Сначала тачскрины (сенсорные экраны) встречались достаточно редко. Их возможно было найти, только лишь в некоторых КПК, PDA (карманных компьютерах). Как известно, устройства такого плана так и не обрели широкого распространения, так как им не хватило самого важного, то есть, функциональности. История смартфонов напрямую связана с тачскринами. Именно поэтому в нынешнее время человека с «умным телефоном» сенсорным экраном сейчас не удивишь. Тачскрин получил широкое применение не только в модных дорогостоящих девайсах, но, даже, в относительно недорогих моделях современных телефонов. В чём же заключаются принципы работы 3-х типов сенсорных экранов, которые возможно встретить в современных устройствах.
Сенсорные экраны уже не являются слишком дорогими. Кроме этого, тачскрины (touchscreen) сегодня намного «отзывчивее» - касания пользователя распознают просто превосходно. Именно эта характеристика проложила им дорогу к большому числу пользователей во всем мире. В нынешнее время существуют три основные конструкции тачскринов:
В тачскринах конструкции такого рода стеклянную основу покрывают слоем, который выполняет роль вместилища-накопителя заряда. Пользователь своим касанием высвобождает в определённой точке часть электрического заряда. Данное уменьшение определяется микросхемами, которые расположены в каждом углу экрана. Компьютером вычисляется разница электрических потенциалов, существующих между разными частями экрана, при этом, информация о касании в подробностях передаётся немедленно в программу-драйвер тачскрина.
Довольно важное преимущество ёмкостных тачскринов - это способность данного типа экранов сохранять практически 90 % от изначальной яркости дисплея. Из-за этого изображения на ёмкостном экране смотрятся более чёткими, чем на тачскринах, имеющих резистивную конструкцию.
Преобразователь-приёмник стопроцентно точно «знает» было ли нажатие, а также в какой конкретно точке оно произошло, так как пользователь своим касанием прерывает акустическую волну. При этом, стекло волнового дисплея не имеет металлического покрытия - это предоставляет возможность сохранить в полном объёме 100 % изначального света. В связи с этим, волновой экран представляет собой наилучший вариант для тех пользователей, которые работают в графике с мелкими деталями, потому, что резистивные и ёмкостные тачскрины не являются идеальными в вопросе чёткости изображений. Их покрытие задерживает свет, что в результате существенно искажает картинку.
Электрический заряд в процессе работы пользователя с тачскрином, проходит через два эти слоя. Каким же образом это происходит? Пользователь в определённой точке касается экрана и упругий верхний слой соприкасается с проводниковым слоем - только в этой точке. Потом компьютером определяются координаты той точки, которой пользователь коснулся.
Когда координаты становятся известны устройству, то специальный драйвер переводит прикосновения в команды, известные операционной системе. В данном случае можно провести аналоги с драйвером самой обычной компьютерной мышки, ведь он занимается точно тем же: объясняет операционной системе то, что конкретно хотел сказать ей пользователь посредством перемещения манипулятора или же нажатия кнопки. С экранами данного типа используют, как правило, специальные стилусы.
Наиболее дешёвыми сенсорными экранами, но, при этом, наименее чётко транслирующими изображение являются резистивные тачскрины. Кроме этого, они являются и самыми уязвимыми, ведь абсолютно любым острым предметом возможно серьёзно повредить достаточно нежную резистивную «плёночку».
Следующий тип, т.е. волновые тачскрины, представляют собой самые дорогостоящими среди себе подобных. При этом, резистивная конструкция, вероятнее всего, относится, всё-таки, к прошлому, ёмкостная - к настоящему, а волновая - к будущему. Понятное дело, что грядущее абсолютно никому стопроцентно не известно и, соответственно, в нынешнее время можно только лишь предполагать, какая именно технология имеет большие перспективы для использования её в будущем.
