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
Сначала тачскрины (сенсорные экраны) встречались достаточно редко. Их возможно было найти, только лишь в некоторых КПК, PDA (карманных компьютерах). Как известно, устройства такого плана так и не обрели широкого распространения, так как им не хватило самого важного, то есть, функциональности. История смартфонов напрямую связана с тачскринами. Именно поэтому в нынешнее время человека с «умным телефоном» сенсорным экраном сейчас не удивишь. Тачскрин получил широкое применение не только в модных дорогостоящих девайсах, но, даже, в относительно недорогих моделях современных телефонов. В чём же заключаются принципы работы 3-х типов сенсорных экранов, которые возможно встретить в современных устройствах.
Типы тачскринов
Сенсорные экраны уже не являются слишком дорогими. Кроме этого, тачскрины (touchscreen) сегодня намного «отзывчивее» - касания пользователя распознают просто превосходно. Именно эта характеристика проложила им дорогу к большому числу пользователей во всем мире. В нынешнее время существуют три основные конструкции тачскринов:
- Ёмкостные.
- Волновые.
- Резистивные или попросту «упругие».
Ёмкостный тачскрин: принцип работы
В тачскринах конструкции такого рода стеклянную основу покрывают слоем, который выполняет роль вместилища-накопителя заряда. Пользователь своим касанием высвобождает в определённой точке часть электрического заряда. Данное уменьшение определяется микросхемами, которые расположены в каждом углу экрана. Компьютером вычисляется разница электрических потенциалов, существующих между разными частями экрана, при этом, информация о касании в подробностях передаётся немедленно в программу-драйвер тачскрина.
Довольно важное преимущество ёмкостных тачскринов - это способность данного типа экранов сохранять практически 90 % от изначальной яркости дисплея. Из-за этого изображения на ёмкостном экране смотрятся более чёткими, чем на тачскринах, имеющих резистивную конструкцию.
Видео про ёмкостный сенсорный экран:
Будущее: волновые сенсорные дисплеи
На концах осей координатной сетки экрана из стекла располагается два преобразователя. Один из них является передающим, второй - принимающим. На стеклянной основе имеются и рефлекторы, «отражающие» электрический сигнал, который передаётся от одного к другому преобразователю.
Преобразователь-приёмник стопроцентно точно «знает» было ли нажатие, а также в какой конкретно точке оно произошло, так как пользователь своим касанием прерывает акустическую волну. При этом, стекло волнового дисплея не имеет металлического покрытия - это предоставляет возможность сохранить в полном объёме 100 % изначального света. В связи с этим, волновой экран представляет собой наилучший вариант для тех пользователей, которые работают в графике с мелкими деталями, потому, что резистивные и ёмкостные тачскрины не являются идеальными в вопросе чёткости изображений. Их покрытие задерживает свет, что в результате существенно искажает картинку.
Видео про принцип работы сенсорных экранов на ПАВ:
Прошлое: о резистивном тачскрине
Резистивная система - это обычное стекло, которое покрыто слоем проводника электричества, а также упругой металлической «плёнкой», также обладающей токопроводящими качествами. Между этими 2-мя слоями с помощью специальных распорок есть пустое пространство. Поверхность экрана покрыта специальным материалом, который обеспечивает ему защиту от механических повреждений, например, царапин.
Электрический заряд в процессе работы пользователя с тачскрином, проходит через два эти слоя. Каким же образом это происходит? Пользователь в определённой точке касается экрана и упругий верхний слой соприкасается с проводниковым слоем - только в этой точке. Потом компьютером определяются координаты той точки, которой пользователь коснулся.
Когда координаты становятся известны устройству, то специальный драйвер переводит прикосновения в команды, известные операционной системе. В данном случае можно провести аналоги с драйвером самой обычной компьютерной мышки, ведь он занимается точно тем же: объясняет операционной системе то, что конкретно хотел сказать ей пользователь посредством перемещения манипулятора или же нажатия кнопки. С экранами данного типа используют, как правило, специальные стилусы.
Резистивные экраны возможно обнаружить в относительно немолодых устройствах. Как раз таким сенсорным дисплеем оборудован IBM Simon - самый древний смартфон из тех, что были сознаны нашей цивилизацией.
Видео про принцип работы резистивного сенсорного экрана:
Особенности различных типов тачскринов
Наиболее дешёвыми сенсорными экранами, но, при этом, наименее чётко транслирующими изображение являются резистивные тачскрины. Кроме этого, они являются и самыми уязвимыми, ведь абсолютно любым острым предметом возможно серьёзно повредить достаточно нежную резистивную «плёночку».
