История сенсорной технологии. Резистивная технология

Первые сенсорные экраны создавались с использованием прозрачной резистивной пленки. Эта технология широко распространена и сейчас. Существуют 4, 5 и 8-проводные резистивные сенсорные экраны. Основу конструкции 4-проводного экрана составляют две прозрачные пленки из полиэстера (polyester), майлара (mylar), пластизола (plastisol, PL) или полиэтилентерефталата (polyethylene terephtalate, PET), находящиеся друг напротив друга и разделенные микроскопическими шариками-изоляторами. Внутренние, обращенные друг к другу поверхности пленок покрыты прозрачным токопроводящим (резистивным) составом на основе двуокиси индия и олова (indium tin oxide - ITO). Для определенности назовем один из резистивных слоев задним, а другой, расположенный ближе к наблюдателю, передним (рис.3).

Контакт с этими слоями обеспечивается посредством двух пар металлизированных полосок-электродов. Первая пара расположена вертикально, по краям заднего слоя, а вторая пара - горизонтально, по краям переднего слоя. Все четыре электрода подключены к микроконтроллеру, который последовательно определяет координаты точки касания по горизонтали и вертикали. Работу контроллера в первом случае можно приблизительно описать следующим образом. На вертикальные электроды заднего резистивного слоя подается постоянное напряжение, например, 5 В, и от одного электрода к другому протекает некоторый ток I. При этом на каждом горизонтальном участке заднего резистивного слоя ток создает падение напряжения, пропорциональное длине участка.

При касании экрана передний резистивный слой деформируется и касается заднего слоя. В этом случае передний слой выполняет роль щупа, определяющего напряжение на заднем слое в точке касания. Горизонтальные электроды переднего слоя замыкаются микроконтроллером накоротко (для уменьшения влияния сопротивления переднего резистивного слоя) и суммарный сигнал 5 поступает через буферный каскад, (имеющий большое входное сопротивление), на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Напряжение на входе АЦП определяет положение точки касания по горизонтали. Для определения координаты по вертикали передний и задний резистивные слои «меняются местами»: на горизонтальные электроды переднего слоя микроконтроллер подает постоянное напряжение, а электроды заднего слоя замыкает, (этот слой используется как щуп). Определение координат точки касания производится микроконтроллером с высокой скоростью - более ста раз в секунду. Слабым звеном 4-проводного экрана является передняя пленка из полиэстера. Многократные деформации приводят к разрушению проводящего слоя, в результате чего уменьшается точность определения координат. Производители гарантируют стабильную работу устройства при количестве нажатий в одной точке до миллиона.

8-проводные экраны отличаются от 4-проводных незначительно - для повышения точности определения координат введены дополнительные 4 проводника, которые соединены с теми же самыми двумя парами металлизированных электродов, расположенных по краям проводящих покрытий. Однако надежности экрана в целом это не увеличивает.

А вот 5-проводный резистивный экран обладает улучшенными характеристиками. Переднее резистивное покрытие, подвергающееся деформации при касании, заменено проводящим и используется исключительно в качестве щупа. А заднее резистивное покрытие наносится не на пленку полиэстера, а на стекло. Поэтому к названию 5-проводных экранов часто добавляют аббревиатуру FG (Film on Glass). Четыре электрода, которые создают вертикальный и горизонтальный градиент напряжений, находятся на заднем резистивном слое. Пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя-щупа. Повреждение этого слоя при деформации практически не влияет на точность определения координат, поэтому такие экраны более надежные. Считается, что они выдерживают до 35 миллионов нажатий в одной точке. Кроме того, 5-проводные экраны, в отличие от 4 и 8-проводных, допускают установку на сферические или цилиндрические экраны отображающих устройств на основе ЭЛТ.

Резистивная технология позволяет определять координаты точки касания с высокой точностью. Теоретически, применение 12-разрядных АЦП позволяет различать 4096х4096 точек по горизонтали и вертикали. На практике разрешающая способность вдвое ниже, однако этого вполне достаточно при использовании резистивного экрана, например для рисования или ведения записей в электронном блокноте.

К достоинствам резистивных экранов следует отнести: возможность активации (касания) любым предметом (пальцем, банковской карточкой или тупым концом стилуса), стойкость от пыли, влаги, конденсата, паров, загрязнения поверхности, что позволяет им надежно работать, когда другие типы экранов выходят из строя; низкую стоимость и простоту установки.

Основные недостатки - низкая прозрачность (примерно 75% для 4 и

8-проводных экранов и до 85% - для 5-проводных), недостаточная механическая прочность (экран можно повредить острым предметом),

необходимость периодической калибровки экрана, плохая работа при низких температурах, (что связано с уменьшением эластичности передней деформируемой пленки). Кроме того, резистивный экран способен распознавать только одну точку касания, то есть если при вводе текста ладонь руки давит на экран, то координаты вычисляются неверно. И лишь совсем недавно резистивные панели от фирмы Elo Touch “научились” распознавать

несколько одновременных нажатий, правда на програмном уровне. Резистивные экраны распространены очень широко. Они применяются там, где не требуется высокое качество цветопередачи и исключена возможность актов вандализма, например, в POS (point of sail)-системах (кассовые терминалы), карманных компьютерах, GPS-навигаторах, сотовых телефонах, промышленном и медицинском оборудовании, сложных измерительных приборах и других подобных устройствах.

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.

