Емкостный сенсорный ввод. Что такое сенсорный дисплей: принципы работы — подробное руководство

Сенсорные экраны получили широкое распространение благодаря своему удобству

Термин Touch Screen образован из двух английских слов. Первое обозначает «прикосновение», а второе − «экран». Это словосочетание полно передаёт принцип работы данного типа дисплеев, который заключается в реагировании на касание пальцев человека и выполнение определённых действий. Несмотря на то, что данный вид технологии нам кажется современным, датой изобретения первого сенсорного экрана считается 1970 год. Именно тогда преподаватель университета из Кентукки Семуэль Хёрст первым решил упростить процесс считывания информации с лент самописцев. Итогом разработки учёного стало появление первого в мире экрана, поддерживающего технологию сенсорного ввода.

К СВЕДЕНИЮ!

В новинке применялся самый примитивный тип работы: четырёхпроводной резистивный способ определения координаты точки касания.

Первыми устройствами, которые получили подобную систему ввода информации, стали компьютеры, и только в 1998 году на свет появился первый сотовый телефон, в котором применялся сенсорный набор. Им стало детище компании Alcatel. Следом свою версию тачскрина в мобильном устройстве предложила компания Ericsson. Но эти прообразы имели мало схожести с современными версиями сенсорных экранов.

Панель являлась монохромной, малого размера и давала пользователю возможность только набрать номер. Первой моделью, где сенсорный экран приобрёл современные очертания, стал коммуникатор от HTC Qtek 1010/02 XDA, выпущенный в 2002 году. А на качественно новый уровень идею применения тачскрина в мобильных устройствах вывела компания Apple, которая реализовала возможность Multitouch или реагирование на одновременное касание экрана двумя или более пальцами.

ВАЖНО !

Изобретение и массовое внедрение тачскринов принесло большое количество положительных сторон для пользователя и повысило удобство использования смартфона. Но это привело к одному значительному минусу – устройства стали более «нежными» и требовали бережного отношения, поскольку повреждение стекла могло вывести из строя весь сенсор.

Одной из областей применения тачскрина являются графические планшеты, использование которых упрощает процесс создания анимации

Что такое сенсор, и где он применяется

Современный человек уже не представляет своей жизни без устройств, имеющих сенсорный ввод, настолько прочно вошло в жизнь это изобретение. По статистике, более 90% всего населения Земли хотя бы раз сталкивались с тачскрином, который применяется в разнообразных электронных устройствах и гаджетах:

• смартфоны;
• планшеты и планшетные компьютеры;
• банковские или платёжные терминалы;
• устройства для приобретения электронных билетов;
• дисплеи (компьютерные, в холодильниках, бытовой технике).

Развитие технологии сенсорного ввода не ограничивается только мобильными устройствами. Существуют разработки, где тачскрин внедряется в значительные по площади поверхности.

К СВЕДЕНИЮ!

Не так давно был анонсирован смарт-стол, поверхность которого представляет собой один большой тачскрин. Подобную столешницу можно применять в качестве мультимедийного центра в «умном доме». Также несколько лет назад была представлена целая сенсорная стена, при нажатии на любую область которой можно вызвать различные функции.

Интерактивная стена – это технология будущего, в которой также задействован тачскрин

Некоторые люди, несведущие в технике, задаются вопросом, что такое тачскрин на планшете и чем он отличается от аналогичного устройства ввода на смартфоне. Ответ на этот вопрос прост – ничем, поскольку принцип работы сенсорного экрана аналогичен, вне зависимости от устройства, в котором он применяется.

В специальной публикации нашего портала мы подробно расскажем о сенсорных недорогих смартфонах. Вы узнаете может ли бюджетный смартфон быть хорошим: преимущества и недостатки, как выбрать смартфон по параметрам: дисплей, память, процессор.

Как работает сенсорный экран

Чтобы до конца понять, что такое тачскрин на телефоне, необходимо разобраться, из чего состоит экран смартфона и как работает сенсор. Основными элементами сенсорного экрана являются:

1. Матрица, состоящая из слоя жидких кристаллов. Аналогичная технология отображающей поверхности используется в телевизоре или мониторе компьютера.
2. Микродиоды, которые располагаются вторым слоем под матрицей и служат для подсвечивания рабочей поверхности.
3. Диоды, находящиеся на поверхности отображающего слоя, которые являются главным инструментом обработки касания.
4. Стекло, которое покрывает сам экран и предотвращает его от повреждений.
5. Антибликовое покрытие, предотвращающее появление бликов и позволяющее комфортно смотреть на экран в солнечную погоду.

Простейшая схема устройства тачскрина

Исходя из того, как работает тачскрин, можно выделить ряд преимуществ и недостатков подобной технологии диалога пользователя с электронным устройством, которые подразделяются на плюсы и минусы для стационарных устройств и мобильной техники.

К СВЕДЕНИЮ!

Множество производителей, особенно стационарных устройств, использующих в работе тачскрин, исходя из недостатков, пошли по пути дублирования возможности ввода механическими клавишами. Это нужно при выходе сенсорного экрана из строя.

Размеры современных тачскринов зависят от потребности производителя и устройства, в котором они будут применяться

Типы сенсорных экранов

Общая классификация тачскринов, которые представлены на рынке, подразумевает деление на разновидности по типу и особенностям конструкции. Наиболее используемыми остаются резистивный и ёмкостной виды, которые применяются в большинстве мобильных гаджетов. Также существуют:

• матричные;
• инфракрасные;
• проекционно-ёмкостные;
• оптические;
• сенсоры DST;
• волновые;
• индукционные.

Резистивный сенсор считается «прошлым веком» в силу несовершенства технологии

Резистивный сенсорный экран

Говоря о том, что такое Touch Screen, первым делом следует упомянуть резистивные экраны, которые стали первыми в массовом производстве. Подобные экраны состоят из двух прозрачных пластин, изготовленных из пластика, на которые нанесена тончайшая токопроводящая сетка. Между пластинками устанавливается диэлектрический слой, который требуется для улавливания нажатия на нужную область экрана пользователем.

