Kontaktlose Berührungserkennung für sicherere Interaktionen

Von Aimee Kalnoskas | 3. September 2019

von Richard Berglind, Senior Optical Engineer, Neonode Inc.

Bei Smartphones und anderen tragbaren Produkten ist Touch für viele andere Produkte die bevorzugte Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI). Die Berührungserkennung ist einfach zu implementieren, benutzerfreundlich, zuverlässig und kostengünstig. Es gibt jedoch viele Anwendungen und Situationen, in denen die physische Berührung eines Geräts unerwünscht ist und in manchen Fällen sogar vermieden werden muss. Bevor eine Lösung für diese restriktiveren Anwendungen besprochen wird, ist ein wenig Hintergrundwissen zur Berührungserkennung angebracht.

Laut einem aktuellen Marktbericht besteht ein wachsender Bedarf an Berührungssensoren [1]. Der Bericht geht davon aus, dass der weltweite Markt für Berührungssensoren bis 2023 ein Volumen von etwa 8,4 Milliarden US-Dollar erreichen und im Prognosezeitraum 2018–2023 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 12,8 % wachsen wird. Zu den typischen Berührungserkennungstechnologien gehören: resistive, kapazitive, akustische Oberflächenwellen (SAW), Infrarot (IR), optische Bildgebung und neuerdings auch akustische Impulserkennung (APR). In ihrer häufigsten Implementierung erfordern diese Ansätze alle einen tatsächlichen Kontakt mit der Oberfläche. Es gibt jedoch Anwendungen, die keinen physischen Kontakt wollen oder müssen und einen ausgefeilteren Sensoransatz erfordern.

Eine Möglichkeit wäre der Einsatz einer Time-of-Flight-Technologie zur Identifizierung von Interaktionen in der Luft über einem Touchscreen [2]. Time-of-Flight ist eine Entfernungsmessungstechnik, die den Abstand zwischen dem Sensor und einem Objekt ermittelt, indem sie die Zeit misst, die das Licht benötigt, um zu einem Objekt und zurück zum Sensor zu gelangen. Die Genauigkeit liegt in der Größenordnung von 1 cm, was es für Touch-Interaktionszwecke ungeeignet macht. Eine Verbesserung der Genauigkeit würde im Allgemeinen eine langsamere Bildrate bedeuten. Darüber hinaus erfordert diese Art von Sensor eine Kalibrierung und reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen.

Eine weitere Alternative ist die Infrarot-Technologie. Herkömmliche Infrarot-Touchscreens erfordern einen den Bildschirm umgebenden Rahmen mit Sendern auf zwei benachbarten Seiten und Empfängern auf den gegenüberliegenden Seiten. Der Touch-Interaktionsbereich wird vom Bildschirm abgehoben, indem einfach der Rahmen um den Bildschirm herum angehoben wird. Allerdings wäre der resultierende Rand um den Bildschirm nicht nur ästhetisch schwierig in ein Gerät zu integrieren, er würde auch die Reinigung des Bildschirms erschweren und damit einen seiner Verwendungszwecke zunichte machen.

Infrarot-Touch kann mithilfe der reflektierenden Technologie implementiert werden, indem ein Sensor entlang einer Kante eines Displays angebracht wird. Der Interaktionsbereich besteht aus einer Lichtscheibe, die aus dem Sensor projiziert und im gewünschten Abstand über der Oberfläche des Displays positioniert wird, wie in gezeigtAbbildung 1.

Abbildung 1. Bei einem IR-Berührungssensor mit reflektierender Technologie ist der Interaktionsbereich über dem Bildschirm erhöht.

Der Infrarot-Berührungssensor besteht aus einer Reihe abwechselnder Sender und Empfänger, wie in gezeigtFigur 2 . Laserstrahler werden gegenüber LEDs bevorzugt, da sie einfacher zu kollimieren sind und weniger internes Streulicht innerhalb des Sensormoduls erzeugen. Internes Streulicht muss auf ein Minimum beschränkt werden, damit es das signalerzeugende Licht, das von einem Objekt außerhalb des Detektors reflektiert wird, nicht stört. Als Emitter werden Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VCSELs) mit einer Wellenlänge von 945 nm und als Empfänger Silizium-Fotodioden verwendet. Geformte Polycarbonatlinsen bündeln das Licht der Sender und verengen das Sichtfeld der Empfänger.

Abbildung 2. Das elektrische Blockdiagramm eines Berührungssensors mit Reflexionstechnologie zeigt die abwechselnden Lasersender und Fotodiodenempfänger.

