В ряде случаев к качеству изображения, воспроизводимого отображающим устройством, предъявляются строгие требования. Это касается дисплеев, предназначенных, в основном, для просмотра телевизионных передач, видеофильмов или отображения иллюстративного материала

(слайдов и фотографий), например, в художественном кружке или фотостудии. При необходимости оснащения такого устройства сенсорным экраном лучшим решением будет применение инфракрасной технологии. Для определения точки касания используются две линейки светодиодов, расположенные по вертикали и горизонтали, и две линейки фотодиодов, расположенные на противоположных сторонах экрана (рис.9).

Каждому светодиоду соответствует свой фотодиод. Работает такая оптическая пара следующим образом. При подаче напряжения на светодиод он излучает невидимый для человека инфракрасный свет в пределах очень небольшого телесного угла, чтобы попасть на «свой» фотодиод «не задеть» соседние. Любое препятствие, например, касающийся экрана палец руки, частично или полностью перекрывающее световой луч, приводит к уменьшению или прекращению электрического тока через соответствующий фотодиод. Это изменение фиксируется микроконтроллером, позволяя вычислить координату касания с высокой точностью. Обычно светодиод (и, соответственно, фотодиод) в линейке имеет размеры порядка 2,5 мм, то есть на каждый квадратный сантиметр панели приходится четыре горизонтальных и четыре вертикальных сканирующих луча. Однако механизмы интерполяции, используемые микроконтроллером, позволяют вычислять положение препятствия с большей точностью. Инфракрасный сенсорный экран выполняется в виде рамки, которая не имеет никаких стекол или прозрачных пленок. Поэтому изменение яркости, контраста и цветопередачи изображения, а также появление дополнительных бликов исключены, что является несомненным достоинством экрана. Плюсами так же является то, что можно использовать любой предмет для касания (стилус к примеру или обратная сторона ручки), хорошо переносят перепады температур, имеют высокую чувствительность и выдерживают бесконечное колличество нажатий в одну точку.

Инфракрасная технология не лишена ряда недостатков. Применение в качестве отображающего устройства жидкокристаллических панелей нежелательно, так как касание их поверхности может привести к повреждению TFT-транзисторов и появлению «мертвых» точек, (которые всегда либо включены, либо выключены). Рамка сенсорного экрана зачастую не прилегает к экрану дисплея вплотную, а находится на некотором расстоянии, при этом вследствие параллакса становятся заметными ошибки определения координат по углам. Устройство имеет невысокую надежность, что связанно, во-первых, с небольшим сроком службы ИК-светодиодов, а во-вторых, с особенностями конструкции - оптопары боятся пыли, загрязнений и конденсата. Попадание прямого солнечного света вызывает сбои в работе. Кроме того, такие экраны имеют самую высокую стоимость. Применяются ИК-экраны обычно в образовательных учреждениях - в качестве интерактивных панелей большого размера, и в игровых автоматах.

Используемые материалы:

Стекло, листовой полиэстер, проводящее покрытие.

Принцип действия :

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

Инфракрасная Infrared (Grid) (IR)

Используемые материалы:

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

Принцип действия:

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

Оптическая

Используемые матреиалы:

Стеклянная подложка, оптические сенсоры линейного сканирования, световые шины.

Принцип действия:

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

ПАВ (технология на поверхностно-акустических волнах)

Используемые материалы:

Стекло, пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия:

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

Поверхностно-емкостная (ClearTek)

Используемые материалы:

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

Принцип действия:

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

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

Введение

Постоянное совершенствование технологий обмена информацией между человеком и вычислительной техникой является важнейшей тенденцией развития современной информационной сферы. И если в стационарных компьютерах и ноутбуках основными средствами ввода остаются клавиатура и мышь (дополненная в ноутбуках емкостным тачпэдом), то в мобильных устройствах повсеместно используются сенсорные дисплеи, реагирующие на прикосновение, позволяя определить координаты точки касания. Сенсорные устройства применяются также в графических дисплеях для художественного и проектного творчества, в разного рода демонстрационных системах с большими экранами и различных системах регистрации и ввода небольшого объема данных. Для создания современных сенсорных дисплеев используются инженерные решения, основанные на применении целого спектра разнообразных физических явлений.