При совершении действия владельцем смартфона (например, нажатие на нужную область экрана) происходит раздвижение диэлектрика в этом месте, что приводит к соприкосновению двух пластин между собой. Появляется ток, который регистрируется специальным контроллером, определяющим по сетке координат конкретную точку нажатия. Далее эти данные поступают в обрабатывающую программу, которая по заранее созданному алгоритму совершает необходимое действие.

За определение координат точки нажатия отвечают специальные электроды, расположенные по углам матрицы

Резистивные экраны имеют, в свою очередь, разделение на два подтипа:

1. Четырёхпроводной сенсор . Они изготавливаются всего из одной панели, выполненной из стекла и пластиковой мембраны, на которую нанесено резистивное обеспечение самого экрана. Всё свободное пространство между стеклом и пластиком заполнено изоляторами. При совершении нажатия происходит замыкание цепи, что приводит к появлению координат точки соприкосновения.
2. Пятипроводные . Отличительной особенностью данного типа является отсутствие резистивного обеспечения мембраны, наличие проводящего слоя. Это обеспечивает большую надёжность, поскольку даже после повреждения матрицы она продолжает работать. Отслеживание точки нажатия осуществляется по степени изменения напряжения мембраны.

К СВЕДЕНИЮ!

Существуют также восьмипроводные резистивные экраны, позволяющие повысить точность обработки нажатия, но не повышают надёжности данного типа сенсора.

Минусом резистивного сенсора является отсутствие поддержки мультитача

Говоря о резистивных сенсорных экранах, следует отметить их низкую стоимость, возможность совершения нажатия пальцем, стилусом и даже рукой в перчатке. Из недостатков можно выделить:

• низкую степень проводимости световых лучей;
• подверженность появления царапин и трещин вследствие удара;
• отсутствие мультитача;
• короткий срок службы, который составляет в среднем не более 34 млн нажатий;
• невозможность реализации функции скольжения по экрану, поскольку резистивная матрица реагирует только на нажатие.

Ёмкостный сенсорный экран

Современным типом матрицы является ёмкостный тип экрана. Что это такое? Суть работы данной разновидности заключается в следовании законам элементарной физики, а именно в свойстве предмета большей ёмкости проводить переменный ток.

В основе работы ёмкостного типа лежит правило разницы электрических потенциалов

По своему устройству данный тип матрицы представляет собой пластину из стекла, на поверхность которой нанесён слой резистивного материла.

К СВЕДЕНИЮ!

В качестве наилучших резисторов в данном случае используются сплавы оксида индия и оксида олова.

На углах экрана располагаются электроды, подающие небольшое напряжение на всю поверхность матрицы. При соприкосновении с пальцем человека происходит утечка, которая регистрируется датчиками и передаётся в обрабатывающий контроллер, вычисляющий координаты точки нажатия. Отличительными особенностями данного типа экранов является длительный срок службы, который составляет более 200 млн нажатий, повышенная прозрачность, способность не пропускать жидкость. Но поверхность данного сенсора всё равно остаётся уязвима для механического воздействия, поэтому подобные типы матрицы применяют в стационарных устройствах, располагающихся в защищённом от воздействия внешних факторов месте.

В большинстве современных мобильных устройств применяются проекционно-ёмкостные сенсоры

Проекционно-ёмкостные сенсоры

Говоря о том, что такое сенсорный экран, обязательно следует отметить тип матрицы, который применяется в большинстве современных смартфонов и планшетных компьютеров. Речь идёт о проекционно-ёмкостном сенсоре. Конструкция подобного типа представлена, кроме привычной панели, сеткой электродов, которые нанесены на обратную сторону матрицы. Имеющиеся электроды вкупе с телом человека образуют конденсатор, а встроенная электроника требуется для измерения ёмкости полученной системы.

К СВЕДЕНИЮ!

Один из лидеров в производстве экранов, компания Samsung, сумела уместить чувствительные к нажатию электроды между субпискелями, что позволило упростить конструкцию и повысить прозрачность.

Повышенная прозрачность, возможность использования толстого стекла (вплоть до 19 мм) – всё это обеспечивает снижение риска повреждения проекционно-ёмкостных экранов, поэтому они устанавливаются в устройствах, находящихся на открытой территории.

В инфракрасном сенсоре принцип действия заключается в прерывании ИК лучей в месте касания

Матричные и инфракрасные сенсорные экраны

В числе разновидностей сенсоров можно упомянуть два не самых распространённых типа – матричные и инфракрасные экраны. Матричные работают по общим принципам резистивных конструкций, но их отличительной особенностью является простота. На поверхность мембраны наносятся вертикальные токопроводящие полосы, а на стеклянную поверхность – горизонтальные. При нажатии происходит соприкосновение полос, а контроллер вычисляет место контакта и определяет координаты точки. Существенным минусом является невозможность обеспечения высокой дискретности сенсора в силу простоты конструкции.

В инфракрасных типах применяется аналогичный принцип пересекающихся полос, которые представляют собой инфракрасные лучи. При касании экрана любым предметом сетка из лучей прерывается в этом месте. Подобный вид применяется на устройствах, где требуется высокая чёткость передачи изображения, например, электронные книги. Недостатком ИК сенсора является его подверженность загрязнению.

Интерактивные карты используют тензометрический тип сенсора

Оптические и тензометрические сенсорные экраны

Оптический тип отличается наличием инфракрасной подсветки, которая распределяется между стеклом и матрицей, и способной осуществлять до 100% отражения света внутри себя. При касании пальцем происходит рассеивание. Электронике только остаётся создать картину рассеивания для определения точки нажатия. Это осуществляется следующими способами:

• установкой камеры рядом с проектором;
• внедрением вспомогательного субпикселя.

