10 ноября5 comments+1 | Нравится0

Как это работает: сенсорный экран

Текст: Валерий Желудев

Заглядываем под сенсорный экран.

Что уж говорить, сенсорный экран – это удобно. Без них современные устройства вряд ли могли бы отвечать требованиям рынка. Сенсорные экраны не только расширили функционал существующих гаджетов, но и породили совершенно новые – например, планшеты.

Сенсорный экран – координатное устройство ввода информации, реагирующее на прикосновения. Чаще всего они заменяют целую кучу механических кнопок, что несомненно удобно, так как он совмещает в себе и дисплей, и устройство ввода. Отсутствие движущихся механических частей и дополнительных устройств повышает надежность работы такой системы.

Первое подобие сенсорного экрана появилось в конце 60-х годов прошлого века, когда американский ученый Сэмюэль Херст столкнулся с необходимостью считывать километры ленты самописцев. В 1971 году им была основана компания Elotouch, выпустившая элограф – первый вычислительный прибор с резистивным сенсорным экраном. Чуть позже его компания объединилась с Siemens и стала называться Elographics. Плодами такого сотрудничества стала разработка сенсорной панели для существующих кинескопов. В 1982 году компания представила первый в мире телевизор с сенсорным экраном.

Сегодняшние сенсорные экраны подразделяются на несколько типов в зависимости от физического принципа действия: резистивные (четырех-, пяти- или восьмипроводные), емкостные, проекционно-ёмкостные, матричные, экраны на основе поверхностно-акустических волн, оптические, тензометрические и экраны на основе инфракрасных лучей.

Запатентованных названий технологий еще больше – несколько десятков. Наибольшее распространение получили резистивные и емкостные экраны, а остальные либо безнадежно устарели, либо узкоспециализированы.

Резистивный экран

Наиболее простым в реализации типом резистивного экрана является четырехпроводной. Он состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено тонкое проводящее покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, надёжно изолирующими токопроводящие поверхности. По краям каждого слоя установлены тонкие металлические пластинки — электроды. В заднем слое с резистивным материалом они расположены вертикально, а в переднем — горизонтально, что необходимо для вычислений координат. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, специальный датчик регистрирует изменение сопротивления в точке нажатия и преобразует его в сигнал. Усовершенствованной вариацией являются восьмипроводные сенсорные экраны. Их точность выше, однако надежность и долговечность хромают.

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим, которое продолжит работать даже с поврежденной мембраной. На заднее стекло нанесено покрытие с четырьмя электродами по углам, которые постоянно находятся под напряжением. А вот пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя. Как только вы коснетесь экрана, верхний и нижний слои сомкнутся, а контроллер сперва зафиксирует изменение напряжения на переднем слое, то есть сам факт касания. Далее сначала на заднем слое заземляются два электрода по горизонтали, а затем два других, но по вертикали.

LG Optimus GT 540

Матричные сенсорные экраны

Тут конструкция очень напоминает резистивный экран, но упрощена до безобразия. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану — вертикальные. При прикосновении к экрану проводники соприкасаются и замыкаются крест-накрест.

Процессор отслеживает, какие именно проводники замкнулись, после чего легко вычисляет координаты нажатия. Вот собственно и все. Такие экраны имеют очень низкую точность по сравнению с другими типами тачскринов, поэтому давно не применяются. Матричной может быть и просто панель кнопок, расположенных на перекрестьях проводников.

Емкостные сенсорные экраны

Емкостный (как и поверхностно-емкостный) экран устроен сложнее и использует тот факт, что тело человека и экран образуют конденсатор, который проводит переменный ток.

Такой экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом, чтобы обеспечить электрический контакт с телом. Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение. При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом происходит утечка переменного тока через упомянутый конденсатор. Чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Все это регистрирую датчики, передающие информацию для дальнейшей обработки процессору.

Емкостные сенсорные экраны долговечны и выдерживают до 200 миллионов нажатий. Их точность немного лучше чем у резистивных, а прозрачность превышает 90%. Однако такие дисплеи боятся жидкостей, непроводящих загрязнений.

iPhone 3G

Проекционно-емкостные сенсорные экраны

Зато проекционно-емкостные дисплеи поддерживают одновременные нажатия в нескольких местах, хотя имеют еще более сложное строение.

На внутренней стороне такого экрана нанесена сетка электродов, при соприкасании с которыми образуется конденсатор. В месте образования конденсатора изменяется его электрическая емкость, а контроллер определяет точку пересечения электродов. Дальше все как обычно – контроллер, вычисления, координаты.

Если касаться экрана в разных местах, то и конденсаторов образуется несколько, что дает возможность реализовать мультитач-технологию.

iPad 2

Экран с сеткой инфракрасных лучей

Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост и чем-то напоминает матричный. Вот только здесь вертикальные и горизонтальные проводники заменены инфракрасными лучами. Вокруг такого дисплея проходит рамка со встроенными излучателями и приемниками. В момент касания такого дисплея некоторые лучи перекрываются и не достигают своего пункта назначения – приемника. Дальше контроллеру не составит труда вычислить место контакта.

Такие дисплеи отлично пропускают свет и крайне долговечны, потому как обходятся вовсе без чувствительного покрытия. Тем не менее, они имеют не самую высокую точность и боятся загрязнений. В настоящее время выпускаются огромные рамки с диагональю до 150 дюймов для использования в сочетании с проектором или обычным монитором.

Sony Reader PRS-650

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах (ПАВ)

Этот экран с пугающим названием представляет собой стеклянную панель со встроенными по углам пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП). По периметру дисплея располагаются отражающие и приемные датчики. Контроллер формирует сигналы высокой частоты и посылает его на ПЭП. Тот в свою очередь преобразует этот сигнал в акустические колебания, которые отражаются от отражающих датчиков. Затем отраженные волны улавливаются приемниками и снова посылаются на ПЭП для обратного преобразования в электрический сигнал. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники улавливают это изменение, а сложный процессор вычисляет положение точки касания.

Главным достоинством экрана на ПАВ является возможность отслеживать не только координаты точки, но и силу нажатия, благодаря тому, что степень поглощения акустических волн зависит от величины давления в точке касания. Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как отображение картинки с экрана происходит без всяких препятствий в виде проводящих слоев, как это сделано в резистивных экранах. Такие экраны сложны в реализации, но довольно долговечны. Они выдерживают до 50 миллионов касаний и часто применяются в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбои в работе при наличии вибрации и шума, а также при загрязнении экрана.

Фото: Fotobank.ru/Getty Images