Резистивные сенсорные дисплеи

Сенсорные дисплеи, в которых обнаружение точки касания основано на протекании через нее постоянного электрического тока, называются резистивными. Хотя история этих устройств насчитывает более четырех десятилетий, они широко применяются до настоящего времени. Первую резистивную сенсорную панель разработал и в 1971 году запатентовал, назвав её элографом (elograph, в русскоязычных текстах встречаются также написания илограф, елограф), американец Сэм Хернст, работавший в университета штата Кентукки. А через три года, в 1974 году, основанная Хернстом для развития этой разработки компания Elographics, добившись прозрачности сенсорной панели, уже разработала на этой основе реагирующий на прикосновение дисплей. В 1994 году компания изменила название на Elo TouchSystems, а позже влилась в холдинг Tyco Electronics.

Принцип действия резистивных дисплеев наиболее просто пояснить на примере исторически первого четырехпроводного варианта, применяемого до настоящего времени. Поверх обычного жидкокристаллического дисплея монтируются подложка из стекла или пластика и гибкая мембрана, на обращенные друг к другу поверхности которых, разделенные полем точечных микроизоляторов, наносится проводящий слой. На противоположных краях подложки и мембраны взаимно перпендикулярно закреплены две пары электродов из металла (одна пара на подложке, другая на мембране). При точечном нажатии на мембрану она прогибается, и в точке соприкосновении проводящих слоев подложки и мембраны между ними возникает электрический контакт и начинается протекание тока. Измерение координат точки контакта по горизонтали и вертикали производится поочередно, при этом одна пара электродов соединяется накоротко, а на вторую подается напряжение. При контакте проводящих поверхностей напряжение на закороченной паре электродов определяется расположением точки контакта. Её координаты вычисляются специальным контроллером устройства. Конструкцию и принцип действия четырехпроводной резистивной сенсорной системы иллюстрируют рис. 1-3.

Недостатком четырехпроводного дисплея является то, что он перестает работать при повреждении резистентного слоя на мембране. Этот недостаток частично устранен в пятипроводной схеме (также разработанной компанией Хернста, патент 1977 года), где на мембрану нанесен проводящий слой, не теряющий работоспособность при её повреждении. Четыре электрода, на которые попарно поочередно подается напряжение, закреплены на задней пластине. Уровень напряжения на мембране зависит от точки её контакта с подложкой. Устройство и принцип определения координат контакта для пятипроводной резистивной панели поясняются рис. 4 и 5 соответственно. Именно по пятипроводной схеме, обеспечивающей сохранение работоспособности до восьмизначного числа касаний в одной точке, изготовляется в настоящее время большинство сенсорных панелей резистивного типа. Существует и восьмипроводная схема, гарантирующая более высокую точность измерения, однако она применяется реже вследствие большей дороговизны.

Новейшие разработки в области резистивной технологии сенсорных устройств позволяют воспринимать координаты нескольких одновременно нажатых точек: например, в разработках фирмы Fujitsu Components America, показанных на форуме SID 2010, максимальное число воспринимаемых одновременных нажатий достигало 32.

Несмотря на давность разработки их базовой схемы, резистивные сенсорные устройства до настоящего времени сохраняют свою популярность. Так, по статистике специализированного агентства DisplaySearch, в 2009 году сенсорные панели указанной категории составили половину суммарного количества продаж этого вида товара в мире. Этим они обязаны сравнительной простоте и дешевизне технологии, высокому быстродействию (задержка реакции порядка 10 мс) и нечувствительности к загрязнению поверхности. Кроме того, нажим на сенсорный экран может выполняться как пальцем, так и любым другим предметом – спичкой, стилусом, указкой.

Недостатками сенсорных приборов резистивного типа является требование периодической калибровки, а также неизбежное снижение яркости и четкости изображения из-за необходимости помещения перед экраном нескольких слоев прозрачных материалов (результирующий коэффициент светопропускания не превышает 85 процентов для пятипроводной схемы и еще более низок у четырехпроводной). Кроме того, неконтролируемые по силе нажатия на воспринимающий экран создают дополнительный риск его механического повреждения. Резистивные сенсорные экраны выполняются с двумя вариантами покрытия – глянцевым и матовым. Глянцевый вариант обеспечивает несколько большую четкость изображения, однако на нем возникают мешающие восприятию блики, а также более заметны загрязнения от прикосновения пальцев.

