Сенсорный экран: история изобретения и принципы работы. Строение сенсорного экрана (тачскрина) и проблемы связанные с его заменой

20.07.2016 14.10.2016 by Почемучка

История создания сенсорного экрана.

Сегодня сенсорным дисплеем, а вернее экраном с возможностью введения информации посредством касания, никого не удивишь. Практически все современные смартфоны, планшетные ПК, некоторые электронные книги и другие современные гаджеты оснащены подобными устройствами. Какова же история этого чудесного устройства ввода информации?

Считается, что родителем первого в мире сенсорного устройства является американский преподаватель университета штата Кентукки, Сэмуэль Херст. В 1970 году он столкнулся с проблемой считывания информации с огромного количества лент самописцев. Его идея автоматизации этого процесса стала толчком к созданию первой в мире компании по производству сенсорных экранов – Elotouch. Первая разработка Херста и его единомышленников носила название Elograph. Она увидела свет в 1971 году и использовала четырех проводной резистивный метод определения координат точки касания.

Первой же компьютеризированным устройством с сенсорным дисплеем была система PLATO IV, появившаяся на свет в 1972 году благодаря исследованиям, проходившим в рамках компьютерного обучения в США. Она имела сенсорную панель, состоящую из 256 блоков (16×16), и работающую при помощи сетки инфракрасных лучей.

В 1974 году снова дал о себе знать Сэмюэль Херст. Образованная им компания Elographics выпустила прозрачную сенсорную панель, а еще через три года в 1977 ими была разработана пяти проводная резистивная панель. Спустя несколько лет компания объединяется с крупнейшим производителем электроники Siemens и в 1982 году они совместно выпускают первый в мире телевизор, оборудованный сенсорным экраном.

В 1983 году производитель компьютерной техники компания Hewlett-Packard выпускает компьютер HP-150, оборудованный сенсорным дисплеем, работающим по принципу инфракрасной сетки.

Первым мобильным телефоном с сенсорным устройством для ввода информации была модель Alcatel One Touch COM, выпущенная в 1998 году. Именно она стала прообразом современных смартфонов, хотя и имела по сегодняшним меркам весьма скромные возможности – небольшой монохромный дисплей. Еще одной попыткой смартфона с сенсорным экраном стала модель Ericsson R380. Она также имела монохромный дисплей и была весьма ограничена в своих возможностях.

Сенсорный экран в современном виде предстал в 2002 году в модели Qtek 1010/02 XDA, выпущенной компанией HTC. Это был полноцветный дисплей с достаточно хорошей разрешающей способностью, поддерживающий 4096 цветов. Он использовал резистивную технологию определения координат касания. На более высокий уровень сенсорные экраны вывела компания Apple. Именно благодаря ее IPhone, устройства с сенсорными дисплеями получили невероятную популярность, а их разработка Multitouch (определение касания двумя пальцами) существенно упрощала ввод информации.

Однако появление сенсорных экранов стало не только удобным новшеством, но и повлекло за собой некоторые неудобства. Электронные устройства, оснащенные сенсором, более чувствительны к неаккуратному обращению, поэтому и ломаются чаще. Ломаются даже экраны в Iphone. Благо, что заменить их может даже неквалифицированный специалист.

Как устроен сенсорный экран.

Такая диковинка как сенсорный экран – дисплей с возможностью ввода информации простым нажатием на его поверхность при помощи специального стилуса или просто пальца, давно уже перестал вызывать удивление у пользователей современных электронных гаджетов. Давайте попробуем разобраться, как же он работает.

На самом деле видов сенсорных экранов существует достаточно большое количество. Друг от друга они отличаются принципами, заложенными в их работе. Сейчас на рынке современной высокотехнологичной электроники используются в основном резистивные и емкостные сенсоры. Однако существуют также матричные, проекционно-емкостные, использующие поверхностно-акустические волны, инфракрасные и оптические. Особенность двух первых, самых распространенных в том, что сам сенсор отделен от дисплея, поэтому при поломке его с легкостью может заменить даже начинающий электромастер. Вам останется лишь купить тачскрин для сотового или любого другого электронного устройства.

