Pantalla táctil

La primera versión de una pantalla táctil que funcionaba independientemente de la luz que producía la pantalla fue patentada por AT&T Corporation (US 3016421A , Harmon, Leon D., "Transmisor electrográfico"), el 9 de enero de 1962. Esta pantalla táctil utilizaba una matriz de luces colimadas que brillaban ortogonalmente sobre la superficie táctil. Cuando un lápiz óptico interrumpía un haz de luz, los fotodetectores, que ya no recibían señal, podían utilizarse para determinar dónde se encontraba la interrupción. Las versiones posteriores de pantallas táctiles basadas en matrices se basaron en este principio, añadiendo más emisores y detectores para mejorar la resolución, emisores pulsantes para mejorar la relación señal-ruido óptica y una matriz no ortogonal para eliminar las lecturas de sombra al usar la función multitáctil. 

Inventos posteriores se basaron en este sistema para liberar los lápices de teleescritura de sus limitaciones mecánicas. En 1963, Robert E. Graham patentó un aparato de teleescritura con lápiz óptico "indirecto" que permitía a los usuarios dibujar en una superficie separada mientras el sistema transmitía y reproducía electrónicamente los trazos en la pantalla de una computadora. Este diseño redujo las limitaciones mecánicas de los sistemas anteriores basados ​​en lápices y demostró una forma temprana de captura electrónica de escritura a mano, lo que permitió almacenar o transmitir dibujos y anotaciones para su uso posterior. ^{[ 8 ]}

La primera pantalla táctil controlada por el dedo fue desarrollada por Eric Johnson ^{[ 9 ]} , del Royal Radar Establishment ubicado en Malvern , Inglaterra, quien describió su trabajo sobre pantallas táctiles capacitivas en un breve artículo publicado en 1965 ^{[ 10 ] [ 11 ]} y luego de forma más completa, con fotografías y diagramas, en un artículo publicado en 1967. ^{[ 12 ]}

Otro precursor de las pantallas táctiles, un dispositivo señalador basado en una cortina ultrasónica frente a una pantalla de terminal, había sido desarrollado por un equipo liderado por Rainer Mallebrein en Telefunken Konstanz para un sistema de control de tráfico aéreo. ^{[ 13 ]} En 1970, esto evolucionó a un dispositivo llamado "Touchinput- Einrichtung " ("sistema de entrada táctil") para la  terminal SIG 50 que utilizaba una pantalla de vidrio con revestimiento conductor frente a la pantalla. ^{[ 14 ] [ 13 ]} Esto fue patentado en 1971 y la patente fue otorgada un par de años después . ^{[ 14 ] [ 13 ]} El mismo equipo ya había inventado y comercializado el ratón Rollkugel RKS  100-86 para el SIG  100-86 un par de años antes. ^{[ 14 ]}

La aplicación de la tecnología táctil para el control del tráfico aéreo se describió en un artículo publicado en 1968. ^{[ 15 ]} Frank Beck y Bent Stumpe , ingenieros del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), desarrollaron una pantalla táctil transparente a principios de la década de 1970, ^{[ 16 ]} basándose en el trabajo de Stumpe en una fábrica de televisores a principios de la década de 1960. Luego fabricada por el CERN, y poco después por socios de la industria, ^{[ 17 ]} se puso en uso en 1973. ^{[ 18 ]}

Un grupo de la Universidad de Illinois solicitó una patente para una pantalla táctil óptica ^{[ 19 ]} que se convirtió en un componente estándar del terminal estudiantil Magnavox Plato IV, y se fabricaron miles de unidades para este fin. Estas pantallas táctiles contaban con una matriz cruzada de 16 × 16 sensores de posición infrarrojos , cada uno compuesto por un LED en un borde de la pantalla y un fototransistor correspondiente en el otro, todos montados frente a un panel de visualización de plasma monocromo . Esta disposición permitía detectar cualquier objeto opaco del tamaño de la yema de un dedo que se encontrara cerca de la pantalla.

En 1973, Beck y Stumpe publicaron otro artículo que describía su pantalla táctil capacitiva. Esto indicaba que era capaz de realizar múltiples toques, pero esta función estaba deliberadamente inhibida, presumiblemente porque no se consideraba útil en ese momento ("Una variable llamada BUT cambia de valor de cero a cinco cuando se toca un botón. Al tocar otros botones se obtendrían otros valores distintos de cero para BUT, pero esto está protegido por software" (Página 6, sección 2.6). ^{[ 20 ]} "El contacto real entre un dedo y el condensador se impide mediante una fina lámina de plástico" (Página 3, sección 2.3).

