Что лучше: резистивный или емкостной экран? Типы сенсорного экрана. Какой лучше
Если вы не относитесь к числу подкованных в техническом плане пользователей и перед вами в скором будущем станет вопрос выбора мобильного телефона или смартфона с сенсорным экраном, наверняка, читая спецификации мобильных устройств вы встретите такие термины, как «емкостный экран» или «резистивный экран». И тут вам в голову придет вполне логичный вопрос – какой из них лучше: резистивный или емкостный? Давайте выясним, чем отличаются сенсорные дисплеи, какие их виды существуют и в чем заключаются их преимущества и недостатки.
РЕЗИСТИВНЫЕ ЭКРАНЫ
Если говорить доступным языком, избегая мудрых технических терминов и оборотов, то резистивный сенсорный экран представляет собой гибкую прозрачную мембрану, на которую нанесено токопроводящее (иначе говоря – резистивное) покрытие. Под мембраной находится стекло, также покрытое токопроводящим слоем. Принцип действия резистивного экрана состоит в том, что при нажатии на экран пальцем или стилусом происходит замыкание стекла с мембраной в конкретной точке. Микропроцессор фиксирует изменение напряжения мембраны и вычисляет координаты касания. Чем точнее нажатие, тем процессору проще вычислить точные координаты. Поэтому с резистивными экранами на много проще работать со стилусом.
Основные преимущества резистивных экранов заключаются в том, что они сравнительно дешевы в производстве, а также в том, что данный тип дисплея реагирует на нажатие любыми предметами. Это очень полезно при проведении презентаций, тем более что цены на проекторы сегодня падают с каждым днем.
Недостатки резистивных экранов таковы: невысокая прочность; небольшая долговечность (порядка 35 млн. нажатий на точку); невозможность реализации ; большое число ошибок при обработке таких жестов, как скольжение, перелистывание.
Так какой экран лучше: резистивный или емкостный?
Если вы внимательно прочитали данную статью, то без проблем сможете и сами сделать вывод. Я же лишь скажу о том, что спор это обречен на провал. Некоторым пользователям нравится работать со стилусом и они не приемлют емкостные дисплеи. Но все же большинству комфортнее управлять устройством, оборудованным емкостным экраном – это удобнее, да и возможность мультитача решает многое. Ведь не спроста все современные смартфоны и планшеты, работающие под управлением Android, имеют именно емкостные дисплеи.
Статьи по теме:
Пользователи, никогда ранее не имевшие дела с операционной системой Android и купив смартфон на базе данной операционки, не редко сталкиваются с раз...
Всевозможных программ и игр для Android великое множество. Поэтому у большинства владельцев Androad-смартфонов в аппаратах установлено достаточно бо...
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:
- Слоя жидких кристаллов, которые пропускают свет.
- Активной матрицы, отвечающей за формирование изображения. Ее самой распространённой разновидностью является TFT, которая управляется с помощью тонкослойных транзисторов.
- Светофильтров для получения цветного изображения. Как правило, это система RGB - красный, зелёный и синий
- Источника света. Может быть как активным (смартфоны, телевизоры, мониторы и т.д.), так и пассивным - калькуляторы, электронные часы.
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:
- Просто IPS - постепенно отмирает, главным недостатком является большое время отклика активного пикселя. Но еще очень часто используется в бюджетных смартфонах.
- AS-IPS - продвинутая IPS, характеризующаяся более высокой степенью контрастности
- IPS-pro - cследующий шаг в развитии с более высокой яркостью и цветопередачей. Этот дисплей в основном нашел свое применение во флагманских гаджетах.
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:
- AMOLED (ActiveMatrixOLED) - использует органические светодиоды, которые управляются матрицей на основе тонкопленочных транзисторов (TFT). Интересной особенностью является формирование чёрного цвета - светодиоды просто отключаются, и в результате получается настоящий глубокий черный цвет, при этом уменьшается энергопотребление устройства в целом. Вот почему в смартфонах с AMOLED экранами рекомендуют темные темы оформления.