Следующий тип, т.е. волновые тачскрины, представляют собой самые дорогостоящими среди себе подобных. При этом, резистивная конструкция, вероятнее всего, относится, всё-таки, к прошлому, ёмкостная - к настоящему, а волновая - к будущему. Понятное дело, что грядущее абсолютно никому стопроцентно не известно и, соответственно, в нынешнее время можно только лишь предполагать, какая именно технология имеет большие перспективы для использования её в будущем.
Для резистивной системы тачскринов не имеет никакого особого значения, коснулся резиновым наконечником стилуса или же просто пальцем пользователь экрана устройства. Достаточно того, что между двумя слоями произошло соприкосновение. При этом, ёмкостной экран распознает только лишь касания какими-то токопроводящими предметами. Зачастую пользователи современных устройств работают с ними с помощью собственных пальцев. Экраны волновой конструкции в этом отношении ближе к резистивным. Отдать команду возможно практически любым предметом - при этом нужно только избегать использования тяжёлых или же слишком маленьких объектов, например, стержень шариковой ручки для этого не подойдёт.
Многие думают, что эра сенсорных экранов началась в нулевых, с выходом первых КПК (надеюсь, нет таких, кто думает, что первый сенсорный экран появился в iPhone?) Однако это не так - первым потребительским устройством с сенсорным дисплеем стал... телевизор в 1982 году. Годом позже появился первый сенсорный ПК от HP. Через 10 лет, в 1993 году, появился Apple Newton - родоначальник КПК, который ввел моду на стилусы (хотя это скорее была необходимость - экран-то резистивный), и уже в 2007 году с выходом iPhone появился современный емкостный экран в том виде, в котором мы все привыкли его видеть. Так что история сенсорных экранов насчитывает 35 лет, и за это время произошло достаточно много.
Уже из названия понятно, что лежит в основе таких дисплеем - это электрическое сопротивление. Устройство такого экрана просто: над дисплеем находится подложка (дабы при сильном нажатии его не деформировать), после чего идет один резистивный слой, изолятор и второй резистивный слой уже на мембране:
На левый и правый край мембраны и нижний и верхний край резистивного слоя на подложке подведено напряжение. Что происходит, когда мы нажимаем на такой дисплей? Резистивные слои замыкаются, сопротивление меняется, а значит меняется и напряжение - а это легко зарегистрировать, после чего, зная сопротивление единицы резистивного слоя, можно легко узнать сопротивление по обеим осям до точки нажатия, а значит и высчитать саму точку нажатия:
Это - принцип действия четырехпроводного резистивного экрана, и такие уже больше не используются по одной простой причине: малейшее повреждение мембраны с резистивным слоем ведет к тому, что экран перестает корректно работать. А с учетом того, что в такой экран обычно тыкают острым стилусом, добиться повреждения отнюдь не трудно.
Тогда решили сделать по-другому: мембрана стала токопроводящей, а на резистивном слое подложки теперь расположены все 4 электрода, но уже по углам, а напряжение подведено только к мембране - то есть экран стал пятипроводным. Что происходит при нажатии? Мембрана касается резистивного слоя, начинает идти ток, который снимается с 4 электродов, что опять же позволяет, зная сопротивление резистивного слоя, определить точку касания:
Вот этот тип уже более «вандалоустойчив» - даже при порезе мембраны экран продолжит функционировать нормально (кроме, разумеется, места пореза). Но, увы, это не отменяет других проблем, общих для всех резистивных экранов, а их много.
Во-первых, такой экран воспринимает только одно касание: несложно догадаться, что при нажатии сразу двумя пальцами экран будет думать, что вы нажали в середину линии, соединяющей точки нажатия. Вторая проблема - на экран действительно нужно давить, причем желательно острым предметом (ногтем, стилусом). Разумеется, привыкнуть к этому можно, но это зачастую приводило к характерным царапинам, что красоты экрану не добавляло. Третья проблема - такой экран пропускает не более 85% светового потока, и из-за его толщины нет ощущения того, что вы касаетесь пальцем изображения напрямую.
Но, тем ни менее, у него есть и плюсы: во-первых, разбить дисплей в таком экране очень и очень сложно - у него «тройная защита» в виде мембраны, изоляторов и подложки. Второй плюс - экрану безразлично, чем вы в него тыкаете - с ним можно работать и в обычных перчатках (что зимой очень актуально). Но, увы, это достоинства не перевесили недостатки, и с выходом iPhone начался бум на емкостные экраны.