Для резистивной системы тачскринов не имеет никакого особого значения, коснулся резиновым наконечником стилуса или же просто пальцем пользователь экрана устройства. Достаточно того, что между двумя слоями произошло соприкосновение. При этом, ёмкостной экран распознает только лишь касания какими-то токопроводящими предметами. Зачастую пользователи современных устройств работают с ними с помощью собственных пальцев. Экраны волновой конструкции в этом отношении ближе к резистивным. Отдать команду возможно практически любым предметом - при этом нужно только избегать использования тяжёлых или же слишком маленьких объектов, например, стержень шариковой ручки для этого не подойдёт.
Наши глаза являются основным источником информации, получаемой мозгом. Потому экран — важнейшая часть мобильного телефона и планшетника. Именно с него мы считываем информацию и осуществляем управление интерфейсом. В этом выпуске рубрики разберемся, как работают экраны мобильных устройств, какими они бывают и как правильно выбрать смартфон, отталкиваясь от этого параметра.
Если в экранах телевизоров и компьютерных мониторов на заре технологий использовался принцип электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), то для мобильных устройств такой подход формирования изображения был неприемлем ввиду их малых размеров. В 70-х годах прошлого столетия был представлен первый жидкокристаллический монохромный экран. Первое время он использовался преимущественно в калькуляторах и электронных часах. С появлением мобильных телефонов технология производства дисплеев на основе жидких кристаллов перекочевала и к ним. Спустя время появились новые технологии на основе органических светодиодов, экраны стали сенсорными, гибкими.
Практически любой жидкокристаллический экран (ЖК или по-английски LCD) состоит из следующих компонентов:
Существует много разновидностей ЖК-дисплеев. Самый простой и дешевый из них TN (Twisted Nematic) . Имеет плохие углы обзора, контрастность и цветопередачу, но зато высокое время отклика. Используется в основном в бюджетных устройствах и постепенно уходит из рынка. Более продвинутой технологией является IPS (in-plane switching). В отличие от TN, она характеризуется высокими углами обзора, отличной цветопередачей, повышенной контрастностью. Существует много разновидностей IPS, которые у разных производителей имеют свои названия. Основные:
Широко известный тип дисплея Retina является разновидностью IPS, но с высоким разрешением и уменьшенным размером субпикселя и пикселя. А вот у Самсунга есть PLS - та же модификация IPS, которая призвана уменьшить стоимость производства.
Кроме IPS существуют еще ЖК-дисплеи под названием Super LCD (разработка HTS), Super Clear LCD (Samsung), VA/MVA/PVA (используются в основном в мониторах).
Другим же витком развития дисплеев является технология, которая основана на органических светодиодах - OLED (Organic Light Emitting Diode). Суть ее в использовании вместо жидких кристаллов, которым необходима подсветка, органических светодиодов. Они светятся сами.
Есть несколько разновидностей OLEDдисплеев:
Еще существует TOLED (TransparentOLED) - прозрачные дисплеи, SOLED (Staked OLED) - сложенные OLED, но они, возможно пока, в дисплеях для смартфонов не используются.
В целом, технология OLED имеет ряд преимуществ по сравнению с LCD:
Но и есть существенный недостаток - время жизни светодиодов. Со временем они умирают и при этом искажается изображение на экране. Хотя, возможно, это временная проблема органических дисплеев. Ведь наука не стоит на месте и разрабатываются новые долговечные светодиоды.
Следующим этапом развития может стать дисплеи с технологией TMOS (оптический затвор с временным разделением). Такие экраны могут быть более яркими, энергоэффективными и дешевле в производстве, нежели LCD и OLED.
Давайте еще кратко остановимся на других особенностях экранов современных гаджетом.
На сегодняшний день управление смартфоном с помощью пальцев рук уже стало для нас обыденностью. За такую функцию в экране отвечает сенсор. Хочу рассказать вам об их основных типах:
Это были основные типы сенсоров, который используются в современных смартфонах.
