Pekskärmar används numera överallt, men fortfarande är läsbarheten i dagsljus ganska dålig. Ulrich Rütten från system elektronik och Dietrich Busch från Berliner Glas gör här en grundlig genomgång av de faktorer som kan förbättras. Framför allt handlar det om att minska reflektionen.

 Efter nästan ett decennium av dominans närmar sig nu tidsåldern med resistiv och ytkapacitiv pekteknologi sitt slut. Pådrivna av mantran inom konsumentelektronik om interaktion har nu slutligen industriella, medicinska, POI- och POS-applikationer börjat integrera ”gestik”, ”multi-touch” eller, mer generellt, ”intuitiva” koncept för interaktion. Det ligger långt bortom syftet med denna artikel att försöka komma till botten med om detta har någon relevans. Men denna trend är ett faktum, och vi skall här ta en titt på hårdvarusidan av detta fenomen.

PCT-teknologi
När vi söker efter de grundläggande teknologier som möjliggör ”multi-touch”-interaktion skall vi först se på PCT-teknologi (projected capacitive touch screen technology). Denna kombinerar de fundamentala principerna för kapacitiv pekteknologi med ett mönster av optiskt klart ledande material, t ex ITO (indium-tenn-oxid), som gör det möjligt att detektera beröringshändelser med ett finger eller en pekpenna (stylus) genom glas, eller detektion av ett visst antal samtidiga beröringshändelser.
Eftersom konsumentprodukter har spritt ut denna teknologi i miljontals enheter anses den vara säker och validerad. State-of-the-art är fortfarande att pekskärmen befinner sig ”out of the cell”. Det innebär att den är monterad framför LCD-displayen, som ett fristående element eller som en del av det täckglas som tjänar som designelement eller som skydd mot mekaniska stötar. Hur som helst handlar det om minst ett extra lager av glas framför LCD-panelen.

Fig 1. ”Cellen” – en glas-LCD-glas-sandwichkonstruktion – öppnar eller stänger ljusbanan i sina minsta uppdelningar (”pixel”), från bakgrundsbelysningen (CCFL eller LCD) genom en första polariserande film, ett par färgfilter, och genom den andra (tvärställda) polariseraren.
Ljuset passerar därefter skärmglaset så att observatören kan se ”informationen” i form av position och färg, eller mer generellt: ljus eller mörker.

I många applikationer används frontglaset som en komplett yta på apparaten, så att man får en frontpanel som är hygienisk och lätt att göra ren. Detta uppfyller uppenbarligen i hög grad behoven inom medicin-, läkemedels- och livsmedelsindustrierna. I vissa fall måste man här vidtaga extra åtgärder för att skydda chipen.

Många krav
Generellt sett ställs det många krav på detta glas. Några av dessa är säkerhetskrav och förväntningar rörande de optiska egenskaperna och ytan.
Vid valet av ett passande täckglas för en applikation finns det många aspekter som måste beaktas:
* Glastyp och kantbehandling
* Behandlingar som påverkar de mekaniska egenskaperna
* Behandlingar av ytan som påverkar dess optiska prestanda
Vanligast är att använda sodaglas, ett glas som har stor användning i byggnader och fordon. Det finns i tjocklekar från 0,5 mm till 19 mm, och för displayapplikationer är naturligtvis de tunnare glasen av speciellt intresse. Beroende på byggsituation och estetik kan kanterna vara allt från bara vassa eller avrundade (”arrised”) till slipade med speciella kantprofiler eller rent av blankpolerade.
Den mekaniska styrkan kan, speciellt för glas tunnare än 2 mm, i hög grad förbättras genom en behandling kallad kemisk härdning. Denna process skapar med hjälp av jonväxling vid hög temperatur ett kompressionslager i glasytan. Detta ökar inte bara motståndskraften mot mekaniska stötar, utan förbättrar också motståndskraften mot ristningar.

Ytskikt
Täckglasets toppyta påverkar också displaysystemets optiska egenskaper. Om glasytan lämnas som den är från produktionen kommer den att ha en reflektion på omkring 4 procent. Detta kan påverka glasets prestanda, så något måste göras för att förbättra situationen.
Ytan kan täckas med ett speciellt skikt som minskar reflektiviteten. Med hjälp av en flerskikts interferensbeläggning kan den återstående reflektionen reduceras till ett minimum på 0,5 procent. Detta kommer att märkas som en ökning av transmissionen.

Fig 2. Vi kan se att volymen mellan glasytan och peksensorn är helt uppfylld med det optiska bondningsmaterialet.

För att reducera den direkta reflektionen kan man etsa ytan, en process där man använder en syra för att skapa en mycket fin ytstruktur. Denna ”antiglare”-yta reducerar inte bara den direkta reflektionen, utan gör också att fingeravtryck syns mindre. I pekapplikationer blir dessutom beröringskänslan mycket bättre, jämfört med en obehandlad glasyta som känns mer ”klibbig”.

