Сенсорный экран – это устройство ввода и вывода информации посредством чувствительного к нажатиям и жестам дисплея. Как известно, экраны современных устройств не только выводят изображение, но и позволяют взаимодействовать с устройством. Изначально для подобного взаимодействия использовались всем знакомые кнопки, потом появился не менее известный манипулятор «мышь», существенно упростивший манипуляции с информацией на дисплее компьютера. Однако «мышь» для работы требует горизонтальной поверхности и для мобильных устройств не очень подходит. Вот тут на помощь приходит дополнение к обычному экрану – Touch Screen, который так же известен под названиями Touch Panel, сенсорная панель, сенсорная пленка. То есть, по сути, сенсорный элемент экраном не является – это дополнительное устройство, устанавливаемое поверх дисплея снаружи, защищающее его и служащее для ввода координат прикосновения к экрану пальцем или иным предметом.
Использование
Сегодня сенсорные экраны находят широкое применение в мобильных электронных устройствах. Изначально тачскрин применялся в конструкции карманных персональных компьютеров (КПК, PDA), теперь первенство держат коммуникаторы, мобильные телефоны, плееры и даже фото- и видеокамеры. Однако технология управления пальцем через виртуальные кнопки на экране оказалась настолько удобной, что ею оснащаются почти все платежные терминалы, многие современные банкоматы, электронные справочные киоски и другие устройства, используемые в общественных местах.
Ноутбук с сенсорным экраном
Нельзя не отметить и ноутбуки, некоторые модели которых оснащаются поворотным сенсорным дисплеем, что придает мобильному компьютеру не только более широкую функциональность, но и большую гибкость в управлении им на улице и на весу.
К сожалению, пока подобных моделей ноутбуков, называемых в народе «трансформеры», не так много, но они есть.
В целом, технологию сенсорного экрана можно охарактеризовать как наиболее удобную в случае, когда необходим мгновенный доступ к управлению устройством без предварительной подготовки и с потрясающей интерактивностью: элементы управления могут сменять друг друга в зависимости от активируемой функции. Тот, кто хоть раз работал с сенсорным устройством, сказанное выше прекрасно понимает.
Типы сенсорных экранов
Всего на сегодня известно несколько типов сенсорных панелей. Естественно, что каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками. Выделим основные четыре конструкции:
- Резистивные
- Ёмкостные
- Проекционно-ёмкостные
Кроме указанных экранов, применяются матричные экраны и инфракрасные, но ввиду их низкой точности их область применения крайне ограничена.
Резистивные
Резистивные сенсорные панели относятся к самым простым устройствам. По своей сути, такая панель состоит из проводящей подложки и пластиковой мембраны, обладающих определенным сопротивлением. При нажатии на мембрану происходит её замыкание с подложкой, а управляющая электроника определяет возникающее при этом сопротивление между краями подложки и мембраны, вычисляя координаты точки нажатия.
Преимущество резистивного экрана в его дешевизне и простоте устройства. Они обладают отличной стойкостью к загрязнениям. Основным достоинством резистивной технологии является чувствительность к любым прикосновениям: можно работать рукой (в том числе в перчатках), стилусом (пером) и любым другим твердым тупым предметом (например, верхним концом шариковой ручки или углом пластиковой карты). Однако имеются и достаточно серьезные недостатки: резистивные экраны чувствительны к механическим повреждениям, такой экран легко поцарапать, поэтому зачастую дополнительно приобретается специальная защитная пленка, защищающая экран. Кроме того, резистивные панели не очень хорошо работают при низких температурах, а также обладают невысокой прозрачностью – пропускают не более 85% светового потока дисплея.
Использование пера с сенсорным экраном
Применение
- Коммуникаторы
- Сотовые телефоны
- POS-терминалы
- Tablet PC
- Промышленность (устройства управления)
- Медицинское оборудование
Коммуникатор
Ёмкостные
Технология ёмкостного сенсорного экрана основана на принципе того, что предмет большой ёмкости (в данном случае человек) способен проводить электрический ток. Суть работы ёмкостной технологии заключается в нанесении на стекло электропроводного слоя, при этом на каждый из четырех углов экрана подается слабый переменный ток. Если прикоснуться к экрану заземленным предметом большой емкости (пальцем), произойдет утечка тока. Чем ближе точка касания (а значит, и утечки) к электродам в углах экрана, тем больше сила тока утечки, которая и регистрируется управляющей электроникой, вычисляющей координаты точки касания.