Дальше мы поговорим о плотности пикселей экрана . Эта величина является соотношением разрешения экрана и его физического размера. Иными словами - количество пикселей на дюйм диагонали смартфона. Это числа принято измерять в ppi (pixel per inch). Приведу пример, экран с диагональю — 5,1 дюйма и разрешением 2560×1440 пикселей имеет плотность точек 577 ppi. Чем больше такое число, тем четче и детализирование будет изображение на экране смартфона. Но сможет ли наш глаз различить отличия, например, между 400 и 500 ppi? Маркетологи фирм разработчиков уверены, что сможет, лично я в этом сомневаюсь….
Чтобы экран нашего любимого смартфона не царапался и не бился, были разработаны всевозможные защитные стекла. Одно из самых известных в мире - это Gorilla Glass. Недавно, была представлено его четвертая ревизия. По заявлениям разработчиков Gorilla Glass 4 обладает вдвое более высокой устойчивостью к повреждениям по сравнению с конкурирующим алюмосиликатным стеклом. Менее известным, но нехудшим по характеристикам, является стекло повышенной прочности Dragontrail. Его, например, широко использует в своих смартфонах китайский производитель Xiaomi.
Также часто стекла экранов покрывают специальным олеофобным покрытием, которое предназначено для защиты от жировых пятен.
1. Лучше выбрать IPS или OLED технологию, чем TN.
2. Многое зависит от производителя дисплеев, остерегайтесь китайских «ноунеймов». Выбирайте экраны от LG, Sony, Sharp и других именитых фирм.
3. За плотностью пикселей особо гнаться не стоит. HD разрешение достаточно при диагонали 5", FHD — при 5.5".
4. Какое бы хорошее стекло ни стояло, все равно, наклейте поверх защитную пленку, а лучше специальное стекло.
P.S. В статье не рассказывается про строение пикселя дисплея. Тема интересная и объемная, ей мы посвятим отдельный материал.
iPhone 2G был первым мобильным телефоном, управление которым полностью строилось на взаимодействии с сенсорным экраном. С момента его презентации прошло больше десяти лет, но многие из нас все еще не знают, как устроен Touchscreen. А ведь мы сталкиваемся с этим интуитивным средством ввода не только в смартфонах, но и в банкоматах, платежных терминалах, компьютерах, автомобилях и самолетах - буквально повсюду.
До тачскринов самым распространенным интерфейсом для ввода команд в электронные устройства были различные клавиатуры. Хотя, кажется, что у них с тачскринами нет ничего общего, на самом деле то, насколько сенсорный экран по принципам работы схож с клавиатурой, может удивить. Давайте рассмотрим их устройство в деталях.
Клавиатура представляет собой печатную плату, на которой устанавливается несколько рядов переключателей-кнопок. Вне зависимости от их конструкции, мембранной или механической, при нажатии каждой из клавиш происходит одно и то же. На компьютерной плате под кнопкой замыкается электрическая цепь, компьютер регистрирует прохождение тока в этом месте схемы, «понимает», какая клавиша нажата и выполняет соответствующую ей команду. В случае с сенсорным экраном происходит почти тоже самое.
Существует порядка десятка различных видов сенсорных экранов, однако большинство из этих моделей или давно устарело и не используется, или относится к экспериментальным и вряд ли когда-нибудь появится в серийных устройствах. Прежде всего, я расскажу об устройстве актуальных технологий, тех из них, с которыми постоянно взаимодействуете или хотя бы можете столкнуться в повседневной жизни.
Резистивные сенсорные экраны изобретены еще в 1970 году и с тех пор изменились мало.
В дисплеях с такими сенсорами над матрицей располагается пара дополнительных слоев. Впрочем, оговорюсь, матрица здесь вовсе не обязательна. Первые резистивные сенсорные устройства не были экранами вовсе.
Нижний сенсорный слой состоит из стеклянной основы и называется резистивным слоем. На него наносится прозрачное металлическое покрытие, хорошо передающее ток, например, из такого полупроводника, как оксид индия-олова. Верхний слой тачскрина, с которым взаимодействует пользователь нажимая на экран, сделан из гибкой и упругой мембраны. Он называется проводящим слоем. В пространстве между слоями оставляют воздушную прослойку, либо равномерно усеивают его микроскопическими изолирующими частицами. По краям к сенсорному слою подводится четыре, пять или восемь электродов, связывающих его с датчиками и микроконтроллером. Чем больше электродов, тем выше чувствительность резистивного такчскрина, поскольку изменение напряжения на них постоянно отслеживается.
