Какой сенсорный экран лучше?

Содержание

Типы сенсорных экранов. Какой сенсорный экран лучше

Экраны современных устройств могут не только выводить изображение, но и позволяют взаимодействовать с устройством посредством сенсоров.

Современные технологии touchscreen

Изначально сенсорные экраны применялись в некоторых карманных компьютерах, а на сегодняшний день сенсорные экраны находят широкое применение в мобильных устройствах, плеерах, фото и видеокамерах, информационных киосках и так далее. При этом в каждом из перечисленных устройств может применяться тот или иной тип сенсорного экрана. В настоящее время разработано несколько типов сенсорных панелей, и, соответственно, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками. В данной статье мы как раз и рассмотрим, какие же бывают типы сенсорных экранов, их достоинства и недостатки, какой тип сенсорного экрана лучше.

Существует четыре основных типа сенсорных экранов: резистивные, емкостные, с определением поверхностно-акустических волн и инфракрасные. В мобильных же устройствах наибольшее распространение получили только два: резистивные и емкостные. Основным их отличием является тот факт, что резистивные экраны распознают нажатие, а емкостные – касание.

Резистивные сенсорные экраны

Данная технология получила наибольшее распространение среди мобильных устройств, что объясняется простотой технологии и низкой себестоимостью производства. Резистивный экран представляет собой LCD дисплей, на который наложены две прозрачные пластины, разделенные слоем диэлектрика. Верхняя пластина гибкая, так как на нее нажимает пользователь, нижняя же жестко закреплена на экране. На обращенные друг другу поверхности нанесены проводники.

Резистивный сенсорный экран

Микроконтроллер подает напряжение последовательно на электроды верхней и нижней пластины. При нажатии на экран гибкий верхний слой прогибается, и его внутренняя проводящая поверхность касается нижнего проводящего слоя, изменяя тем самым сопротивление всей системы. Изменение сопротивления фиксируется микроконтроллером и таким образом определяются координаты точки касания.

Из плюсов резистивных экранов можно отметить простоту и малую стоимость, неплохую чувствительность, а также возможность нажимать на экран как пальцем, так и любым предметом. Из минусов необходимо отметить плохое светопропускание (в результате приходится использовать более яркую подсветку), плохая поддержка множественных нажатий (multi-touch), не могут определять силу нажатия, а также довольно быстрый механический износ, хотя в сравнении со временем жизни телефона, этот недостаток не так уж и важен, так как обычно быстрее телефон выходит из строя, чем сенсорный экран.

Применение: сотовые телефоны, КПК, смартфоны, коммуникаторы, POS-терминалы, TabletPC, медицинское оборудование.

Емкостные сенсорные экраны

Емкостные сенсорные экраны делятся на два типа: поверхностно-емкостные и проекционно-емкостные. Поверхностно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло, на поверхность которого нанесено тонкое прозрачное проводящее покрытие, поверх которого нанесено защитное покрытие. По краям стекла расположены печатные электроды, которые подают на проводящее покрытие низковольтное переменное напряжение.

Поверхностно-емкостной сенсорный экран

При касании экрана образуется импульс тока в точке контакта, величина которого пропорциональна расстоянию из каждого угла экрана до точки касания, таким образом, вычислить координаты места касания контроллеру достаточно просто, сравнить эти токи. Из достоинств поверхностно-емкостных экранов можно отметить: хорошее светопропускание, малое время отклика и большой ресурс касаний. Из недостатков: размещенные по бокам электроды плохо подходят для мобильных устройств, требовательны к внешней температуре, не поддерживают multi-touch, касаться можно пальцами или специальным стилусом, не могут определять силу нажатия.

Применение: информационные киоски в охраняемых помещениях, в некоторых банкоматах.

Проекционно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло с нанесенными на него горизонтальными ведущими линиями проводящего материала и вертикальными определяющими линиями проводящего материала, разделенные слоем диэлектрика.

Проекционно-емкостной сенсорный экран

Работает такой экран следующим образом: на каждый из электродов в проводящем материале микроконтроллером последовательно подается напряжение и измеряется амплитуда возникающего в результате импульса тока. По мере приближения пальца к экрану емкость электродов, находящихся под пальцем, изменяется, и таким образом контроллер определяет место касания, то есть координаты касания – это пересекающиеся электроды с возросшей емкостью.