Ёмкостные экраны очень надежны и долговечны, их ресурс составляет сотни миллионов нажатий, они отлично противостоят загрязнениям, но только тем, которые не проводят электрический ток. По сравнению с резистивными они более прозрачны. Однако недостатками является все же возможность повреждения электропроводного покрытия и нечувствительность к прикосновениям непроводящими предметами, даже руками в перчатках.
Информационный киоск
Применение
- В охраняемых помещениях
- Информационные киоски
- Некоторые банкоматы
Проекционно-ёмкостные
Проекционно-ёмкостные экраны основаны на измерении ёмкости конденсатора, образующегося между телом человека и прозрачным электродом на поверхности стекла, которое и является в данном случае диэлектриком. Вследствие того, что электроды нанесены на внутренней поверхности экрана, такой экран крайне устойчив к механическим повреждениям, а с учетом возможности применения толстого стекла, проекционно-ёмкостные экраны можно применять в общественных местах и на улице без особых ограничений. К тому же этот тип экрана распознает нажатие пальцем в перчатке.
Платежный терминал
Данные экраны достаточно чувствительны и отличают нажатия пальцем и проводящим пером, а некоторые модели могут распознавать несколько нажатий (мультитач). Особенностями проекционно-ёмкостного экрана являются высокая прозрачность, долговечность, невосприимчивость к большинству загрязнений. Минусом такого экрана является не очень высокая точность, а также сложность электроники, обрабатывающей координаты нажатия.
Применение
- Электронные киоски на улицах
- Платежные терминалы
- Банкоматы
- Тачпэды ноутбуков
- iPhone
С определением поверхностно-акустических волн
Суть работы сенсорной панели с определением поверхностно-акустических волн заключается в наличии ультразвуковых колебаний в толще экрана. При прикосновении к вибрирующему стеклу, волны поглощаются, при этом точка прикосновения регистрируется датчиками экрана. Плюсами технологии можно назвать высокую надежность и распознавание нажатия (в отличие от ёмкостных экранов). Минусы заключаются в слабой защищенности от факторов окружающей среды, поэтому экраны с поверхностно-акустическими волнами нельзя применять на улице, а кроме того, такие экраны боятся любых загрязнений, блокирующих их работу. Применяются редко.
Другие, редкие типы сенсорных экранов
- Оптические экраны. Инфракрасным светом подсвечивают стекло, в результате прикосновения к такому стеклу происходит рассеивание света, которое обнаруживается датчиком.
- Индукционные экраны. Внутри экрана расположена катушка и сетка чувствительных проводов, реагирующих на прикосновение активным пером, питающимся от электромагнитного резонанса. Логично, что такие экраны реагируют на нажатия только специальным пером. Применяются в дорогих графических планшетах.
- Тензометрические – реагируют на деформацию экрана. Такие экраны имеют малую точность, зато очень прочны.
- Сетка инфракрасных лучей – одна из самых первых технологий, позволяющих распознавать прикосновения к экрану. Сетка состоит из множества светоизлучателей и приемников, расположенных по сторонам экрана. Реагирует на блокировку соответствующих лучей предметами, на основании чего и определяет координаты нажатия.
- Сдвинуть два пальца вместе – уменьшение изображения (текста)
- Раздвинуть два пальца в стороны – увеличение (Zoom)
- Движение несколькими пальцами одновременно – прокрутка текста, страницы в браузере
- Вращение двумя пальцами на экране – поворот изображения (экрана)
О пользе и недостатках сенсорных экранов
В карманных устройствах сенсорные экраны появились давно. Причин этому несколько:
- Возможность делать минимальное количество органов управления
- Простота графического интерфейса
- Легкость управления
- Оперативность доступа к функциям устройства
- Расширение мультимедийных возможностей
Однако и недостатков хоть отбавляй:
- Отсутствие тактильной обратной связи
- Частая необходимость в использовании пера (стилуса)
- Возможность повреждения экрана
- Появление отпечатков пальцев и других загрязнений на экране
- Более высокое потребление энергии
В результате, полностью избавиться от клавиатуры не всегда получается, ведь гораздо удобнее набирать текст с помощью привычных клавиш. Зато сенсорный экран интерактивнее, благодаря более оперативному доступу к элементам меню и настройкам современных гаджетов.