Контроллер тачскрина обнаруживает изменения напряжения и считывает показания с электродов. Четыре, пять, восемь значений и все разные. По разнице в показаниях между правым и левым электродами микроконтроллер вычислит X-координату нажатия, а по различиям в напряжении на верхнем и нижнем электродах, определит Y-координату и, таким образом, сообщит компьютеру точку, в которой слои сенсорного слоя экрана соприкоснулись.
Резистивные сенсорные экраны могут похвастать длинным перечнем недостатков. Так, они в принципе не способны распознать двух одновременных нажатий, не говоря уже о большем числе. Они плохо ведут себя на холоде. Из-за необходимости в прослойке между слоями сенсора, матрицы таких экранов заметно теряют в яркости и контрастности, склонны бликовать на солнце, и в целом выглядят заметно хуже. Тем не менее, там, где качество изображения играет второстепенную роль, их продолжают применять в силу устойчивости к загрязнениям, возможности использования в перчатках и, что самое главное, низкой стоимости.
Такие средства ввода повсеместно монтируются в недорогих массовых устройствах, вроде информационных терминалов в общественных местах и все еще встречаются в устаревающих гаджетах, типа дешевых MP3-плееров.
Следующим, куда менее распространенным, но, тем не менее, актуальным вариантом сенсорного экрана является инфракрасный тачскрин. Он не имеет ничего общего с резистивным сенсором, хотя и выполняет схожие функции.
Инфракрасный тачскрин сконструирован из массивов светодиодов и светочувствительных фотоэлементов, расположенных на противоположных сторонах экрана. Светодиоды подсвечивают поверхность экрана невидимым инфракрасным светом, образуя на ней нечто вроде паутины или координатной сетки. Это напоминает охранную сигнализацию, какой ее показывают в шпионских боевиках или компьютерных играх.
Когда к экрану что-то прикасается, не важно палец это, рука в перчатке, стилус, или карандаш, два или более луча прерываются. Фотоэлементы фиксируют это событие, контроллер тачскрина выясняет, какие из них недополучают инфракрасный свет и по их положению вычисляет зону экрана, в которой возникло препятствие. Остальное - сопоставить прикосновение с тем, какой элемент интерфейса находится на экране в этом месте - задача программного обеспечения.
Сегодня с инфракрасными сенсорными экранами можно столкнуться в тех гаджетах, чьи экраны обладают нестандартной конструкцией, там, где добавлять дополнительные сенсорные слои технически сложно или нецелесообразно - в электронных книгах на базе дисплеев E-link, например, Amazon Kindle Touch и Sony Ebook. Кроме того, устройства с подобными сенсорами из-за простоты и ремонтопригодности приглянулись военным.
Если в резестивных сенсорных экранах компьютер регистрирует изменение проводимости, последовавшее за нажатием на экран, непосредственно между слоями сенсора, то емкостные сенсоры фиксируют прикосновение непосредственно.
Человеческое тело, кожа - хорошие проводники электричества и обладают электрическим зарядом. Обычно это замечаешь пройдясь по шерстяному ковру или сняв любимый свитер, а затем прикоснувшись к чему-либо металлическому. Все мы знакомы со статическим электричеством, испытывали его действие на себе и видели крошечные искры, срывающиеся с наших пальцев в темноте. Более слабый, незаметный обмен электронами между человеческим телом и различными проводящими поверхностями происходит постоянно и именно его фиксируют емкостные экраны.