Подобные типы экранов применяются в интерактивных школьных досках. Тензометрический сенсор чувствителен к деформации поверхности экрана. Подобный тип отличает повышенная устойчивость к повреждениям, поэтому данные матрицы применяются на устройствах по продаже билетов, банкоматах.

DST-технология работает по принципу регистрации пьезоэлектрических проявлений внутри панели стекла при нажатии пальцем

Сенсорные экраны DST

Основа работы данного типа заключается в фиксации пьезоэлектрического явления в панели стекла. Главной особенностью является возможность реагирования на прикосновения любым предметом и функционирования в любых условиях запылённости. Для качественного срабатывания палец должен постоянно находиться в движении.

Как сделать калибровку сенсорного экрана

Владельцы гаджетов, имеющих сенсорный экран, часто сталкиваются с проблемой, когда сенсор перестаёт «слушать» или правильно реагировать на нажатия. Это может случиться вследствие повреждения матрицы, попадания влаги внутрь устройства или замены дисплея.

После попадания влаги внутрь смартфона может потребоваться проведение калибровки тачскрина

Существует два основных способа, как можно провести калибровку сенсорного экрана:

• штатными средствами операционной системы;
• с применением стороннего софта.

Встроенная технология калибровки практически одинакова у всех производителей смартфонов. Для осуществления настройки штатными средствами требуется:

• перейти к настройкам телефона;
• найти пункт «Калибровка»;
• нажать не менее трёх раз в центр появившейся на экране мишени.

Устройство самостоятельно запоминает касания и осуществляет корректировку тачскрина.

Замену тачскрина лучше всего производить в специализированном сервисе

Тачскрин не работает – как это определить

В некоторых случаях сенсорный экран может выходить из строя. При механическом повреждении матрицы определять поломку не требуется, поскольку она видна невооружённым взглядом. Признаками, указывающими на выход тачскрина из строя при отсутствии внешних повреждений, являются:

• отсутствие реакции на касания;
• частичное реагирование экрана на нажатие, например, может работать только определённая область;
• искажения восприятия касаний.

Появление артефактов на экране может свидетельствовать о неполадках не только самого дисплея, но также сенсора

При выходе сенсора из строя потребуется ремонт устройства. Современные технологии подразумевают изготовление общего дисплейного модуля, в котором тачскрин и дисплей совмещены в единый узел. Поэтому для ремонта требуется полная замена блока при невозможности отделения тачскрина. Это можно сделать только в условиях сервиса.

Тачскрин и дисплей: в чём разница

Разница этих двух деталей заключается в выполняемых функциях. Дисплей – это часть смартфона, которая необходима для вывода изображения и информации.

Всё чаще производители совмещают тачскрин и дисплей в единый узел

Тачскрин – это сенсорное стекло, которое применяется для срабатывания аппарата на действия пользователя и реакцию на нажатия для вызова определённой функции. Современные производители всё чаще стали выпускать своеобразные «бутерброды», где применяется технология ламинирования, когда дисплей и тачскрин объединяются в монолитный узел, склеенный прозрачным герметиком. Это улучшает эксплуатационные характеристики, но требует полной замены детали при выходе из строя любого компонента.

Теперь вы по-новому посмотрите на свой смартфон или планшетный ПК. В любом случае делитесь в комментариях своим опытом разблокировки «уснувшего экрана» и задавайте вопросы автору статьи.

Пользователи смартфонов, плохо владеющие английским, бывают озадачены, услышав название «тачскрин» - это что за часть телефона? Обычно так именуют любой сенсорный экран вне зависимости от того, на каком устройстве он установлен. В настоящее время подобные дисплеи используются не только для мобильных гаджетов, но и встраиваются в различные терминалы самообслуживания.

Что представляет собой тачскрин?

Данный термин произошел от слияния 2 английских слов: touch и screen, что в переводе обозначает «сенсорный экран». Такой дисплей реагирует на прикосновения и позволяет упростить управление техникой. Однако стоит различать несколько типов оборудования, поскольку принцип их работы не совсем похож.

В современных гаджетах, например на айфоне, устанавливают емкостные и проекционно-емкостные дисплеи. Последний вид можно назвать более продвинутым, поскольку он способен считывать определенное количество прикосновений одновременно. Сами по себе такие тачскрины являются стеклянными панелями со слоем резистивного материала и электродами.

Также существуют дисплеи, на которые нанесена гибкая мембрана. Между ней и стеклом располагаются микроизоляторы, нажатие на которые провоцирует изменение сопротивления. Его фиксирует контроллер и преобразует в координаты, в результате чего происходит управление девайсом.

Основное различие между этими типами технологий в том, что емкостный дисплей не реагирует на касание каким-либо предметом и даже простым стилусом, чего не скажешь о резистивном тачскрине. Таким образом, блокировка смартфона на нем срабатывает намного лучше, чем на его устаревшем «собрате».

Принцип работы разных экранов

Существует всего 3 вида Touch Screen, 2 из которых уже были кратко описаны:

• емкостный;
• волновой;
• резистивный.

Начать стоит с наиболее используемого, т. е. емкостного дисплея. Как работает такой экран на телефоне? Все довольно просто. Резистивный слой служит накопителем заряда, который пропускают электроды, в то время как пользователь своим касанием выталкивает часть энергии в определенной точке. Это работает благодаря тому, что в человеческом теле тоже присутствует ток. Когда степень заряда уменьшается, данное изменение фиксируют микросхемы и передают его драйверу тачскрина.

Главное преимущество таких дисплеев в том, что они довольно износостойкие. В течение долгого времени не теряют изначальной яркости и способны передавать более четкие изображения.

Принцип работы резистивного экрана был изложен выше. Если разбираться в этом подробнее, то следует сказать, что гибкая мембрана представляет собой упругую металлическую пластину, которая пропускает ток. Между ней и слоем проводника находится пустое пространство. Взаимодействуя с дисплеем, пользователь производит легкое нажатие на его поверхность, смыкая мембрану с проводником в этой точке. Далее все происходит по той же схеме: система считывает координаты, а драйвер отдает команды ОС.