Поверхностно-емкостные экраны
Это, можно сказать, переходный тип между привычными нам емкостными экранами (которые являются проекционными) и старыми резистивными. Принцип действия тут схож с пятипроводным экраном: есть стеклянная пластина, покрытая резистивным слоем, и 4 электрода по углам, которые подают на пластину небольшое переменное напряжение (почему не постоянное - объясню чуть ниже). При нажатии на такой экран токопроводящим заземленным предметом мы получаем в месте нажатия утечку тока, которую легко можно зарегистрировать:
Тут и разгадка, почему напряжение переменное - с постоянным при плохом заземлении могут быть перебои в работе, а с переменным такого нет.
Проблем у них тоже хватает: экран теперь менее защищен, и при повреждении стеклянной пластины перестает работать весь. Опять же не поддерживается мультитач, и более того - теперь экран не реагирует на руку в перчатке или же стилусы - они в основном не проводят ток.
Единственный плюс такого экрана - он стал тоньше и прозрачнее резистивного, но в общем-то это оценили немногие. Но все изменилось с выходом iPhone, где применялся несколько другой тип сенсорного экрана, который уже поддерживал мультитач.
Проекционно-емкостные экраны
Вот мы уже и подобрались к современному типу сенсорных экранов. По принципу работы он существенно отличается от предыдущих - тут электроды расположены сеткой на внутренней стороне экрана (а не 4 электрода по углам), и при нажатии на экран палец образует с электродами конденсаторы, по емкости которых и можно определить местоположение нажатия:
С таким устройством экрана можно нажимать на него сразу несколькими пальцами - если они расположены достаточно далеко (дальше, чем два соседних электрода в сетке), то такие нажатия будут определяться как разные - именно так и появился мультитач, сначала на 2 пальца в iPhone, а сейчас уже и на 10 пальцев в планшетах. Большее количество нажатий уже не нужно (людей больше чем с 10 пальцами маловато), да и определение одновременно больше чем 5-7 нажатий накладывает серьезную нагрузку на контроллер тача.
Из плюсов такого экрана, кроме поддержки мультитача - возможность сделать OGS (One Glass Solution): защитное стекло экрана с интегрированной сеткой электродов и дисплей представляют из себя одно целое: в таком случае толщина оказывается наименьшей, и кажется, что вы пальцами касаетесь изображения. Это же приводит к проблеме хрупкости: при появлении трещины на стекле гарантированно рвется сетка электродов, и экран перестает реагировать на нажатия.
Это - основные типы сенсорных экранов, однако есть и многие другие. Начнем, пожалуй, с самого старого типа, с которого сенсорные экраны и начинались.
Инфракрасные экраны
Опять же принцип действия понятен из названия: по краям экрана расположено множество светоизлучателей и приемников в ИК-диапазоне. При нажатии палец перекрывает часть света, что и позволяет определить местоположение нажатия. Плюсами таких экранов на заре их появления было то, что ими можно было оснастить любой дисплей, что и было сделано с телевизором в 1982. Минусы также очевидны - толщина такой конструкции оказывается внушительной, а точность позиционирования - достаточно низкой.
Тензометрические экраны
Экраны, которые реагируют на нажатие (сильное нажатие). Огромный их плюс в том, что они максимально «антивандальные», поэтому их и применяют в различных банкоматах, стоящих на улице.
Индукционные экраны
Из названия опять же все понятно: внутри экрана есть катушка индуктивности и сетка проводов. При касании экрана специальным активным пером меняется напряженность созданного магнитного поля - с помощью этого и регистрируется нажатие. Самый главный плюс такого экрана - максимально возможная точность, поэтому они хорошо зарекомендовали себя в дорогих графических планшетах.
Оптические экраны
Принцип основан на полном внутреннем отражении: стекло подсвечивается инфракрасной подсветкой, и пока нажатия нет, на границе стекла и воздуха лучи света полностью отражаются (то есть нет преломленного луча). При нажатии на такой экран появляется преломленный луч, а по углу преломления (ну или отражения) можно высчитать точку нажатия.
Экраны на поверхностно-акустических волнах
Пожалуй, одни из самых сложно устроенных экранов. Принцип работы заключается в том, что в толще стекла создаются ультразвуковые колебания. При прикосновении к вибрирующему стеклу волны поглощаются, а специальные датчики по углам это регистрируют и высчитывают точку прикосновения:
Плюсом этой технологии является то, что прикасаться к экрану можно любым предметом, не обязательно токопроводящим и заземленным. Минус - экран боится любых загрязнений, так что использовать его, например, в дождь, будет невозможно.