Первые такие тачскрины назывались поверхностно-емкостными и были логичным развитием резистивных сенсоров. В них всего один проводящий слой, похожий на тот, что использовался ранее, устанавливался прямо поверх экрана. К нему также присоединялись чувствительные электроды, на этот раз по углам сенсорной панели. Следящие за напряжением на электродах датчики и их программное обеспечение были сделаны заметно чувствительнее и теперь могли улавливать малейшие изменения в течении электрического тока по экрану. Когда палец (другой проводящий ток предмет, например, стилус) касается поверхности с поверхностно-емкостным тачскрином, проводящий слой немедленно начинает обмениваться с ним электронами, а микроконтроллер это замечает.
Появление поверхностно-емкостных тачскринов стало прорывом, однако из-за того, что нанесенный прямо поверх стекла токопроводящий слой было легко повредить, они не были пригодны для устройств нового поколения.
Верхний слой экрана с тачскрином этого типа выполняет защитную функцию и может быть сделан из закаленного стекла, например, знаменитого Gorilla Glass. Ниже располагаются тончайшие электроды, образующие сетку. Поначалу их накладывали друг на друга в два слоя, затем для уменьшения толщины экрана стали располагать на одном уровне.
Выполненные из полупроводниковых материалов, в том числе уже упоминавшегося оксида индия-олова, эти токопроводящие волоски создают электростатическое поле в местах своего пересечения.
Поскольку массив электродов делается достаточно мелким и плотным, такая система способна отслеживать касание очень точно и без проблем улавливает сразу несколько прикосновений. Кроме того, отсутствие дополнительных слоев и прослоек в бутерброде из матрицы, сенсора и защитного стекла положительно сказывается на качестве изображения. Правда, по той же причине, разбитые экраны, как правило, заменяются полностью. Однажды собранный воедино, экран с проекционно-емкостным сенсором чрезвычайно сложно поддается ремонту.
Сейчас преимущества проекционно-емкостных тачскринов не звучат, как что-то удивительное, но на момент презентации iPhone они обеспечили технологии колоссальный успех, несмотря на объективные минусы - чувствительность к загрязнениям и влажности.
Идейным предшественником сенсорных экранов, чувствительных к давлению, стала фирменная технология Apple, под названием Force Touch, применявшаяся в умных часах компании, MacBook, MackBook Pro и Magic Trackpad 2.
Опробовав на этих устройствах интерфейсные решения и различные сценарии использования распознавания силы нажатия, Apple начала внедрение похожего решения в свои смартфоны. В iPhone 6s и 6s Plus распознавание и измерение давления стало одной из функций тачскрина и получило коммерческое наименование 3D Touch.
Для того, чтобы научить емкостной сенсорный экран распознавать нажатия и различать несколько степеней давления, инженерам из Купертино потребовалось пересобрать бутерброд сенсорного экрана. Они внесли изменения в отдельные его части и добавили к емкостному еще один, новый слой. И, что интересно, делая это, они явно вдохновлялись устаревшими резистивными экранами.
На этой разработке можно было закончить материал, повествующий о сенсорных экранах, если бы не еще одна технология, которой несколько лет назад прочили большое будущее.
Неожиданно, но они не используют электричество и даже не имеют ничего общего со светом. Технология Surface Acoustic Wave system для определения точки прикосновения применяет поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности экрана. Ультразвук, создаваемый пьезоэлектрическими элементами по углам, слишком высок для того, чтобы его мог уловить человеческий слух. Он распространяется взад и вперед, многократно отражаясь от краев экрана. Звук анализируется на предмет аномалий, создаваемых прикасающимися к экрану предметами.
Недостатков у волновых сенсорных экранов не много. Они начинают ошибаться после сильного загрязнения стекла и в условиях сильного шума, но, при этом, в экранах с таким сенсором нет дополнительных слоев, увеличивающих толщину и влияющих на качество изображения. Все компоненты сенсора прячутся под рамкой дисплея. Кроме того, волновые сенсоры позволяют точно подсчитывать площадь соприкосновения экрана с пальцем или другим предметом и по этой площади косвенно рассчитать силу нажатия на экран.