La empresa estadounidense Elographics, en colaboración con Siemens, comenzó a trabajar en el desarrollo de una implementación transparente de una tecnología de panel táctil opaco existente, patente estadounidense n.°  3.911.215, del 7 de octubre de 1975, desarrollada por el fundador de Elographics , George Samuel Hurst . ^{[ 21 ]} La pantalla táctil de tecnología resistiva resultante se mostró por primera vez en la Feria Mundial de Knoxville en 1982. ^{[ 22 ]}

La tecnología multitáctil comenzó en 1982, cuando el Grupo de Investigación de Entrada de la Universidad de Toronto desarrolló el primer sistema multitáctil de entrada humana, utilizando un panel de vidrio esmerilado con una cámara colocada detrás del vidrio.

La HP-150 incorporó una pantalla táctil óptica a partir de 1983. La HP 150 fue una de las primeras computadoras comerciales con pantalla táctil del mundo. ^{[ 23 ]} HP montó sus transmisores y receptores infrarrojos alrededor del marco de un tubo de rayos catódicos (CRT) Sony de 9 pulgadas .

Bob Boie, de AT&T Bell Labs, utilizó la capacitancia para rastrear los cambios mecánicos en el grosor de una membrana superpuesta blanda y deformable cuando uno o más objetos físicos interactúan con ella; ^{[ 24 ]} la superficie flexible se puede reemplazar fácilmente si resulta dañada por estos objetos. La patente indica que "los conjuntos de sensores táctiles pueden utilizarse como una pantalla táctil".

Numerosas fuentes derivadas ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} describen retrospectivamente a Boie como un gran avance en su tecnología de pantalla táctil; pero no se ha encontrado evidencia de que Boie haya desarrollado o patentado una pantalla táctil capacitiva multitáctil robusta, capaz de detectar a través de una cubierta protectora rígida, del tipo que posteriormente se requirió para un teléfono móvil. ^{[ 28 ]} Muchas de estas citas se basan en evidencia anecdótica de Bill Buxton de Bell Labs. ^{[ 29 ]} Sin embargo, Bill Buxton no tuvo mucha suerte al intentar acceder a esta tecnología. Como afirma en la cita: «Nuestra suposición (falsa, como se demostró) era que la tecnología de Boie estaría disponible para nosotros en un futuro próximo. Alrededor de 1990 llevé a un grupo de Xerox a ver esta tecnología, ya que pensé que sería apropiada para la interfaz de usuario de nuestros grandes procesadores de documentos. Esto no funcionó».

Aunque, como se mencionó anteriormente, a Johnson se le atribuye el desarrollo de las primeras pantallas táctiles capacitivas y resistivas operadas con el dedo en 1965, estas funcionaban tocando directamente cables en la parte frontal de la pantalla. ^{[ 11 ]} Stumpe y Beck desarrollaron una pantalla táctil de autocapacitancia en 1972 y una pantalla táctil de capacitancia mutua en 1977. Ambos dispositivos solo podían detectar el dedo mediante contacto directo o a través de una fina película aislante. ^{[ 30 ]} Esta tenía 11 micras de espesor según el informe de Stumpe de 1977. ^{[ 31 ]}

Fujitsu lanzó un panel táctil para el Micro 16 para acomodar la complejidad de los caracteres kanji , que se almacenaban como gráficos en mosaico . ^{[ 32 ]}

Se lanzó una tableta gráfica táctil para la computadora Sega AI . ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Las unidades de control y visualización táctiles (CDU) se evaluaron para las cabinas de vuelo de aeronaves comerciales a principios de la década de 1980. Las investigaciones iniciales demostraron que una interfaz táctil reduciría la carga de trabajo del piloto, ya que la tripulación podría seleccionar puntos de referencia, funciones y acciones, en lugar de estar concentrada tecleando latitudes, longitudes y códigos de puntos de referencia en un teclado. El objetivo de una integración eficaz de esta tecnología era ayudar a las tripulaciones de vuelo a mantener un alto nivel de conocimiento de la situación en todos los aspectos principales de las operaciones de la aeronave, incluyendo la trayectoria de vuelo, el funcionamiento de los diversos sistemas de la aeronave y las interacciones humanas en tiempo real. ^{[ 35 ]}