Резистивные дисплеи уже давно не являются ходовыми, поскольку их функциональность несколько ограничена в сравнении с емкостными тачскринами. Такие экраны можно встретить только в сильно устаревшей технике или различных терминалах, но реже.

Что такое тачскрин волновой? Это также стеклянная поверхность с сеткой координат и преобразователями. Один из них передает импульсы, в то время как другой принимает сигналы, отраженные рефлектором. Таким образом, заряд «гуляет» по преобразователям, создавая акустическую волну, которую пользователь прерывает нажатием. Так определяется место прикосновения.

Данный вид дисплея является лучшим вариантом для художников и графических дизайнеров, т. к. он не искажает изображение в связи с отсутствием металлического покрытия. Он же является самым дорогостоящим, при этом многие относят его к технологиям будущего, считая что даже емкостный дисплей уйдет в небытие, уступив место волновой технологии.

Видео обзор: виды тачскрина

Нечасто мы задумываемся о том, как работает дисплей устройства лежащего у нас в руках. Но иногда бывают случаи, когда недавно купленный телефон или планшет отказывается реагировать на привычное цифровое перо от старого девайса. В этом случае, становится очевидным, что экран новинки собран по какой-то другой технологии. Тут уже вспоминается, что есть резистивные экраны и емкостные, последние из которых постепенно вытесняют первых.

Стоит заметить, что мало кто знает о различии между поверхностно- и проекционно-емкостными дисплеями. А ведь экраны почти всех современных планшетов, смартфонов с Android или iOS от Apple относятся именно к проекционно-емкостным, благодаря которым и возможна такая уже необходимая функция, как мультитач.

Поверхностно-емкостные экраны

Все емкостные скрины при работе используют тот факт, что все предметы, обладающие электрической емкостью, тело человека в том числе, хорошо проводят переменный ток.

Первые экземпляры емкостных тач-скринов работали на постоянном токе, что упрощало устройство электроники, аналого-цифрового преобразователя в частности, но загрязненность экрана или рук часто приводила к сбоям. Для постоянного тока даже ничтожное емкостное сопротивление является непреодолимой преградой.

Емкостные экраны так же, как и резистивные собраны в простейшем случае из LCD или AMOLED экрана, дающего изображение в самом низу и сенсорной активной панели поверху .

Активная часть поверхностно-емкостных экранов представляет собой кусок стекла, покрытый на одной стороне прозрачным, с высоким сопротивлением материалом. В качестве этого электропроводящего вещества применяется оксид индия или оксид олова.

По углам экрана расположены четыре электрода, через которые подается небольшое переменное напряжение, одинаковое со всех сторон. При касании поверхности экрана электропроводящим предметом или напрямую пальцем появляется утечка тока через тело человека. Протекание ничтожно малых токов регистрируется одновременно во всех четырех углах датчиками, а микропроцессор по разности величин токов определяет координаты места касания.

Поверхностно-емкостной экран всё ещё хрупок, так как его проводящее покрытие нанесено на внешнюю поверхность и ничем не защищено. Но не такой нежный, как резистивный, поскольку на его поверхности нет тонкой мягкой мембраны. Отсутствие мембраны улучшает прозрачность дисплея, и позволяет применять менее яркую и энергоэкономную подсветку.

Проекционно-ёмкостные экраны

Этот тип сенсорного экрана способен определять одновременно координаты двух и более точек прикосновения, то есть поддерживает функцию мультитач. Именно этого типа дисплеи устанавливаются на все современные мобильные устройства.

Работают они по схожему с поверхностно-емкостными экранами принципу, отличие заключается в том, что активный проводящий слой у них нанесен внутри, а не на внешней поверхности. Благодаря чему активная панель получается значительно более защищенной. Можно закрыть её стеклом толщиной вплоть до 18 мм, таким образом, сделав сенсорный экран крайне вандалоустойчивым.

При прикосновении к сенсорному экрану, между пальцем человека и одним из электродов за стеклом образуется небольшая ёмкость. Микроконтроллер прощупывает импульсным током, в каком именно месте на сетке электродов возросло напряжение из-за внезапно образовавшейся ёмкости. На стекающие капли воды экран не реагирует, так как такие проводящие помехи легко подавляются программным методом.

Общим недостатком для всех емкостных экранов является невозможность работать с ними любыми изолирующими предметами. Можно только специальным стилусом или голым пальцем. На удобное пластмассовое перо или руку в теплой перчатке они не среагируют.

Травление печатных плат Самодельный миниатюрный низковольтный паяльник Хитрый способ распайки плат

Универсальный тип сенсорных экранов еще не разработали, а используемые сейчас технологии имеют как свои преимущества, так и недостатки. О плюсах и минусах основных типов сенсорных экранов читайте в этом материале.

Применение сенсорных экранов наиболее целесообразно в небольших портативных устройствах. Во-первых, это связано с неудобством использования мышки, клавиатуры и прочих устройств ввода в телефонах и другой небольшой электронике. Во-вторых, отказ от аппаратных кнопок позволяет серьезно увеличить площадь экрана. В-третьих, производство сенсорных панелей обходится недешево, и их использование в больших экранах пока как минимум экономически невыгодно.

Тем не менее, начав с таких небольших устройств как КПК, сенсорные экраны уже добрались до среднего формата (планшетов и некоторых ноутбуков), и их появление на большом экране лишь вопрос времени.

Существует всего несколько типов сенсорных экранов. Ниже речь пойдет о трех наиболее распространенных технологиях, а также нескольких ее разновидностях.

РЕЗИСТИВНЫЕ ПАНЕЛИ

Сенсорная часть таких экранов состоит из двух слоев, разделенных небольшим пространством, каждый из которых имеет массив резистивных или проводящих элементов (в зависимости от конкретной реализации).

При нажатии пальцем, стилусом (или любым другим предметом) на поверхность экрана эти слои соприкасаются, элементы замыкаются, и экран «понимает», в каком месте к нему дотронулись.