DST экраны
Их принцип действия основан на пьезоэлектрическом эффекте - при деформации диэлектрика он поляризуется, а значит - возникает разность потенциалов - а ее уже можно посчитать. Из плюсов - очень быстрая скорость реакции и возможность работы при серьезно загрязненном экране. Минус - для определения местоположения пальца он должен постоянно двигаться.
Вот в общем-то и все типы сенсорных экранов. Конечно, большинство из них диковинные и вы вряд ли с ними столкнетесь, но само разнообразие и развитие этой технологии радует.
iPhone 2G был первым мобильным телефоном, управление которым полностью строилось на взаимодействии с сенсорным экраном. С момента его презентации прошло больше десяти лет, но многие из нас все еще не знают, как устроен Touchscreen. А ведь мы сталкиваемся с этим интуитивным средством ввода не только в смартфонах, но и в банкоматах, платежных терминалах, компьютерах, автомобилях и самолетах - буквально повсюду.
До тачскринов самым распространенным интерфейсом для ввода команд в электронные устройства были различные клавиатуры. Хотя, кажется, что у них с тачскринами нет ничего общего, на самом деле то, насколько сенсорный экран по принципам работы схож с клавиатурой, может удивить. Давайте рассмотрим их устройство в деталях.
Клавиатура представляет собой печатную плату, на которой устанавливается несколько рядов переключателей-кнопок. Вне зависимости от их конструкции, мембранной или механической, при нажатии каждой из клавиш происходит одно и то же. На компьютерной плате под кнопкой замыкается электрическая цепь, компьютер регистрирует прохождение тока в этом месте схемы, «понимает», какая клавиша нажата и выполняет соответствующую ей команду. В случае с сенсорным экраном происходит почти тоже самое.
Существует порядка десятка различных видов сенсорных экранов, однако большинство из этих моделей или давно устарело и не используется, или относится к экспериментальным и вряд ли когда-нибудь появится в серийных устройствах. Прежде всего, я расскажу об устройстве актуальных технологий, тех из них, с которыми постоянно взаимодействуете или хотя бы можете столкнуться в повседневной жизни.
Резистивный сенсорный экран
Резистивные сенсорные экраны изобретены еще в 1970 году и с тех пор изменились мало.
В дисплеях с такими сенсорами над матрицей располагается пара дополнительных слоев. Впрочем, оговорюсь, матрица здесь вовсе не обязательна. Первые резистивные сенсорные устройства не были экранами вовсе.
Нижний сенсорный слой состоит из стеклянной основы и называется резистивным слоем. На него наносится прозрачное металлическое покрытие, хорошо передающее ток, например, из такого полупроводника, как оксид индия-олова. Верхний слой тачскрина, с которым взаимодействует пользователь нажимая на экран, сделан из гибкой и упругой мембраны. Он называется проводящим слоем. В пространстве между слоями оставляют воздушную прослойку, либо равномерно усеивают его микроскопическими изолирующими частицами. По краям к сенсорному слою подводится четыре, пять или восемь электродов, связывающих его с датчиками и микроконтроллером. Чем больше электродов, тем выше чувствительность резистивного такчскрина, поскольку изменение напряжения на них постоянно отслеживается.
Вот экран с резистивным тачскрином включен. Пока ничего не происходит. Электрический ток свободно течет по проводящему слою, но когда пользователь дотрагивается до экрана, мембрана сверху прогибается, изолирующие частицы расступаются, и она касается нижнего слоя тачскрина, вступает в контакт. За этим следует изменение напряжения разом на всех электродах экрана.
Контроллер тачскрина обнаруживает изменения напряжения и считывает показания с электродов. Четыре, пять, восемь значений и все разные. По разнице в показаниях между правым и левым электродами микроконтроллер вычислит X-координату нажатия, а по различиям в напряжении на верхнем и нижнем электродах, определит Y-координату и, таким образом, сообщит компьютеру точку, в которой слои сенсорного слоя экрана соприкоснулись.
Резистивные сенсорные экраны могут похвастать длинным перечнем недостатков. Так, они в принципе не способны распознать двух одновременных нажатий, не говоря уже о большем числе. Они плохо ведут себя на холоде. Из-за необходимости в прослойке между слоями сенсора, матрицы таких экранов заметно теряют в яркости и контрастности, склонны бликовать на солнце, и в целом выглядят заметно хуже. Тем не менее, там, где качество изображения играет второстепенную роль, их продолжают применять в силу устойчивости к загрязнениям, возможности использования в перчатках и, что самое главное, низкой стоимости.