Достоинством проекционно-емкостных сенсорных экранов является быстрая скорость отклика на касание, поддержка multi-touch, более точное определение координат по сравнению с резистивными экранами и определение силы нажатия. Поэтому эти экраны в большей степени используются в таких устройствах, как iPhone и iPad. Также стоит отметить большую надежность этих экранов и, как следствие, больший срок работы. Из недостатков можно отметить, что на таких экранах касаться можно только пальцами (рисовать или писать от руки пальцами очень неудобно) или специальным стилусом.

Применение: платежные терминалы, банкоматы, электронные киоски на улицах, touchpads ноутбуков, iPhone, iPad, коммуникаторы и так далее.

Сенсорные экраны ПАВ (поверхностно-акустические волны)

Состав и принцип работы данного типа экранов следующий: по углам экрана размещены пьезоэлементы, которые преобразуют подаваемый на них электрический сигнал в ультразвуковые волны и направляют эти волны вдоль поверхности экрана. Вдоль краев одной стороны экрана распределены отражатели, которые распределяют ультразвуковые волны по всему экрану. На противоположных от отражателей краях экрана расположены сенсоры, которые фокусируют ультразвуковые волны и передают их далее на преобразователь, который в свою очередь преобразует ультразвуковую волну обратно в электрический сигнал. Таким образом, для контроллера экран представляется в виде цифровой матрицы, каждое значение которой соответствует определенной точке поверхности экрана. При касании пальцем экрана в любой точке происходит поглощение волн, и в результате общая картина распространения ультразвуковых волн изменяется и в результате преобразователь выдает более слабый электрический сигнал, который сравнивается с хранящейся в памяти цифровой матрицей экрана, и таким образом вычисляются координаты касания экрана.

Сенсорный экран ПАВ

Из достоинств можно отметить высокую прозрачность, так как экран не содержит проводящих поверхностей, долговечность (до 50 млн. касаний), а также сенсорные экраны ПАВ позволяют определять не только координаты нажатия, но и силу нажатия.

Из недостатков можно отметить более низкую точность определения координат, чем у емкостных, то есть рисовать на таких экранах не получится. Большим недостатком являются сбои в работе при воздействии акустических шумов, вибраций или при загрязнении экрана, т.е. любая грязь на экране блокирует его работу. Также данные экраны корректно работают только с предметами, поглощающими акустические волны.

Применение: сенсорные экраны ПАВ в основном в охраняемых информационных киосках, в образовательных учреждениях, в игровых автоматах и так далее.

Инфракрасные сенсорные экраны

Устройство и принцип работы инфракрасных сенсорных экранов довольно простой. Вдоль двух прилегающих друг к другу сторон сенсорного экрана расположены светодиоды, излучающие инфракрасные лучи. А на противоположной стороне экрана расположены фототранзисторы, которые принимают инфракрасные лучи. Таким образом, весь экран покрыт невидимой сеткой пересекающихся инфракрасных лучей, и если коснуться экрана пальцем, то лучи перекрываются и не попадают на фототранзисторы, что немедленно регистрируется контроллером, и таким образом определяются координаты касания.

Инфракрасный сенсорный экран

Применение: инфракрасные сенсорные экраны используются в основном в информационных киосках, торговых автоматах, в медицинском оборудовании и т.д.

Из достоинств можно отметить высокую прозрачность экрана, долговечность, простоту и ремонтопригодность схемы. Из недостатков: боятся грязи (поэтому используются только в помещении), не могут определять силу нажатия, средняя точность определения координат.

P.S. Итак, мы рассмотрели основные типы наиболее распространенных сенсорных технологий (хотя есть еще и менее распространенные, такие, как оптические, тензометрические, индукционные и так далее). Из всех этих технологий наибольшее распространение в мобильных устройствах получили резистивные и емкостные, так как обладают высокой точностью определения точки касания. Из них наилучшими характеристиками обладают проекционно-емкостные сенсорные экраны.

