisungstätigkeiten. Auch Fahrkartenautomaten verwenden häufig die Ultraschallwellen-Technologie. Natürlich kann diese Art von Technologie aber auch für verschiedene Kiosk-Anwendungen eingesetzt werden. [vgl. 1, 9]

2.4. Infrarot-Technologie

Die Infrarot-Technologie funktioniert letztendlich mittels der Unterbrechung von Lichtstrahlen. Anstelle einer beschichteten Oberfläche, wie häufig bei anderen Technologien verwendet, umgibt lediglich ein Rahmen, auf dem die Sensoren angebracht sind, das Display. So befinden sich auf der einen Seite dieses Rahmens jeweils vertikal und horizontal Infrarotleuchtdioden (LEDs), auf den dazugehörigen gegenüberliegenden Seiten Fotosensoren, die das Licht erkennen. Durch die von den Leuchtdioden zu den Sensoren laufenden Lichtstrahlen entsteht somit ein Raster auf der Bildschirmoberfläche. Durch Berührung des Bildschirms wird der Lichtstrahl an dieser Stelle unterbrochen und so ein Signalabfall erzeugt, welcher durch die Fotosensoren registriert wird und somit den Berührungspunkt bestimmen lässt. [vgl. 1, 6]

Ein großer Vorteil der Infrarot-Technologie besteht darin, dass die Betätigung nicht nur mit anderen Gegenständen als dem Finger bedient werden kann, sogar spitze und harte Gegenstände können zur Bedienung ohne Probleme verwendet werden. Insgesamt ist hier durch die reine Glasscheibe ein höherer Schutz gegen mechanische oder chemische Beschädigungen und gleichzeitig eine besonders haltbare Oberfläche gegeben. Nachdem die Glasscheibe nicht Bestandteil der Sensorik ist, kann auch die Stärke des Glases frei gewählt werden. Auch hier liegt die Transparenz bei 100%, da es keinerlei dazwischenliegende Beschichtungen gibt. Ein Nachteil der Infrarot-Technologie ist darin zu sehen, dass sie im Vergleich zur Oberflächenwellen-Technologie eine deutlich geringere Touchauflösung besitzt und dadurch weniger präzise arbeitet. Sogar eine ungewollte Aktivierung ist hier möglich, da der Sensor bereits eine Berührung meldet, wenn sich der Finger noch knapp über dem Display befindet. Ein weiterer Nachteil ist, dass auch dieses System zu den teuren Technologien zählt. Zuletzt wäre noch darauf hinzuweisen, dass auch hier Störungen durch Infrarotstrahlung aus der Umgebung, beispielsweise Fernbedienungen anderer technischer Geräte, möglich ist. [vgl. 1, 2, 3]

Wegen der relativ schwachen Auflösung eignen sich Infrarot Touchscreens vor allem für großflächige Displays. Sie finden häufig Verwendung in militärischen Applikationen, werden aber auch bei Bankautomaten eingesetzt. Speziell für den Einsatz bei extremen Anforderungen an die Touchscreenoberfläche, wie dies zum Beispiel in der Medizintechnik oder im Maschinenbau der Fall ist, eignet es sich die Infrarot-Technologie zu verwenden, da hier ein hoher Schutz durch die reine Glasfläche gegeben ist. [vgl. 1]

2.5. Dispersive Signal Technologie

Diese Technologie stellt zu den bisherig genannten Technologien einen völlig neuen Ansatz dar, da sie sich grundlegend von allen anderen derzeit gebräuchlichen Technologien unterscheidet.

Bei der Dispersive Signal Technologie werden auf einem Glassubstrat Sensoren auf der Rückseite des Glasbildschirms angebracht, welche die Vibration aufgrund einer Berührung erkennen und messen. Anschließend wandeln die Sensoren die Vibration als mechanische Energie in elektrische Energie um. Diese Daten werden in der so genannten Dispersionsanalyse ausgewertet und somit jeder einzelne Berührungspunkt genau gemeldet. Nachdem durch die Berührung mit der Bildschirmoberfläche eine Vibration erzeugt wird, durch sich im Ruhezustand befindliche Gegenstände oder auch Kratzer auf dem Bildschirm allerdings nicht, da diese keine Vibrationsenergie erzeugen, können diese vom System ohne Probleme ignoriert werden. [vgl. 1, 10]

Dadurch zeigen sich bereits die Vorteile gegenüber anderen Technologien. Das System ist nicht nur belastungsfähiger und gegen sämtliche Arten von Beschädigungen resistent, sondern ermöglicht es auch unerwünschte Eingaben, wie beispielsweise durch Aufstützen der Handflächen, Abstellen eines Getränkes oder ähnliches, zu ignorieren. Zudem können folglich auch hier jegliche Arten von Zeigegeräten verwendet werden. Da das System aus reinem Glas ohne Metallschichten oder andere Arten von Beschichtungen besteht, bietet es dem Benutzer eine einzigartige optische Klarheit und hervorragende Lichtdurchlässigkeit. Des weiteren arbeitet diese Technologie äußerst präzise und unterscheidet sich von den anderen Technologien durch ihre sehr hohe Lebensdauer. Nachteil dieser Touchscreen Technologie ist allerdings, dass sie zur Zeit mit Abstand zu den teuersten Technologien auf dem Markt zählt. [vgl. 1, 10]

Bedingt dadurch, dass Kratzer oder andere Arten von Beschädigungen auf der Bildschirmoberfläche die Performance des Systems nicht beeinflussen, eignet sich die Dispersive Signal Technologie ideal gerade für Geräte mit unüberwachtem öffentlichen Zugang, aber auch für Anwendungen im Gaststättengewerbe oder der Spieleindustrie, da hier die Gefahr der Beschädigung in der Regel besonders hoch ist. [vgl. 1, 10]