Надеемся, что этот материал поможет вам при выборе устройства с сенсорным экраном.
Обсудить на форуме
Сегодня уже никого не удивить телефоном с сенсорным экраном. Ручное управление вошло в моду, но мало кто задумывается о том, что же происходит, когда вы прикасаетесь к дисплею. Я расскажу, как работают наиболее распространенные типы сенсорных экранов. Удобство и продуктивность работы с цифровой техникой зависят в первую очередь от используемых устройств ввода информации, при помощи которых человек управляет оборудованием и осуществляет загрузку данных. Наиболее массовым и универсальным инструментом является клавиатура, получившая в настоящее время повсеместное распространение. Однако использовать ее удобно далеко не всегда. Например, габариты мобильных телефонов не позволяют установить крупные клавиши, в результате чего скорость ввода информации снижается. Эта проблема решилась за счет применения сенсорных экранов. Всего за несколько лет они произвели на рынке настоящую революцию и стали внедряться повсюду - от мобильных телефонов и электронных книг до мониторов и принтеров.
Начало сенсорного бума
Покупая новый смартфон , на корпусе которого нет ни одной кнопки или джойстика, вы вряд ли задумываетесь о том, как будете им управлять. С точки зрения пользователя в этом нет ничего сложного: достаточно прикоснуться пальцем к иконке на экране, что приведет к выполнению какого-либо действия - открытию окна ввода телефонного номера, SMS или адресной книги. А между тем 20 лет назад о таких возможностях можно было только мечтать.
Сенсорный экран был изобретен в США во второй половине 60-х годов прошлого века, но до начала 90-х применялся преимущественно в медицинском и промышленном оборудовании для замены традиционных устройств ввода, использование которых сопряжено с трудностями при определенных условиях эксплуатации. По мере уменьшения размера компьютеров и появления КПК встал вопрос о совершенствовании их систем управления. В 1998 году появился первый наладонник с сенсорным экраном и системой ввода и распознавания рукописного текста Apple Newton MessagePad , а вскоре и коммуникаторы с тачскринами.
В 2006 году практически все крупные производители приступили к выпуску смартфонов с сенсорными экранами, а после появления Apple iPhone в 2007 году начался настоящий сенсорный бум - дисплеи такого типа появились в принтерах, электронных книгах, различных видах компьютеров и т. д. Что же происходит, когда вы дотрагиваетесь до сенсорного экрана, и каким образом устройство «узнает», куда именно вы нажали?
Принцип работы резистивного сенсорного экрана
За 40-летнюю историю развития сенсорных экранов было разработано несколько типов этих устройств ввода, основанных на различных физических принципах, которые используются для определения места касания. В настоящее время наибольшее распространение получили два типа дисплеев - резистивные и емкостные. Помимо этого различают экраны, способные регистрировать одновременно несколько нажатий (Multitouch ) или только одно.
Экраны, выполненные по резистивной технологии, состоят из двух основных частей - гибкого верхнего и жесткого нижнего слоев. В качестве первого могут использоваться различные пластиковые или полиэфирные пленки, а второй изготавливается из стекла. На внутренние стороны обеих поверхностей нанесены слои гибкой мембраны и резистивного (обладающего электрическим сопротивлением) материала, проводящего электрический ток. Пространство между ними заполнено диэлектриком.
По краям каждого слоя установлены тонкие металлические пластинки - электроды. В заднем слое с резистивным материалом они расположены вертикально, а в переднем - горизонтально. В первом случае на них подается постоянное напряжение, и от одного электрода к другому протекает электрический ток. При этом возникает падение напряжения, пропорциональное длине участка экрана.
При касании сенсорного экрана передний слой прогибается и взаимодействует с задним, что позволяет контроллеру определить напряжение на нем и вычислить с его помощью координаты точки касания по горизонтали (оси X). Для уменьшения влияния сопротивления переднего резистивного слоя расположенные в нем электроды заземляются. Затем проделывается обратная операция: напряжение подается на электроды переднего слоя, а расположенные в заднем слое заземляются - так удается вычислить координату точки касания по вертикали (оси Y). Таков принцип работы четырехпроводного (названного так по количеству электродов) резистивного сенсорного экрана.