Учитывая, что контакт между двумя слоями возможен только при использовании гибкого материала, который будет прогибаться под давлением, резистивные экраны, как правило, покрывают специальной гибкой пленкой, а не стеклом. Это приводит к появлению царапин и более частым повреждениям экрана при чрезмерном надавливании стилусом.

Технология является одной из наиболее простых, поэтому она первой появилась в сенсорных устройствах. У нее до сих пор есть определенные преимущества, однако недостатков больше, чем в других типах сенсорных экранов.

Преимущества

Помимо низкой цены (стоимость таких дисплеев приблизительно в два раза ниже емкостных), точность резистивных экранов также мало зависит от состояния верхнего слоя, поэтому в случае его загрязнения или намокания отзывчивость сенсора практически не меняется.

Несмотря на возраст технологии, она до сих пор позволяет делать самые точные сенсорные панели. В правильно откалиброванном дисплее фактически можно попадать стилусом в конкретный пиксель благодаря густой решетке резистивных элементов.

Недостатки

Несмотря на то что из этого правила есть исключения, большинство резистивных экранов не распознают мультитач, то есть экран понимает лишь одно касание (самое первое, либо самое сильное), что существенно ограничивает возможности управления интерфейсом. Даже в устройствах, где мультитач реализован, все равно распознается меньше одновременных касаний, чем в самых обычных емкостных экранах.

Использование нескольких слоев снижает контрастность и яркость экрана. Коэффициент прохождения света составляет ~75%, что на ~15% ниже, чем в емкостных экранах. Таким образом, в устройствах с резистивным сенсором содержимое экрана сложнее рассматривать под прямыми солнечными лучами или при сильном искусственном освещении.

Использование двух слоев, разделенных небольшим зазором, является косвенной причиной снижения точности работы сенсора. Если держать стилус перпендикулярно экрану, то точность может быть одной, однако под углом, расхождение будет составлять несколько пикселей за счет того, что точка, на которую давит стилус, находится не непосредственно над нужным пикселем (эффект параллакса).

Защитой от случайного ввода в резистивных экранах является определенное давление, которое необходимо преодолеть для того чтобы устройство засчитало команду. Следовательно, резистивные экраны сложнее оборудовать дополнительным защитным покрытием, которое лишь увеличит порог срабатывания. В паре с пластиковым покрытием, которое необходимо для гибкости сенсорного слоя, резистивные экраны более других подвержены повреждениям, особенно царапинам, а при неправильном обращении (сильном нажатии острым предметом), могут и попросту треснуть.

Несмотря на то что количество нажатий в каждой конкретной точке оценивается в 30 млн., резистивные экраны все же раньше других типов выходят из строя и являются самыми ненадежными по этому показателю.

Вывод

Небольшая стоимость и устойчивость к загрязнениям (а точнее, сохранению точности ввода при загрязнении), в паре со всеми вышеперечисленными недостатками стали причиной того, что резистивные экраны медленно вытесняются из обихода, хотя и смогли закрепиться в некоторых нишах, например, в секторе терминалов для быстрой оплаты.

Стилусы

Характерной особенностью устройств с резистивным сенсором является распространенное использование стилуса, площадь контакта которого с поверхностью меньше, чем у пальца, а сила давления больше, что является причиной более точного ввода.

Наличие стилуса желательно, хоть и необязательно для экранов с небольшой диагональю (в основном это телефоны, а несколько лет назад и КПК), однако в планшетах достаточной точности можно добиться и с помощью пальцев.

После того как несколько лет назад КПК были полностью вытеснены смартфонами и другими устройствами, казалось, что вместе с ними навсегда сцену покинули и стилусы, однако сейчас все чаще можно встретить их реинкарнацию, особенно в устройствах промежуточных размеров между смартфонами и планшетами.

Поскольку резистивные экраны сейчас используются все реже, стилусы тоже немного изменились. Подстраиваясь под современные реалии, они стали выпускаться со специальными насадками на конце, которые распознаются емкостными экранами.

ЕМКОСТНЫЕ ПАНЕЛИ

Принцип работы емкостных экранов заключается в том, что на специальный слой электропроводника, находящегося на внешней поверхности экрана, подается небольшое напряжение, формирующее однородное электростатическое поле. Когда к экрану прикладывается палец, являющийся проводником электричества, свойства поля меняются вследствие появления утечки (пользователь работает как заземлитель и «крадет» ток у экрана). По изменению емкости можно определить наличие контакта и его координаты.

Для определения координат в углах экрана установлены электроды, измеряющие силу тока утечки, и чем она сильнее на каждом конкретном датчике, тем ближе произошло нажатие. Определив конкретные значения, можно очень точно вычислить координаты нажатия.

Подклассом емкостных экранов являются проекционно-емкостные экраны, принцип работы которых также заключается в измерении емкости, однако базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, что повышает защищенность сенсора. Именно такие экраны сейчас и используются повсеместно в смартфонах.

В отличие от резистивных панелей, где используется гибкий материал, емкостные сенсоры покрывают стеклом. Это лучше защищает их от царапин, хотя с большей вероятностью станет причиной появления трещины при сильном ударе или падении.

Достоинства

Отсутствие нескольких слоев дополнительных материалов не только увеличивает яркость экрана (прозрачность для света составляет приблизительно 90%), но также снижает расстояние между поверхностью экрана и изображением, что позволяет точнее попадать в нужные пиксели. Пускай выигрыш и не большой, но он все же заметен, особенно когда устройство находится под некоторым углом относительно оси зрения, то есть в те моменты, когда разница между реальным положением нужного пикселя на экране и точкой, в которую нужно попасть, смещаются максимально друг относительно друга.

Дисплеи Super AMOLED компании Samsung позволяют еще больше снизить толщину экрана за счет отказа от дополнительного слоя емкостных элементов. В этом типе экранов они встраиваются непосредственно в матрицу.