Количество разнообразных электронных устройств, оснащенных сенсорными дисплеями, увеличивается с каждым годом. Однако не все сенсорные экраны одинаковы. В настоящее время существует несколько вариантов реализации таких решений. В этой статье мы рассмотрим особенности и сферу применения различных технологий, используемых для создания сенсорных дисплеев.

Возможно, в это трудно поверить, но история сенсорных дисплеев началась почти четыре десятилетия тому назад. В далеком 1971 году сотрудник Университета Кентукки Сэм Хёрст (Sam Hurst) сконструировал сенсорную панель, которая была запатентована под названием «илограф» (elograph). Для разработки и продвижения устройств подобного типа Сэм Хёрст основал компанию Elographics. В 1974 году ее сотрудникам удалось создать прототип дисплея, оснащенного прозрачной сенсорной панелью. В 1977 году компания Elographics получила патент на конструкцию пятипроводной резистивной сенсорной панели - решения, которое и спустя более трех десятков лет остается весьма популярным. Компания работает до сих пор, правда уже под другим названием: в 1994 году она была переименована в Elo TouchSystems, а впоследствии вошла в состав холдинга Tyco Electronics.

На этом мы завершим краткий исторический экскурс и перейдем к рассмотрению различных решений, позволяющих реализовать функцию сенсорного ввода.

Резистивная технология

Обзор открывает резистивная технология. По большому счету именно она способствовала нынешней популярности портативных электронных устройств с сенсорными экранами. Даже несмотря на появление более совершенных конструкций, резистивная технология до сих занимает лидирующие позиции на рынке сенсорных панелей. Согласно данным аналитического агентства DisplaySearch, по итогам 2009 года доля сенсорных панелей на базе резистивной технологии в количественном выражении составила 50% от общего объема мировых поставок.

В настоящее время существуют два основных варианта реализации резистивных сенсорных панелей - четырех­ и пятипроводные.

Сначала рассмотрим принцип работы резистивной панели на базе четырехпроводной технологии. Над стеклянной или пластиковой подложкой расположена тонкая, гибкая мембрана, изготовленная из прозрачного материала. Обращенные друг к другу поверхности мембраны и подложки имеют прозрачное покрытие, проводящее электрический ток. Соприкосновению мембраны с подложкой препятствуют миниатюрные изоляторы, находящиеся между ними. К подложке и мембране прикреплены пары металлических электродов, расположенные на противолежащих сторонах (рис. 1). При этом электроды мембраны размещены перпендикулярно электродам подложки.

Рис. 1. Схема устройства четырехпроводной резистивной панели

При нажатии на поверхность сенсорного экрана мембрана в этом месте соприкасается с подложкой, вследствие чего возникает электрический контакт между проводящими слоями (рис. 2). Считывание координат точки нажатия выполняется последовательно. Сначала один из электродов подложки подключается к источнику постоянного тока, а другой заземляется. Электроды мембраны соединяются накоротко (рис. 3), и контроллер измеряет напряжение на них, определяя таким образом одну из координат (в данном случае - горизонтальную). Затем ток подается на электроды мембраны, и контроллер измеряет напряжение на соединенных электродах подложки, фиксируя вторую координату.

Рис. 2. При нажатии мембрана прогибается и замыкается
с подложкой в точке касания

Рис. 3. Считывание горизонтальной (сверху)
и вертикальной координат точки нажатия
с четырехпроводной резистивной панели

В случае пятипроводной панели электроды устанавливаются на каждой из сторон подложки, а пятый подключается к мембране (рис. 4). При нажатии мембрана соприкасается с подложкой; контроллер поочередно подает постоянное напряжение на пары электродов, соответствующих горизонтальной и вертикальной оси (рис. 5). По величине напряжения на электроде, подключенном к мембране, контроллер определяет координаты точки нажатия.

Рис. 4. Схема устройства пятипроводной резистивной панели

Рис. 5. Электрическая схема считывания горизонтальной (сверху)
и вертикальной координат точки нажатия с пятипроводной резистивной панели

Существует также восьмипроводная технология (в этом случае электроды крепятся к каждой из четырех сторон подложки и мембраны), однако используется такое решение довольно редко вследствие более высокой стоимости.

Сенсорные панели на базе резистивной технологии имеют простое устройство и низкую себестоимость - именно этими факторами и обусловлена популярность подобных решений. Кроме того, резистивные панели реагируют исключительно на давление, оказываемое предметом на сенсорную поверхность. Благодаря этому управлять интерфейсом можно при помощи как пальцев (в том числе и в перчатках), так и разнообразных предметов - стилуса, спички и пр. Такие панели отличаются малой задержкой срабатывания (порядка 10 мс) и сохраняют работоспособность даже при наличии разного рода загрязнений на сенсорной поверхности. Отметим также, что возможно изготовление резистивных сенсорных панелей как с глянцевым, так и с матовым покрытием. Первые обеспечивают более высокую четкость изображения, но при этом сильно бликуют, а при нажатии на сенсорную поверхность пальцами к тому же быстро теряют опрятный вид. Матовое покрытие эффективно нейтрализует блики и на нем не так заметны отпечатки пальцев. Правда, изображение в этом случае выглядит менее четким и контрастным.

Если говорить о различиях четырех­ и пятипроводной технологий, то первая выигрывает по себестоимости, а вторая обеспечивает более высокий ресурс (до десятков миллионов нажатий в одной точке). Восьмипроводная технология обеспечивает более высокую точность определения координат точки нажатия, однако, как уже было сказано, производство таких панелей обходится гораздо дороже по сравнению с четырех­ и пятипроводными конструкциями.