Помимо четырехпроводных встречаются также пяти- и восьмипроводные сенсорные экраны. Последние обладают аналогичным принципом работы, но более высокой точностью позиционирования .
Принцип работы и устройство пятипроводных резистивных сенсорных экранов несколько отличаются от описанного выше. Слой переднего резистивного покрытия в них заменен проводящим слоем и используется исключительно для считывания значения напряжения на заднем резистивном слое. В него встроено четыре электрода по углам экрана, пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя. Изначально все четыре электрода заднего слоя находятся под напряжением, а на переднем слое оно равно нулю. Как только происходит касание такого сенсорного экрана, верхний и нижний слои соединяются в определенной точке, и контроллер улавливает изменение напряжения на переднем слое. Так он определяет, что до экрана дотронулись. Далее два электрода в заднем слое заземляются, вычисляется координата точки касания по оси X, а затем заземляются два других электрода, и вычисляется координата точки касания по оси Y.
Принцип работы емкостного сенсорного экрана
В основе принципа работы емкостных сенсорных экранов лежит свойство человеческого тела проводить электрический ток, что указывает на наличие электрической емкости. В простейшем случае такой экран состоит из прочной стеклянной подложки, на которую наносится слой резистивного материала. По его углам размещаются четыре электрода. Сверху резистивный материал укрывается токопроводяшей пленкой.
На все четыре электрода подается небольшое переменное напряжение. В момент прикосновения человека к экрану электрический заряд перетекает по коже на тело, при этом возникает электрический ток. Его значение пропорционально расстоянию от электрода (угла панели) до точки касания. Контроллер замеряет силу тока по всем четырем электродам и на основе этих значений вычисляет координаты точки касания.
Точность позиционирования емкостных экранов почти такая же, как у резистивных. При этом они пропускают больше света (до 90%), испускаемого отображающим устройством. А отсутствие подвергающихся деформации элементов делает их более надежными: емкостный экран выдерживает более 200 млн нажатий в одной точке и может работать при низких температурах (до -15 °С). Однако переднее проводящее покрытие, используемое для определения координат, чувствительно к влаге, механическим повреждениям и проводящим ток загрязнениям. Емкостные экраны срабатывают только при касании их проводящим предметом (рукой без перчатки или специальным стилусом). Выполненные по классической технологии экраны такого типа также не способны отслеживать одновременно несколько нажатий.
Такой возможностью обладает проекционно-емкостный сенсорный экран, который используется в телефонах iPhone и аналогичных устройствах. Он имеет более сложное строение по сравнению с обычными емкостными экранами. На подложку из стекла наносится два слоя электродов, разделенные диэлектриком и формирующие решетку (электроды в нижнем слое расположены вертикально, а в верхнем - горизонтально). Сетка электродов вместе с телом человека образует конденсатор. В месте касания пальцем происходит изменение его емкости, контроллер улавливает это изменение, определяет, на каком пересечении электродов оно произошло, и вычисляет по этим данным координату точки касания.
Такие экраны также имеют высокую прозрачность и способны работать при еще более низких температурах (до -40 °С). Проводящие электрический ток загрязнения влияют на них в меньшей степени, они реагируют на руку в перчатке. Высокая чувствительность позволяет использовать для защиты таких экранов толстый слой стекла (до 18 мм).
Принцип работы четырехпроводного резистивного сенсорного экрана
- Верхний резистивный слой прогибается и соприкасается с нижним.
- Контроллер определяет напряжение в точке касания на нижнем слое и вычисляет координату точки касания по оси X.
- Контроллер определяет напряжение в точке касания на верхнем слое и определяет координату точки касания по оси Y.
Принцип работы пятипроводного резистивного сенсорного экрана
- До экрана дотрагиваются любым твердым предметом.
- Верхний проводящий слой прогибается и соприкасается с нижним, что указывает на прикосновение к экрану.
- Два из четырех электродов нижнего слоя заземляются, контроллер опреде ляет напряжение в точке касания и вычисляет координату точки по оси X.
- Заземляются другие два электрода, контроллер определяет напряжение в точке касания и вычисляет координату точки по оси Y.