Разновидностью резистивных сенсорных систем, мало применяемой в настоящее время из-за принципиального ограничения по точности, являются матричные системы . В этом случае сплошные проводящие поверхности, соприкасающиеся при нажатии, заменены матрицей проводящих линий, горизонтальных на одной из поверхностей и вертикальных на другой. Преимуществом этой схемы является простота и дешевизна конструкции, возможность осуществления мультитача.

Помимо мобильных персональных вычислительных устройств различных типов, сферой применения резистивных сенсорных дисплеев являются мобильные телефоны, терминалы оплаты и ввода данных в промышленности, на транспорте, в медицинском оборудовании.

Емкостные сенсорные монитры

Идея использования изменения емкости системы для фиксации прикосновений к ней не уступает в давности истории резистивных схем данной категории. Её первым применением в промышленном изделии считается сенсорный планшет RAND Tablet, сконструированный Малкольмом Дэвисом и Томасом Эллисом в 1963 году и широко применявшийся в аппаратуре военного назначения.

В отличие от резистивных систем, выполненные по данной технологии сенсорные устройства, называемые также электростатическими, работают на переменном токе. Сенсорная панель устройства представляет собой пластину из стекла или прозрачного пластика, покрытую с внешней стороны прозрачным же проводящим слоем (обычно для этой цели применяется сплав оксидов олова и индия). К каждому из четырех углов экрана подведен электрод, связанный с контроллером, который подает на него импульсы переменного тока безопасной для человека мощности (рис. 6). При касании экрана пальцем тело человека действует как конденсатор большой емкости, через который проходит ток утечки. Величина тока утечки, определяемая контроллером, находится в обратной зависимости от расстояния между точкой контакта и электродом. Соотношение значений силы тока, протекающего через каждый из электродов, однозначно определяет расположение точки контакта.

Преимуществом емкостных сенсорных устройств перед резистивными является отсутствие гибкой мембраны, что повышает их надежность и срок службы, который достигает нескольких сот миллионов срабатываний. Большая долговечность достигается также за счет того, что срабатывание происходит при касании, не требуя нажатия. В то же время необходим контакт поверхности экрана с телом человека, что делает невозможным использование, например, стилуса из не проводящего материала или работу в перчатках. Могут использоваться только стилусы, специально предназначенные для данной категории устройств. Работа панели нарушается также при её загрязнении электропроводящими веществами.

Еще одним преимуществом емкостных сенсорных экранов перед резистивными является меньшее количество слоев материала над поверхностью непосредственного формирования изображения, что позволяет довести коэффициент светопропускания до величин порядка 90 процентов. Сенсорные системы на основе емкостной технологии применяются для создания крупномасштабных сенсорных экранов устройств типа банкоматов, информационных киосков и блоков ввода информации в разнообразном промышленном оборудовании. По тому же принципу может быть построена реагирующая на прикосновение клавиатура повышенной долговечности и надежности.

Сенсорные мониторы на основе проекционно-емкостной технологии

Проекционно-емкостная технология также основана на определении места касания путем измерения утечки переменного тока через тело человека, но использует другое устройство сенсорной панели. Сенсорная панель этой конструкции состоит из двух изолирующих пластин из стекла, между которыми помещены две взаимно перпендикулярные системы тонких электродов, образующих прямоугольную сетку (рис 7). Контроллер посылает через эту систему электродов короткие импульсы переменного тока. Прикосновение пальца или нахождение его вблизи сенсорной поверхности вызывает фиксируемую контроллером утечку тока на ближайших электродах, что позволяет вычислить место контакта.

Достоинствами данной технологии являются длительный срок службы, высокие, до 90 процентов, показатели светопропускания, устойчивость к механическим повреждениям и загрязнению экрана, большой диапазон рабочих температур. Эти качества сенсорных панелей описываемой категории делают их оптимальными для применения в уличных устройствах (при этом важна свойственная описываемой технологии возможность работы в перчатках) и разного рода системах массового обслуживания.

В целом данная технология, наряду с сенсорными устройствами резистивного типа, является в настоящее время наиболее востребованной. Так, в 2009 году, согласно статистике агентства DisplaySearch, сенсорные панели проекционно-емкостного типа составили почти треть суммарных поставок изделий данной категории. Точность определения координат точки прикосновения у этой системы потенциально очень высокая, однако уменьшается при увеличении толщины защитного слоя, когда начинает проявляться эффект параллакса. Важное преимущество проекционно-емкостной технологии состоит в возможности определения одновременного касания в нескольких точках (функция мультитач).