Такие средства ввода повсеместно монтируются в недорогих массовых устройствах, вроде информационных терминалов в общественных местах и все еще встречаются в устаревающих гаджетах, типа дешевых MP3-плееров.
Инфракрасный сенсорный экран
Следующим, куда менее распространенным, но, тем не менее, актуальным вариантом сенсорного экрана является инфракрасный тачскрин. Он не имеет ничего общего с резистивным сенсором, хотя и выполняет схожие функции.
Инфракрасный тачскрин сконструирован из массивов светодиодов и светочувствительных фотоэлементов, расположенных на противоположных сторонах экрана. Светодиоды подсвечивают поверхность экрана невидимым инфракрасным светом, образуя на ней нечто вроде паутины или координатной сетки. Это напоминает охранную сигнализацию, какой ее показывают в шпионских боевиках или компьютерных играх.
Когда к экрану что-то прикасается, не важно палец это, рука в перчатке, стилус, или карандаш, два или более луча прерываются. Фотоэлементы фиксируют это событие, контроллер тачскрина выясняет, какие из них недополучают инфракрасный свет и по их положению вычисляет зону экрана, в которой возникло препятствие. Остальное - сопоставить прикосновение с тем, какой элемент интерфейса находится на экране в этом месте - задача программного обеспечения.
Сегодня с инфракрасными сенсорными экранами можно столкнуться в тех гаджетах, чьи экраны обладают нестандартной конструкцией, там, где добавлять дополнительные сенсорные слои технически сложно или нецелесообразно - в электронных книгах на базе дисплеев E-link, например, Amazon Kindle Touch и Sony Ebook. Кроме того, устройства с подобными сенсорами из-за простоты и ремонтопригодности приглянулись военным.
Емкостный сенсорный экран
Если в резестивных сенсорных экранах компьютер регистрирует изменение проводимости, последовавшее за нажатием на экран, непосредственно между слоями сенсора, то емкостные сенсоры фиксируют прикосновение непосредственно.
Человеческое тело, кожа - хорошие проводники электричества и обладают электрическим зарядом. Обычно это замечаешь пройдясь по шерстяному ковру или сняв любимый свитер, а затем прикоснувшись к чему-либо металлическому. Все мы знакомы со статическим электричеством, испытывали его действие на себе и видели крошечные искры, срывающиеся с наших пальцев в темноте. Более слабый, незаметный обмен электронами между человеческим телом и различными проводящими поверхностями происходит постоянно и именно его фиксируют емкостные экраны.
Первые такие тачскрины назывались поверхностно-емкостными и были логичным развитием резистивных сенсоров. В них всего один проводящий слой, похожий на тот, что использовался ранее, устанавливался прямо поверх экрана. К нему также присоединялись чувствительные электроды, на этот раз по углам сенсорной панели. Следящие за напряжением на электродах датчики и их программное обеспечение были сделаны заметно чувствительнее и теперь могли улавливать малейшие изменения в течении электрического тока по экрану. Когда палец (другой проводящий ток предмет, например, стилус) касается поверхности с поверхностно-емкостным тачскрином, проводящий слой немедленно начинает обмениваться с ним электронами, а микроконтроллер это замечает.
Появление поверхностно-емкостных тачскринов стало прорывом, однако из-за того, что нанесенный прямо поверх стекла токопроводящий слой было легко повредить, они не были пригодны для устройств нового поколения.
Для создания первого iPhone потребовались проекционно-емкостные сенсоры. Этот тип тачскринов быстро стал наиболее распространенным в современной потребительской электронике: смартфонах, планшетах, ноутбуках, моноблоках и прочих бытовых устройствах.
Верхний слой экрана с тачскрином этого типа выполняет защитную функцию и может быть сделан из закаленного стекла, например, знаменитого Gorilla Glass. Ниже располагаются тончайшие электроды, образующие сетку. Поначалу их накладывали друг на друга в два слоя, затем для уменьшения толщины экрана стали располагать на одном уровне.
Выполненные из полупроводниковых материалов, в том числе уже упоминавшегося оксида индия-олова, эти токопроводящие волоски создают электростатическое поле в местах своего пересечения.
Когда палец касается стекла, за счет электропроводных свойств кожи он искажает локальное электрическое поле в местах ближайших пересечений электродов. Это искажение может быть измерено, как изменение емкости в отдельно взятой точке сетки.