Емкостные экраны гораздо долговечнее резистивных (практически на порядок) когда речь заходит о количестве нажатий до выхода сенсорных элементов из строя. Число таких повторений оценивается в 200+ млн раз.

Недостатки

Емкостные экраны обходятся дороже резистивных в производстве и требуют, чтобы материал, касающийся их поверхности, обязательно обладал свойствами проводника. Следовательно, использовать любой удобный предмет или работать в обычных перчатках с емкостными экранами не получится. В связи с этим широкое распространение приобретают специальные емкостные стилусы и перчатки для работы с сенсорными панелями в холодную погоду.

Точность емкостных экранов несколько ниже чем, у резистивных, хотя в практических задачах эта разница не сильно заметна, поскольку составляет буквально 1-3 пикселя, и учитывая, что в большинстве случаев интерфейс программ уже и так заточен под устранение этих погрешностей, недостатком это назвать сложно.

Вывод

Емкостные панели по своим характеристикам и цене лучше всего подошли для экранов мобильных устройств, поэтому и доминируют сейчас в этом секторе.

ИНФРАКРАСНЫЕ ПАНЕЛИ

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры начали появляться в устройствах позже других типов панелей, их не стоит считать более совершенными. Несколько преимуществ у них есть, однако, скорее всего, как и резистивные экраны, они останутся нишевыми и не смогут потеснить емкостные панели.

Оптические

Главное отличие инфракрасных сенсоров от всех остальных заключается в том, что специальные датчики расположены не на поверхности экрана, а по краям от него и формируют серию горизонтальных и вертикальных инфракрасных лучей непосредственно над дисплеем. Когда предмет касается экрана, лучи разрываются и таким образом определяется место контакта.

Тепловые

Разновидностью инфракрасных экранов являются экраны с тепловыми сенсорами. Для того, чтобы они реагировали на касания, предмет должен быть теплым.

Как и в емкостных панелях, устройства с инфракрасными датчиками используют защитное покрытие из стекла, что является причиной тех же преимуществ и недостатков: лучшая устойчивость к появлению царапин, но большая вероятность возникновения трещины при сильном ударе.

Достоинства

Расположение сенсоров по бокам от матрицы позволяет отказаться от промежуточного слоя на LCD матрице, что улучшает яркость картинки (прозрачность покрытия составляет практически 100%), уменьшает зазор между реальным изображением и поверхностью экрана, делает дисплей более устойчивым к повреждениям, а также позволяет работать с загрязненным экраном, но при условии, что загрязнения не мешают свободному распространению инфракрасных лучей.

Инфракрасными (оптическими) экранами можно управлять в перчатках, либо используя любые другие удобные предметы.

Недостатки

Любые загрязнения по краям матрицы, заслоняющие инфракрасные источники сигналов, приводят к сбоям в работе сенсоров. Проблемы возникают и при небольших искривлениях устройства, когда лучи покидают плоскость, параллельную экрану.

Однако одной из наиболее распространенных проблем с инфракрасными датчиками является ложное срабатывание. Поскольку пользователям не обязательно физически касаться экрана, то иногда сенсоры активируются и при достаточном приближении пальца к экрану или во время его движения от одной точки к другой.

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры часто используются в устройствах с относительно небольшой стоимостью (например, в электронных книгах), сами экраны с инфракрасным сенсором дороже как резистивных, так и емкостных экранов.

Вывод

Если резистивные и емкостные экраны можно было условно отнести к соответственно отмирающим и доминирующими типам экранов, то инфракрасные сенсоры — технология устройств-маргиналов, поскольку они используются в малоизвестных моделях портативной электроники. Исключение составляют электронные книги, например Nook Touch.

ВМЕСТО ЭПИЛОГА

Сенсорные и обычные дисплеи в ближайшее время ждет еще много инноваций (гибкая матрица, новые защитные покрытия), однако когда речь заходит о технологиях, отвечающих за распознавание ввода, то здесь на горизонте не видно никаких революционных альтернатив, поэтому и дальше доминировать будут емкостные сенсоры, как самые удобные и относительно недорогие по сравнению с другими типами сенсоров.

Человечество всегда любило делиться на группы: католики и протестанты, вегетарианцы и мясоеды, поклонники сенсорных экранов и те, кто не испытывает к ним особой тяги. К счастью, техно-гики вряд ли развяжут войну или крестовый поход против тех, кто не разделяет их точку зрения, несмотря на то, что армия приверженцев «пальцеориентированных» интерфейсов растет со скоростью развития самой технологии. Как же это все устроено?

Смартфоны и планшеты: как работает экран?

Первый сенсорный экран появился 40 лет назад в США. Сетка ИК-лучей, состоявшая из 16х16 блоков, была установлена в компьютерную систему Plato IV. Первый телевизор с сенсорным экраном показали на всемирной ярмарке 1982 года, спустя год презентовали первый персональный компьютер HP-150. В телефонах сенсорные экраны появились гораздо позже: в 2004 году на 3GSM Congress (так в то время называли выставку Mobile World Congress) компания Philips представила на суд журналистов три модели (Philips 550, 755 и 759). В то время операторы сотовой связи возлагали большие надежды на сервис MMS, поэтому основные функции сенсорного экрана сводились к развлекательным: для того чтобы сделать MMS более эмоциональными, разработчики предлагали пользователям обрабатывать фото с помощью стилуса – подписывать, пририсовывать детали – и только потом отправлять адресату.

Тогда же появилась возможность пользоваться виртуальной клавиатурой, но так как все модели обладали цифровой, а сенсорный экран значительно увеличивал стоимость устройств, про них на время забыли. Через год появился Fly X7 – полностью сенсорный бесклавиатурный моноблок, к сожалению, с рядом аппаратных недоработок, которые вкупе с тогдашней безызвестностью брэнда похоронили его среди ничем не примечательных моделей. И это были не единственные попытки создать что-то новое, однако несмотря на ряд предшественников, первыми полноценными «пальцеориентированными» моделями можно назвать лишь Apple iPhone, LG KE850 PRADA и линейку HTC Touch, появившуюся на рынке в 2007 году. Именно они положили начало эре сенсорных телефонов.