Текст подготовлен по материалам из открытых источников методистами по Технологии Карабиным А.С., Л.В. Гаврик, С.В. Усачёвым

Первый сенсорный экран был собран в 1970 году. Тогда преподавателю Университета из штата Кентукки Сэмуэлю Херсту понадобилось считать много лент из самописцев. Зная, что координаты точек на графиках удобнее заносить в вычислительную машину простым касанием к ним, он собрал передовое устройство ввода, названное впоследствии элографом. Это устройство было больше дигитайзером, но использовало такой же принцип определения координат, как у современных резистивных экранов.

Позже вместе с коллегами единомышленниками Сэмуэль учредил компанию Elotouch, которая стала пионером в массовом выпуске сенсорных экранов.

Первый персональный компьютер с сенсорным экраном HP-150 производства Hewlett Packard, выпущенный в 1983 году, работал вовсе не резистивным образом. Для отслеживания касаний у него применялась сетка инфракрасных лучей, формируемая матрицей 2114. Проще говоря, вокруг обычного ЭЛТ-экрана была поставлена рамочка, составленная из свето- и фотодиодов, с помощью которых и создавалась невидимая, но чувствительная к прикосновению координатная сетка.

Конструкция сенсорных экранов

Каждый современный тачскрин (от английского touch screen — чувствительный к касаниям экран) собран из трех стеклышек:

  1. Самый скрытый LCD-экран, на котором мы собственно и видим изображение.
  2. Активная панель, благодаря которой и реальны такие чудесные возможности, как открытие пальцем ярлычков, листание страничек, растягивание картинок.
  3. Внешний защитный экран, имеется только у емкостных скринов — по сути, прозрачное стекло с антибликовым покрытием.

Сэндвич из трех пластинок скрепляется в цельное устройство тончайшей пленкой. Раньше для сборки сенсорных экранов использовали полимерный клей.

Четырехпроводной резистивный тач-скрин

У резистивного экрана активная панель собрана из стеклянной основы и гибкой пластиковой мембраны. Изнутри основа и мембрана покрыты тонкими проводящими дорожками с высоким удельным сопротивлением в пределах от 50 до 1500 Ом. Внутреннее пространство заполнено микроизоляторами, равномерно расположенными между каждой проводящей дорожкой.

При нажатии, в месте касания перекрестные дорожки на мембране и основе замыкаются, и микропроцессор через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вычисляет по местному изменению сопротивления координаты прикосновения:

  • X — на левый электрод подается +5 В, правый заземляется, и замеряется появившееся напряжение между верхними и нижним контактом.
  • Y — подается +5 В на верхний электрод, нижний заземляется, проверяется напряжение между левым и правым контактом.

Если вычисленные координаты точки касания совпадут с изображением какой-то активной кнопочки на нижнем LCD-экране, то электронная машина засчитает это как ввод информации.

Четырехпроводной резистивный тач-скрин

Боящаяся повреждений тонкая мембрана этого сенсорного экрана выдерживает пару миллионов нажатий, чего явно недостаточно для использования в общественных местах мегаполиса.

Пятипроводной резистивный тач-скрин

У пятипроводного экрана резистивное покрытие на мембране заменено проводящим, за счет этого он является более надежным, чем четырехпроводной. Мембрана не используется для определения точки касания, она является одним большим электродом, и будет работать даже после того, как прорежется или порвется.

Координаты точки прикосновения определяются по стеклянной основе, у которой имеется четыре электрода по углам. Пятым электродом является мембрана.

Устройство пятипроводного резистивного тачскрина: 1 – стекло, 2 – резистивное покрытие, 3 – наполнитель изолирующий, 4 – мембрана

В состоянии покоя четыре электрода основы заземлены, и на мембрану через резистор подается напряжение, которое должно составлять +5 В.

Как только происходит касание, уровень напряжения на мембране падает, и микропроцессор через АЦП реагирует следующим образом:

  • К двум правым электродам подается +5 В, левые заземляются, и замеряется напряжение на мембране, которое и будет соответствовать координате X.
  • Подключается +5 В к верхним электродам, нижние заземляются, и считывается координата Y по наличию напряжения на мембране.

Этот сенсор выдерживает уже до 30 миллионов нажатий, чего вполне достаточно, чтобы быстрее вышел из строя какой-нибудь телефон, чем сам экран.