Разумеется, у резистивных панелей есть и определенные недостатки. Они в большей степени, чем иные конструкции, подвержены механическим повреждениям - ведь для срабатывания необходимо приложить определенное усилие и здесь легко переборщить. Наиболее уязвимым элементом конструкции является гибкая мембрана, регулярно подвергающаяся деформациям. При нарушении целостности мембраны (появлении надрыва или пореза) панель выходит из строя.

Резистивные панели уступают ряду устройств по точности определения координат точки нажатия и к тому же требуют периодической перекалибровки. Даже лучшие образцы резистивных панелей имеют коэффициент светопропускания порядка 85%, снижая, таким образом, исходные показатели яркости и контрастности изображения. Вследствие наличия между экраном дисплея и наблюдателем нескольких поверхностей (подложка, мембрана и защитный слой), использование резистивной сенсорной панели неизбежно приводит к ухудшению четкости изображения (данный недостаток в большей степени присущ конструкциям с матовым покрытием).

До недавнего времени к недостаткам экранов на базе резистивной технологии относили невозможность восприятия нажатия в нескольких точках одновременно. Однако благодаря новейшим разработкам это ограничение удалось преодолеть. Например, продемонстрированные в ходе форума SID 2010 резистивные сенсорные панели компании Fujitsu Components America способны воспринимать до 32 нажатий в разных точках экрана одновременно.

В настоящее время сенсорные экраны на базе резистивной технологии широко применяются в КПК, мобильных телефонах, портативных медиаплеерах, POS-терминалах, а также в промышленном и медицинском оборудовании.

Емкостная технология

Уже довольно давно ученые выяснили, что с точки зрения электротехники человеческое тело является конденсатором, причем довольно большой емкости. Именно это свойство нашего тела используется в сенсорных экранах на базе емкостной или, как ее еще иногда называют, электростатической технологии.

Сенсорная панель данного типа изготавливается на прозрачной (стеклянной либо пластиковой) подложке. Внешняя поверхность пластины покрыта проводящим слоем, а в каждом из четырех ее углов закреплен электрод, подключенный к контроллеру (рис. 6). В процессе работы контроллер подает на электроды импульсы слабого переменного тока. Если прикоснуться пальцем к поверхности сенсорного экрана (подсоединить конденсатор), возникнет утечка тока. Величина тока утечки обратно пропорциональна расстоянию от точки нажатия до электрода. Сравнивая величины тока утечки через каждый из четырех электродов, контроллер рассчитывает координаты точки нажатия.

Рис. 6. Схема устройства емкостной панели

Вследствие отсутствия гибких мембран емкостные панели обладают более высокой надежностью по сравнению с резистивными (ресурс составляет несколько сотен миллионов нажатий). Кроме того, благодаря меньшему количеству оптических элементов емкостные панели обладают более высоким коэффициентом светопропускания (порядка 90%). Основным недостатком панелей этого типа является необходимость обеспечения электрического контакта между поверхностью и телом человека. Например, если нажать на такой экран стилусом из диэлектрического материала или же пальцем в перчатке, то работать он не будет. Кроме того, нормальная работа емкостной панели может быть нарушена при загрязнении поверхности веществами, проводящими электрический ток.

В настоящее время сенсорные панели на базе емкостной технологии используются в дисплеях информационных киосков и банкоматов, а также в промышленном оборудовании.

Проекционно-емкостная технология

На данный момент это решение занимает второе место в рейтинге популярности сенсорных технологий, уступая лишь резистивным панелям. Конструктивно панель на базе проекционно­емкостной технологии представляет собой две стеклянные пластины, между которыми находится сетка тонких электродов (рис. 7). В процессе работы контроллер посылает короткие импульсы по каждому из электродов. При нахождении пальца вблизи сенсорной поверхности возникает эффект, аналогичный подключению конденсатора большой емкости (роль которого в данном случае выполняет тело человека) к расположенным поблизости электродам. Измеряя величину падения напряжения (возникающего вследствие утечки тока через конденсатор), контроллер определяет координаты точки касания.

Рис. 7. Схема устройства проекционно-емкостной панели

Сенсорные панели на базе проекционно­емкостной технологии имеют целый ряд достоинств, которые способствовали значительному росту их популярности в последние годы. В частности, они долговечны, обладают высоким показателем светопропускания (порядка 90%), стойкостью к загрязнениям и механическим повреждениям рабочей поверхности, способны функционировать в широком диапазоне температур.

Проекционно-емкостная технология способна обеспечить очень высокую точность определения координат точки нажатия, однако здесь необходимо иметь в виду то, что данный параметр напрямую зависит от толщины защитного слоя. Чем он толще, тем меньше точность, и наоборот.

Кроме того, сенсорные панели такого типа позволяют воспринимать нажатия в нескольких точках экрана одновременно. В зависимости от настроек контроллера панель может реагировать не только на прикосновение, но и на поднесенный к рабочей поверхности палец. Соответственно возможно управление рукой в перчатке.

Основной недостаток проекционно­емкостных панелей - сложность электронных компонентов для обработки информации о нажатиях, а следовательно, довольно высокая стоимость производства. Кроме того, себестоимость проекционно­емкостных панелей заметно растет по мере увеличения размера и разрешающей способности экрана. Перечисленные факторы препятствуют распространению сенсорных панелей данного типа в недорогих устройствах, а также в аппаратах с экранами большого размера.