Además, a principios de la década de 1980, General Motors encargó a su división Delco Electronics un proyecto destinado a reemplazar las funciones no esenciales de un automóvil (es decir, distintas del acelerador , la transmisión , el frenado y la dirección ) de sistemas mecánicos o electromecánicos con alternativas de estado sólido siempre que fuera posible. El dispositivo final se denominó ECC por "Centro de Control Electrónico", un sistema de control de software y computadora digital cableado a varios sensores periféricos , servomecanismos , solenoides , antena y una pantalla táctil CRT monocromática que funcionaba tanto como pantalla como único método de entrada. ^{[ 36 ]} El ECC reemplazó los controles y pantallas mecánicos tradicionales del estéreo , ventilador, calefacción y aire acondicionado , y era capaz de proporcionar información muy detallada y específica sobre el estado operativo acumulado y actual del vehículo en tiempo real . El ECC era equipamiento estándar en el Buick Riviera de 1985-1989 y posteriormente en el Buick Reatta de 1988-1989 , pero no era popular entre los consumidores, en parte debido a la tecnofobia de algunos clientes tradicionales de Buick , pero sobre todo debido a los costosos problemas técnicos que sufría la pantalla táctil del ECC, que hacían imposible el control del climatizador o el funcionamiento del estéreo. ^{[ 37 ]}

Sega lanzó el Terebi Oekaki, también conocido como Sega Graphic Board, para la consola de videojuegos SG-1000 y el ordenador doméstico SC-3000 . Consistía en un lápiz de plástico y una placa de plástico con una ventana transparente donde se detectaban las pulsaciones del lápiz. Se utilizaba principalmente con un programa de dibujo. ^{[ 38 ]}

El grupo de la Universidad de Toronto, del que formaba parte Bill Buxton, desarrolló una tableta multitáctil que utilizaba capacitancia en lugar de los voluminosos sistemas de detección óptica basados ​​en cámaras (véase Historia de la tecnología multitáctil ).

El primer software gráfico de punto de venta (TPV) disponible comercialmente se demostró en la computadora a color Atari 520ST de 16 bits . Presentaba una interfaz táctil a color basada en widgets. ^{[ 39 ]} El software TPV ViewTouch ^{[ 40 ]} fue presentado por primera vez por su desarrollador, Gene Mosher, en el área de demostración de Atari Computer de la exposición COMDEX de otoño de 1986. ^{[ 41 ]}

Casio lanzó el ordenador de bolsillo Casio PB-1000 con una pantalla táctil compuesta por una matriz de 4×4, lo que daba como resultado 16 áreas táctiles en su pequeña pantalla gráfica LCD.

Hasta 1988, las pantallas táctiles tenían mala fama por su imprecisión. La mayoría de los libros sobre interfaces de usuario indicaban que las selecciones en pantallas táctiles se limitaban a objetivos más grandes que el dedo promedio. En aquel entonces, las selecciones se realizaban de tal manera que un objetivo se seleccionaba en cuanto el dedo lo tocaba, y la acción correspondiente se ejecutaba inmediatamente. Los errores eran frecuentes debido a problemas de paralaje o calibración, lo que provocaba frustración en el usuario. La "estrategia de despegue" ^{[ 42 ]} fue introducida por investigadores del Laboratorio de Interacción Humano-Computadora (HCIL) de la Universidad de Maryland. A medida que los usuarios tocan la pantalla, se les proporciona información sobre lo que se seleccionará: los usuarios pueden ajustar la posición del dedo, y la acción se ejecuta solo cuando el dedo se levanta de la pantalla. Esto permitió la selección de objetivos pequeños, incluso de un solo píxel en una pantalla Video Graphics Array (VGA) de 640 × 480 (un estándar de la época).

De abril a octubre de 1988, la ciudad de Brisbane , Australia, fue sede de la Expo 88 , cuyo tema fue "El ocio en la era de la tecnología". Para apoyar el evento y brindar información a los visitantes, Telecom Australia (actualmente Telstra ) instaló ocho quioscos en el recinto de la Expo, con un total de 56 consolas de información con pantalla táctil, estaciones de trabajo Sony Videotex especialmente modificadas . Cada sistema también estaba equipado con un reproductor de videodiscos, altavoces y un disco duro de 20 MB. Para mantener la información actualizada durante el evento, la base de datos de información de los visitantes se actualizaba y transfería remotamente a las terminales informáticas cada noche. Mediante las pantallas táctiles, los visitantes podían encontrar información sobre las atracciones, espectáculos, instalaciones y alrededores de la Expo. También podían elegir entre información en inglés y japonés, reflejo del mercado turístico internacional de Australia en la década de 1980. Cabe destacar que el sistema Expo Info de Telecom se basó en un sistema anterior empleado en la Expo 86 en Vancouver , Canadá . ^{[ 43 ]}