Резистивный сенсорный экран состоит из гибкой пластиковой мембраны, на которую собственно мы и нажимаем пальцем, и стеклянной панели. На внутренние поверхности двух панелей нанесен резистивный материал, по сути, являющийся проводником. Между мембраной и стеклом равномерно расположен микроизолятор. Когда мы нажимаем на одну из областей сенсора, в этом месте замыкаются проводящие слои мембраны и стеклянной панели и происходит электрический контакт. Электронная схема-контроллер сенсора преобразует сигнал от нажатия в конкретные координаты на области дисплея и передает их в схему управления самим электронным устройством. Определение координат, а вернее ее алгоритм, очень сложен и основан на последовательном вычислении сначала вертикальной, а потом горизонтальной координаты контакта.

Резистивные сенсорные экраны достаточно надежны, поскольку нормально функционируют даже при загрязнении активной верхней панели. К тому же они, ввиду своей простоты более дешевы в производстве. Однако у них есть и недостатки. Одним из основных является низкая светопропускная способность сенсора. То есть поскольку сенсор наклеен на дисплей, изображение получается не таким ярким и контрастным.

Емкостный сенсорный экран. В основу его работы заложен тот факт, что любой предмет, имеющий электрическую емкость, в данном случае палец пользователя, проводит переменный электрический ток. Сам сенсор представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным веществом, которое образует проводящий слой. На этот слой при помощи электродов подается переменный ток. Как только палец или стилус касается одной из областей сенсора, в этом месте происходит утечка тока. Его сила зависит от того на сколько близко к краю сенсора произведен контакт. Специальный контроллер измеряет ток утечки и по его значению вычисляет координаты контакта.

Емкостный сенсор также как и резистивный не боится загрязнений, к тому же ему не страшна жидкость. Однако по сравнению с предыдущим он имеет более высокую прозрачность, что делает изображение на дисплее более четким и ярким. Недостаток емкостного сенсора происходит из его конструктивных особенностей. Дело в том, что активная часть сенсора, по сути, находится на самой поверхности, поэтому подвержена износу и повреждениям.

Теперь поговорим о принципах работы менее популярных на сегодняшний день сенсоров.

Матричные сенсоры работают по принципу резистивных, однако отличаются от первых максимально упрощенной конструкцией. На мембрану наносятся вертикальные проводящие полосы, на стекло – горизонтальные. Или наоборот. При давлении на определенную область, замыкаются две проводящие полосы и контроллеру достаточно легко вычислить координаты контакта.

Недостаток такой технологии виден невооруженным глазом – очень низкая точность, а следовательно и невозможность обеспечить высокую дискретность сенсора. Из-за этого некоторые элементы изображения могут не совпадать с расположением полос проводника, а следовательно нажатие на эту область может либо вызвать неправильное исполнение нужной функции либо вообще не сработать. Единственным достоинством этого типа сенсоров является их дешевизна, которая собственно говоря, и выплывает из простоты. Кроме этого матричные сенсоры не прихотливы в использовании.

Проекционно-емкостные сенсорные экраны являются как бы разновидностью емкостных, однако работают немного по-другому. На внутреннюю сторону экрана наносится сетка электродов. При касании пальцем между соответствующим электродом и телом человека возникает электрическая система – эквивалент конденсатора. Контроллер сенсора подает импульс микротока и измеряет емкость образовавшегося конденсатора. В результате того что в момент касания одновременно задействованы несколько электродов, контроллеру достаточно просто вычислить точное место касания (по самой большой емкости).

Основные достоинства проекционно-емкостных сенсоров – это большая прозрачность всего дисплея (до 90 %), чрезвычайно широкий диапазон рабочих температур и долговечность. При использовании такого типа сенсора несущее стекло может достигать толщины 18 мм, что дает возможность делать ударопрочные дисплеи. К тому же сенсор устойчив к непроводящему загрязнению.

Сенсоры на поверхностно-акустических волнах – волнах, распространяющихся на поверхности твердого тела. Сенсор представляет собой стеклянную панель, по углам которой расположены пьезоэлектрические преобразователи. Суть работы такого сенсора в следующем. Пьезоэлектрические датчики генерируют и принимают акустические волны, которые распространяются между датчиками по поверхности дисплея. Если касания нет – электрический сигнал преобразуется в волны, а потом обратно в электрический сигнал. Если произошло касание часть энергии акустической волны поглотится пальцем, а следовательно не дойдет до датчика. Контроллер проанализирует полученный сигнал и посредством алгоритма вычислит место касания.