Проекционно-емкостные панели хорошо справляются с определением точечных нажатий, однако не лучшим образом подходят для реализации функций, связанных с перетаскиванием объектов графического интерфейса или рисованием на экране. Как и в случае резистивных панелей, устройства данного типа нуждаются в периодической перекалибровке.

В настоящее время сенсорные панели на базе проекционно­емкостной технологии используются в сотовых телефонах, цифровых медиапле-ерах, информационных киосках и тачпэдах (touchpad) портативных ПК. Популярность этого решения быстро растет. Так, согласно данным агентства DisplaySearch, в минувшем году доля сенсорных панелей на базе проекционно­емкостной технологии составила 31% от общего количества поставленных изделий.

Оптические технологии

Отдельную группу сенсорных экранов составляют устройства на базе оптических технологий. Популярность подобных решений пока невысока: по результатам прошлого года доля оптических сенсорных панелей составила всего 3% от общего объема мировых поставок. Впрочем, потенциал подобных устройств раскрыт еще не до конца.

ИК-сенсор с массивом неподвижных оптопар

Принцип работы данного решения довольно прост. В модуле, обрамляющем экран, с двух сторон расположены линейки ИК-светодиодов с фокусирующими линзами, а на противоположных сторонах - линейки фотодиодов либо фототранзисторов (рис. 8). При включении светодиодов над поверхностью экрана формируется невидимая сетка, образованная ИК-лучами. Когда какой­либо предмет приближается к поверхности экрана, он перекрывает пересекающиеся в данной точке лучи. Отсутствие луча фиксируется светочувствительными элементами оптопар, по изменению состояния которых контроллер определяет координаты точки касания.

Рис. 8. Схема устройства ИК-сенсора с массивом неподвижных оптопар

Подобные сенсоры применяются преимущественно в дисплейных панелях с большим размером экрана. Дело в том, что разрешающая способность таких сенсоров ограничена физическими размерами элементов оптопар и параметрами фокусирующих линз. Как правило, шаг оптической сетки составляет порядка 2-3 мм, и даже при установке на 32-дюймовый дисплей разрешение сенсора подобной конструкции не превысит 320x240 точек.

Однако у ИК-сенсоров с массивом неподвижных оптопар есть и неоспоримые преимущества. Поскольку между экраном дисплея и наблюдателем отсутствуют какие­либо помехи (стекло, дополнительные проводники и т.п.), установка подобного сенсора не влияет на такие показатели, как яркость, контрастность, четкость и точность цветопередачи. Кроме того, сенсор подобного типа можно изготовить в виде съемного модуля, прикрепляемого к любой дисплейной панели с экраном соответствующего размера (в отличие от емкостных и резистивных панелей, которые, как правило, объединены в единый модуль с дисплеем).

По вполне понятным причинам ИК-сенсор с неподвижными элементами не требует калибровки. Кроме того, для управления элементами интерфейса можно использовать пальцы и любые подходящие по размеру предметы.

Из недостатков можно отметить довольно высокую стоимость подобных устройств, а также необходимость регулярно проводить чистку оптических элементов от пыли и грязи для обеспечения стабильности их работы. Нормальному функционированию сенсорного экрана такого типа могут воспрепятствовать прямые солнечные лучи, попадающие на фотоэлементы.

Есть и еще один нюанс. У многих моделей ИК-сенсоров плоскость, в которой лежат элементы оптопар, находится на некотором расстоянии от поверхности экрана. Как следствие, при использовании предмета, расположенного не строго перпендикулярно относительно плоскости экрана, возникают ошибки в определении координат.

В настоящее время ЖК- и плазменные панели с ИК-сенсорами используются в презентационном оборудовании, в образовательных учреждениях, ситуационных центрах и т.д.

ИК-сенсор с механизмом развертки луча

Развитием идеи бесконтактной регистрации прикосновений посредством ИК-лучей стала ИК-технология с подвижным лучом. Вместо массива оптопар используется один источник ИК-излучения (светодиод либо полупроводниковый лазер) и механизм развертки, который обеспечивает движение луча, с высокой скоростью сканирующего рабочую поверхность. При отсутствии препятствия луч рассеивается. Если же на пути луча встречается какое­либо препятствие, то луч отражается от него и улавливается фотодиодом. По изменению состояния фотодиода контроллер фиксирует касание в соответствующей точке.

В отличие от ИК-сенсоров с неподвижными оптопарами, описанную конструкцию можно реализовать в виде очень компактного модуля - что, в свою очередь, позволяет без проблем применять ее в портативных устройствах. Уникальной особенностью данной технологии является возможность использования ее с проецируемыми изображениями, причем размер рабочей области может варьироваться в довольно широких пределах. Благодаря отсутствию помех работа оптического сенсора не влияет на характеристики изображения. Кроме того, себестоимость таких сенсоров невелика.

Из недостатков отметим не очень высокую разрешающую способность, ограниченные возможности по распознаванию нескольких прикосновений одновременно и довольно большую погрешность определения координат точки касания по краям экрана, где угол падения луча минимален.