Sears et al. (1990) ^{[ 44 ]} presentaron una revisión de la investigación académica sobre la interacción humano-computadora de un solo toque y multitáctil de la época, describiendo gestos como girar perillas, ajustar deslizadores y deslizar la pantalla para activar un interruptor (o un gesto en forma de U para un interruptor de palanca). El equipo de HCIL desarrolló y estudió pequeños teclados táctiles (incluido un estudio que demostró que los usuarios podían escribir a 25 ppm en un teclado táctil), lo que facilitó su introducción en dispositivos móviles. También diseñaron e implementaron gestos multitáctiles como seleccionar un rango de una línea, conectar objetos y un gesto de "tocar y hacer clic" para seleccionar mientras se mantiene la ubicación con otro dedo.

HCIL demostró un deslizador de pantalla táctil, ^{[ 45 ]} que posteriormente fue citado como estado de la técnica en el litigio de patentes de pantalla de bloqueo entre Apple y otros proveedores de teléfonos móviles con pantalla táctil (en relación con la patente estadounidense 7,657,849 ). ^{[ 46 ]}

De 1991 a 1992, el prototipo de PDA Sun Star7 implementó una pantalla táctil con desplazamiento inercial . ^{[ 47 ]}

Bob Boie, de AT&T Bell Labs, patentó un ratón o teclado sencillo que detectaba capacitivamente un solo dedo a través de un aislante delgado. ^{[ 48 ]} Aunque no se menciona ni se afirma en la patente, esta tecnología podría haberse utilizado como pantalla táctil capacitiva.

IBM lanzó el IBM Simon , que es el primer teléfono con pantalla táctil.

Un primer intento de crear una consola de videojuegos portátil con controles táctiles fue el sucesor previsto de la Game Gear por parte de Sega , aunque el dispositivo finalmente se archivó y nunca se lanzó debido al elevado coste de la tecnología de pantalla táctil a principios de la década de 1990.

Apple patenta su pantalla táctil capacitiva multitáctil para dispositivos móviles.

Las pantallas táctiles no se usaron popularmente para videojuegos hasta el lanzamiento de la Nintendo DS en 2004. ^{[ 49 ]}

El primer teléfono móvil con pantalla táctil capacitiva fue el LG Prada , lanzado en mayo de 2007 (antes del lanzamiento del primer iPhone ). ^{[ 50 ]} Para 2009, los teléfonos móviles con pantalla táctil se estaban poniendo de moda y ganando popularidad rápidamente tanto en dispositivos básicos como avanzados. ^{[ 51 ] [ 52 ]} En el cuarto trimestre de 2009, por primera vez, la mayoría de los teléfonos inteligentes (es decir, no todos los teléfonos móviles) se comercializaron con pantallas táctiles en lugar de no táctiles. ^{[ 53 ]}

Hasta hace poco, la mayoría de las pantallas táctiles de consumo solo podían detectar un punto de contacto a la vez, y pocas tenían la capacidad de detectar la presión ejercida. Esto cambió con la comercialización de la tecnología multitáctil y el lanzamiento del Apple Watch con pantalla sensible a la presión en abril de 2015.

En esta tecnología básica, solo una cara del aislante está recubierta con una capa conductora. Se aplica un pequeño voltaje a la capa, lo que genera un campo electrostático uniforme. Cuando un conductor, como un dedo humano, toca la superficie sin recubrimiento, se forma dinámicamente un capacitor. El controlador del sensor puede determinar la ubicación del contacto indirectamente a partir del cambio en la capacitancia medida desde las cuatro esquinas del panel. Al no tener partes móviles, es moderadamente duradero, pero tiene una resolución limitada, es propenso a señales falsas debido al acoplamiento capacitivo parásito y requiere calibración durante la fabricación. Por lo tanto, se utiliza con mayor frecuencia en aplicaciones sencillas como controles industriales y quioscos . ^{[ 71 ]}

Aunque algunos métodos estándar de detección de capacitancia son proyectivos, en el sentido de que pueden usarse para detectar un dedo a través de una superficie no conductora, son muy sensibles a las fluctuaciones de temperatura, que expanden o contraen las placas sensoras, provocando fluctuaciones en la capacitancia de estas placas. ^{[ 72 ]} Estas fluctuaciones generan mucho ruido de fondo, por lo que se requiere una señal de dedo fuerte para una detección precisa. Esto limita las aplicaciones a aquellas en las que el dedo toca directamente el elemento sensor o se detecta a través de una superficie no conductora relativamente delgada.