Достоинства таких сенсоров в том, что используя специальный алгоритм можно определять не только координаты касания, но и силу нажатия – дополнительная информационная составляющая. К тому же конечное устройство отображения (дисплей) имеет очень высокую прозрачность, поскольку на пути света нет полупрозрачных проводящих электродов. Однако сенсоры имеют и ряд недостатков. Во-первых, это очень сложная конструкция, а во-вторых – точности определения координат очень сильно мешают вибрации.

Инфракрасные сенсорные экраны. Принцип их работы основан на использовании координатной сетки из инфракрасных лучей (излучатели и приемники света). Примерно тоже, что и в банковских хранилищах из художественных фильмов про шпионов и грабителей. При касании в определенной точке сенсора прерывается часть лучей, а контроллер по данным от оптических приемников определяет координаты контакта.

Основной недостаток таких сенсоров – очень критичное отношение к чистоте поверхности. Любое загрязнение может привести к полной его неработоспособности. Хотя из-за простоты конструкции этот тип сенсора используется в военных целях, и даже в некоторых мобильных телефонах.

Оптические сенсорные экраны являются логическим продолжением предыдущих. Инфракрасный свет используется в качестве информационной подсветки. Если на поверхности нет сторонних предметов – свет отражается и попадает в фотоприемник. Если произошло касание – часть лучей поглощается, а контроллер определяет координаты контакта.

Недостатком технологии является сложность конструкции в виду необходимости использования дополнительного светочувствительного слоя дисплея. К достоинствам можно отнести возможность достаточно точного определения материала, с помощью которого произведено касание.

Тензометрические и сенсорные экраны DST работают по принципу деформацииповерхностного слоя. Их точность достаточно низкая, но они прекрасно выдерживают механические воздействия, поэтому применяются в банкоматах, билетных автоматах и прочих публичных электронных устройствах.

Индукционные экраны основаны на принципе формирования электромагнитного поля под верхней частью сенсора. При касании специальным пером, меняется характеристика поля, а контроллер в свою очередь вычисляет точные координаты контакта. Применяются в художественных планшетных ПК самого высокого класса, поскольку обеспечивают большую точность определения координат.

Совсем недавно рынок мобильных устройств мог предложить в основном кнопочные устройства. Лишь изредка в руках у людей оказывались КПК и прочие диковинки, которые имели сенсорный экран. Но времена меняются, и технологии не стоят на месте. Теперь прилавки практически полностью избавились от кнопочных устройств, предоставив огромнейший выбор сенсорных телефонов и планшетов. При этом разнообразие форм, моделей и качества гаджетов просто поражает. Но все они имеют одинаковый принцип ввода и вывода информации - сенсорный экран, который также имеет свои разновидности. Рассмотрим, что такое тачскрин, какие его виды бывают и как провести их калибровку.

Виды сенсоров

С самого начала давайте дадим определение тачскрину. Тачскрин - это устройство ввода какой-либо информации в телефон или планшет. Он предназначается для адекватного восприятия устройством приказов. Часто тачскрин (или сенсор) путают с экраном, но это абсолютно две разные вещи.

Рынок на сегодняшний день предлагает 4 основных вида сенсоров для мобильных устройств:

резистивный;
индукционный;
емкостной;
инфракрасный.

Их можно встретить на самых различных устройствах и, в свою очередь, от вида тачскрина зависит частично их стоимость. Рассмотрим более подробно каждых из них.

Резистивный тачскрин

Резистивный вид тачскринов работает по принципу реагирования на изменения геометрических параметров. Так, чтобы получить отклик от экрана, нужно на него слегка нажать. По этой причине можно сразу сказать о недостатках, которые имеет резистивный тачскрин. Что это плохой показатель - ничего не сказать. Все дело в самом нажатии, по причине которого очень сильно портится экран. И хоть работать с таким тачскрином довольно просто в перчатках или при помощи стилуса, но изображение получается блеклым и через некоторое время появляются царапины.