Основное преимущество всех резистивных сенсорников в том, что они реагируют на любое точечное нажатие: банковской картой, любой пластмассовой палочкой, рукой в толстой перчатке. А чтобы поработать зимой на улице с другим, емкостным экраном придется в мороз снять перчатку с руки. Ну и в заключение, своими руками можно переделать обычный монитор под сенсорный. Рекомендуется также ознакомиться с устройством емкостного сенсорного экрана.

Сенсорные технологии

Главная страница » Справочник » Сенсорные технологии Е | И | О | П | Р | Т

Емкостная проекционная (Матричная)

Используемые материалы:

Стекло, листовой полиэстер, проводящее покрытие.

Принцип действия:

  • Сенсорные элементы, заданные шаблоном, расположены на обратной стороне сенсорной подложки.
  • Измеряется уровень сигнала на каждом элементе.
  • Касание определяется путем сравнения уровней сигналов между смежными элементами.

Преимущества:

  • Может быть ламинирована или химически обработана для дополнительной защиты от повреждений.
  • Экраны в основном ламинируют для предотвращения разбивания на осколки.
  • Касания могут осуществляться пальцем, пальцем в перчатке или проводящим стилусом.
  • Светопередача 85%-90%.
  • Определение одновременного касания в 3-х и более точках.

Недостатки:

  • Более сложная электроника и конструкция экрана по сравнению с другими технологиями и, как следствие, более высокая стоимость.
  • Не поддерживает работу с непроводящими стилусами.

Инфракрасная Infrared (Grid) (IR)

Используемые материалы:

Стеклянная или акриловая подложка, рамка по периметру стекла, светодиодная матрица

Принцип действия:

Светодиоды создают сетку инфракрасных световых лучей по осям X и Y на поверхности экрана. Фотоприемники улавливают эти лучи на противоположной стороне экрана. Касание определяется когда палец или стилус блокирует луч и не позволяет ему достичь фотоприемников. Контроллер постоянно сканирует по осям X и Y и в момент касания определяет блокировку и вычисляет координату касания методом триангуляции.

Преимущества:

  • На работу экрана не влияют царапины и износ поверхности.
  • Касания осуществляются пальцем, рукой в перчатке, или толстым стилусом.
  • Светопередача 90% — 92%

Недостатки:

  • Крупные загрязнения, пролитые жидкости или какие-то препятствия на поверхности экрана могут приводить к ложным срабатываниям и создавать мертвые зоны.
  • Касания происходят слегка над поверхностью экрана, что может привести к непреднамеренному срабатыванию.
  • Требуется рамка защищающая светодиоды и фотоприемники.

Оптическая

Используемые матреиалы:

Стеклянная подложка, оптические сенсоры линейного сканирования, световые шины.

Принцип действия:

Миниатюрные камеры расположены в 2-ух верхних углах подложки. Подсвеченные или отражающие границы 3-х противоположных сторон проецируют однородное поле инфракрасного света немного выше поверхности стекла. Касание распознается благодаря перекрыванию пальцем или другим объектом светового потока от камер. Контроллер обрабатывает оптическую информацию и вычисляет координаты Х и Y.

Преимущества:

  • На работу экрана не влияют царапины
  • Нажатие осуществляется пальцем, рукой в перчатке или стилусом.
  • Масштабируемость
  • Светопередача более 90

Недостатки:

  • Пролитая жидкость или загрязнения поверхности могут вызвать ложные срабатывания или привести к неработоспособности экрана.
  • Для данного типа технологии требуется рамка для защиты камер в углах экрана
  • Защитная рамка приводит к увеличению толщины сенсорного экрана на 3,5 мм.
  • Нажатие срабатывает чуть ранее реального касания поверхности
  • Определение 2-ух точек касания осуществляется 2-я камерами, а 3-х и более точек касания — 4 камерами.

ПАВ (технология на поверхностно-акустических волнах)

Используемые материалы:

Стекло, пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия:

  • Пьезоэлектрические датчики установленные по углам стекла генерируют акустические волны по поверхности стеклянной подложки по осям Х и Y.
  • Акустические волны отражаются от специальных насечек на стекле, перенаправляя энергию в пьезоэлектрические приемники.
  • Касание поверхности сенсорного экрана вызывает уменьшение части волны в прямой зависимости от координат касания.
  • Касание определяется по времени задержки от переданного импульса до места затухания поверхностной волны.

