Die Kombination eines in die Luft projizierten, virtuellen Bildes mit einem berührungslos arbeitenden Touch-Sensor bietet ein großes Potenzial, wenn es um die Vermeidung der Übertragung von Viren und Bakterien durch direkten Kontakt geht.

Bild: iStock, Ilya Lukichev, delihayat

Berührungslose Begeisterung in der Industrie (Promotion) Holografische Gerätebedienung mit Holographic Touch

07.06.2022

Bereits ab dem 17. Jahrhundert ließen sich Menschen für exotische Effekte begeistern, die nicht allgemein bekannte physikalische Eigenschaften zu ihrer Unterhaltung ausnutzten. Verblüffend wirkt die Darstellung des holografischen Terminals auch, doch neben dem Effekt tritt die Funktion in den Vordergrund: kontaktlose Bedienung durch Berührung eines in die Luft projizierten Bildes.

Oft führt die Ausnutzung eines schon lange bekannten physikalischen Effekts zu Ergebnissen, die aufmerken lassen, man denke etwa an die Magnetnadel im Kompass, die vom Nordpol der Erde angezogen wird, oder die Wasserwaage, deren Prinzip der kommunizierenden Röhren schon seit Jahrtausenden beim Bau verwendet wird. So verhält es sich bei dem „holografischen“ Terminal, das im strengen Sinne kein Hologramm zur Darstellung verwendet, sondern ein Bild in eine Ebene projiziert, die frei in der Luft schwebt.

Mit dieser Art der Darstellung alleine ist noch keine Eingabe möglich. Erst durch Hinzufügen eines Sensors, der scheinbare „Berührungen“ des Bildes erkennt und in x,y-Koordinaten übersetzt, ist auch eine Reaktion auswertbar. Dafür kommen verschiedene Technologien infrage. Am einfachsten und wirkungsvoll lässt sich der bekannte Infrarot-Touchscreen einsetzen, der in der Ausführung als reflektierender Sensor anstelle einer Lichtschranke eine Renaissance mit vielfältigen neuen Einsatzgebieten erlebt. Der Integrationsaufwand für andere Technologen, wie etwa Radar, ist ungleich höher.

Außer dem eindrucksvollen visuellen Effekt bietet diese Technologie den geschätzten Vorteil, dass zur Bedienung mit dieser Technologie keine Berührung einer eventuell kontaminierten Oberfläche erforderlich ist. Dadurch eignet sie sich besonders für den Einsatz in Bediengeräten, deren Benutzer in kurzem Abstand wechseln.

Funktionsweise

Wie kommt es dazu, dass das Bild in der Luft zu schweben scheint? Die Antwort auf diese Frage liegt in der 3D-Scheibe. Das Licht, das vom Display ausgeht, verbreitet sich in allen Winkeln im Raum vor dem Display. Daher kann es auch von Betrachtern wahrgenommen werden, die sich nicht in der unmittelbaren Achse befinden, und die Ebene des Displays selbst wird als Ort der Bildquelle wahrgenommen. Die 3D-Scheibe sammelt die auseinanderstrebenden Strahlen und bündelt sie.

Diese Funktion ist ähnlich dem Reflektor einer Lampe oder der Linse einer Kamera, die für eine Fokussierung auf dem Gegenstand des Interesses oder auf dem Film oder Sensor sorgen. Anders als Reflektor oder Linse werden jedoch Teilstrahlen gesammelt und fokussiert, um das Bild frei in der Luft schwebend dazustellen. Der physikalische Effekt wird mit Mikro-Winkelspiegeln bewirkt, die das Licht unabhängig vom Einfallswinkel in einem definierten Ausfallswinkel zurückwerfen. Derselbe Effekt wird bei Radarantennen und retroflektierenden Verkehrszeichen angewandt. Der Betrachter nimmt damit ein getreues Abbild des vom Display dargestellten Bildes wahr. Die Herausforderung der Technologie liegt in der sehr feinen Struktur, die nötig ist, um ein realistisch anmutendes Bild darzustellen.