Строго говоря, сенсорный элемент экраном не является – это проводящая поверхность, которая работает в паре с экраном и позволяет вводить данные с помощью пальца или иного предмета.

Как экран распознает касание?

Существует множество типов сенсорных экранов, но мы остановимся только на тех, которые широко используются в мобильных устройствах: смартфонах и планшетах.

Резистивный дисплей состоит из гибкой пластиковой мембраны и стеклянной панели, пространство между которыми заполнено микроизоляторами, которые изолируют токопроводящую поверхность. Когда вы нажимаете на экран пальцем или стилусом, панель и мембрана замыкаются, а контроллер регистрирует изменение сопротивления, ориентируясь на которое умная электроника определяет координаты нажатия. Основные плюсы – дешевизна и простота изготовления, что позволяет снизить рыночную стоимость конечного устройства.

Также к несомненным преимуществам можно отнести то, что экран реагирует на любое нажатие – при работе с ним не обязательно использовать специальный токопроводящий стилус или палец, для этого вполне подойдет авторучка или любой другой предмет, которым вы сможете надавить на определенную точку экрана. Резистивный экран устойчив к загрязнениям. Ряд операций можно провести даже рукой в перчатке – например, ответить на звонок в холодное время года. Однако не обошлось и без недостатков. Резистивный экран легко царапается, поэтому его желательно закрывать специальной защитной пленкой, что в свою очередь не лучшим образом сказывается на качестве изображения. Более того, эти царапины имеют свойство увеличиваться в размерах.

Экран обладает невысокой прозрачностью – пропускает всего 85% света, исходящего от дисплея. При низких температурах экран «подмерзает» и хуже реагирует на нажатия, не очень долговечен (35 млн нажатий в одну точку). Предтечей резистивных экранов были матричные сенсорные, основу которых составляла сенсорная сетка: на стекло наносились горизонтальные проводники, на мембрану – вертикальные. При прикосновении к экрану направляющие замыкались и указывали координаты точки. Эта технология используется до сих пор, но в смартфонах ее уже практически не встретишь.

Схема резистивного экрана

Технология емкостных экранов основана на том, что человек обладает большой электрической емкостью и способен проводить ток. Для того чтобы все работало, на экран наносится тонкий токопроводящий слой, а к каждому из четырех углов подводится слабый переменный ток небольшой величины. При прикосновении к экрану происходит утечка точка, которая зависит от того, насколько далеко от угла дисплея произошло касание. По этой величине и определяются координаты точки. Такие экраны более устойчивы к царапинам, не пропускают жидкость, более долговечны (около 200 млн нажатий) и прозрачны по сравнению с резистивными, к тому же, реагируют на легчайшие прикосновения. Однако у этого есть и свои минусы – во время разговора можно неловко задеть телефоном ухом и запросто запустить какое-нибудь приложение, рукой в перчатке на звонок не ответишь – электропроводимость не та. Более высокая стоимость экрана, разумеется, сказывается на цене устройства.

Схема емкостного экрана

Как работает мой "айфон"?

К более продвинутым разновидностям емкостных экранов относятся проекционно-емкостные. На внутреннюю поверхность стекла наносится электрод, в качестве второго электрода выступает человек. При прикосновении к экрану образуется конденсатор, измеряя емкость которого можно определить координаты нажатия. Так как электрод нанесен на внутреннюю поверхность экрана, тот весьма устойчив к загрязнениям; слой стекла может достигать 18 мм, что позволяет значительно повысить срок жизни дисплея и устойчивость к механическим повреждениям.

Одна из самых интересных фишек проекционно-емкостных экранов – поддержка технологии мультитач. Также они обладают большой чувствительностью и имеют относительно широкий температурный диапазон работы, но с рукой в перчатке взаимодействуют по-прежнему не очень. Казалось бы, это может смутить потенциальных покупателей, однако несколько лет назад кто-то из предприимчивых корейских фанатов iPhone догадался использовать в качестве стилуса обыкновенную сосиску, электропроводимость которой позволяла ответить на звонок. Неоднозначный тренд вызвал бурю восторга на форумах и привлек внимание производителей аксессуаров, которые запустили в продажу специальный стилус-сосиску. Перед обычной сосиской у него есть как минимум один плюс – он не оставляет жирных следов на экране девайса.

Схема проекционно-емкостного экрана

Вне зависимости от технологии работы экрана, у него есть ряд типичных характеристик. Помимо разрешения, к основным характеристикам экрана можно отнести угол обзора и цветопередачу, которая зависит от типа дисплея. Понятие цветопередачи неразрывно связано с «глубиной цвета» - термином, обозначающим объем памяти в количестве бит, используемых для хранения и передачи цвета. Чем больше бит, тем глубже цвета. Современные LCD-дисплеи в смартфонах и планшетах отображают 18-битный цвет (более 262 тысяч оттенков). Максимально возможным на данный момент является 24-битный TrueColor, который способен воспроизвести более 16 млн оттенков в AMOLED и IPS-матрицах.

Угол обзора, как и любой угол, измеряется в градусах и характеризует величину, при которой яркость и читаемость экрана падает не больше, чем в два раза, если смотреть на него прямо перпендикулярно. Этой характеристикой обладают LCD-дисплеи, но не OLED.

Сравнение медиаплееров: плюсы и минусы

ZOOM.CNews

Типы экранов смартфонов и планшетов

На данный момент при производстве смартфонов и планшетов, как правило, используются либо LCD, либо OLED-дисплеи.

В основе LCD-экранов лежат жидкие кристаллы, которые не обладают собственным свечением, поэтому в ультимативном порядке требуют лампу задней подсветки. Под внешним воздействием (температурным или электрическим) кристаллы могут изменять структуру и становиться непрозрачными. Управляя током, на дисплее можно создавать надписи или картинки.

