Rilevamento tattile senza contatto per interazioni più sicure

Di Aimee Kalnoskas | 3 settembre 2019

di Richard Berglind, ingegnere ottico senior, Neonode Inc.

Gli smartphone e altri prodotti portatili hanno reso il touch l'interfaccia uomo-macchina (HMI) preferita per molti altri prodotti. Il rilevamento tattile è facile da implementare, facile da usare, affidabile ed economico. Tuttavia, esistono molte applicazioni e situazioni in cui il contatto fisico con un dispositivo non è desiderato e, di fatto, in alcuni casi deve essere evitato. Prima di discutere una soluzione a queste applicazioni più restrittive, è opportuna una breve introduzione al rilevamento del tocco.

Secondo un recente rapporto di mercato, esiste una crescente necessità di sensori tattili [1]. Il rapporto prevede che il mercato globale dei sensori tattili raggiungerà circa 8,4 miliardi di dollari entro il 2023, crescendo a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 12,8% nel periodo di previsione 2018-2023. Le tipiche tecnologie di rilevamento del tocco includono: resistiva, capacitiva, onda acustica superficiale (SAW), infrarossi (IR), imaging ottico e più recentemente riconoscimento dell'impulso acustico (APR). Nella loro implementazione più comune, questi approcci richiedono tutti un contatto effettivo con la superficie. Tuttavia, esistono applicazioni che non vogliono o devono evitare il contatto fisico e richiedono un approccio di rilevamento più sofisticato.

Una possibilità potrebbe essere quella di utilizzare una tecnologia basata sul tempo di volo per identificare le interazioni a mezz’aria sopra un touchscreen [2]. Il tempo di volo è una tecnica di misurazione che risolve la distanza tra il sensore e un oggetto misurando il tempo impiegato dalla luce per raggiungere un oggetto e tornare al sensore. La precisione è dell'ordine di 1 cm, il che lo rende inadatto all'interazione tattile. Migliorare la precisione significherebbe generalmente un frame rate più lento. Inoltre questo tipo di sensore necessita di calibrazione ed è sensibile alle variazioni di temperatura.

Un'altra alternativa è la tecnologia a infrarossi. Il tradizionale tocco a infrarossi richiede una cornice che circonda lo schermo con emettitori su due lati adiacenti e ricevitori sui lati opposti. L'area interattiva touch si solleva dallo schermo semplicemente alzando la cornice attorno allo schermo. Tuttavia, il bordo risultante attorno allo schermo non solo sarebbe difficile da incorporare esteticamente in un dispositivo, ma renderebbe anche difficile la pulizia dello schermo, vanificando così uno degli scopi del suo utilizzo.

Il tocco a infrarossi può essere implementato utilizzando la tecnologia riflettente montando un sensore lungo un bordo del display. L'area di interazione è costituita da un foglio di luce che viene proiettato fuori dal sensore e posizionato alla distanza desiderata sopra la superficie del display come mostrato in figuraFigura 1.

Figura 1. Un sensore tattile IR che utilizza la tecnologia riflettente ha l'area di interazione sollevata sopra lo schermo.

Il sensore tattile a infrarossi è costituito da una serie di emettitori e ricevitori alternati, come mostrato infigura 2 . Gli emettitori laser sono preferiti rispetto ai LED poiché sono più facili da collimare e generano meno luce diffusa interna al modulo sensore. Qualsiasi luce diffusa interna deve essere mantenuta al minimo in modo che non interferisca con la luce che genera il segnale riflessa da un oggetto esterno al rilevatore. Come emettitori vengono utilizzati laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) operanti a 945 nm, mentre come ricevitori vengono utilizzati fotodiodi al silicio. Lenti in policarbonato stampato vengono utilizzate per collimare la luce proveniente dagli emettitori e restringere il campo visivo dei ricevitori.

Figura 2. Lo schema a blocchi elettrico di un sensore tattile con tecnologia riflettente mostra gli emettitori laser e i ricevitori di fotodiodi alternati.

L'utilizzo di ottiche condivise sia per gli emettitori che per i ricevitori forza il campo visivo del ricevitore a formare un angolo verso la direzione della luce emessa, come mostrato inFigura 3 (a) . Questo angolo varia tipicamente tra 17 e 26 gradi a seconda delle proporzioni dell'area di rilevamento del sensore.

Figura 3. (a) L'emettitore e il ricevitore condividono parte della stessa ottica, costringendo il campo visivo del ricevitore a formare un angolo verso la luce emessa. (b) Ciascun ricevitore guarda attraverso più raggi di emettitori. La parte centrale di ciascuna area di sovrapposizione tra un raggio in uscita e il campo visivo del ricevitore è contrassegnata da un cerchio pieno.