Первыми коммерческими устройствами, в которых использовались оптические сенсоры с механизмом развертки, были виртуальные клавиатуры (рис. 9). Устройство размером с зажигалку позволяет заменить аппаратную клавиатуру при работе с портативным или карманным ПК. В последнее время повышенный интерес к подобным сенсорам проявляют разработчики мультимедиапроекторов, а также портативных устройств со встроенными проекторами (рис. 10).

Рис. 9. Беспроводная виртуальная клавиатура для КПК
и мобильных телефонов

Рис. 10. ИК-сенcор с механизмом развертки
луча позволяет реализовать функцию сенсорного ввода
для проецируемых изображений

ИК-сенсор NextWindow

Данная технология была разработана компанией NextWindow и применяется в выпускаемых ею сенсорных панелях. В отличие от пары описанных выше решений, где сенсорная поверхность является виртуальной, технология NextWindow предусматривает использование в этом качестве физического объекта - стеклянной либо пластиковой пластины. С трех сторон в торцах пластины установлены источники ИК-излучения (линейки светодиодов), а в двух верхних углах находятся оптические сенсоры, работающие в ИК-диапазоне (рис. 11).

Рис. 11. Схема устройства ИК-сенсора NextWindow

При касании поверхности пальцем или каким­либо предметом меняется картина распространения ИК-излучения. Эти изменения фиксируются оптическими сенсорами, по изменению показаний которых контроллер рассчитывает координаты точки касания.

Достоинствами данного решения являются высокий коэффициент светопропускания панели (более 92%), возможность регистрации прикосновений в двух точках одновременно и высокая разрешающая способность. Сенсоры этого типа отличаются высокой стабильностью работы и не требуют периодической калибровки в процессе эксплуатации.

Из недостатков можно отметить довольно сложную конструкцию контроллера и соответственно не самую низкую себестоимость подобных устройств.

Сенсорные панели данной конструкции наилучшим образом подходят для оснащения дисплеев с большим размером экрана (от 20 дюймов по диагонали и более). На базе технологии NextWindow выпускаются как дисплейные панели с интегрированным сенсорным экраном, так и съемные модули.

Оптические сенсоры на базе видеокамер

В устройствах, изображение на экране которых формируется методом обратной проекции, может быть использован оптический сенсор на базе цифровой видеокамеры. В простейшем случае применяется одна видеокамера, работающая в ИК-диапазоне (рис. 12). Изображение на экране в данном случае не является помехой, поскольку оно проецируется в видимом диапазоне и камера его просто воспринимает.

Рис. 12. Схема устройства оптического сенсора с видеокамерой в устройствах,
изображение на экране которых формируется методом обратной проекции

Внутренняя поверхность экрана подсвечивается ИК-лучами. При отсутствии каких­либо предметов на поверхности экрана ИК-лучи беспрепятственно проходят сквозь стекло. В случае касания поверхности лучи отражаются от появившегося препятствия и видеокамера фиксирует пятно (или несколько пятен) на однородном фоне. Полученное изображение обрабатывается программным обеспечением, которое вычисляет координаты точек касания.

В составе такого сенсора может быть и несколько видеокамер - это позволяет повысить его надежность и реализовать дополнительные возможности. Например, в устройстве Microsoft Surface (рис. 13) для обслуживания сенсора подобного типа установлено сразу пять видеокамер. Помимо регистрации прикосновений и жестов они обеспечивают работу системы распознавания объектов. Для этого на нижнюю сторону предметов, используемых с данным устройством, наносятся миниатюрные черно­белые метки, напоминающие обозначения цифр на костяшках домино. По этим меткам программное обеспечение может определить тип объекта и автоматически выполнить ассоциированное с ним действие - открыть документ с описанием, запустить какое­либо приложение и т.д.

Рис. 13. В устройстве Microsoft Surface функция
сенсорного ввода реализована при помощи видеокамер,
установленных внутри корпуса

Оптический сенсор с видеокамерой не оказывает какого-либо влияния на качество изображения на экране. В числе других достоинств данного решения - возможность обработки нескольких касаний одновременно; использование как пальцев, так и различных предметов (причем в любых сочетаниях) для работы с графическим интерфейсом. Разрешающая способность такого сенсора может варьироваться в широких пределах в зависимости от разрешения применяемой видеокамеры и оптической системы. Кроме того, один и тот же сенсор с минимальной модернизацией можно использовать для работы с экранами различного размера.

Из­за высокой стоимости и больших габаритов оптические сенсоры на базе видеокамеры непригодны для применения в портативных устройствах. Система требует тщательной калибровки после монтажа и регулярной подстройки для обеспечения приемлемой точности.

Как уже было упомянуто, оптические сенсоры на базе видеокамеры пригодны для использования исключительно в дисплеях с обратной проекцией изображения, и это в значительной степени ограничивает сферу их применения. В настоящее время данный класс устройств является весьма немногочисленным: спрос на проекционные телевизоры стремительно сокращается, а аппараты вроде Microsoft Surface и вовсе производятся в микроскопическом количестве.

Технологии на базе свойств акустических волн

Пока что ни одна из технологий, использующих для реализации функции сенсорного ввода свойства акустических волн, не получила широкого распространения. Тем не менее подобные решения интересны не только оригинальным принципом работы, но и рядом важных достоинств.