Мы уже вряд ли столкнемся с этой технологией в смартфонах из-за нынешней моды на безрамочные дисплеи, но несколько лет назад компания Samsung экспериментировала с Surface Acoustic Wave system в моноблоках, а в качестве комплектующих для игровых автоматов и рекламных терминалов панели с акустическими тачскринами продаются и сейчас
Если зайти в современный магазин мобильных телефонов и ознакомиться с предлагаемой продукцией, то в спецификациях к большинству устройств на витринах будет указано: «Тип экрана - емкостный». Тем, кто часто меняет мобильные аппараты связи, этот термин хорошо знаком, но что делать, если человек не стремился покупать все самое новое, отдавая предпочтение проверенным решениям?
Он может лишь теряться в догадках: "Емкостный экран - что это такое?"
Технология ввода данных
Принцип сенсорного набора сейчас используется повсеместно. К примеру, банкоматы или аппараты для внесения различных видов оплат, на панелях которых размещено минимум кнопок, а ввод нужных цифр происходит посредством нажатия на соответствующее изображение, можно встретить практически в каждом крупном магазине. впервые были предложены еще в семидесятых годах, однако распространения они не получили из-за недостаточной точности распознавания зоны нажатия и сложности реализации. Но работы по совершенствованию данного решения продолжались.
Сенсоры в телефонах
Когда появились модели мобильных устройств связи с большими экранами, сразу возник вопрос об эргономике. Конечно, можно было уменьшить и без того небольшой блок кнопок, но на удобстве пользования это сказалось бы самым негативным образом. Применялись компромиссные решения - так называемые «слайдеры», однако это слишком утолщало устройство и делало его менее надежным из-за необходимости использовать механическое подвижное соединение. Производители начали поиск решения. И оно было найдено. Им оказались к тому времени существенно усовершенствованные и идеально подходящие для телефонов.
Сопротивляясь нажатию
Первые модели подобных экранов были выполнены по резистивному принципу. Благодаря ряду особенностей, такие сенсоры используются и сейчас. состоит из двух полностью прозрачных пластин: наружная, на которую приходятся нажатия, сделана гибкой, а внутренняя, наоборот, жесткая. Пространство между ними заполнено прозрачным диэлектрическим материалом. На обе пластины с внутренних сторон нанесен путем напыления проводящий электрический ток слой. Он специальным образом подключен проводниками к контроллеру, постоянно подающему низкое напряжение на слои. Весь этот «бутерброд» закреплен на основном дисплее. Когда человек нажимает на участок экрана, пластины соприкасаются в определенной точке, возникает ток. Определив величины сопротивления по двум декартовым осям, можно с достаточной точностью узнать, где именно произошло нажатие. Эти данные передаются работающей программе, которая дальше их обрабатывает.
Резистивные сенсоры недороги в производстве, отлично работают при низких температурах.
Емкостные экраны
Намного более совершенны сенсоры, работающие по емкостному принципу. Тачпады в ноутбуках - яркий пример подобных решений. На иностранных сайтах в характеристиках телефонов с такой технологией указано «Capacity». В отличие от вышеописанного резистивного решения, здесь механическое нажатие совершенно не принципиально. В данном случае используется свойство тела человека накапливать выступая в роли классического конденсатора. Емкостные экраны более долговечны, обладают отличной «отзывчивостью». Существует два способа реализации: поверхностный и проекционный. В первом случае на поверхность стекла или пластика нанесен прозрачный слой токопроводящего материала. На нем постоянно находится электрический потенциал от контроллера. Достаточно прикоснуться пальцем к точке экрана, как происходит утечка от батареи в тело человека. Ее можно легко определить, а координаты передать работающей программе. Проекционные емкостные экраны работают иначе. За внешним стеклом дисплея находится сетка прозрачных элементов сенсора (их можно увидеть при определенном угле и освещении). Если прикоснуться к точке, то фактически, будет сформирован конденсатор, одной из обкладок которого выступает палец пользователя. Емкость в цепи определяется контроллером и вычисляется. Данное решение позволяет реализовать технологию «мультитач».