Преимущества
- Низкая стоимость
- Высокая стойкость к загрязнениям
- Можно прикасаться любым твердым предметом
Недостатки
- Низкая долговечность (1 млн нажатий в одной точке для четырехпроводного, 35 млн нажатий для пятипроводного) и вандало-устойчивость
- Низкое светопропускание (не более 85%)
- Не поддерживают Multitouch
Примеры устройств
- Телефоны (например, Nokia 5800, НТС Touch Diamond), КПК, компьютеры (например, MSI Wind Top АЕ1900), промышленное и медицинское оборудование.
Принцип работы
- До экрана дотрагиваются проводящим ток предметом (пальцем, специальным стилусом).
- Ток перетекает с экрана на предмет.
- Контроллер измеряет силу тока по углам экрана и определяет координаты точки касания.
Преимущества
- Высокая долговечность (до 200 млн нажатий), возможность работы при низких температурах (до -15 °С)
Недостатки
- Восприимчивы к воздействию влаги, токопроводящих загрязнений
- Не поддерживают Multitouch
Примеры устройств
- Телефоны, тачпады (например, в плеере iRiver ВЗО), КПК, банкоматы, киоски.
Принцип работы
- Экрана касаются или подносят к нему на близкое расстояние проводящий ток предмет, образующий вместе с ним конденсатор.
- В месте касания изменяется электрическая емкость.
- Контроллер регистрирует изменение и определяет, на каком пересечении электродов оно произошло. На основании этих данных вычисляются координаты точки касания.
Преимущества
- Высокая долговечность (до 200 млн нажатий), возможность работы при низких температурах (до -40 °С)
- Высокая вандалоустойчивость (экран можно покрыть слоем стекла толщиной до 18 мм)
- Высокое светопропускание (более 90%)
- Поддерживают Multitouch
Недостатки
- Реагируют на прикосновение только токопроводящего предмета (пальца, специального стилуса)
Примеры устройств
- Телефоны (например, iPhone), тачпады, экраны ноутбуков и компьютеров (например, HP TouchSmart tx2) электронные киоски, банкоматы, платежные терминалы.
Windows 7
В появилась возможность управления компью тером с помощью жестов «Прокрутка», «Вперед/назад», «Поворот» и «Масштабирование». Операционная система Windows 7 намного лучше адаптирована для работы с сенсорными дисплеями, чем все предыдущие версии. 06 этом свидетельствуют видоизмененный интерфейс и панель задач, в которой на месте прямоугольных кнопок, символизирующих запущенные программы, появились квадратные иконки - на них намного удобнее нажимать пальцем. Кроме того, появилась новая функция - списки переходов, позволяющие быстро найти недавно открывавшиеся файлы или часто запускаемые элементы. Для активации этой возможности достаточно перетащить иконку программы на Рабочий стол.
Впервые в операционную систему Windows добавлена опция распознавания сенсорных жестов, к которым привязано выполнение отдельных функций. Так, в Windows 7 появились сенсорная прокрутка и такая же, как, например, в Apple iPhone, возможность увеличения картинок или документов движением двух пальцев рук в разные стороны. Не обошлось и без движения, отвечающего за поворот изображения. Таким операциям, как копирование, удаление и вставка, также можно назначить отдельные жесты. Кнопки экранной клавиатуры подсвечиваются при касании, что облегчает ее использование на сенсорном экране. А возможность распознавания рукописного текста позволяет быстро вводить небольшие сообщения.
Отличный пост из omgadget.ru о том, как работают сенсорные экраны. Давно хотел узнать, почему айфонами можно управлять пальцем, но нельзя например карандашом
Сегодняшние сенсорные экраны подразделяются на несколько типов в зависимости от физического принципа действия: резистивные (четырех-, пяти- или восьмипроводные), емкостные, проекционно-ёмкостные, матричные, экраны на основе поверхностно-акустических волн, оптические, тензометрические и экраны на основе инфракрасных лучей.
Запатентованных названий технологий еще больше - несколько десятков. Наибольшее распространение получили резистивные и емкостные экраны, а остальные либо безнадежно устарели, либо узкоспециализированы.
Резистивный экран
Наиболее простым в реализации типом резистивного экрана является четырехпроводной. Он состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено тонкое проводящее покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, надёжно изолирующими токопроводящие поверхности. По краям каждого слоя установлены тонкие металлические пластинки — электроды. В заднем слое с резистивным материалом они расположены вертикально, а в переднем — горизонтально, что необходимо для вычислений координат. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, специальный датчик регистрирует изменение сопротивления в точке нажатия и преобразует его в сигнал. Усовершенствованной вариацией являются восьмипроводные сенсорные экраны. Их точность выше, однако надежность и долговечность хромают.
Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим, которое продолжит работать даже с поврежденной мембраной. На заднее стекло нанесено покрытие с четырьмя электродами по углам, которые постоянно находятся под напряжением. А вот пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя. Как только вы коснетесь экрана, верхний и нижний слои сомкнутся, а контроллер сперва зафиксирует изменение напряжения на переднем слое, то есть сам факт касания. Далее сначала на заднем слое заземляются два электрода по горизонтали, а затем два других, но по вертикали.
LG Optimus GT 540
Емкостные сенсорные экраны
Емкостный (как и поверхностно-емкостный) экран устроен сложнее и использует тот факт, что тело человека и экран образуют конденсатор, который проводит переменный ток.Такой экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом, чтобы обеспечить электрический контакт с телом. Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение. При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом происходит утечка переменного тока через упомянутый конденсатор. Чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Все это регистрирую датчики, передающие информацию для дальнейшей обработки процессору.
Емкостные сенсорные экраны долговечны и выдерживают до 200 миллионов нажатий. Их точность немного лучше чем у резистивных, а прозрачность превышает 90%. Однако такие дисплеи боятся жидкостей, непроводящих загрязнений.
iPhone 3G
Матричные сенсорные экраны
Тут конструкция очень напоминает резистивный экран, но упрощена до безобразия. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану — вертикальные. При прикосновении к экрану проводники соприкасаются и замыкаются крест-накрест.Процессор отслеживает, какие именно проводники замкнулись, после чего легко вычисляет координаты нажатия. Вот собственно и все. Такие экраны имеют очень низкую точность по сравнению с другими типами тачскринов, поэтому давно не применяются. Матричной может быть и просто панель кнопок, расположенных на перекрестьях проводников.
Проекционно-емкостные сенсорные экраны
Зато проекционно-емкостные дисплеи поддерживают одновременные нажатия в нескольких местах, хотя имеют еще более сложное строение.На внутренней стороне такого экрана нанесена сетка электродов, при соприкасании с которыми образуется конденсатор. В месте образования конденсатора изменяется его электрическая емкость, а контроллер определяет точку пересечения электродов. Дальше все как обычно - контроллер, вычисления, координаты.
Если касаться экрана в разных местах, то и конденсаторов образуется несколько, что дает возможность реализовать мультитач-технологию.
iPad 2
Экран с сеткой инфракрасных лучей
Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост и чем-то напоминает матричный.Вот только здесь вертикальные и горизонтальные проводники заменены инфракрасными лучами. Вокруг такого дисплея проходит рамка со встроенными излучателями и приемниками. В момент касания такого дисплея некоторые лучи перекрываются и не достигают своего пункта назначения - приемника. Дальше контроллеру не составит труда вычислить место контакта.
Такие дисплеи отлично пропускают свет и крайне долговечны, потому как обходятся вовсе без чувствительного покрытия. Тем не менее, они имеют не самую высокую точность и боятся загрязнений. В настоящее время выпускаются огромные рамки с диагональю до 150 дюймов для использования в сочетании с проектором или обычным монитором.
Sony Reader PRS-650
Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах (ПАВ)
Этот экран с пугающим названием представляет собой стеклянную панель со встроенными по углам пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП). По периметру дисплея располагаются отражающие и приемные датчики. Контроллер формирует сигналы высокой частоты и посылает его на ПЭП. Тот в свою очередь преобразует этот сигнал в акустические колебания, которые отражаются от отражающих датчиков. Затем отраженные волны улавливаются приемниками и снова посылаются на ПЭП для обратного преобразования в электрический сигнал. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники улавливают это изменение, а сложный процессор вычисляет положение точки касания.Главным достоинством экрана на ПАВ является возможность отслеживать не только координаты точки, но и силу нажатия, благодаря тому, что степень поглощения акустических волн зависит от величины давления в точке касания. Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как отображение картинки с экрана происходит без всяких препятствий в виде проводящих слоев, как это сделано в резистивных экранах. Такие экраны сложны в реализации, но довольно долговечны. Они выдерживают до 50 миллионов касаний и часто применяются в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбои в работе при наличии вибрации и шума, а также при загрязнении экрана.