Технология поверхностно-акустических волн

Как следует из названия, работа данного решения базируется на особенностях распространения поверхностно-акустических волн (ПАВ). Сенсорная панель на базе ПАВ представляет собой стеклянную пластину, которая монтируется перед экраном дисплея с небольшим зазором. В углах пластины установлены пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) и принимающие датчики, по краям - отражатели (рис. 14). В процессе работы контроллер подает высокочастотный электрический сигнал на пьезоэлектрические преобразователи, которые, в свою очередь, возбуждают в стеклянной пластине поверхностно-акустические волны ультразвукового диапазона (частотой порядка нескольких мегагерц). Эти волны равномерно распределяются отражателями по толще пластины и затем улавливаются принимающими датчиками, которые преобразуют их в электрический сигнал, считываемый контроллером. При прикосновении к сенсорной поверхности часть энергии поверхностно-акустических волн поглощается (палец или иной предмет в данном случае выступает в роли демпфера, препятствующего свободному распространению волн). По изменению сигналов, считываемых принимающими датчиками, контроллер определяет координаты точки касания.

Рис. 14. Схема устройства сенсорной панели на базе технологии ПАВ

Сенсорные панели на базе технологии ПАВ отличаются надежностью (они выдерживают десятки миллионов нажатий в одной точке), высоким показателем светопропускания (более 90%) и восприимчивостью к нажатиям, выполненным как пальцами, так и различными предметами. В некоторых вариантах реализации данная технология позволяет определять не только координаты, но и силу нажатия.

Из недостатков сенсорных панелей этого типа необходимо отметить чувствительность к загрязнению рабочей поверхности (грязь влияет на распространение акустических волн) и не очень высокую точность определения координат точки нажатия. Также возможны нарушения в работе сенсорной панели в условиях сильного шума и вибраций, что в значительной мере ограничивает возможности по использованию устройств данного типа вне помещений.

Существует несколько вариантов реализации сенсорных панелей на базе ПАВ - IntelliTouch, SecureTouch, iTouch и др. Основной сферой применения сенсорных панелей на базе технологии ПАВ в настоящее время являются информационные киоски, терминалы и т.д. В силу технических особенностей данного решения его целесообразно использовать в дисплеях с большим размером экрана (19 дюймов и более).

Технология распознавания акустических импульсов

Технология распознавания акустических импульсов (Acoustic Pulse Recognition, APR), созданная специалистами компании Elo TouchSystems, является дальнейшим развитием идеи, использованной в панелях на базе ПАВ. Впрочем, принцип работы сенсорных панелей на базе технологии APR существенно отличается от устройств на базе ПАВ.

Сенсорная поверхность представляет собой стеклянную пластину. На ее сторонах установлены четыре пьезоэлектрических преобразователя, конвертирующих распространяющиеся по толще стекла звуковые волны в электрический сигнал (рис. 15).

Рис. 15. Схема устройства сенсорной панели на базе технологии APR

Принцип работы панели APR основан на том, что звук, возникающий при прикосновении к каждой из точек сенсорной поверхности, уникален. При прикосновении к сенсорной поверхности возникает звуковой импульс, распространяющийся по стеклянной панели. Достигнув края панели, импульс воздействует на ПЭП, который преобразует его в электрический сигнал и передает в контроллер. Последний сравнивает поступающие с датчиков сигналы с сохраненными в памяти эталонными сигналами, зафиксированными при прикосновениях к различным точкам панели. При несовпадении звуковой картины с хранящимися в памяти эталонами контроллер не регистрирует нажатие - таким образом реализована эффективная система фильтрации внешних шумов и вибраций.

Сенсорные панели на базе технологии APR обеспечивают более высокую (по сравнению с устройствами на базе ПАВ) точность определения координат точки касания и гораздо меньше подвержены влиянию посторонних шумов и вибраций. Нажатия можно производить как пальцами, так и различными предметами. Такие панели обладают высоким показателем светопропускания (более 90%) и сохраняют работоспособность при наличии царапин и загрязнений на сенсорной поверхности. Сенсорные панели на базе технологии APR обеспечивают высокую стабильность работы и не требуют перекалибровки в процессе эксплуатации. Данное решение отличается хорошей масштабируемостью: его можно использовать в дисплейных панелях как с малым, так и с большим размером экрана.

Сегодня основной сферой применения технологии APR являются цифровые киоски и POS-терминалы. Поставки коммерческих решений с сенсорными дисплеями на базе технологии APR начались сравнительно недавно - в конце 2006 года.

Ультразвуковая технология

Для работы с сенсорным экраном этого типа используется специальное перо, в котором размещены генератор, излучатель ультразвуковых волн и миниатюрный источник питания. На рамке дисплея вблизи от верхних углов экрана смонтированы два датчика, реагирующих на ультразвук (рис. 16). При прикосновении наконечника пера к поверхности экрана срабатывает выключатель, и перо начинает излучать ультразвуковые волны. Контроллер фиксирует время срабатывания каждого из датчиков и по разнице этих значений вычисляет координаты точки касания.

Рис. 16. Схема устройства дисплея с ультразвуковым сенсором

Основными достоинствами этого решения являются простота реализации (не требуется вносить изменения в конструкцию дисплейной панели), низкая себестоимость, а также отсутствие помех, влияющих на качество изображения. Подобная конструкция обладает хорошей масштабируемостью: сенсор такого типа можно использовать с экранами различных размеров (требуется лишь внесение незначительных изменений в программу контроллера).

Основным недостатком является необходимость применения специального пера. Кроме того, данное решение обеспечивает не очень высокую точность определения координат точки нажатия (±0,5 мм) и требует дополнительного пространства для размещения датчиков на рамке вокруг экрана. Таким образом, ультразвуковой сенсор практически непригоден для использования в портативных устройствах.