Основным недостатком является сложность и высокая стоимость используемого электронного оборудования, возрастающая с увеличением размеров экрана. Кроме того, как и резистивным, устройствам данной категории требуется периодическая калибровка. Они также недостаточно удобны для воспроизведения плавного передвижения точки контакта, необходимого при рисовании на экране или перетаскивании изображений. Областью применения сенсорных экранов данного типа являются сотовые телефоны, цифровые медиаплееры, информационные киоски и уличные устройства ввода данных, тачпэды портативных компьютеров.

Оптические технологии

Для построения сенсорных систем в настоящее время начинает использоваться также оптический диапазон излучений в его инфракрасной части. Хотя масштаб применения подобных устройств пока невелик (так, в 2009 году оптические сенсорные панели составили три процента всей массы общемировых поставок изделий этого класса), возможно его расширение в будущем.

Инфракрасный сенсор с матрицей стационарных оптических пар

В данной категории устройств перед экраном на двух его взаимно перпендикулярных сторонах в специальной крепежной раме размещаются линейки инфракрасных излучателей, а на противоположных сторонах − приемники. Излучатели представляют собой фотодиоды с фокусирующими линзами для формирования узкого луча, а в качестве приемников используются фотодиоды или фототранзисторы (рис.8). Таким образом перед экраном создается невидимая измерительная сетка, перекрывание определенных лучей которой при приближении к экрану любого предмета фиксируется контроллером.

Максимально достижимая точность определения координат точки контакта при этом ограничивается размерами оптических элементов. Обычно шаг образуемой ими координатной сетки оказывается равным 2-3 мм, что в пересчете для дисплея с диагональю 32 дюйма эквивалентно разрешающей способности не более 320x240 точек. Этим объясняется тот факт, что данные системы в основном применяются для больших демонстрационных экранов в образовательных и т. п. учреждениях. Дополнительную погрешность вносит явление параллакса (возникающее в ситуации, когда соприкасающийся с экраном предмет не строго перпендикулярен его плоскости), поскольку измерительная сетка формируется на некотором расстоянии от поверхности экрана.

Преимущество инфракрасных систем состоит в отсутствии перед экраном каких-либо дополнительных слоев, снижающих его четкость, контрастность и другие параметры качества изображения. Системы описываемого класса не нуждаются в калибровке. Дополнительное преимуществом является то, что весь модуль инфракрасного оборудования может быть съемным и компоноваться на любой соответствующий по величине экран.

К недостаткам инфракрасных систем описанного типа, кроме ограниченной точности, относится необходимость периодической очистки от пыли и загрязнений и предохранения от прямых солнечных лучей.

Инфракрасный сенсор с разверткой оптического луча

В этой модификации конструкции сенсорных систем вместо создания постоянной тестовой инфракрасной сетки используется единственный инфракрасный луч, последовательно сканирующий проверяемую поверхность за счет действия механизма развертки. Для генерации поискового луча применяется светодиод или полупроводниковый лазер инфракрасного диапазона. При отсутствии касаний проверяемой поверхности луч рассеивается, а при прикосновении к ней постороннего предмета – отражается от него. Отраженный луч воспринимается фотодиодом. Параметры и время прихода отраженного луча несут информацию о положении отражающего препятствия, обрабатываемую контроллером. Данная технология предназначена для работы с широким диапазоном размеров рабочей области, в т.ч. пригодна для компактной реализации в портативных устройствах. Её характерной особенностью является возможность работы с проекцией изображения на любую поверхность. Недостатками системы являются ограничения как по разрешающей способности, свойственные устройствам с инфракрасными оптическими парами, так и по возможности восприятия нескольких одновременных касаний. Ошибка вычисления положения точки касания возрастает, если она расположена на краях экрана, что объясняется малым углом падения сканирующего луча для этих зон.

Первой сферой применения инфракрасных сенсоров с разверткой луча оказалось создание миниатюрных виртуальных клавиатур для портативных компьютеров и сотовых телефонов (рис. 9). Позже интерес к ним проявили разработчики систем с различными типами проекторов – как мультимедийных, так и встроенных в портативные приборы (рис. 10).

Инфракрасный сенсор компании NextWindow

В сенсорных панелях с использованием инфракрасного излучения, выпускаемых компанией NextWindow, используется собственная оригинальная разработка компании, сочетающая в себе отдельные черты описанных выше вариантов реализации рассматриваемой категории изделий.