Схема ЖК-пикселя

Дисплеи на жидких кристаллах, используемые в смартфонах и планшетах, в большинстве своем имеют активную матрицу (TFT). В TFT-матрицах используются прозрачные тонкопленочные транзисторы, которые располагаются прямо под поверхностью экрана. За каждую точку изображения отвечает отдельный транзистор, поэтому картинка обновляется быстро и непринужденно.

С появлением LCD TFT-матриц время отклика дисплея значительно повысилось, но остались проблемы с цветопередачей, углами обзора и битыми пикселями.

Схема ЖК-пикселя

Самые распространенные TFT-матрицы - TN+film и IPS. TN+film – самая простая технология. Film – это дополнительный слой, который применяют для увеличения угла обзора. Из плюсов таких матриц – маленькое время отклика и невысокая себестоимость, минусы – плохая цветопередача и, увы, углы обзора (120-140 градусов). В IPS-матрицах (In-Plane-Switchin) удалось увеличить угол обзора до 178 градусов, повысить контрастность и цветопередачу до 24 бит и добиться глубокого черного цвета: в этой матрице второй фильтр всегда перпендикулярен первому, поэтому свет через него не проходит. Но время отклика по-прежнему осталось на низком уровне. Super-IPS является прямым наследником IPS с уменьшенным временем отклика.

PLS-матрица (Plain-to-Line Switchin) появилась в недрах компании Samsung как альтернатива IPS. К ее достоинствам можно отнести более высокую плотность пикселей, чем у IPS, высокую яркость и хорошую цветопередачу, низкое энергопотребление, большие углы обзора. Время отклика сравнимо с Super-IPS. Среди недостатков – неравномерная подсветка. Следующее поколение, Super-PLS, обскакало IPS в углах обзора на 100% и на 10% по показателям контрастности. Также эти матрицы оказались дешевле в производстве на целых 15%.

При производстве OLED-дисплеев используют органические светодиоды, которые под воздействием электричества испускают собственное свечение. По сравнению с LCD-дисплеями, у OLED – множество плюсов. Во-первых, они не используют дополнительную подсветку, а значит, аккумулятор смартфона разряжается не так быстро, как в случае с LCD. Во-вторых, OLED-дисплеи тоньше. От этой характеристики напрямую зависит толщина и дизайн девайса. К тому же, OLED-дисплеи могут быть гибкими, что предвещает отличные перспективы развития. У OLED отсутствует такой параметр как «угол обзора» - изображение хорошо просматривается с любого угла. По яркости и контрастности (1000000:1) OLED также лидирует.

Его хвалят за живые и насыщенные цвета и отдельно – за глубокий черный. Но есть, конечно, и минусы. Одним из основных можно назвать недолговечность: органические соединения неустойчивы к окружающей среде и имеют обыкновение выгорать, причем, одни цвета спектра страдают больше, чем другие. Хотя если вы меняете телефон раз в три года, вряд ли это станет аргументов против покупки. К тому же, до сих пор изготовление OLED обходится дороже, чем LCD.

Схема OLED

OLED-экраны второго поколения тоже в большинстве своем имеют активную матрицу TFT. Называются они AMOLED. Главное преимущество – еще более низкое энергопотребление, недостатки – нечитаемость картинки при ярком солнечном свете.

Схема AMOLED

Следующим шагов в развитии технологии стали SuperAMOLED-экраны, которые впервые начала использовать Samsung. Принципиальное их отличие от AMOLED состоит в том, что пленки с активными транзисторами (TFT) интегрированы в пленку из полупроводников. Это дает прирост яркости на 20%, снижение электропотребления на 20% и повышение читаемости на солнечном свете на целых 80%!

Схема SUPERAMOLED

Не стоит путать экраны, произведенные по технологии OLED, с экранами с LED-подсветкой – это совсем разные вещи. В последнем случае обычный ЖК-дисплей получает заднюю или боковую светодиодную подсветку, которая, конечно, улучшает качество изображения, но до AMOLED или SuperAMOLED все равно не дотягивает.

Что нас ждет в будущем?

На данный момент самые ясные и предсказуемые перспективы ожидают OLED-экраны. Уже сейчас в Сети можно найти информацию о технологии ближайшего будущего QLED – светодиодах на основе квантовых точек (полупроводниковый нанокристалл, который светится, когда подвергается воздействию тока или света). Сильными сторонами этой технологии являются высокая яркость, невысокая стоимость производства, широкий диапазон цветов, низкое энергопотребление. Квантовые точки, которые лежат в основе новой технологии, имеют еще одно важное свойство – они способны излучать спектрально чистые цвета. Уже сейчас этой технологии предрекают блестящее будущее. В Samsung уже разработали полноцветный 4-дюймовый QLED-дисплей, но в серийное производство новинку запускать пока не торопятся.

Прототип QLED-дисплея

Зато в Samsung подтвердили, что уже в этом году начнется серийное производство гибких OLED-дисплеев. Вероятно, первыми устройствами станут смартфоны и планшеты. Малая толщина экрана и физические свойства панели позволят существенно увеличить полезную площадь экрана и развяжут руки техно-дизайнерам.

В качестве другой перспективной технологии можно назвать IGZO, которой занимается компания Sharp. В ее основе лежат исследования профессора Хидео Хосоно, который решил присмотреться к альтернативным полупроводникам и в результате разработал технологию TAOS (Transparent Amorphous Oxide Semiconductors) - прозрачные аморфные оксидные полупроводники, которые содержат окислы индия, галлия и цинка (InGaZnO), сокращенно - IGZO. Отличия смеси от аморфного кремния, который использовался при производстве TFT, позволяет существенно снизить время отклика, значительно повысить разрешение экрана, сделать его ярче и контрастнее. Компания Apple весьма заинтересовалась перспективами этой технологии и вложила в производство дисплеев IGZO миллиард долларов.