Die systematische Abbildung zeigt das Funktionsprinzip. Um ein vertikal stehendes Bild zu erhalten, muss das Display symmetrisch zur 3D-Scheibe angeordnet werden. Das beste Abbildungsverhältnis wird mit einem Winkel von 45 Grad erzielt. Vom Display ausgehende Lichtstrahlen passieren die 3D-Scheibe und werden in der Ebene des virtuellen Bildes gebündelt. Genau unterhalb des Bildes ist der Infrarot-Sensor angeordnet, der „Berührungen“ des Abbildes detektiert und deren Koordinaten an das Host-System weitergibt.

Anwendungsgebiete

In welchen Gebieten kann diese Technologie mit Vorteil zum Einsatz gebracht werden? Natürlich ist die Konstruktion durch die Lichtlenkung der 3D-Scheibe aufwendiger und damit teurer als bei einem normalen Terminal mit Touch-Funktion. Doch wo es auf die Bedienung ohne physische Berührung einer Oberfläche ankommt, ist sie die erste Wahl. Dies ist zum Beispiel bei der Lebensmittelproduktion der Fall, wo Bediener Parameter der Maschine verstellen oder neue Rohstoffe nachführen und die Maschine ein- oder ausschalten müssen.

Ein anderer Anwendungsfall, bei dem die Hygiene ebenfalls eine große Rolle spielt, ist die Medizintechnik. Dort bleibt der Bediener steril, weil er mit keiner potentiell kontaminierten Oberfläche in Kontakt kommt. Umgekehrt kann auch im Chemie- oder Biologielabor das Laborgerät wie zum Beispiel ein Mikroskop nicht mit gefährlichen Stoffen verunreinigt werden. Gerade dort zeigt sich eine weitere Stärke der berührungslosen Technologie: Nicht nur mit dem feuchten Finger, auch mit dem Kugelschreiber, dem Glasstab oder der Pipette lässt sich die Touchfunktion einschließlich aller Gesten auslösen.

An öffentlich zugänglichen Stellen müssen viele in rascher Zeit wechselnde Personen mit dem Terminal kommunizieren, sei es, um einen Aufzug zu rufen, ein Ticket für die Bahn zu lösen oder an einem Automaten ein Getränk zu kaufen. Besonders in Schnellrestaurants ist es schwierig, an den Bestellterminals stets für saubere und hygienisch einwandfreie Oberflächen zu sorgen. Wer weiß schon, wie sauber die Hände des Vorgängers waren? Abgesehen von der praktischen Seite des holographischen Terminals spielt auch das Marketing eine Rolle. Die ungewöhnliche in der Luft schwebende Darstellung kann für die Präsentation von Luxuswaren das passende Ambiente schaffen. Auch in der Hotellerie sorgt sie dafür, dass das Angebot eine gewisse Wertigkeit erfährt.

Eine Eigenschaft der 3D-Technologie ist, dass der Blickwinkel eingeschränkt ist. Die Darstellung eines Inhalts für mehr als einen Betrachter ist daher schwierig. Auch müssen Höhe und Winkel auf die Position des Bedieners abgestimmt sein, um ein unverzerrtes, nicht an den Rändern beschnittenes Bild zu zeigen. Mit Vorteil lassen sich diese Einschränkungen jedoch bei Geräten einsetzen, die gerade auf die Vertraulichkeit des Inhalts setzen, zum Beispiel bei Geldautomaten oder Lotto-Terminals.

Besondere Aufmerksamkeit muss der Auslegung des Graphical User Interfaces gelegt werden. Durch die frei in der Luft schwebende Bedienoberfläche erfährt der Bediener keine haptische Rückmeldung, wie er sie von mechanischen Tasten oder selbst von Touchscreens anderer Technologie gewohnt ist. Die fehlende Auflage für den bedienenden Finger ist es auch, die dazu führt, dass der Bediener die Position des Fingers mit seinem Arm ausbalancieren und kontrollieren muss. Feine Strukturen im Menü sind daher schwierig anzusteuern und auszulösen. Das Fehlen der Haptik geht einher mit der Rückmeldung, die dann auf andere Weise gegeben werden muss, zum Beispiel optisch durch wechselnde Ansteuerung der Bedienfläche (Invertieren, Farbwechsel, Pseudo-3D-Effekt) oder akustisch durch einen Ton im Lautsprecher.