Сенсорная поверхность устройства представляет собой стеклянную или изготовленную из синтетического материала пластину. С трех сторон прямоугольника пластины в её торцах находятся линейки светодиодов-излучателей инфракрасного диапазона, а в двух верхних углах размещены сенсоры-приемники инфракрасного излучения (рис. 11). При касании сенсорной поверхности пальцем или любым другим предметом пространственно-временное распределение принимаемого сенсорами излучения меняется за счет отражения, и координаты точки контакта рассчитываются контроллером. Возможно одновременное определение координат двух точек касания.

Система отличается коэффициентом светопроводности свыше 92 процентов, высокой разрешающей способностью, стабильностью в эксплуатации без необходимости в периодических калибровках. Недостатком можно считать сложность конструкции контроллера, приводящую к удорожанию системы в целом.

Как и другие варианты сенсорных приборов с линейками инфракрасных излучателей, данные панели применимы главным образом для дисплеев с большой диагональю экрана, начиная от 20 дюймов. На основе описанной технологии производятся как сенсорные системы, интегрированные с дисплеями, так и отдельные съемные сенсорные модули.

Оптические сенсорные системы на основе видеокамер

Сенсорные системы на основе видеокамер могут быть применены только при условии формирования оптического изображения методом обратной проекции, когда зритель и проектирующая аппаратура располагаются с противоположных сторон экрана. В этом случае видеоаппаратура инфракрасного диапазона (в простейшем случае единственная цифровая инфракрасная видеокамера), не реагирующая на видимое изображение, и источники инфракрасного излучения располагаются по ту же сторону экрана, что и система формирования основного оптического изображения в видимом диапазоне (рис.12).

Инфракрасное излучение свободно проходит через стекло экрана. В случае же касания экрана каким-либо предметом отраженное от него излучение воспринимается видеокамерой и обрабатывается программным обеспечением для вычисления координат отражающего объекта. Использование нескольких видеокамер позволяет повысить точность и надежность системы и реализовать некоторые дополнительные функции. В некоторых конструкциях отраженное инфракрасное излучение фиксирует не видеокамера, а матрица дополнительных (четвертых) пикселей жидкокристаллического экрана, чувствительных к инфракрасному диапазону.

К достоинствам систем описываемого типа относится отсутствие ухудшения качества основного изображения за счет нанесения на экран дополнительных слоев, возможность фиксации касаний как пальцем, так и любым предметом, равно как и нескольких касаний одновременно, минимальный объем переделок базового сенсора для работы с новым экраном. Недостатками являются высокая стоимость, непригодность для малых экранов, необходимость калибровки после монтажа и периодической настройки в дальнейшем.

Примером конкретной реализации системы описываемого типа является устройство Microsoft Surface, оснащенное пятью видеокамерами (рис 13). Эта система не только регистрирует прикосновения и движения соприкасающихся с экраном объектов, но и распознает их по нанесенным черно-белым меткам, используя зависимость коэффициента отражения инфракрасных лучей от цвета. Функция распознавания, в свою очередь, может использоваться для управления работой компьютера, например для запуска определенных элементов его программного обеспечения.

В новейших изделиях фирмы Microsoft, поставляемых с операционной системой Windows 10, недостатки устройства Microsoft Surface в значительной мере преодолены, а полезные функции существенно развиты – например, система воспроизводит подробное цветное изображение положенного на горизонтальный «сенсорный стол» предмета. Широкое распространение этой продукции может сделать неактуальным недавний тезис об ограниченности сферы применения устройств на основе инфракрасных видеосистем вследствие их дороговизны, больших габаритов, снижения популярности проекционных телевизоров.

Сенсорные дисплеи на основе акустических явлений

Акустические колебания также входят в перечень физических явлений, применяемых для создания сенсорных дисплеев. Хотя распространенность систем этой категории пока не сопоставима с показателями резистивных, емкостных или инфракрасных сенсорных устройств, данная технология перспективна, обладает рядом интересных особенностей и уже реализована в ряде промышленно выпускаемых моделей, что и определяет целесообразность её рассмотрения в этом обзоре.

