»Kan I ikke opfinde en ny touch teknologi til mit komfur? Mit nye smarte touch komfur virker ikke, når jeg har våde hænder!«

Nogenlunde sådan faldt ordene tilbage i 2006, da direktøren for OPDI Technologies, Jørgen Korsgaard, besøgte os i det, der den gang hed Risøs optikafdeling.

Vi tog straks udfordringen op og begyndte at arbejde på WaveTouch. Det har potentiale til at revolutionere markedet for touch-skærme, idet produktionsomkostningerne kan bringes ned på nogle få amerikanske dollars for en iPhone-størrelse.

Teknologien er opfundet og udviklet af DTU i samarbejde med det danske firma OPDI technologies.

Ideen til den optiske touch-skærm bliver født

Kort efter at vi tog udfordringen om en ny touch-teknologi op, kunne vi demonstrere en meget simpel teknik, hvor lys, der løber inde i en glasplade, kunne aktiveres ved at berøre glaspladen med en finger, uanset om fingeren var tør eller våd.

Fotoet her viser toppladen, hvori en stråle forvandles fra ikke-vinklet, diagonalstråle til vinklet zig-zag stråle. (FOTO: O-Net WaveTouch)

Næsten samtidigt blev iPhonen imidlertid introduceret. Det fik markedet for touch-skærme til at eksplodere, og da vores optiske touch-teknik viste sig at være meget billig at producere, skiftede fokus hurtigt hen imod det kolossalt store marked for håndholdte devices.

Idéen til den optiske touch-skærm var født og blandt andet via en innovationskonsortiebevilling fra RTI blev rejsen hen imod dannelsen af firmaet O-Net WaveTouch sat i gang.

Optisk touch-teknologi

Allerede i 1980’erne introducerede Hewlett-Packard model HP-150, som var en optisk computer-touch-skærm. Her havde man placeret et gitter af lysgivere langs to af skærmens sider, som hver sendte en lysstråle tværs hen over skærmen, mod hver sin lysdetektor.

Når en finger berørte skærmen, blev to stråler afbrudt, hvorved man kunne bestemme positionen.

'Over-the-surface'-teknikken kræver i sagens natur en ramme omkring skærmen, som hæver sig over skærmens overflade. I de fleste tilfælde ønsker designerne sig dog et såkaldt flush-design, hvor der ikke er nogen kant. Derfor fokuserede vi fra starten på at udvikle en teknologi, som ikke kræver nogen hævet ramme.

WaveTouch bliver udviklet

Her er grundprincippet i WaveTouch illusteret. Lysstråler ledes fra den ene side til den anden i skærmens topplade. En finger, som berører overfladen, kobler lyset ud af skærmen. (FOTO: O-Net WaveTouch)

Løsningen blev at benytte selve skærmen som lysleder. Hvis man således vælger at sende lyset ind i skærmens topplade vil lyset transporteres inde i skærmen, så længe der ikke er noget objekt, der berører skærmen. Men, hvis et objekt med det rigtige brydningsindeks berører skærmen, vil lyset blive ledt op i objektet, hvorved detektoren vil registrere tab af lys.

Lysets refleksionsvinkel inde i skærmen bestemmer, hvilke typer af objekter der vil give berøringsfølsomhed. Man kan således undgå vandfølsomhed, men bevare fingerfølsomhed på grund af forskel i brydningsindeks.

Med lyslederudgaven, havde vi opnået flush-designet, men der var et andet, langt værre problem, som skulle løses. Nemlig det faktum, at det store antal af lyskilder og detektorer ville give en alt for høj produktionspris.

For at løse dette opfandt vi 'imaging edges', hvilket er specielt udformede kanter i toppladen. Via disse kan vi med én enkelt lyskilde (såkaldt VCSEL-laser, som koster under 1 USD pr. stk) gennemlyse hele skærmen og samtidig opsamle lyset igen på et meget lille detektorareal, typisk 0,1 X 3 millimeter.