Преимущества:

  • Касания могут осуществляться пальцем, некоторыми перчатками или мягким проводящим стилусом.
  • Светопередача более 90%.

Недостатки:

  • Жидкости или крупные загрязнения (пыль, грязь) могут вызвать ложные срабатывания или мертвые зоны на экране.
  • Требуется надежная защита от грязи и воды, что усложняет процесс сборки устройств
  • Широкий бордюр не позволяет интегрировать экран во многие модели мониторов.
  • Определяется только одна точка касания — отсутствие мультитач

Поверхностно-емкостная (ClearTek)

Используемые материалы:

Стеклянная подложка, Покрытие из прозрачного метталического оксида Glass substrate, transparent metal oxide coating

Принцип действия:

  • Напряжение прилагается к углам сенсорного экрана.
  • Электроды по периметру сенсорного экрана распределяют напряжение для создания однородного электрического поля через проводящую поверхность экрана.
  • В момент касания часть тока снимается с поверхности экрана и измеряется контроллером.
  • Относительная величина тока обратно пропорциональна растоянию от точки касания до углов экрана.
  • Пропорция токов от 4-х углов позволяет рассчитать координаты X и Y точки касания.

Преимущества:

  • Устойчивость к загрязнениям (грязь, пыль, жир и т.п) и жидкостям на поверхности экрана.
  • Срабатывание даже при легком касании экрана.
  • Самой быстрый отклик на нажатие среди сенсорных технологий.
  • Светопередача 88% — 92%.

Недостатки:

  • Поддерживает только касания пальцем (без перчаток) или стилусом подключенным к котроллеру.
  • Сильные царапины могут повлять на работоспособность экрана.
  • Определяется только одно касание — отсутствие мультитач.

История

Первый в мире сенсорный монитор был разработан в институте кибернетики в г. Киеве, в АН УССР в 1967 г. Авторы изобретения советские учёные:А.И. Тарануха, Г.Г Кашко, А.А Слизкой, В.А. Шихалеев.

В США сенсорный экран был изобретён в рамках исследований по программированному обучению. Компьютерная система PLATO IV, появившаяся в 1972 году, имела сенсорный экран на сетке инфракрасных (ИК) лучей, состоявший из 16×16 блоков. Но даже столь низкая точность позволяла пользователю выбирать ответ, нажимая в нужное место экрана.

В 1971 году Сэмюэлем Херстом (будущим основателем компании Elographics, ныне Elo Touch Solutions) был разработан элограф — графический планшет, действовавший по четырёхпроводному резистивному принципу (U.S. Patent 3 662 105). В 1974 году он же сумел сделать элограф прозрачным, в 1977 — разработал пятипроводной экран. Объединившись с Siemens, в Elographics сумели сделать выпуклую сенсорную панель, подходившую к кинескопам того времени. На всемирной ярмарке 1982 года Elographics представила телевизор с сенсорным экраном.

В 1983 году вышел компьютер HP-150 с сенсорным экраном на ИК-сетке. Впрочем, в те времена сенсорные экраны применялись преимущественно в промышленной и медицинской аппаратуре.

В потребительские устройства (телефоны, КПК и т. д.) сенсорные экраны вошли как замена крохотной клавиатуре, когда появились устройства с большими (во всю переднюю панель) ЖК-экранами. Первая карманная игровая консоль с сенсорным экраном — game.com, первое устройство, преподнесенное как первое поддерживающее мультитач — iPhone.

Применение

Сенсорные экраны используются в платёжных терминалах, информационных киосках, автомобильных головных устройствах и бортовых компьютерах, оборудовании для автоматизации торговли, карманных компьютерах, мобильных телефонах, игровых консолях, операторских панелях в промышленности.

Достоинства и недостатки в карманных устройствах

Достоинства

  • Простота интерфейса.
  • В аппарате могут сочетаться небольшие размеры и крупный экран.
  • Быстрый набор в спокойной обстановке.
  • Серьёзно расширяются мультимедийные возможности аппарата.

Недостатки

  • Нет тактильной отдачи.
  • Высокое энергопотребление.
  • Сильное механическое воздействие может привести к повреждению экрана.
  • Отсутствие гигиены экрана.