Сенсорные системы на основе поверхностно-акустических волн

Работа систем этого типа основана на анализе картины распространения поверхностно-акустических волн (ПАВ) по стеклянной пластине, закрепляемой перед экраном. В двух углах пластины, находящихся на одной диагонали, размещены пьезоэлектрические преобразователи, генерирующие ультразвуковые колебания частотой в несколько мегагерц, в двух других углах – пьезоэлектрические преобразователи-приемники этих колебаний, преобразующие их в электрическую форму, а вдоль боковых сторон расположены линейки отражателей, направляющих акустическую волну к приемникам (рис. 14). Можно заметить, что компоновка измерительной системы несколько напоминает применяемую для систем на основе инфракрасного излучения.

Работа системы управляется контроллером, который подает электрический сигнал на пьезоизлучатели и анализирует электрический сигнал, формируемый приемниками. При отсутствии касания генерируемые ультразвуковые волны равномерно распределяются по площади пластины. При прикосновении к пластине пальцем или другим предметом часть энергии поверхностно-акустических волн поглощается этой помехой, и картина их распространения искажается. Воспринимая и анализируя эти искажения, контроллер вычисляет положение точки касания. Некоторые конструкции, выполненные по этой технологии, позволяют определить и силу нажима при касании.

Преимуществами технологии на основе поверхностно-акустических волн является высокая надежность (до десятков миллионов касаний в одной точке) и высокий коэффициент светопропускания, превышающий 90 процентов, т. к. на стеклянную пластину не наносятся никакие покрытия. В качестве недостатков следует указать ограниченную размерами пьезоэлементов разрешающую способность, чувствительность к загрязнению поверхности, вибрационным и шумовым помехам, что снижает возможность применения таких систем вне помещений. Не очень высокая разрешающая способность систем на основе ПАВ делает основной областью их применения устройства типа информационных киосков и терминалов для ввода небольших объемов данных.

В настоящее время серийно выпускаются несколько моделей устройств, выполненных по рассматриваемой технологии – это IntelliTouch, SecureTouch, iTouch и другие. Вследствие ограничений по разрешающей способности они используются в основном с большими дисплеями, с диагональю от 19 дюймов.

Технология распознавания акустических импульсов

Другой вариант использования акустических явлений для создания сенсорной панели, разработанный одним их пионеров отрасли − компанией Elo TouchSystems, − технология распознавания акустических импульсов APR (Acoustic Pulse Recognition).

Основой сенсорной панели, построенной по этой технологии, является стеклянная пластина. Физическая основа распознавания места касания заключается в том, что при касании сенсорной пластины создается уникальный звуковой импульс, характерный именно и только для данной точки. Эти звуковые импульсы распространяются по пластине и воспринимаются четырьмя закрепленными в её углах пьезоэлектрическими преобразователями. Преобразованные таким образом в электрическую форму отображения сигнала поступают в контроллер, где хранятся их зафиксированные предварительно эталонные значения для каждой точки. Сравнение поступившего сигнала с предварительно сформированной и записанной в контроллере матрицей эталонов позволяет однозначно определить точку прикосновения. Устройство сенсорной системы на основе технологии APR иллюстрирует рис 15.

При несовпадении полученного сигнала ни с одним из эталонных прикосновение не фиксируется. Благодаря этому уникальному свойству данной технологии она обеспечивает значительно большую, чем для других сопоставимых технических решений, защиту сенсорного устройства от внешних шумовых и вибрационных помех. Вместе с тем, этот метод гарантирует более высокую, чем для устройств, выполненных по технологии ПАВ, точность определения координат точки касания, при том, что касание может осуществляться как пальцем, так и любым другим предметом. Помимо хорошей помехоустойчивости, описываемая технология ПАВ обеспечивает использующим её устройствам и ряд других преимуществ:

• высокий уровень светопропускания (свыше 90 процентов)
• стабильность работы и большой срок сохранения работоспособности
• нечувствительность к повреждениям и загрязнениям рабочей поверхности
• нет необходимости в перекалибровках.

Дополнительным преимуществом является тот факт, что описываемое техническое решение характеризуется хорошей масштабируемостью, т.е. может применяться для сенсорных панелей с широким диапазоном размеров экрана, включая и миниатюрные устройства. Перечисленные преимущества делают данную технологию одной из наиболее перспективных, например, для создания платежных терминалов в разного рода торговых организациях и предприятиях общественного питания. Поставки промышленных изделий, построенных по технологии APR, начались в 2006 году и продолжают расширяться. В настоящий момент основная область их применения – разного рода цифровые киоски и платежные терминалы (POS-терминалы).