Se figuren nederst på siden, der illustrer princippet bag 'imaging edges'.

Den lille genialitet

Her ses en af de første optiske computer touch skærme fra Hewlett Packard lavet i 1983. (FOTO: Hewlett Packard)

Ved at se på denne figur vil den skarpe læser måske nu tænke, 'hvad med de diagonale stråler, altså dem, som går fra nederste højre hjørne og op mod Cx og Cy, vil de ikke også være berøringsfølsomme?'

Jo, og det ville give et værre rod af mørke pletter på detektoren, som ville være svære at afkode! Hvis det da ikke lige var på grund af endnu en smart kant-feature, der forhindrer dette.

For, ud over at være parabolsk krumme, er kanterne Cx og Cy skrå på den anden led. Dette bevirker, at de kollimerede stråler, altså parallelt løbende stråler, vinkles ud af planet under deres passage fra Cx til Fx og fra Cy til Fy. 

Vinklingen er således beregnet til at gøre de kollimerede stråler berøringsfølsomme. De fokuserende kanter Fx og Fy er modsat vinklede, således at de fokuserede stråler igen er ufølsomme over for berøring. Dermed opnår vi altså kun to mørke og entydige pletter på detektor arrayet.

Den første demo og vejen frem mod O-Net WaveTouch

Det var egentlig relativt simpelt at beregne toppladens udformning, så vi opnåede den ønskede funktion. Til gengæld var det uhyre vanskeligt og bekosteligt at få fremstillet den.

Her ses WaveTouchs anden prototype rettet mod GPS navigator til biler. (FOTO: O-Net WaveTouch)

Flere 'diamond turnere' har gennem tiden påstået, at de kunne fræse emnet direkte ud af en acrylplade. Med kanter i optisk kvalitet. Det ved vi nu, at det kan de ikke.

Det har kostet ekstremt dyre lærepenge at nå til denne erkendelse, så vi har måttet bide i det meget sure æble og har fået fremstillet meget dyre støbeværktøjer, selv til de indledende demoer! Til gengæld virkede demoerne fint og Jørgen Korsgaard fra OPDI var meget ivrig efter på et meget tidligt stadie at starte salgsprocessen.

Vi tog derfor på rundtur til USA's største elektronik koncerner som Apple, Motorola og Qualcomm helt uden demo, idet denne stadig skulle være fastspændt til et optisk bord og være tilsluttet vakuumpumpe for at virke! Besøgene var ekstremt lærerige og de resulterede også i et par amerikanske besøg med den hensigt at købe teknologien.

Det blev dog kinesiske O-Net Communications, der i sidste ende blev valgt som partner. OPDI Technologies og O-Net Communications har således dannet et Joint Venture, kaldet O-Net WaveTouch, hvor O-Net har investeret 3 millioner amerikanske dollar for opnå 40% ejerandel. DTU Fotonik har udover kontant betaling også opnået en ejerandel i OPDI Technologies på 5%.

WaveTouch i dag

Designet har udviklet sig en hel del siden den første demo. I dag er al elektronik, herunder laser og detektor array, samlet i ét hjørne.

Ind- og udkoblingslinse er således også indstøbt i samme hjørne. O-Net WaveTouch har udviklet den første prototype, som skal bruges til et armbåndsur. Næste prototype er rettet mod bil-navigatorer og denne forventes færdig i starten af 2015. 

I dag ligger O-Net WaveTouch’s udviklingsafdeling på 4 mand i Tåstrup. Yderligere to mand har til huse i Shenzhen, Kina. Virksomheden har stadig et tæt samarbejde med DTU Fotonik. Blandt andet i et nyt innovationskonsortium LIQCOP, der er rettet mod nye teknologier til optiske plaststøbeforme.
 

Denne artikel er den første i en serie om moderne lys-teknologi, skrevet af forskere fra DTU Fotonik. Serien bringes i anledning af, at 2015 er udnævnt til "Lysets år".