Достоинства и недостатки в стационарных устройствах

В информационных и торговых автоматах, операторских панелях и прочих устройствах, в которых нет активного ввода, сенсорные экраны зарекомендовали себя как очень удобный способ взаимодействия человека с машиной. Достоинства:

  • Повышенная надёжность.
  • Устойчивость к жёстким внешним воздействиям (включая вандализм), пыле- и влагозащищённость.
  • (Для ёмкостных экранов). Нет тактильной отдачи.
  • Работая с вертикальным экраном, пользователь вынужден держать руку на весу. Поэтому вертикальные экраны пригодны только для эпизодического использования наподобие банкоматов.
  • На горизонтальном экране руки загораживают обзор.
  • Даже с острым пером параллакс ограничивает точность позиционирования действий оператора на сенсорных экранах без курсора. В то же время использование курсора создаёт оператору дополнительные сложности, уменьшая эргономичность.
  • При использовании экрана не полностью чистыми руками использование затрудняется ввиду трудностей движения пальцев, а также образующихся отпечатков пальцев и пятен, если на экране нет специальных покрытий для их нейтрализации.

Эти недостатки не позволяют использовать только сенсорный экран в устройствах, с которыми человек работает часами. Впрочем, в грамотно спроектированном устройстве сенсорный экран может быть не единственным устройством ввода — например, на рабочем месте кассира сенсорный экран может применяться для быстрого выбора товара, а клавиатура — для ввода цифр.

Принципы работы сенсорных экранов

Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах.

Резистивные сенсорные экраны

Четырёхпроводной экран

Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экранаПринцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:

  1. На верхний электрод подаётся напряжение +5 В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко, и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
  2. Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5 В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надёжности.

Пятипроводной экран

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.

Как только на экран нажимают, микропроцессор фиксирует изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

  1. На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
  2. Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Особенности

Резистивные сенсорные экраны дёшевы и стойки к загрязнению. Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым гладким твёрдым предметом: рукой (голой или в перчатке), пером, кредитной картой, медиатором. Их используют везде, где вандализм и низкие температуры исключены: для автоматизации промышленных процессов, в медицине, в сфере обслуживания (POS-терминалы), в персональной электронике (КПК). Лучшие образцы обеспечивают точность в 4096×4096 пикселей.

Недостатками резистивных экранов являются низкое светопропускание (не более 85 % для 5-проводных моделей и ещё более низкое для 4-проводных), низкая долговечность (не более 35 млн нажатий в одну точку) и недостаточная вандалоустойчивость (плёнку легко разрезать).

Матричные сенсорные экраны

Конструкция и принцип работы

Конструкция аналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану — вертикальные.

При прикосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет, какие проводники замкнулись, и передаёт в микропроцессор соответствующие координаты.

Имеют очень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специально располагать с учётом клеток матричного экрана. Единственное достоинство — простота, дешевизна и неприхотливость. Обычно матричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрице кнопок); это позволяет наладить мультитач. Постепенно заменяются резистивными.

Поверхностно-ёмкостные сенсорные экраны

Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана

Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток — это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят токонепроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие, расположенное прямо на внешней поверхности, всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, лишь установленных в защищённом от непогоды помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран, например, iPhone является проекционно-ёмкостным, а не поверхностно-ёмкостным.

Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны

Принцип действия проекционно-ёмкостного сенсорного экрана

На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Первым телефоном с ёмкостным экраном был LG Prada. Компания Samsung сумела установить чувствительные электроды прямо между субпикселями AMOLED-экрана, это упрощает конструкцию и повышает прозрачность.

Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место — сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На проекционно-ёмкостных экранах может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что обеспечивает большую вандалоустойчивость. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны широко применяются и в персональной электронике, и в автоматах, в том числе установленных на улице. Многие разновидности поддерживают мультитач.

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах

Основная статья: Поверхностные акустические волны

Экран представляет собой стеклянную панель с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), находящимися по углам. По краям панели находятся отражающие и принимающие датчики. Принцип действия такого экрана заключается в следующем. Специальный контроллер формирует высокочастотный электрический сигнал и посылает его на ПЭП. ПЭП преобразует этот сигнал в ПАВ, а отражающие датчики его соответственно отражают. Эти отражённые волны принимаются соответствующими датчиками и посылаются на ПЭП. ПЭП, в свою очередь, принимают отражённые волны и преобразуют их в электрический сигнал, который затем анализируется с помощью контроллера. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, а микроконтроллер вычисляет положение точки касания. Реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористая резина).