Сенсорные системы на основе применения ультразвуковых волн

При использовании этой технологии генератор и излучатель тестового ультразвукового сигнала вместе с источником питания и миниатюрным выключателем смонтированы в специальном тестовом стилусе в виде пера. Соприкосновение наконечника пера с поверхностью экрана вызывает срабатывание выключателя, вызывающему излучение в ультразвуковом диапазоне. Приемные датчики этого сигнала, установленные в верхних углах рамки дисплея (рис. 16), связаны с контроллером, который фиксирует момент приема сигнала каждым из датчиков. Поскольку время распространения тестового сигнала пропорционально расстоянию, разница моментов срабатывания датчиков позволяет однозначно определить положение точки контакта. Ошибка определения её координат порядка ± 0.5 мм. Схема может быть применена с экранами различных размеров, что требует лишь небольших изменений в настройках программы контроллера.

Преимуществами этой измерительной схемы являются простота реализации, при которой не вносится каких-либо изменений в исходную конструкцию дисплея, и как следствие этого − низкая себестоимость. Не создается помех, ухудшающих качество изображения. Основными недостатками можно считать требование применения в качестве стилуса только специального пера и ограниченную точность определения положения точки контакта. Это обстоятельство, равно как и потребность в закреплении приемников ультразвука на раме дисплея, приводит к неприменимости ультразвуковых сенсоров в малогабаритных устройствах.

Примером применения ультразвукового устройства сенсорного ввода в серийном изделии является планшет Samsung SyncMaster 720TD с 17-дюймовым жидкокристаллическим монитором (рис 17). Приемные датчики ультразвука, закрепленные в верхних углах монитора, оформлены как цилиндрические шайбы. Изделие позиционируется как весьма удобное для рисования и проведения презентаций. Для удобства презентаций предусмотрен специальный дополнительный видеовыход, предназначенный для дублирования изображения на любом экране большего размера (плазменном экране, экране проектора и т. п).

Технология электромагнитного резонанса

Данная технология, запатентованная японской компанией Wacom, основана на явлении электромагнитного резонанса между электромагнитным полем, создаваемым помещенными под поверхностью дисплея плоскими печатными катушками индуктивности, и резонансным контуром, помещенным в используемом в качестве стилуса специальном пере. Резонансный контур возбуждается при приближении к экрану, что приводит к деформации электромагнитного поля дисплея. Чем ближе перо к дисплею, тем сильнее искажение исходного поля, которое и несет информацию о месте и характере контакта. Перо не имеет собственного источника питания, однако не просто отражает полученную вследствие резонанса энергию, а формирует с её помощью ответный сигнал, передающий информацию от помещенных в перо дополнительных датчиков о его наклоне, типе наконечника, силе нажима и других параметрах, необходимых для создания на экране изображения высокого качества.

Поскольку возникновение электромагнитного резонанса не требует непосредственного контакта между резонирующим пером и рабочей поверхностью исходного поля (допустимый зазор примерно до 2 см), сенсорная панель может быть помещена за модулем ЖК-дисплея, что устраняет её негативное влияние на качество изображения.

Вследствие своей довольно высокой стоимости (возрастающей при увеличении размеров экрана) данная технология применяется главным образом в дорогих графических планшетах, в профессиональных системах графического моделирования, включая 3D-моделирование, и т.п. приложениях. Запатентовавшая данную технологию фирма Wacom выпустила первую модель на её основе в 1998 году (графический планшет Cintiq 18sx с ЖК-дисплеем).

В дальнейшем в продукции компании появились две линейки дисплеев с сенсорной панелью этого типа − Cintiq и PL, один из которых представлен на рис 18. Кроме сравнительно высокой стоимости, к недостаткам данной системы можно отнести следующее:

• работа только со специальным пером
• необходимость периодической калибровки
• возможность создания электромагнитных помех, влияющих на соседнюю аппаратуру.

Однако использование этой технологии в некоторых современных электронных книгах, например PocketBook Pro 603, свидетельствует о возможности преодоления её недостатков и расширении сферы применения.

Тензометрические сенсорные экраны

В заключение обзора следует упомянуть тензометрические сенсорные экраны, фиксирующие деформации поверхности при нажатии. Они не обеспечивают высокой точности, зато отличаются прекрасной вандалоустойчивостью, стойкостью к перепадам температуры и высокой влажности, вследствие чего и используются главным образом в разного рода уличных автоматах.

