Puuteekraan

Puuteekraan ehk puutetundlik ekraan on puutetundliku andurikihiga ekraan (kuvar), mille osi sõrme(de)ga (või eripliiatsiga) eriviisiliselt puudutades saab sisestada andmeid  ja juhtimiskäske. Niisiis on puuteekraan kombineeritud sisend-väljundseade, mis lisaks optilisele väljundseadmele toimib ühtlasi sisendseadmena (asendades arvutihiirt  või puuteplaati).

Ajaloost

Esimene arvuti puuteekraan loodi USA-s programmeeritud õppe jaoks aastal 1972. Selle arvuti PLATO IV puuteekraan põhines infrapunakiirte kasutamisel (koosnes 16×16 plokkidest). Vaatamata nii väikesele täpsusele sai kasutaja ekraanil soovitud kohta vajutades anda küsimusele enda valitud vastuse.
Aastal 1971 töötas doktor Sam Hurst (Elographicsi (praegune Elo TouchSystems) asutaja välja sensori "Elograf", mis funktsioneeris neljatraadilisel resistiivsel printsiibil. Aastal 1974 valmistas Hurst tõelise puuteekraani (läbipaistev Elograf) ja aastal 1977 töötas välja viietraadilise ekraani. 1982. aastal esitles Elographics puutetundliku ekraaniga kineskoopteleviisorit.
Aastal 1983 ilmus puuteekraaniga arvuti HP-150, millel oli infrapunavõrk, mis tuvastas ekraanil koha, mida puudutati. Sellel ajal olid puutetundlikud ekraanid kasutusel peamiselt tööstus- ja meditsiiniseadmeis.
Esimese puutetundliku ekraaniga nutitelefoni Simon lasi turule IBM 1992. aastal. Esimene puutetundliku ekraaniga tasku-mängukonsool on Nintendo DS. Esimesed seadmed, mis toetasid mitmikpuudet (inglise keeles multitouch), olid Mitsubishi DiamondTouch (2001) ja Apple'i iPhone (2007).
Esimese mahtuvusliku puuteekraaniga mobiiltelefoni hakkas LG tootma 2007. aastal.

Neljatraadilineresistiivne ekraan

Resistiivne ehk takistuslik puuteekraan koosneb kahest läbipaistvast plastkileplaadist. Mõlema plaadi sisepind on kaetud peaaegu täiesti läbipaistvast materjalist (indiumi ja tina oksiididest) üliõhukese kihiga, millel on teatud elektritakistus (resistiivsus); kummagi plaadi kahes vastasservas on elektroodid pinge rakendamiseks ja mõõtmiseks. Kilest plaate hoiavad normaalolekus kokku puutumast mikroisolaatoritest võrgustik (see on vaevunähtav). Kui vajutada ekraanile sõrme või mõne esemega, tekib plaatide vahel puutepunktis elektriline kontakt.
Puutepunkti koordinaatide (asukohaarvude x ja y) kindlakstegemiseks rakendab juhtlülitus (kontroller) esmalt [[alalispinge alumise plaadi elektroodidele. Puutepunkti asukohas tekib siis takistuste suhtele vastav elektripinge (5-voldise elektroodipinge korral võib see olla näiteks x = 2 V). Seda pinge väärtust mõõdab kontroller pealmise plaadi elektroodidelt (nende elektroodide vahel enne kontakti pinge puudus); nii saadakse x-koordinaadi signaal. Teise koordinaadi saamiseks pingestatakse pealmine plaat, mis on alumisega risti, ja mõõdetakse pinge väärtus alumise plaadi elektroodidelt; saadakse y-signaal. Kontroller vahendab need signaalid draiverile vajaliku toimingu sooritamiseks.

Viietraadiline resistiivne ekraan

Viietraadilise puututundliku ekraani töökindlus on parem, kuna resistiivne kate membraani peal on asendatud juhtiva kihiga ja varustatud viienda elektroodiga. Resistiivne kate on tagumise klaasi peal ja selle nurkades on neli elektroodi (igas nurgas on üks elektrood).
Alguses on kõik neli elektroodi maandatud, aga membraanil on +5 V pinge. Pinge suurust membraanil kontrollitakse pidevalt analoog-digitaalmuunduriga. Kui ekraani peale vajutatakse, tuvastab mikroprotsessor membraani pinge muudatuse ja hakkab koordinaate välja arvutama.

Akustilistel pindlainetel põhinevad puuteekraanid

Ekraan kujutab endast klaaspaneeli, mille nurkades on piesoelektrilised konverterid. Paneeli äärtel asuvad peegeldavad ja vastuvõtvad andurid. Spetsiaalne kontroller genereerib kõrgsagedusliku elektrilise signaali ja saadab selle konverterile, mis muundab selle signaali pinnalaineteks ja mida seejärel andurid peegelduvad. Need peegeldatud lained konverdivad vastuvõtuandurid elektrisignaalideks, mis kontrolleriga analoogsignaalideks muudetakse.
Ekraani sõrmega puudutamisel osa pinnalainete energiast neeldub. Vastuvõtja fikseerib selle muudatuse ja mikrokontroller arvutab välja puutepunkti koordinaadid. See ekraanitüüp reageerib niisuguse eseme puudutamisele, mis on võimeline akustilist lainet absorbeerima (sõrm, kinnastatud käsi, poorne kumm). Sellist tüüpi ekraanide puhul on peale puutekoha oluline ka puutejõud – pinnalainete absorbeerimise tase sõltub surve suurusest puutepunktis (ekraan puudutamise ajal siiski ei deformeeru). Selline ekraan on väga läbipaistev, sest puudub resistiivne ja juhtiv kiht. Mõnel juhul klaasi üldse ei kasutatagi, et vältida peegeldusi. Selliste ekraanide eraldusvõime on suurem kui maatrikspuuteekraanidel, aga väiksem kui mahtuvuslikel.
Piesoelektrilisi ekraane kasutatakse enamasti mänguautomaatides, infosüsteemides ja haridusasutustes.