Индукционный тачскрин

Данный вид тачскринов располагается позади твердого стекла и управление им можно производить лишь при помощи специального стилуса. Это очень неудобно, так как при утере или поломке этого предмета для управления нужно будет выложить немалую сумму денег на покупку.

Емкостной тачскрин

Этот вид тачскринов можно назвать усовершенствованной формой резистивных сенсоров. Он также находится сверху самого экрана и немного портит изображение. Для управления можно применять как стилус, так и пальцы. Есть возможность поддержки мультитача (чего нет у предыдущих вариантов) и принцип работы заключается в разнице электрического сопротивления. Это позволяет вводить информацию лишь при помощи легкого касания. Недостатком является невозможное управление сторонними предметами и пальцами в перчатках.

Инфракрасный тачскрин

Эти сенсоры работают по принципу инфракрасной сетки. Инфракрасные тачскрины являются универсальными. Они не портят изображение, но, в свою очередь, имеют длительный отклик и низкую точность.

Примерно в 80% сенсорных устройств используется емкостной сенсор. Он максимально удобен, стоит недорого и при этом имеет высокие показатели скорости отклика. Резистивный реже встречается, но и он также применяется в мобильных устройствах по причине своей дешевизны.

Калибровка тачскрина

В некоторых случаях, при замене сенсора или при сбоях в работе, требуется проводить калибровку. Эта процедура не сильно сложная, но требует максимального внимания, так как от нее зависит правильность отклика тачскрина.

Калибровка тачскрина - это процедура настройки сенсора, которая проводится для повышения точности реакции на касание к устройству. Для проверки, требуется эта процедура или нет, нужно снять защитную пленку (если ее нет - протереть хорошо экран), включить любой текстовый редактор и нажать на определенную букву. Если взамен выбранного варианта появился на экране другой знак - требуется проведение калибровки.

Калибровка резистивных сенсоров

Как правило, резистивные сенсорные экраны сразу при первом включении требуют откалибровать тачскрин. Что это нужная ежемесячная процедура - практически все забывают после первого включения. Также калибровку нужно проводить при замене экрана, сбое ПО, после падения или удара.

Резистивный сенсор откалибровать довольно просто благодаря «вшитой» утилите под названием ts_calibrate. Для ее запуска в самом меню телефона или планшета нужно зайти в раздел «Настройки». Далее выбрать пункт «Настройки телефона» и здесь нажать на «Калибровка». В результате этих действий экран станет черным и на нем появится крестик с красной точкой, расположенной по центру.

Чтобы откалибровать резистивный тачскрин для телефона или планшета, нужно нажимать в указанное точкой место. После каждого отклика она сдвигается и за четвертым нажатием в памяти устройства сохраняются все данные о сетке. Проверку после проведения калибровки проводить можно при помощи ввода текста. Если все правильно было сделано, то на экране будет появляться указанная буква или цифра.

Калибровка емкостного сенсора

Довольно редко, но бывают случаи, когда у емкостных сенсоров также сбивается сетка и их нужно калибровать. Проблема состоит в самой процедуре, так как эти тачскрины имеют очень сложную конструкцию и устройства не располагают «вшитым» ПО.

Проведение калибровки требуется начинать с загрузки утилиты TouchScreen Tune. Она легко определяет и настраивает сам тачскрин. Что это даст? Просто в случаях сбоя ПО или замены сенсора невозможно самостоятельно точно выставить сетку, которая бы работала адекватно. Вот благодаря такой программке можно подогнать все под нужные значения.

Дополнительно стоит отметить сбои в работе G-сенсора, который определяет положение смартфона или планшета в пространстве. В некоторых случаях он ведет себя неадекватно и очень сильно усложняет использование гаджета.

Для проведения калибровки акселерометра устройства под ОС Андроид требуется:

Зайти в инженерное меню и одновременно нажать кнопку выключения и снижения уровня громкости.
После появления меню на экране, при помощи той же кнопки громкости, нужно перелистать позиции и найти пункт Test Report.
В открывшемся списке выбрать G-Sensor cali.

После этого просто положите гаджет на ровную поверхность и нажмите на Do Calibration. Нужно подождать, пока на экране перестанут появляться цифровые значения. Затем два раза нажать на кнопку увеличения громкости и выбрать Reboot. Калибровка акселерометра проведена.