Заключение
Подводя итог проведенному обзору принципов построения сенсорных дисплеев и их реализации в промышленных изделиях, можно отметить такую тенденцию развития этой отрасли, как продолжающееся расширение спектра используемых физических явлений и вариантов их реализации а конкретных конструкциях и категориях товаров (примером могут служить часы с сенсорным экраном). Интересна также тенденция к использованию комбинации нескольких принципов в одном изделии, примером чего может служить выпущенный в 2015 году смартфон фирмы Леново с встроенным лазерным проектором, создающим на произвольной поверхности виртуальную клавиатуру.

Резистивная технология

Плюс: точность и высокая чувствительность. Минус: невысокая яркость и недопустимость прикосновения острыми предметами.

Мкостная технология

Плюс: большое разрешение, малое время отклика, хорошее качество изображения и большой ресурс. Минус: реагирует только на контакт с пальцем.

Технология ПАВ (поверхностные акустические волны)

Плюс: высокая чувствительность, большая яркость и малая цена. Минус: чувствительность к воздействию внешних факторов, то есть колебания температуры и давления влияют на их работу.

Инфракрасные мониторы

Такая техника является самой надёжной и долговечной. Количество прикосновений, перепады температуры, погодные условия – не влияют на работу экрана. Минус: реагируют на любые прикосновения и на попадание солнечных лучей. Но этот недостаток не имеет особой значимости, стоит лишь установить защитную программу, требующую подтверждения выполнения операции.
Как видим, сенсорные мониторы, хоть и не лишены недостатков - достаточно хороши для определённых целей.

Перспективные конструкции и технологии мониторов

Технология E-Ink

В наше время большинство пользователей ПК все еще предпочитают читать текст на бумаге. Кроме привычки воспринимать информацию с листа бумаги, есть еще и объективные факторы, такие как количество отраженного от дисплея света (характеризуется коэффициентом отражения) и контрастность (отношение интенсивностей отражаемых световых потоков от белых и черных участков изображения).
Даже в последних моделях мониторов коэффициент отражения и контрастность примерно в два раза ниже, чем, скажем, у страницы книги. Вдобавок печатные издания имеют более широкий угол обзора и им можно придать ту форму, которая удобнее для чтения. В общем, читать текст на бумаге, конечно, удобнее (видимо, именно поэтому даже с приходом Интернета бумажные издания продолжают существовать).
Поэтому при производстве мониторов ПК, возможно, получит распространение технология E-Ink (Electronic Ink - "Электронные чернила "), разрабатываемая компаниями Philips, E Ink и лабораторией Bell Labs.
Bell Labs представила общественному вниманию гибкий пластиковый лист, способный отображать простейшие символы графики. Толщина новинки - не более миллиметра, что позволяет сравнивать его с листом бумаги, благо он имеет довольно высокую эластичность и достаточно прочен. Сейчас размеры точки на таком листе не очень маленькие, но в будущем планируется уменьшить его размер до нескольких микрон (как в современных мониторах или даже меньше).
Использование таких технологий позволит производить не просто плоские экраны , но имеющие возможность сворачиваться и/или принимать произвольную форму. Основная проблема в этих технологиях - чем заменить стеклянную подложку? Если применить пластик, то гибкость обеспечена, однако он, в отличие от стекла, пропускает кислород и воду, присутствие которых несовместимо с электролюминесцентными свойствами органических диодов. Так что пока гибкие OLED-дисплеи "живут" не больше двух-трех недель, но исследовательские лаборатории рапортуют, что через несколько лет можно будет начать их массовое производство.
Основной элемент дисплеев, создаваемых E - Ink, - матрица микрокапсул, каждая из которых содержит положительно заряженные частицы белого цвета и отрицательно заряженные - черного. При подведении к капсуле отрицательного заряда белые (положительно заряженные) частицы под действием кулоновских сил отталкиваются и поднимаются в верхнюю часть капсулы, где их видит наблюдатель. А при подведении положительного заряда верх капсулы окрашивается в черный цвет. Такой способ получения изображения обеспечивает высокую контрастность цвета и широкий угол обзора . Кроме того, сейчас разрабатываются технологии, позволяющие использовать в качестве подложки для слоя из таких микрокапсул совершенно произвольные по составу и форме поверхности. Ведутся работы и по созданию цветных дисплеев на основе "электронных чернил", в которых принцип получения цвета будет сходен с используемой в ЖК-мониторах системой красных, желтых и зеленых светофильтров