Применение
Сенсорные экраны используются в платёжных терминалах , информационных киосках , 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
Достоинства и недостатки в стационарных устройствах
Достоинства
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.
Недостатки
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 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:
- На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко, и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
- Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В 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 улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:
- На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
- 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 не 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.
Особенности
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.
Ёмкостные сенсорные экраны
Конструкция и принцип работы
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 не токопроводящие 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 ёмкостным .
Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны
Конструкция и принцип работы
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).
Особенности
Прозрачность таких экранов до 90%, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁCЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм , что приводит к крайней вандалоустойчивости. 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.
Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран iPhone (основоположник «бума технологии», примерно 2007 год) является проекционно-ёмкостным.
Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах
Конструкция и принцип работы
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 преобразовывают 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).
Особенности
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 различают 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 метра (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 к монитору любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.
Особенности
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 рассеяния, для этого существуют две технологии:
Особенности
Позволяют отличить нажатия рукой от нажатий какими-либо предметами, есть мультитач . Возможны большие сенсорные поверхности, вплоть до классной доски .
Тензометрические сенсорные экраны
Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Применение аналогично проекционно-ёмкостным: банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.
Сенсорные экраны DST
Основная статья: Dispersive Signal Technology
Сенсорный экран DST (Dispersiv́e Signal Technology) реагирует на деформацию стекла. Возможно нажатие на экран рукой или любым предметом. Отличительной особенностью является высокая скорость реакции и возможность работы в условиях сильного загрязнения экрана.
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 | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||
| Твёрдый проводящий предмет | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||
| Твёрдый непроводящий предмет | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||||
| Мультитач | Да 1 | Да 7 | Да | Да | Да 1 | Да | |||||
| Измерение силы нажатия | Да | Да | Да | Да | Да | ||||||
| Предельная прозрачность, % 2 | 85 | 75 | 85 | 90 | 90 | 100 | 100 | 100 | 95 | 90 | |
| Точность 3 | Низ | Выс | Выс | Выс | Выс | Сред | Низ | Сред | Низ | Выс | Выс |
| Надёжность | |||||||||||
| Срок жизни, млн. нажатий | 35 | 10 | 35 | 200 | ∞ 4 | 50 | ∞ 5 | ∞ 4 | ??? | ∞ 4 | ∞ 4 |
| Защита от грязи и жидкостей | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | ||
| Устойчивость к вандализму | Да | Да | Да | ||||||||
| Применение 6 | Огран | Огран | Огран | Помещ | Улица | Помещ | Помещ | Помещ | Улица | Помещ | Огран |
1 Поддерживается с ограничениями.
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 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.
7 Программная эмуляция, обрабатывает максимум 2 нажатия.
См. также
- Тачфон
В кинофильме «Крепкий орешек» герой Брюса Уиллиса с большим интересом рассматривает техническую новинку того времени - сенсорную панель для посетителей в Накатоми Плаза.
Ссылки
- Замена тачскрина Инструкции по замене тачскринов
Примечания
- Touch Screen - History of the Touch Screen Computer Interface (англ.)
- Company history from Elographics to Elo TouchSystems, 1971 - present - Elo TouchSystems - Tyco Electronics
- HP History: 1980s (англ.)
- 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, конечно же, недостаточно для того, чтобы на ощупь отличить один элемент интерфейса от другого.
- Мухин И. А.
Сенсорный экран - это устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.
Основные сравнительные характеристики сенсорных экранов.
| Резистивные | Ёмкостные | Проекционно-емкостные | ПАВ | ИК |
| - | + | + | - | + |
| 75-85 | 90 | 90 | 95 | 100 |
| Выс. | Выс. | Выс. | Выс. | Выс. |
| - | - | + | + | - |
| + | - | + | + | + |
| + | + | + | - | + |
| + | - | - | - | + |
| + | + | + | - | - |
Первым наиболее очевидным преимуществом сенсорных технологий является интуитивность и естественность самого действия - прикосновения рукой к экрану.