Меры предосторожности

Калибровать резистивный тачскрин для планшета и телефона нужно обязательно раз в месяц, так как при активном использовании устройства быстро нарушается вся сетка. Если этого не делать, можно в результате получить неадекватный отклик на нажатие и неудобство в использовании. Но, как правило, с проведением калибровки в этом случае не возникает проблем.

Значительно сложнее обстоят дела с емкостными сенсорами. Они изначально не предполагают проведение калибровки в качестве стандартной процедуры. По этой причине перед тем как приступить к ее выполнению, нужно понимать, если калибровка будет проведена с большими нарушениями, то не получится вернуть все изначальные настройки, которые имел тачскрин. Что это значит? Это полная потеря функциональности устройства, которую практически невозможно восстановить даже в сервисных центрах. Следовательно, проведение калибровки емкостного сенсора нужно лишь в том случае, когда вы уверены в своих силах и навыках.

Строение сенсорного экрана (тачскрина) и проблемы связанные с его заменой

Сенсорный экран — устройство ввода и вывода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.

Резистивный сенсорный экран

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 +5В, 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 +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Ёмкостные сенсорные экраны

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 проводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, установленных в охраняемом помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Мультитач (англ. multi-touch) — функция сенсорных систем ввода, осуществляющая одновременное определение координат двух и более точек касания. Мультитач может применяться, например, для изменения масштаба изображения: при увеличении расстояния между точками касания происходит увеличение изображения. Кроме того, мультитач-экраны позволяют работать с устройством одновременно нескольким пользователям. Они часто используются для осуществления других, более простых функций сенсорных дисплеев, таких как single touch или квази мультитач.
Мультитач позволяет не просто определить взаимное расположение нескольких точек касания в каждый момент времени, он определяет пару координат для каждой точки касания, независимо от их положения относительно друг друга и границ сенсорной панели. Правильное распознавание всех точек касания увеличивает возможности интерфейса сенсорной системы ввода. Круг решаемых задач при использовании функции мультитач зависит от скорости, эффективности и интуитивности её применения.

Наиболее распространённые мультитач-жесты

Сдвинуть пальцы — мельче
Раздвинуть пальцы — крупнее
Двигать несколькими пальцами — прокрутка
Поворот двумя пальцами — поворот объекта/изображения/видео

Проблемы, связанные с установкой резистивного сенсорного экрана

Иногда нет под рукой полного аналога нужного тача, или распиновка шлейфа другая, могут возникнуть следующие проблемы:
1.Тач повёрнут на 90,270 градусов
- Поменять местами X-Y

2.Перевёрнут тач по горизонтали
- Поменять местами X+ , X-

3.Перевёрнуть тач вверх ногами
- Поменять местами Y+ , Y-

Данные решения нужно осуществлять если после калибровки сенсорного экрана проблема не пропала.

Замена сенсорного экрана не помогла.
- Перепрошить телефон

Сопротивление на контактах ТАЧСКРИНА
Y-,Y+=550 Om Без нажатия
X-,X+=350 Om Без нажатия

Y+,X+=от 0,5-до 1,35 kOm Замеры производились в разных углах тачскрина при нажатии.Не косаясь тачскрина сопротивление равно бесконечности.
Y-,X-=от 1,35-до 0,5 kOm Замеры производились в разных углах тачскрина при нажатии.Не косаясь тачскрина сопротивление равно бесконечности.

В разных моделях сенсорных экранов сопротивление может колебаться. Данные замеры производились на сенсорном экране с телефона I9+++.

Когда пора менять сенсорный экран?

Сенсорный экран пора менять в следующих случаях:
- если он не реагирует на прикосновения
- вы обнаружили на нём "маслянистое пятно"(разноцверные разводы)
- невозможно откалибровать сенсорный экран
- войдя в сообщение и выбрав режим ввода английского текста,попробуйте поставить точки по всей площади,если вместо точек появляються чёрточки то пора менять
- войдя в сервис-разное-Touch Screen ,попробуйте поставить точки по всей площади,если вместо крестиков появляються зелёные полоски - пора менять
- если пытаясь нажать на иконку- перелистываються рабочие столы или иконки опадают(вертикальное осыпание иконок в айфоноподобных телефонах)
- если через 5 минут после калибровки вы опять не попадаете по иконке на которую нажимаете

Статья:

Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.

Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - one glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.

Экран

Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

Немного детальнее об этом процессе.

Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).

В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:

Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) .

Структура дисплеев AMOLED

Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).

Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.

Еще совсем недавно мало кто мог поверить в то, что телефоны с привычными кнопками уступят место устройствам, которые управляются с помощью прикосновения к экрану. Но времена меняются и спрос на кнопочные телефоны постепенно падает, а на смартфоны - растет.

Термин «тачскрин» образовался от двух слов - Touch и Screen, что в переводе с английского языка переводится как «сенсорный экран». Да, именно так - тачскрин и есть сенсорный экран, к которому вы прикасаетесь, когда пользуетесь своим смартфоном или планшетом. На деле же сенсорные экраны встречаются не только в мире мобильной техники. Так, вы могли видеть их при внесении средств на счет мобильного устройства через терминал, в банкомате, в билетных устройствах и т.д.

Своим появлением touch-screen обязан западным учёным. Самые первые образцы появились на свет во второй половине 60-ых годов прошлого века. На основании этого можно сделать вывод о том, что тачскрин используется вот уже более 40 лет. До появления смартфонов они использовались в банкоматах и т.д. В настоящий момент каждый человек, который пользуется сотовой связью, автомобильными навигаторами, посещает банки и магазины, сталкивается с данной технологией, порой даже не догадываясь о том, как она называется. Итак, мы разобрались в том, что такое тачскрин в телефонах. По сути, это то же самое, что и дисплей, реагирующий на касание пальцев. Он прекрасно используется вместо клавиатуры и активно применяется в мобильных технологиях. К достоинствам тачскрин можно отнести защиту от пыли, влаги и прочих неблагоприятных факторов окружающей среды, а также высокую степень надёжности. Если наше сенсорное устройство не всегда реагирует на касание, либо и вовсе отказывается это делать, к примеру, не желает менять яркость на iPad, скорее всего, из строя вышел именно touch-screen. Стоит он относительно недорого (особенно если нас интересует резистивный дисплей), и заменить его легко.

Основа тачскрина

Основа любого тачскрина - это матрица на жидких кристаллах, которая фактически является уменьшенной копией той, что находится в мониторе. На обратной стороне расположены диоды подсветки, а на лицевой - ряд слоев, которые фиксируют нажатие (резистивный экран) или прикосновение (емкостной экран).

Человек, который хорошо разбирается в том, что такое тачскрин, понимает, что большая часть произведенных устройств использует резистивный сенсорный экран. Это следует из их дешевизны и относительной простоты конструкции. Многие китайские «смартфоны», заполонившие рынок, имеют резистивный тип экрана, технология изготовления которого, кстати, появилась раньше, чем емкостная.

Виды сенсорных экранов

Сенсорные экраны подразделяются на резистивные, матричные, проекционно-ёмкостные, сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах, инфракрасные, оптическиие, тензометрические, сенсорные экраны DST и индукционные.

Резистивные сенсорные экраны

Подразделяются на четырехпроводные и пятипроводные.

Сенсор резистивного экрана состоит из двух прозрачных пластмассовых пластин с тонкой токопроводящей сеткой, которые находятся на поверхности обычного жидкокристаллического экрана. Между пластинами - прозрачный диэлектрический слой. Программа выводит графический интерактивный интерфейс, который благодаря прозрачным материалам на матрице хорошо видно. Отвечая на запрос программы, пользователь нажимает на нужную точку интерфейса (например, изображение кнопки). - Расходится пластичный диэлектрик расходится, соприкасаются пластмассовые пластины, подавая ток с электрода одной на сетку другой. Появление тока фиксируется регистрирующим контроллером, который в соответствии с сеткой координат определит точку нажатия. Координаты точки поступают в программу и обрабатываются по заложенным алгоритмам.

Четырёхпроводной экран

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 микро-изоляторами, 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.

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 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.

Ёмкостные сенсорные экраны

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 ёмкостным.

Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны

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).

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 ПЁСЭ 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. Многие разновидности поддерживают мультитач.

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах

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).

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.

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 обильных 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

Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Основное применение - банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.

Сенсорные экраны DST

Сенсорный экран DST (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.