Durch die Verwendung gemeinsamer Optiken für Sender und Empfänger wird das Sichtfeld des Empfängers gezwungen, einen Winkel in Richtung des emittierten Lichts zu bilden, wie in gezeigtAbbildung 3 (a) . Dieser Winkel variiert typischerweise zwischen 17 und 26 Grad, abhängig vom Seitenverhältnis des Erfassungsbereichs des Sensors.

Abbildung 3. (a) Der Sender und der Empfänger teilen sich einen Teil derselben Optik, wodurch das Sichtfeld des Empfängers gezwungen wird, einen Winkel in Richtung des emittierten Lichts zu bilden. (b) Jeder Empfänger blickt über mehrere Emitterstrahlen. Der zentrale Teil jedes Überlappungsbereichs zwischen einem ausgehenden Strahl und dem Sichtfeld des Empfängers ist mit einem ausgefüllten Kreis markiert.

Bei mehreren Emittern wird der Vorteil dieser Geometrie deutlicher. Jeder Empfänger blickt auf mehrere Sender und für jeden Sender gibt es einen Bereich, in dem sich das emittierte Licht und das Sichtfeld (FOV) des Empfängers überlappen, wie in gezeigtAbbildung 3 (b) . Nur in diesem Bereich kann ein Detektor ein Signal von einem vom jeweiligen Sender beleuchteten Objekt empfangen. Außerhalb dieses Bereichs empfängt der Detektor überhaupt kein Signal.

Da jeder Empfänger zwischen zwei Sendern positioniert ist, erkennt der Empfänger auch Licht, das durch die Optik einfällt, die er mit dem anderen benachbarten Sender teilt. Dies ermöglicht die Generierung eines 2D-Gitters mit überlappenden Bereichen.

Bei einem Scan wird jeder Sender nacheinander abgetastet, während mehrere Empfängersignale gleichzeitig aufgezeichnet werden. Im Gegensatz zu IR-Näherungsdetektoren, die zur Objektpositionierung auf die Signalstärke angewiesen sind, hat das Design des Reflexionstechnologiesensors die Objektpositionierung zu einer geometrischen Frage gemacht. Die Position eines Objekts wird anhand der Sender-Empfänger-Kombinationen bestimmt, die während eines Scans ein Signal erzeugen.Figur 4 zeigt die Erkennung eines Objekts in der Nähe des Sensors sowie die Erkennung eines Objekts, das weiter vom Sensor entfernt positioniert ist. Jede Erkennung basiert auf Signalen von zwei Sendern und drei Empfängern. Die Sender sind gleich, die Empfänger jedoch unterschiedlich, was eine Unterscheidung der beiden Objektstandorte ermöglicht.

Abbildung 4. Je nach Position des Objekts wird reflektiertes Licht von unterschiedlichen Empfängern erfasst.

Alle Sensoren haben eine gemeinsame Breite (14,5 mm) und Dicke (3,46 mm) (siehe Seitenleiste).Abbildung 5 zeigt eine detaillierte Ansicht des Sensors und seiner internen Komponenten. Die elektrische Integration erfolgt über den Steckverbinder am Rand der Leiterplattenbaugruppe (PCBA). Es gibt 8 Kontaktpads und der PCB-Umriss entspricht dem eines 0,3–0,33 mm dicken Standard-Steckverbinders für flexible Flachkabel (FFC)/flexible gedruckte Schaltungen (FPC) mit 1 mm Rastermaß und oben montierten Anschlüssen. Diese Verbindung ermöglicht dem Sensor die Kommunikation mit einem Hostsystem über eine Standard-USB- oder I2C-Schnittstelle.

Abbildung 5. Die innere Struktur eines reflektierenden IR-Berührungssensors zeigt, wie seine Komponenten zu einer einzigen Struktur zusammengefügt werden.

Für viele Anwendungen wäre es entweder schön oder äußerst wünschenswert, mit einem Display oder einer Oberfläche zu interagieren, ohne diese tatsächlich zu berühren. Ein auf reflektierender Infrarottechnologie basierender Sensor bietet eine Lösung für die berührungslose Berührungsinteraktion. Durch die Steuerung des Abstands zwischen Sensor und Display kann die vom Sensor projizierte Lichtfläche über das Display angehoben werden. Der resultierende Berührungsinteraktionsbereich schwebt über dem Display und sorgt dafür, dass das Display auf Berührungen reagiert, ohne dass es zu einem physischen Kontakt zwischen dem Benutzer und dem Display kommt. Diese berührungslose Berührungserkennung ermöglicht eine sichere Interaktion in medizinischen Anwendungen, bei der Lebensmittelausgabe und tatsächlich in allen öffentlichen Bereichen mit häufigen Maschinenschnittstellen, in denen das Risiko einer Übertragung von Krankheitserregern besteht.