Weiterentwicklung

Bei der Untersuchung interessanter Applikationen für die holographische Technologie stellte sich heraus, dass manche Anwendungen nur einen statischen Bildinhalt beziehungsweise eine Menüebene benötigen. Auf die Möglichkeiten, die ein Farb-Display bietet, kann daher verzichtet werden. Das neue Produkt „Holo Key“ verzichtet daher auf ein Display und setzt stattdessen eine wechselbare und individuell gestaltbare Folie ein. Typische Anwendungen sind verschiedene Schalter für Lichtquellen, Jalousien, Türen und Aufzüge.

Der Aufbau wurde an die Anwendung optimiert, so dass im Einbaumaß einer Unterputz-Steckdose alle Funktionen Platz finden. Ein Vorführ-Muster beinhaltet einen Schalter (ein/aus) und einen Taster (momentaner Kontakt), die je ein Relais aktivieren, über das beliebige Lasten angesteuert werden können. Der modulare Aufbau in Hard- und Software erlaubt eine Anpassung an die Funktion und Ausführung der Bedienelemente.

Kundenspezifische Lösungen

Das Schlüsselelement der holografischen Technologie ist die 3D-Scheibe. Sie kann in verschiedenen Abmessungen eingesetzt werden, so dass das dahinter liegende Display von 4.3 bis zu 12 Zoll in der Diagonale messen kann. Die Konstruktionsregeln halten sich an die Gesetze der Optik, so dass der Winkel zwischen Scheibe und Display dem Winkel der projizierten Fläche entspricht. Filter sorgen für einen scharfe und leuchtstarke Darstellung, das Innere des Gehäuses muss so gestaltet sein, dass kein Fremdlicht oder Reflexionen den Eindruck stören.

Der für den Touchscreen verwendete Infrarotsensor ist in weiten Grenzen parametrierbar, etwa Anzahl der gleichzeitig erkannten Ereignisse oder Gesten, oder der Unterdrückung von Störeinflüssen. Die 3D-Scheibe kann mit einer beliebigen Deckscheibe für eine passende Optik (Antiglare-Beschichtung) sorgen oder gegen Vandalismus (chemisch gehärtetes Glas) geschützt werden.

Fazit

Die Kombination eines in die Luft projizierten, virtuellen Bildes mit einem berührungslos arbeitenden Touch-Sensor bietet ein großes Potenzial, wenn es um die Vermeidung der Übertragung von Viren und Bakterien durch direkten Kontakt geht. Bedienelemente an öffentlichen Plätzen wie Aufzugssteuerungen und Automaten fallen damit als Multiplikatoren weg. Mit überschaubarem technischem Aufwand lässt sich ein System erstellen, das sicher in der Funktion und einfach zu bedienen ist und dabei optimale Hygienebedingungen gewährleistet. Konstrukteur und Designer gewinnen neue Freiheitsgrade, weil die Touchfunktion unabhängig von der Bildquelle ist.

Dem Anwender erschließt sich die Bedienung unmittelbar, da er wie gewohnt Icons und Eingabefelder „anfasst“. Hinzu kommt, dass die Bedienung mit jedem Gegenstand, der den Strahlengang unterbricht, möglich ist, das kann auch die Kreditkarte oder die behandschuhte Hand sein. Herausforderungen stellen Vandalismus und Verschmutzung der holografischen Platte dar. Durch den dreidimensionalen Aufbau wird eine gewisse Bautiefe benötigt, und eine taktile Rückmeldung bietet das System nicht. In den Segmenten Premium-Waren und der Luxus-Hotellerie generiert die attraktive Technologie Aufmerksamkeit der Kunden.

Bildergalerie

  • Technisches Funktionsprinzip des holografischen Terminals

    Bild: Hy-Line

  • Holographic Touch in der Praxis: Berührungslos am Restaurant-Terminal die Speisen bestellen, ist kein Problem.

    Bild: Hy-Line

  • Technisches Funktionsprinzip des holografischen Terminals

    Bild: Hy-Line

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