Una señal eléctrica, aplicada a un conductor eléctrico, puede ser detectada capacitivamente por otro conductor eléctrico muy cercano, pero aislado eléctricamente; una característica que se aprovecha en las pantallas táctiles de capacitancia mutua. En una matriz de sensores capacitivos mutuos, el cruce "mutuo" de un conductor eléctrico con otro, pero sin contacto eléctrico directo, forma un capacitor (véase pantalla táctil#Construcción ).

Se aplican pulsos de voltaje de alta frecuencia a estos conductores, uno a la vez. Estos pulsos se acoplan capacitivamente a cada conductor que los atraviesa.

Al acercar un dedo o un lápiz conductor a la superficie del sensor, se modifica el campo electrostático local, lo que a su vez reduce la capacitancia entre los conductores que se cruzan. Cualquier cambio significativo en la intensidad de la señal detectada se utiliza para determinar si hay un dedo presente o no en la intersección. ^{[ 73 ]}

El cambio de capacitancia en cada intersección de la cuadrícula se puede medir para determinar con precisión uno o más puntos de contacto.

La capacitancia mutua permite el funcionamiento multitáctil, donde se pueden rastrear con precisión varios dedos, palmas o lápices ópticos al mismo tiempo. Cuanto mayor sea el número de intersecciones, mejor será la resolución táctil y más dedos independientes se podrán detectar. ^{[ 74 ] [ 75 ]} Esto indica una clara ventaja del cableado diagonal sobre el cableado x/y estándar, ya que el cableado diagonal crea casi el doble de intersecciones.

Por ejemplo, una matriz de 30 entradas/salidas y coordenadas x/y de 16×14 tendría 224 de estas intersecciones/condensadores, y una matriz de celosía diagonal de 30 entradas/salidas podría tener 435 intersecciones.

Cada traza de una matriz de capacitancia mutua x/y tiene una única función: puede ser una entrada o una salida. Las trazas horizontales pueden ser transmisores, mientras que las verticales son sensores, o viceversa.

Los sensores de autocapacitancia pueden tener la misma configuración que los sensores de capacitancia mutua, pero, en el caso de la autocapacitancia, todas las pistas suelen funcionar de forma independiente, sin interacción entre ellas. Junto con otros métodos, la carga capacitiva adicional que ejerce un dedo sobre un electrodo de pista puede medirse con un amperímetro o mediante el cambio de frecuencia de un oscilador RC.

Se detectan los rastros uno tras otro hasta que se hayan detectado todos. Se puede detectar un dedo en cualquier punto a lo largo de un rastro (incluso fuera de la pantalla), pero no hay ninguna indicación de su posición exacta. Sin embargo, si también se detecta un dedo en otro rastro que se cruza, se asume que la posición del dedo está en la intersección de ambos. Esto permite la detección rápida y precisa de un solo dedo.

Si bien la capacitancia mutua es más sencilla para la tecnología multitáctil, esta también puede lograrse mediante la autocapacitancia.

Las capas de pantalla táctil autocapacitivas se utilizan en teléfonos móviles como el Sony Xperia Sola , ^{[ 76 ]} el Samsung Galaxy S4 , Galaxy Note 3 , Galaxy S5 y Galaxy Alpha .

La autocapacitancia es mucho más sensible que la capacitancia mutua y se utiliza principalmente para toques simples, gestos sencillos y detección de proximidad, donde el dedo ni siquiera tiene que tocar la superficie de vidrio. La capacitancia mutua se utiliza principalmente para aplicaciones multitáctiles. ^{[ 77 ]} Muchos fabricantes de pantallas táctiles utilizan tecnologías de autocapacitancia y capacitancia mutua en el mismo producto, combinando así sus ventajas individuales. ^{[ 78 ]}

Las pantallas táctiles capacitivas no requieren necesariamente el uso del dedo, pero hasta hace poco, los lápices ópticos especiales necesarios podían resultar bastante caros. El coste de esta tecnología ha disminuido considerablemente en los últimos años y ahora los lápices ópticos capacitivos están ampliamente disponibles a un precio simbólico, e incluso suelen incluirse gratis con accesorios para móviles. Estos lápices constan de un vástago conductor de electricidad con una punta de goma conductora suave, que conecta los dedos a la punta del lápiz mediante resistencia.

La tecnología de pantalla táctil capacitiva se puede utilizar para la detección de ultra alta resolución, como la detección de huellas dactilares. Los sensores de huellas dactilares requieren un espaciado entre microcapacitores de aproximadamente 44 a 50 micras. ^{[ 79 ]}