Läsbarhet
Tillverkare av sensorer och styrkretsar till pekskärmar garanterar idag den specificerade funktionen hos sina produkter vid glastjocklekar upp till sex millimeter. Frågan blir då vilken inverkan dessa glasskikt har för läsbarheten av LCD-displayen bakom glaset. Låt oss därför ta en närmare titt på en pekskärmsenhet. ”Cellen” – en glas-LCD-glas-sandwichkonstruktion – öppnar eller stänger ljusbanan i sina minsta uppdelningar (”pixel”), från bakgrundsbelysningen (CCFL eller LCD) genom en första polariserande film, ett par färgfilter, och genom den andra (tvärställda) polariseraren.
Ljuset passerar därefter skärmglaset så att observatören kan se ”informationen” i form av position och färg, eller mer generellt: ljus eller mörker. Här definierar vi vanligen några fysiska kvantiteter som hjälper oss att beskriva kvaliteten hos en display, eller i vårt fall kombinationen display och pekskärm.

Tabell 1. Tabellen visar typiska värden för omgivningsljus och dess inverkan på kontrasten.

Vi talar om displayens färgrymd, upplösning, ljusstyrka och kontrast, och vi definierar kontrasten som förhållandet mellan den ljusaste och den mörkaste pixeln. Om luminansen hos den ljusaste pixeln är 300 cd/m² och hos den mörkaste 0,3 cd/m² blir kontrastförhållandet 300 dividerat med 0,3 som blir 1000 (:1).

Kontrast
Naturligtvis är de underliggande fysiska processerna, t ex vad som gör ljusa pixlar ljusa och mörka pixlar mörka, beroende av den använda displayteknologin och kvantiteter som ljusabsorptionen i peksensorskiktet. Än så länge har vi inte heller tagit någon hänsyn till några externa (miljömässiga) aspekter. Men om vi gör det förändras situationen omedelbart.
Se på fig 1. Vi antar att reflektionen i varje glas/luft-gränsyta följer Fresnels ekvation.

Då kommer omkring 10 procent av omgivningsljuset att överlagras på de ljusa och mörka pixlarna i displayen. Vi ser på exemplet ovan och tänker oss en kontorsmiljö med 800 cd/m². Då sjunker kontrastförhållandet omedelbart till 4,73 (:1). Tabell 1 visar typiska värden för omgivningsljus och dess inverkan på kontrasten.
Enligt en ofta använd definition anges läsbarheten hos en LCD-färgdisplay vid kontrastförhållanden större än 10 (:1). Enligt denna definition kan vår display/pekskärm inte ens användas i kontorsmiljö!

Minska reflektionen
Enkla beräkningar visar att om vi bibehåller värdet 10 procent för reflektionen så kommer inte ens en ökning av displayens ljusstyrka (luminans) med en faktor 5 (till 1500 cd/m²) att ha någon större inverkan på kontrastförhållandena under inverkan av det omgivande ljusets reflektion. Situationen blir mycket bättre om vi lyckas minska reflektionen till exempelvis värden under 1 procent. Tabell 2 visar vad som händer under dessa förutsättningar.
Det använda värdet på 0,5 procents reflektion baseras på förutsättningen att de bästa och mest omfattande metoderna för att undertrycka reflektioner har använts. Tydligt är att detta är det mest effektiva sättet att göra en display/pekskärm användbar utomhus, eller t o m i miljöer med icke idealisk belysning.

Tabell 2. Med bibehållet värde på reflektionen kommer hjälper det inte mycket att öka displayens ljusstyrka. Genom att minska reflektionen minskar inverkan från yttre belysning kraftigt. Tabellen visar resultatet vid en reflektion under en procent.

Det finns många olika metoder för att undertrycka reflektioner. Den mest effektiva är en kombination av antireflexbehandling (AR) av den yta som är vänd mot observatören och ”optisk bondning” mellan peksensorn och LCD-displayen. Optisk bondning innebär att ett optiskt klart lim används för att fylla ut utrymmet mellan de båda komponenterna.
Brytningsindex för detta lim anpassas till de omgivande materialen genom denna ekvation:

I fallet med ”glas-luft-glas”-skikt ersätts luften med ett medium som har samma brytningsindex som glas. Andra material, t ex polarisationsfilmer, måste väljas med hänsyn till formeln. Den nya konfigurationen visas i fig 2.
Fig 3 visar den kontrastökning som uppnås med optisk bondning. LCD-panelen i figurerna har frontglas utan någon ytbehandling. Ena halvan av ytan är optiskt bondad, medan den andra fortfarande har ett luftgap mellan glasytan och displayytan. Såväl när displayen är i drift som när den är avstängd uppnås en mycket imponerande undertryckning av reflektionerna mellan de båda komponenterna.

Upp till 32 tum
Med dagens teknologi kan system elektronik GmbH tillsammans med Berliner Glas KGaA tillhandahålla denna tjänst för displayer med diagonaler upp till 32 tum. LCD-paneler från många olika tillverkare kan användas, och samma gäller för olika fabrikat av pekskärmar. I ett fåtal fall kan tekniska skäl göra att bondningsteknologin kan te sig sämre, men för det mesta överträffar effekten förväntningarna.
En bättre färgåtergivning och en tydlig minskning av reflektioner uppnås med ”anti-glare”-behandlat glas, och en superb läsbarhet utomhus är resultatet av att använda ”optisk bondning”.
U. Rütten, system elektronik, och D. Busch, Berliner Glas

Filed under: Opto