Поскольку массив электродов делается достаточно мелким и плотным, такая система способна отслеживать касание очень точно и без проблем улавливает сразу несколько прикосновений. Кроме того, отсутствие дополнительных слоев и прослоек в бутерброде из матрицы, сенсора и защитного стекла положительно сказывается на качестве изображения. Правда, по той же причине, разбитые экраны, как правило, заменяются полностью. Однажды собранный воедино, экран с проекционно-емкостным сенсором чрезвычайно сложно поддается ремонту.
Сейчас преимущества проекционно-емкостных тачскринов не звучат, как что-то удивительное, но на момент презентации iPhone они обеспечили технологии колоссальный успех, несмотря на объективные минусы - чувствительность к загрязнениям и влажности.
Чувствительные к давлению сенсорные экраны - 3D Touch
Идейным предшественником сенсорных экранов, чувствительных к давлению, стала фирменная технология Apple, под названием Force Touch, применявшаяся в умных часах компании, MacBook, MackBook Pro и Magic Trackpad 2.
Опробовав на этих устройствах интерфейсные решения и различные сценарии использования распознавания силы нажатия, Apple начала внедрение похожего решения в свои смартфоны. В iPhone 6s и 6s Plus распознавание и измерение давления стало одной из функций тачскрина и получило коммерческое наименование 3D Touch.
Хотя в Apple и не скрывали, что новая технология лишь модифицирует привычные нам емкостные сенсоры и даже показали схему, в общих чертах объяснявшую принцип ее действия, подробности об устройстве сенсорных экранов с 3D Touch появились только после того, как первые iPhone нового поколения были разобраны энтузиастами.
Для того, чтобы научить емкостной сенсорный экран распознавать нажатия и различать несколько степеней давления, инженерам из Купертино потребовалось пересобрать бутерброд сенсорного экрана. Они внесли изменения в отдельные его части и добавили к емкостному еще один, новый слой. И, что интересно, делая это, они явно вдохновлялись устаревшими резистивными экранами.
Сетка емкостных сенсоров осталась без изменений, однако она была перенесена назад, ближе к матрице. Между набором электрических контактов, следящих за местом прикосновения к дисплею, и защитным стеклом был интегрирован дополнительный массив из 96 отдельных датчиков.
Его задача заключалась не в том, чтобы определить местоположение пальца на экране iPhone. С этим по-прежнему отлично справлялся емкостный тачскрин. Эти пластины необходимы для обнаружения и измерения степени изгиба защитного стекла. Компания Apple специально для iPhone заказала у Gorilla Glass разработку и производство такого защитного покрытия, которое бы сохраняло прежнюю прочность и, в то же время, было достаточно гибким, чтобы экран мог реагировать на давление.
На этой разработке можно было закончить материал, повествующий о сенсорных экранах, если бы не еще одна технология, которой несколько лет назад прочили большое будущее.
Волновые сенсорные экраны
Неожиданно, но они не используют электричество и даже не имеют ничего общего со светом. Технология Surface Acoustic Wave system для определения точки прикосновения применяет поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности экрана. Ультразвук, создаваемый пьезоэлектрическими элементами по углам, слишком высок для того, чтобы его мог уловить человеческий слух. Он распространяется взад и вперед, многократно отражаясь от краев экрана. Звук анализируется на предмет аномалий, создаваемых прикасающимися к экрану предметами.
Недостатков у волновых сенсорных экранов не много. Они начинают ошибаться после сильного загрязнения стекла и в условиях сильного шума, но, при этом, в экранах с таким сенсором нет дополнительных слоев, увеличивающих толщину и влияющих на качество изображения. Все компоненты сенсора прячутся под рамкой дисплея. Кроме того, волновые сенсоры позволяют точно подсчитывать площадь соприкосновения экрана с пальцем или другим предметом и по этой площади косвенно рассчитать силу нажатия на экран.
Мы уже вряд ли столкнемся с этой технологией в смартфонах из-за нынешней моды на безрамочные дисплеи, но несколько лет назад компания Samsung экспериментировала с Surface Acoustic Wave system в моноблоках, а в качестве комплектующих для игровых автоматов и рекламных терминалов панели с акустическими тачскринами продаются и сейчас
Вместо заключения
За очень краткий срок тачскрины завоевали мир электроники. Несмотря на отсутствие тактильного отклика и другие свои недостатки, сенсорные экраны стали очень интуитивным, понятным и удобным методом ввода информации в компьютеры. Не в последнюю очередь, своим успехом они обязаны разнообразием технических реализаций. Каждая со своими преимуществами и недостатками, подходящая для своего класса устройств. Резистивные экраны для самых дешевых и массовых гаджетов, емкостные экраны для смартфонов и планшетов и настольных компьютеров с которыми мы взаимодействуем каждый день и инфракрасные тачскрины для тех случаев, когда конструкцию экрана следует оставить в неприкосновенности. В заключение, остается лишь констатировать, что сенсорные экраны с нами надолго, замены им в ближайшем будущем не предвидится.Наши глаза являются основным источником информации, получаемой мозгом. Потому экран — важнейшая часть мобильного телефона и планшетника. Именно с него мы считываем информацию и осуществляем управление интерфейсом. В этом выпуске рубрики разберемся, как работают экраны мобильных устройств, какими они бывают и как правильно выбрать смартфон, отталкиваясь от этого параметра.