Главным достоинством экрана на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является возможность отслеживать не только координаты точки, но и силу нажатия (здесь, скорее, способность точно определять радиус или область нажатия), благодаря тому, что степень поглощения акустических волн зависит от величины давления в точке касания (экран не прогибается под нажатием пальца и не деформируется, поэтому сила нажатия не влечет за собой качественных изменений в обработке контроллером данных о координатах воздействия, который фиксирует только область, перекрывающую путь акустических импульсов). Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как свет от отображающего прибора проходит через стекло, не содержащее резистивных или проводящих покрытий. В некоторых случаях для борьбы с бликами стекло вообще не используется, а излучатели, приёмники и отражатели крепятся непосредственно к экрану отображающего устройства. Несмотря на сложность конструкции, эти экраны довольно долговечны. По заявлению, например, американской компании Tyco Electronics и тайваньской фирмы GeneralTouch, они выдерживают до 50 млн касаний в одной точке, что превышает ресурс 5-проводного резистивного экрана. Экраны на ПАВ применяются, в основном, в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Как правило, экраны ПАВ разделяют на обычные — толщиной 3 мм, и вандалостойкие — 6 мм. Последние выдерживают удар кулаком среднего мужчины или падение металлического шара весом 0,5 кг с высоты 1,3 м (по данным Elo Touch Systems). На рынке предлагаются варианты подключения к компьютеру как через интерфейс RS232, так и через интерфейс USB. На данный момент большей популярностью пользуются контроллеры к сенсорным экранам ПАВ, поддерживающие и тот, и другой тип подключения — combo (данные Elo Touch Systems).

Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбои в работе при наличии вибрации или при воздействии акустическими шумами, а также при загрязнении экрана. Любой посторонний предмет, размещённый на экране (например, жевательная резинка), полностью блокирует его работу. Кроме того, данная технология требует касания предметом, который обязательно поглощает акустические волны, — то есть, например, пластиковая банковская карточка в данном случае неприменима.

Точность этих экранов выше, чем матричных, но ниже, чем традиционных ёмкостных. Для рисования и ввода текста они, как правило, не используются.

Инфракрасные сенсорные экраны

Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост — сетка, сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами, прерывается при касании монитора любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.

Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения, например, в электронных книгах. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Часто на таком принципе делают клавиатуры домофонов. Данный тип экрана применяется в мобильных телефонах компании Neonode.

Оптические сенсорные экраны

Стеклянная панель снабжена инфракрасной подсветкой. На границе «стекло-воздух» получается полное внутреннее отражение, на границе «стекло — посторонний предмет» свет рассеивается. Остаётся заснять картину рассеивания, для этого существуют две технологии:

  • В проекционных экранах рядом с проектором ставится камера. Так устроен, например, Microsoft PixelSense.
  • Либо светочувствительным делают дополнительный четвёртый субпиксель ЖК-экрана.

Позволяют отличить нажатия рукой от нажатий какими-либо предметами, есть мультитач. Возможны большие сенсорные поверхности, вплоть до классной доски.

Тензометрические сенсорные экраны

Применение таких экранов полностью аналогично применению проекционно-емкостных сенсорных экранов. Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм, перепады температуры и большое количество влаги. Основное применение — банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.

Сенсорные экраны DST

Сенсорный экран DST (англ. Dispersive Signal Technology) регистрирует пьезоэлектрический эффект в стекле. Возможно нажатие на экран рукой или любым предметом.

Отличительной особенностью является высокая скорость реакции и возможность работы в условиях сильного загрязнения экрана. Однако палец должен двигаться, неподвижный палец система не замечает.

Индукционные сенсорные экраны

Индукционный сенсорный экран — это графический планшет со встроенным экраном. Такие экраны реагируют только на специальное перо.

Применяются, когда требуется реакция именно на нажатия пером (а не рукой): художественные планшеты класса high-end, некоторые модели планшетных ПК.