Второе несомненное преимущество устройств на основе сенсорных экранов, компактность. Установка сенсорных мониторов качественно повысить эффективность обслуживания в кинотеатрах, ресторанах, гостиницах, аэропортах, административных заведениях, где каждый сантиметр рабочего места представляет ценность. Сенсорный монитор (особенно если это жидкокристаллический монитор) позволяет экономить максимум места на рабочей поверхности.
Скорость работы может быть не только вопросом престижа, но и жизненно важным вопросом, в самом прямом смысле этого слова. Представьте, что может означать выигранная секунда, когда требуется максимально быстрая реакция, например, диспетчера охранного центра. Таким образом, быстрый доступ - это третье преимущество сенсорных экранов.
Четвертым преимуществом сенсоров является снижение затрат. Установка сенсорного монитора может существенно повысить скорость и точность действий сотрудника, работающего за компьютером, снизить время, необходимое на обучение сотрудника.
Сенсорный экран - виды:
Резистивный сенсорный экран.
В этой конструкции экран представляет собой стеклянную либо акриловую пластину, покрытую двумя токопроводящими слоями. Слои разделены незаметными глазу прокладками, которые предохраняют сеть вертикальных и горизонтальных проводников от соприкосновения. В момент нажатия слои контактируют и контроллер регистрирует электрический сигнал. Координаты нажатия определяются, исходя из того, на пересечении каких проводников было зарегистрировано воздействие.
Применение
- Коммуникаторы
- Сотовые телефоны
- POS-терминалы
- Tablet PC
- Промышленность (устройства управления)
- Медицинское оборудование
Емкостный (электростатический) сенсорный экран.
В работе емкостного экрана человек участвует не только механическим, но и электрическим образом. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом. Прикосновение пальца меняет картину заряженности, «оттягивая» часть заряда к точке нажатия. Датчики экрана, расположенные по всем четырем углам, следят за течением заряда в экране, определяя, таким образом, координаты «утечки» электронов.
Емкостные экраны также отличаются высокой надежностью (в них отсутствуют гибкие мембраны) и высокой степенью прозрачности. Правда они не годятся для работы стилусом или перчаткой - нажимать на экран необходимо «голым пальцем». Зато впечатляет надежность емкостного экрана - до миллиарда нажатий в одно и то же место.
Применение
- В охраняемых помещениях
- Информационные киоски
- Некоторые банкоматы
Акустический сенсорный экран.
Такие экраны построены с использованием миниатюрных пьезоэлектрических излучателей звука, не слышимого человеком. Стекло такого экрана постоянно незаметно вибрирует под воздействием излучателей, установленных в трех углах экрана. Специальные отражатели особым образом распространяют акустическую волну по всей поверхности экрана. Прикосновение к экрану меняет картину распространения акустических колебаний, что и регистрируется датчиками. По изменению характера колебаний можно вычислить координаты возмущений, внесенных нажатием на экран. Кроме этого, анализируя степень изменения колебаний, можно вычислить силу нажатия на экран. Это полезно при проектировании систем управления промышленным оборудованием, например, для плавного изменения скорости вращения двигателей и других параметров. Среди плюсов акустических экранов - отсутствие покрытий, что повышает надежность и прозрачность экрана.
Данные акустические сенсорные экраны применяются в основном в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Как правило экраны различают на обычные - толщиной 3 мм, и вандалстойкие - 6 мм. Последние выдерживают удар кулаком среднего мужчины или падение металлического шара весом 0.5 кг с высоты 1.3.
Главным недостатком экрана 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.
Инфракрасный сенсорный экран.
Инфракрасные сенсорные экраны представляют собой рамку вокруг монитора, в которой установлены излучатели и приёмники инфракрасного излучения. Минусы этой конструкции - низкое разрешение датчиков и возможность ложного срабатывания в результате посторонней засветки. Зато при больших диагоналях экранов эта технология пока незаменима. К тому же, все вышеперечисленные разновидности сенсорных дисплеев подвержены так называемому «дрейфу активной точки».
Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Данный тип экрана применяется и в мобильных телефонах.
Мультитач ,
не является типом сенсорного экрана. По своей сути, технология множественного нажатия – что является вольным переводом словосочетания multi-touch – это дополнение к сенсорному экрану (чаще всего построенному по проекционно-ёмкостному принципу), позволяющее экрану распознавать несколько точек прикосновения к нему. В результате мультитач-экран становится способным к распознаванию жестов.
Сенсорный экран - виды.