Если в экранах телевизоров и компьютерных мониторов на заре технологий использовался принцип электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), то для мобильных устройств такой подход формирования изображения был неприемлем ввиду их малых размеров. В 70-х годах прошлого столетия был представлен первый жидкокристаллический монохромный экран. Первое время он использовался преимущественно в калькуляторах и электронных часах. С появлением мобильных телефонов технология производства дисплеев на основе жидких кристаллов перекочевала и к ним. Спустя время появились новые технологии на основе органических светодиодов, экраны стали сенсорными, гибкими.
Практически любой жидкокристаллический экран (ЖК или по-английски LCD) состоит из следующих компонентов:
- Слоя жидких кристаллов, которые пропускают свет.
- Активной матрицы, отвечающей за формирование изображения. Ее самой распространённой разновидностью является TFT, которая управляется с помощью тонкослойных транзисторов.
- Светофильтров для получения цветного изображения. Как правило, это система RGB - красный, зелёный и синий
- Источника света. Может быть как активным (смартфоны, телевизоры, мониторы и т.д.), так и пассивным - калькуляторы, электронные часы.
Существует много разновидностей ЖК-дисплеев. Самый простой и дешевый из них TN (Twisted Nematic) . Имеет плохие углы обзора, контрастность и цветопередачу, но зато высокое время отклика. Используется в основном в бюджетных устройствах и постепенно уходит из рынка. Более продвинутой технологией является IPS (in-plane switching). В отличие от TN, она характеризуется высокими углами обзора, отличной цветопередачей, повышенной контрастностью. Существует много разновидностей IPS, которые у разных производителей имеют свои названия. Основные:
- Просто IPS - постепенно отмирает, главным недостатком является большое время отклика активного пикселя. Но еще очень часто используется в бюджетных смартфонах.
- AS-IPS - продвинутая IPS, характеризующаяся более высокой степенью контрастности
- IPS-pro - cследующий шаг в развитии с более высокой яркостью и цветопередачей. Этот дисплей в основном нашел свое применение во флагманских гаджетах.
Широко известный тип дисплея Retina является разновидностью IPS, но с высоким разрешением и уменьшенным размером субпикселя и пикселя. А вот у Самсунга есть PLS - та же модификация IPS, которая призвана уменьшить стоимость производства.
Кроме IPS существуют еще ЖК-дисплеи под названием Super LCD (разработка HTS), Super Clear LCD (Samsung), VA/MVA/PVA (используются в основном в мониторах).
Другим же витком развития дисплеев является технология, которая основана на органических светодиодах - OLED (Organic Light Emitting Diode). Суть ее в использовании вместо жидких кристаллов, которым необходима подсветка, органических светодиодов. Они светятся сами.
Есть несколько разновидностей OLEDдисплеев:
- AMOLED (ActiveMatrixOLED) - использует органические светодиоды, которые управляются матрицей на основе тонкопленочных транзисторов (TFT). Интересной особенностью является формирование чёрного цвета - светодиоды просто отключаются, и в результате получается настоящий глубокий черный цвет, при этом уменьшается энергопотребление устройства в целом. Вот почему в смартфонах с AMOLED экранами рекомендуют темные темы оформления.
- SuperAMOLED - усовершенствованный AMOLED. Эта технология предусматривает отсутствие воздушной прослойки между экраном и сенсором. В результате чего уменьшается толщина дисплея, повышается цветопередача и яркость. Такие экраны очень широко применяет в своих флагманах компании Samsung, Motorola и другие.
- FOLED (Flexible OLED) - технология позволяющая создавать гибкие дисплеи на основе органических кристаллов. Яркий представитель такой реализации это линейка смартфонов Edge от Samsung.
Еще существует TOLED (TransparentOLED) - прозрачные дисплеи, SOLED (Staked OLED) - сложенные OLED, но они, возможно пока, в дисплеях для смартфонов не используются.