В качестве примера серийного устройства, оснащенного ультразвуковой системой сенсорного ввода, можно привести выпущенный в начале 2006 года 17-дюймовый ЖК-монитор Samsung SyncMaster 720TD (рис. 17). Датчики сенсора в этой модели были выполнены в виде шайб цилиндрической формы, расположенных в верхних углах рамки монитора.

Рис. 17. ЖК-монитор SyncMaster 720TD оснащен системой
сенсорного ввода на базе ультразвуковой технологии

Технология электромагнитного резонанса

В заключение стоит упомянуть технологию электромагнитного резонанса, разработанную компанией Wacom для использования в графических планшетах (дигитайзерах). В 1998 году в продуктовой линейке компании появилась первая модель ЖК-дисплея со встроенным графическим планшетом - Cintiq 18sx. В настоящее время компания Wacom выпускает две серии дисплеев с сенсорным экраном - Cintiq и PL (рис. 18).

Рис. 18. ЖК-дисплей Wacom серии Cintiq, оснащенный
встроенным графическим планшетом

Сенсорные панели, созданные на базе технологии электромагнитного резонанса, обеспечивают очень высокую точность позиционирования, а также позволяют получать дополнительную информацию от встроенных датчиков пера - таким образом можно фиксировать силу нажатия, угол наклона, тип наконечника и пр.

Данная конструкция позволяет отслеживать местоположение пера даже в том случае, когда его наконечник находится на расстоянии 1-2 см от рабочей поверхности. Благодаря этому сенсорную панель можно установить под модулем ЖК-дисплея - не ухудшая, таким образом, оптические характеристики дисплея.

Увы, есть и целый ряд недостатков. Сенсорные панели на базе технологии электромагнитного резонанса работают только со специальным пером и требуют периодической калибровки в процессе эксплуатации. Кроме того, в силу сложности конструкции такие изделия довольно дороги в производстве, причем цена значительно возрастает по мере увеличения размера экрана.

Сенсорные панели на базе данной технологии потребляют много электроэнергии и являются источником электромагнитных помех, которые могут нарушить нормальную работу расположенного поблизости беспроводного оборудования (мобильных телефонов, точек доступа и пр.).

Судя по всему, в ближайшие годы технология электромагнитного резонанса так и останется решением, ориентированным главным образом на немногочисленный сегмент дорогих сенсорных дисплеев, используемых для работы с профессиональными приложениями (графическими редакторами, системами 3D-моделирования, САПР и т.д.).

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.

Экраны современных устройств могут не только выводить изображение, но и позволяют взаимодействовать с устройством посредством сенсоров.

Изначально сенсорные экраны применялись в некоторых карманных компьютерах, а на сегодняшний день сенсорные экраны находят широкое применение в мобильных устройствах, плеерах, фото и видеокамерах, информационных киосках и так далее. При этом в каждом из перечисленных устройств может применяться тот или иной тип сенсорного экрана. В настоящее время разработано несколько типов сенсорных панелей, и, соответственно, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками. В данной статье мы как раз и рассмотрим, какие же бывают типы сенсорных экранов, их достоинства и недостатки, какой тип сенсорного экрана лучше.

Существует четыре основных типа сенсорных экранов: резистивные, емкостные, с определением поверхностно-акустических волн и инфракрасные . В мобильных же устройствах наибольшее распространение получили только два: резистивные и емкостные . Основным их отличием является тот факт, что резистивные экраны распознают нажатие, а емкостные – касание.

Резистивные сенсорные экраны

Данная технология получила наибольшее распространение среди мобильных устройств, что объясняется простотой технологии и низкой себестоимостью производства. Резистивный экран представляет собой LCD дисплей, на который наложены две прозрачные пластины, разделенные слоем диэлектрика. Верхняя пластина гибкая, так как на нее нажимает пользователь, нижняя же жестко закреплена на экране. На обращенные друг другу поверхности нанесены проводники.

Резистивный сенсорный экран

Микроконтроллер подает напряжение последовательно на электроды верхней и нижней пластины. При нажатии на экран гибкий верхний слой прогибается, и его внутренняя проводящая поверхность касается нижнего проводящего слоя, изменяя тем самым сопротивление всей системы. Изменение сопротивления фиксируется микроконтроллером и таким образом определяются координаты точки касания.

Из плюсов резистивных экранов можно отметить простоту и малую стоимость, неплохую чувствительность, а также возможность нажимать на экран как пальцем, так и любым предметом. Из минусов необходимо отметить плохое светопропускание (в результате приходится использовать более яркую подсветку), плохая поддержка множественных нажатий (multi-touch), не могут определять силу нажатия, а также довольно быстрый механический износ, хотя в сравнении со временем жизни телефона, этот недостаток не так уж и важен, так как обычно быстрее телефон выходит из строя, чем сенсорный экран.

Применение : сотовые телефоны, КПК, смартфоны, коммуникаторы, POS-терминалы, TabletPC, медицинское оборудование.

Емкостные сенсорные экраны

Емкостные сенсорные экраны делятся на два типа: поверхностно-емкостные и проекционно-емкостные . Поверхностно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло, на поверхность которого нанесено тонкое прозрачное проводящее покрытие, поверх которого нанесено защитное покрытие. По краям стекла расположены печатные электроды, которые подают на проводящее покрытие низковольтное переменное напряжение.