Сводная таблица

Матр 4-пров 5-пров Ёмк Пр-ёмк ПАВ ИК-сетка Опт Тензо DST Индукц
Функциональность
Рука в перчатке Да Да Да Нет Нет Да Да Да Да Да Нет
Твёрдый проводящий предмет Да Да Да Да Да Нет Да Да Да Да Нет
Твёрдый непроводящий предмет Да Да Да Нет Нет Нет Да Да Да Да Нет
Отличает перо от руки Нет Нет Нет Нет Да Нет Нет Да Нет Нет Нет
Множественное нажатие Да Нет Да Да Да Да Да Да Нет Нет Нет
Измерение силы нажатия Нет Нет Нет Нет Да Да Нет Да Да Нет Да
Предельная прозрачность, % 85 75 85 90 90 100 100 100 95 90
Точность Низ Выс Выс Выс Выс Сред Низ Сред Низ Выс Выс
Надёжность
Срок жизни, млн. нажатий 35 10 35 200 50 ???
Защита от грязи и жидкостей Да Да Да Да| Да Нет Нет Да Да Да Да
Устойчивость к вандализму Нет Нет Нет Нет Да Нет Нет Да Да Нет Нет
Применение Огран Огран Огран Помещ Улица Помещ Помещ Помещ Улица Помещ Огран
  1. 1 2 3 4 5 Поддерживается с ограничениями, максимум 2 точки касания.
  2. Если нужна только стеклянная панель, без каких-либо прозрачных проводящих плёнок — условно 95%. Если не нужна даже она (можно применить штатное покрытие экрана) — условно 100%<
  3. Высокая — до пикселя (точно отслеживает острое перо). Средняя — до нескольких пикселей (достаточная для нажатий пальцем). Низкая — крупными блоками экрана (невозможно рисование, требуются очень крупные элементы интерфейса).
  4. 1 2 3 4 Ограничивается надёжностью электроники.
  5. Ограничивается загрязнением датчика.
  6. Огран — аппаратура ограниченного доступа (персональная электроника, промышленная аппаратура). Помещ — общий доступ в охраняемом помещении. Улица — общий доступ на улице.

> См. также

  • Мультитач
  • Microsoft Surface
  • Планшетный компьютер
  • Тачфон
  • iPhone
  • Nintendo DS
  • Световое перо

Примечания

  1. Touch Screen — History of the Touch Screen Computer Interface (англ.)
  2. Company history from Elographics to Elo TouchSystems, 1971 — present — Elo TouchSystems — Tyco Electronics (англ.)
  3. HP History : 1980s (англ.)
  4. 1 2 В резистивных экранах существует отдача при нажатии — это делает работу руками более комфортной. Кроме того, в некоторых телефонах удачное нажатие подтверждается вибрацией. Но такой отдачи недостаточно для того, чтобы на ощупь отличить один элемент интерфейса от другого.
  5. 1 2 3 4 5 Мухин И. А. Сенсорные экраны — решение проблем (10 технологий). «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть — № 3(55) май 2006, с.50-52; 2 часть — № 4(56) июнь-июль 2006, с.40-41; 3 часть — № 7(59) ноябрь 2006, с.64-66.
  6. 1 2 3 4 Сенсорные дисплеи на MultimediaPresentation (недоступная ссылка). Дата обращения 7 мая 2009. Архивировано 6 сентября 2011 года.
  7. 1 2 Хабрахабр: Touch, MultiTouch и кое-что ещё
  8. Матричный сенсорный экран
  9. How Stuff Works: iPhone
  10. Temple, Stephen. Vintage Mobiles: LG Prada – First mobile with a capacitive touchscreen (May 2007) (англ.), History of GMS: Birth of the mobile revolution.
  11. Projected capacitive touch technology — Elo TouchSystems — Tyco Electronics (англ.)
  12. Neonode, покойся с миром! — Компьютерра-Онлайн
  13. FTIR Touch Sensing (англ.)
  14. Microsoft Surface на сайте производителя (англ.)
  15. Рабочий стол будущего: Microsoft Surface на Xage.ru
  16. Потрогать Microsoft — Компьютерра-Онлайн (недоступная ссылка). Дата обращения 6 июня 2008. Архивировано 29 июня 2012 года.
  17. Sensors help make ticket machines vandal proof (англ.)
  18. EloTouch projective-capacitance datasheet (англ.)