Infrapuna-puuteekraanid

Infrapunakiirte kasutamisel põhineva puuteekraani servades on vastakuti optoelektroonilised kiirgusallikad ja kiirgusvastuvõtjad: ekraani vasakus servas infrapunast kiirt väljastavate valgusdioodide rida ning parempoolses servas vastav arv fotodioode; samasugused read paiknevad ka ekraani alumises ja ülemises servas. Nii moodustub ristuvate infrapunakiirte nähtamatu võrk. Kui ekraani sõrme või mõne esemega puudutada, tõkestab puutekoht mõne horisontaalse ja vertikaalse kiire edasipääsu fotodioodini ja nende kiirgusvastuvõtjate väljundsignaal väheneb järsult. Nõrgenenud signaalipingega fotodioodide järgi määrabki kontroller puutepunkti koordinaadid.
Oma lihtsa ehituse ja vähese hooldusvajaduse tõttu on selline ekraan populaarne sõjanduses.

Tensomeetrilised puuteekraanid

Tensomeetriline puuteekraan reageerib ekraani deformeerumisele. Selliste ekraanide täpsus on madal, kuid need on vandaalikindlad. Kasutusalad: pangaterminalid, piletiautomaadid ja muud välitingimustesse paigaldatud seadmed.

Induktsioon-puuteekraanid

Induktsioon-puuteekraan on kasutusel graafikalaudades. Need ekraanid reageerivad ainult spetsiaalse pliiatsi peale. Peamine kasutusala – tippklassi (high-end) kunstitahvlid.

Mahtuvuslikud puuteekraanid

Elektrimahtuvuse muutusel põhinevaid sensoreid kasutatakse pindmahtuvuslikes ja projektsioonmahtuvuslikes puuteekraanides.

Pindmahtuvuslikud ekraanid

Pindmahtuvusliku ekraani tagakülg on kaetud elektrit juhtiva läbipaistva kihiga, mille neljas nurgas on elektroodid. Nendele antakse ühesugune vahelduvpinge, mis tekitab ühtlase elektrivälja üle ekraani. Ekraani puudutamisel sõrme või mingi elektrit juhtiva esemega elektrivälja jaotus plaadil muutub, sest puutekoha kaudu siseneb inimese kehasse mahtuvusliku sidestuse läbi lekkevooluna teatud elektrilaeng. Selle tulemusena muutuvad ka lekkevoolu komponendid, mis sisenevad plaadi nurkade kaudu: mida suurem on puutepunkti kaugus mingist nurgast, seda suurem on nurga ja puutepunkti vaheline takistus ning vastavalt ka vool nõrgem. Nende vooluväärtuste järgi arvutab kontroller puutepunkti koordinaadid.
Pindmahtuvuslikud puuteekraanid on töökindlad (taluvad kuni 200 miljonit puudutust), kuid eraldusvõime pole kuigi hea ja parasiitmahtuvused võivad põhjustada väärsignaale. Seepärast kasutatakse pindmahtuvuslikke puuteekraane lihtsamates tööstuslikes rakendustes,

Projektsioonmahtuvuslikud ekraanid

Projektsioonmahtuvuslik puuteekraan, lühend PCT (ingl sõnadest projected capacitive technology) või PCAP (sõnadest projected capacitive) on praegusajal põhiline puuteekraani tüüp nutitelefonides, tahvelarvutites ja järjest enam ka TFT LCD-kuvarites. Suurte ekraanide korral võib ilmneda tundlikkus väliste elektromagnethäirete suhtes.
Ekraani katteklaasi sisepoolele on paigaldatud läbipaistvate elektroodide võrk; seda moodustavate ristuvate ribade kihid on teineteisest isoleeritud. Üks kiht toimib sensorina ja teine draiverina. Nende ribade ristumispunktides kujunevad miniatuursed kondensaatorid. Mõlema kihi elektroodide vahele rakendatakse pinge, nii et ristumiskohtades kujuneb teatav vastumahtuvus. Kui sõrmega puudutada katteklaasil niisuguse maatriksi mingi kohta, siis inimese mahtuvusest tulenev laeng nagu projitseeruks läbi ekraaniklaasi sensorribale ja sellelt elektrilise induktsiooni teel draiverribale. Nendele kondensaatorite mahtuvuse muutusi töötleb puuteekraani kontroller.
Samsungil läks korda paigutada elektroodmaatriksi juhtivad ribad otse AMOLED-ekraani pikslite vahele; tulemusena lihtsustus ekraani ehitus ja paranes läbipaistvus.
Niisugust ekraanistruktuuri eraldab välismõjudest katteklaas. Seetõttu on ekraan kulumiskindel ja pikaealine, ekraani läbipaistvus on kuni 90%, temperatuuritaluvus on väga hea. Ekraaniklaas võib olla küllalt paks, mis muudab ekraanid vandaalikindlateks. Seepärast saab neid ekraane ka kasutada infotahvlites ja automaatides, mis on paigaldatud õuetingimustesse. On olemas mudelid, mis reageerivad kinnastatud käe puudutusele. Sõrme asemel võib ekraani puudutada ka juhtiva pliiatsiga.