В целом, технология OLED имеет ряд преимуществ по сравнению с LCD:
- Малая толщина экрана
- Низкое энергопотребление
- Очень быстрый отклик
- Высокая контрастность
- Возможность создания гибких дисплеев
Но и есть существенный недостаток - время жизни светодиодов. Со временем они умирают и при этом искажается изображение на экране. Хотя, возможно, это временная проблема органических дисплеев. Ведь наука не стоит на месте и разрабатываются новые долговечные светодиоды.
Следующим этапом развития может стать дисплеи с технологией TMOS (оптический затвор с временным разделением). Такие экраны могут быть более яркими, энергоэффективными и дешевле в производстве, нежели LCD и OLED.
Давайте еще кратко остановимся на других особенностях экранов современных гаджетом.
На сегодняшний день управление смартфоном с помощью пальцев рук уже стало для нас обыденностью. За такую функцию в экране отвечает сенсор. Хочу рассказать вам об их основных типах:
- Резистивный сенсор - состоит из стеклянной пластины и мембраны, на которую нанесено резистивное покрытие. Когда мы нажимаем пальцем на экран, мембрана и пластина замыкаются и передают координаты нажатия микропроцессору. Их преимущество в том, что такой сенсор будет реагировать на любой предмет. А также он прост и дешев в изготовлении. К недостаткам стоит отнести плохую защищенность, светопроницаемость и долговечность. Широко использовался в первых КПК и смартфонах. На сегодня это уже редкость.
- Емкостный сенсор - принцип работы состоит в том, что при прикосновении нашего пальца к стеклу, на которое нанесен электропроводный слой, происходит утечка тока. И место наибольшей утечки (точка контакта пальца со стеклом) регистрируется специальным контроллером. Такие сенсоры более прозрачные, нежели резистивные, а также выдерживают более 200 миллионов нажатий. Но на прикосновение, например, в перчатках, они не реагируют. Емкостный сенсор устанавливается в основном в бюджетных моделях смартфонов.
- Следующим шагом развития стали проекционно-ёмкостные сенсорные экраны. На стекло такого экрана наносится сетка электрода (на дешевых китайских телефонах ее можно даже увидеть), которая вместе с пальцем человека образует конденсатор. Специальная электроника измеряет его емкость и определяет точку, в которой было соприкосновение. Плюсы в очень большой долговечности, чувствительности, а также такая технология позволяет распознавать одновременно несколько нажатий, иными словами, поддерживает мультитач. Недостаток заключается в необходимости сложной электроники по обработке сигнала, а исходя из этого и дороговизне. В очень многих современных гаджетах используется именно такой тип сенсора.
Это были основные типы сенсоров, который используются в современных смартфонах.
Дальше мы поговорим о плотности пикселей экрана . Эта величина является соотношением разрешения экрана и его физического размера. Иными словами - количество пикселей на дюйм диагонали смартфона. Это числа принято измерять в ppi (pixel per inch). Приведу пример, экран с диагональю — 5,1 дюйма и разрешением 2560×1440 пикселей имеет плотность точек 577 ppi. Чем больше такое число, тем четче и детализирование будет изображение на экране смартфона. Но сможет ли наш глаз различить отличия, например, между 400 и 500 ppi? Маркетологи фирм разработчиков уверены, что сможет, лично я в этом сомневаюсь….
Чтобы экран нашего любимого смартфона не царапался и не бился, были разработаны всевозможные защитные стекла. Одно из самых известных в мире - это Gorilla Glass. Недавно, была представлено его четвертая ревизия. По заявлениям разработчиков Gorilla Glass 4 обладает вдвое более высокой устойчивостью к повреждениям по сравнению с конкурирующим алюмосиликатным стеклом. Менее известным, но нехудшим по характеристикам, является стекло повышенной прочности Dragontrail. Его, например, широко использует в своих смартфонах китайский производитель Xiaomi.
Также часто стекла экранов покрывают специальным олеофобным покрытием, которое предназначено для защиты от жировых пятен.
1. Лучше выбрать IPS или OLED технологию, чем TN.
2. Многое зависит от производителя дисплеев, остерегайтесь китайских «ноунеймов». Выбирайте экраны от LG, Sony, Sharp и других именитых фирм.
3. За плотностью пикселей особо гнаться не стоит. HD разрешение достаточно при диагонали 5", FHD — при 5.5".
4. Какое бы хорошее стекло ни стояло, все равно, наклейте поверх защитную пленку, а лучше специальное стекло.
P.S. В статье не рассказывается про строение пикселя дисплея. Тема интересная и объемная, ей мы посвятим отдельный материал.