Поверхностно-емкостной сенсорный экран

При касании экрана образуется импульс тока в точке контакта, величина которого пропорциональна расстоянию из каждого угла экрана до точки касания, таким образом, вычислить координаты места касания контроллеру достаточно просто, сравнить эти токи. Из достоинств поверхностно-емкостных экранов можно отметить: хорошее светопропускание, малое время отклика и большой ресурс касаний. Из недостатков: размещенные по бокам электроды плохо подходят для мобильных устройств, требовательны к внешней температуре, не поддерживают multi-touch, касаться можно пальцами или специальным стилусом, не могут определять силу нажатия.

Применение : информационные киоски в охраняемых помещениях, в некоторых банкоматах.

Проекционно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло с нанесенными на него горизонтальными ведущими линиями проводящего материала и вертикальными определяющими линиями проводящего материала, разделенные слоем диэлектрика.

Проекционно-емкостной сенсорный экран

Работает такой экран следующим образом: на каждый из электродов в проводящем материале микроконтроллером последовательно подается напряжение и измеряется амплитуда возникающего в результате импульса тока. По мере приближения пальца к экрану емкость электродов, находящихся под пальцем, изменяется, и таким образом контроллер определяет место касания, то есть координаты касания – это пересекающиеся электроды с возросшей емкостью.

Достоинством проекционно-емкостных сенсорных экранов является быстрая скорость отклика на касание, поддержка multi-touch, более точное определение координат по сравнению с резистивными экранами и определение силы нажатия. Поэтому эти экраны в большей степени используются в таких устройствах, как iPhone и iPad. Также стоит отметить большую надежность этих экранов и, как следствие, больший срок работы. Из недостатков можно отметить, что на таких экранах касаться можно только пальцами (рисовать или писать от руки пальцами очень неудобно) или специальным стилусом.

Применение : платежные терминалы, банкоматы, электронные киоски на улицах, touchpads ноутбуков, iPhone, iPad, коммуникаторы и так далее.

Сенсорные экраны ПАВ (поверхностно-акустические волны)

Состав и принцип работы данного типа экранов следующий: по углам экрана размещены пьезоэлементы, которые преобразуют подаваемый на них электрический сигнал в ультразвуковые волны и направляют эти волны вдоль поверхности экрана. Вдоль краев одной стороны экрана распределены отражатели, которые распределяют ультразвуковые волны по всему экрану. На противоположных от отражателей краях экрана расположены сенсоры, которые фокусируют ультразвуковые волны и передают их далее на преобразователь, который в свою очередь преобразует ультразвуковую волну обратно в электрический сигнал. Таким образом, для контроллера экран представляется в виде цифровой матрицы, каждое значение которой соответствует определенной точке поверхности экрана. При касании пальцем экрана в любой точке происходит поглощение волн, и в результате общая картина распространения ультразвуковых волн изменяется и в результате преобразователь выдает более слабый электрический сигнал, который сравнивается с хранящейся в памяти цифровой матрицей экрана, и таким образом вычисляются координаты касания экрана.

Сенсорный экран ПАВ

Из достоинств можно отметить высокую прозрачность, так как экран не содержит проводящих поверхностей, долговечность (до 50 млн. касаний), а также сенсорные экраны ПАВ позволяют определять не только координаты нажатия, но и силу нажатия.

Из недостатков можно отметить более низкую точность определения координат, чем у емкостных, то есть рисовать на таких экранах не получится. Большим недостатком являются сбои в работе при воздействии акустических шумов, вибраций или при загрязнении экрана, т.е. любая грязь на экране блокирует его работу. Также данные экраны корректно работают только с предметами, поглощающими акустические волны.

Применение : сенсорные экраны ПАВ в основном в охраняемых информационных киосках, в образовательных учреждениях, в игровых автоматах и так далее.

Инфракрасные сенсорные экраны

Устройство и принцип работы инфракрасных сенсорных экранов довольно простой. Вдоль двух прилегающих друг к другу сторон сенсорного экрана расположены светодиоды, излучающие инфракрасные лучи. А на противоположной стороне экрана расположены фототранзисторы, которые принимают инфракрасные лучи. Таким образом, весь экран покрыт невидимой сеткой пересекающихся инфракрасных лучей, и если коснуться экрана пальцем, то лучи перекрываются и не попадают на фототранзисторы, что немедленно регистрируется контроллером, и таким образом определяются координаты касания.

Инфракрасный сенсорный экран

Применение : инфракрасные сенсорные экраны используются в основном в информационных киосках, торговых автоматах, в медицинском оборудовании и т.д.

Из достоинств можно отметить высокую прозрачность экрана, долговечность, простоту и ремонтопригодность схемы. Из недостатков: боятся грязи (поэтому используются только в помещении), не могут определять силу нажатия, средняя точность определения координат.

P.S. Итак, мы рассмотрели основные типы наиболее распространенных сенсорных технологий (хотя есть еще и менее распространенные, такие, как оптические, тензометрические, индукционные и так далее). Из всех этих технологий наибольшее распространение в мобильных устройствах получили резистивные и емкостные, так как обладают высокой точностью определения точки касания. Из них наилучшими характеристиками обладают проекционно-емкостные сенсорные экраны.

Текст подготовлен по материалам из открытых источников методистами по Технологии Карабиным А.С., Л.В. Гаврик, С.В. Усачёвым