3. Virtuelle Touchscreens

Neben den herkömmlichen Touchscreen-Technologien soll noch auf eine damit eng verwandtes Eingabegerät hingewiesen werden, den virtuellen Touchscreen. Hier wird senkrecht von oben auf die Arbeitsfläche die Projektion des Bildschirms geworfen, auf der letztendlich die Ein- und Ausgabe erfolgt. Direkt neben dem Projektor befindet sich eine Infrarotkamera, die das Bild des Projektionstisches und die darauf ablaufenden Aktionen festhält. [vgl. 4]

Der große Vorteil gegenüber allen anderen vorgestellten Technologien ist hier die absolute Vandalismusfestigkeit, da sich Kamera und Projektor örtlich getrennt von der eigentlichen Benutzereingabe befinden. [vgl. 4]

Virtuelle Touchscreens eignen sich gerade für große mobile Anwendungen, wie beispielsweise elektronische Tafeln, da Kamera und Projektor leichter transportabel sind, als ein großflächiger herkömmlicher Touchscreen. [vgl. 4]

4. Einsatzbereiche von Touchscreens

Gerade bedingt durch die Vielzahl an verschiedenen technischen Umsetzungen finden Touchscreens vielfältige Verwendungsmöglichkeiten. An oberster Stelle wären hier Kiosk-Systeme in unterschiedlichen Ausführungen zu nennen. Darunter versteht man Systeme mit berührungsempfindlichem Bildschirm, die verwendet werden, um der Öffentlichkeit Informationen zu präsentieren oder automatisch funktionierende Auskunftsstellen zur Verfügung zu stellen. Zudem findet man sie häufig an Geldautomaten, Fahrkartenautomaten, aber auch im Bereich der Gastronomie. Ebenso werden Touchscreens gerne zur Steuerung von Maschinen in der Industrie oder im Bereich der Medizintechnik verwendet. Weitere Einsatzgebiete von Touchscreens sind Tablett-PCs, bei denen das Betriebssystem auf eine Stifteingabe ausgerichtet ist oder auch Handys und PDAs. Bei letzteren bietet der Touchscreen vor allem den Vorteil, dass keine zusätzliche Tastatur angehängt werden muss, die das mobile Gerät unnötig vergrößern und damit unhandlicher machen würde. Durch Verwendung eines Eingabestiftes kann hier die Eingabeposition präzisiert werden. [vgl. 1, 2, 9]

5. Abschluss

Insgesamt bleibt allen Touchscreen-Technologien gemeinsam, dass sie selbst bei sehr hoher Auflösung im Vergleich zu anderen Eingabegeräten nur über eine relativ grobe Positionierung verfügen, bedingt durch die Dicke der Finger. Höhere Präzision bieten dadurch stets jene Technologien, die auch andere Zeigegeräte wie Stifte zulassen, anstatt lediglich die grobe Fingerspitze. Da zudem das Ziehen von Elementen auf dem Touchscreen und insbesondere der Doppelklick in der Anwendung nur äußerst schwer zu realisieren ist, eignen sich Touchscreens nicht für derartige Anwendungen. Hier wird auch weiterhin die Maus das ideale Eingabegerät bleiben. Besonders geeignet ist der Touchscreen daher für großflächige Anwendungen, bei denen das schlichte Auswählen möglichst größerer Elemente im Vordergrund steht, da er gerade für unerfahrene Benutzer ein intuitiv bedienbares Eingabegerät darstellt. Welche von den eben beschriebenen Technologien man aber letztendlich verwendet, hängt von dem jeweiligen Einsatzgebiet ab und welche Anforderungen das System erfüllen muss. [vgl. 3]

Quellenverzeichnis

1. A.C.T. Kern GmbH (2006): "Touchscreen-Technologien verständlich erklärt", in:
http://www.actkern.info/index.php?id=63 (Stand: 01.02.07)

2. Dahm, Markus (2006): "Touchscreen", in:
Grundlagen der Mensch-Computer-Interaktion (S. 173-174)

3. Heinecke, Andreas M. (2004): "Zeigegeräte", in:
Mensch-Computer-Interaktion (S. 114-117)

4. Heinecke, Andreas M. (2004): "Virtueller Touchscreen", in:
Mensch-Computer-Interaktion (S. 121)

5. Henning, Peter A. (2003): "Lichtgriffel und Touchscreen", in:
Taschenbuch Multimedia (S. 222-223)

6. KWS Computersysteme GmbH (2007): "Touch Screen Systeme", in:
http://www.kws-computer.de/framesets/frame210.html (Stand: 01.02.07)

7. RUOSS-KISTLER AG (2006): "Touchscreen Lexikon", in:
http://www.ruoss-kistler.ch/frameload.htm?http://www.ruoss-kistler.ch/Handel/Hilfe/touchscreen_lexikon.htm (Stand: 01.02.07)

8. Toshiba Corporation (2006): "Touchscreen-Technologie", in:
http://ch.computers.toshiba-europe.com/cgi-bin/ToshibaCSG/download_whitepaper.jsp?LNG=8&service=CH&WHITEPAPER_ID=Touch_Screen (Stand: 01.02.07)

9. VISAM GmbH (2005): "Touchscreen Technik", in:
http://www.visam.de/04_service/touch.php (Stand: 01.02.07)

10. WIKIPEDIA (2007): "Touchscreen", in:
http://de.wikipedia.org/wiki/Touchscreen (Stand: 01.02.07)