- SuperAMOLED - усовершенствованный AMOLED. Эта технология предусматривает отсутствие воздушной прослойки между экраном и сенсором. В результате чего уменьшается толщина дисплея, повышается цветопередача и яркость. Такие экраны очень широко применяет в своих флагманах компании Samsung, Motorola и другие.
- FOLED (Flexible OLED) - технология позволяющая создавать гибкие дисплеи на основе органических кристаллов. Яркий представитель такой реализации это линейка смартфонов Edge от Samsung.
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:
- Малая толщина экрана
- Низкое энергопотребление
- Очень быстрый отклик
- Высокая контрастность
- Возможность создания гибких дисплеев
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:
- Резистивный сенсор - состоит из стеклянной пластины и мембраны, на которую нанесено резистивное покрытие. Когда мы нажимаем пальцем на экран, мембрана и пластина замыкаются и передают координаты нажатия микропроцессору. Их преимущество в том, что такой сенсор будет реагировать на любой предмет. А также он прост и дешев в изготовлении. К недостаткам стоит отнести плохую защищенность, светопроницаемость и долговечность. Широко использовался в первых КПК и смартфонах. На сегодня это уже редкость.
- Емкостный сенсор - принцип работы состоит в том, что при прикосновении нашего пальца к стеклу, на которое нанесен электропроводный слой, происходит утечка тока. И место наибольшей утечки (точка контакта пальца со стеклом) регистрируется специальным контроллером. Такие сенсоры более прозрачные, нежели резистивные, а также выдерживают более 200 миллионов нажатий. Но на прикосновение, например, в перчатках, они не реагируют. Емкостный сенсор устанавливается в основном в бюджетных моделях смартфонов.
- Следующим шагом развития стали проекционно-ёмкостные сенсорные экраны. На стекло такого экрана наносится сетка электрода (на дешевых китайских телефонах ее можно даже увидеть), которая вместе с пальцем человека образует конденсатор. Специальная электроника измеряет его емкость и определяет точку, в которой было соприкосновение. Плюсы в очень большой долговечности, чувствительности, а также такая технология позволяет распознавать одновременно несколько нажатий, иными словами, поддерживает мультитач. Недостаток заключается в необходимости сложной электроники по обработке сигнала, а исходя из этого и дороговизне. В очень многих современных гаджетах используется именно такой тип сенсора.
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.
Статья:Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.
Предисловие
В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.
Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.
Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.
В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.
Основные составные части дисплея
Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.
Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.
Начнем с сенсорной
поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним
слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее
нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия
такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между
вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца
пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать
изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно
для этого используется оксид индия-олова).
Существуют также и сенсорные
поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже
"сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные
поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch
-дисплеи).
Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия
на экран.
Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может
быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS
- one
glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству,
поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников
света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих
поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей -
три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом
преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец,
снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и
последней границ.
В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".
Хотя
собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие
характеристики; есть у него
и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в
"обычном" дисплее
(без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная
поверхность), то при ударе дисплея
с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не
всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS
абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась
только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с
отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в
сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.
Экран
Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.
Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).
Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.
Немного детальнее об этом процессе.
Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.
Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.
Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:
(использовано изображение из
нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)
Поворот поляризации света
происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного
напряжения.
Чем больше совпадут направления
поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем
больше в итоге проходит света через всю систему.
Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.
На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.
Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).
Подсветка
Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.
Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.
Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).
В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.
Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.
Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:
Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей
мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая
трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху -
срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для
обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной"
пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и
клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от
кнопок).
Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:
В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий
белый светодиод подсветки.
Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:
Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:
Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.
Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:
Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.
Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.
Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.
В более старых
жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки
использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL,
Cold Cathode Fluorescent Lamp)
.
Структура дисплеев AMOLED
Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).
Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.
Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.
Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.
Еще совсем недавно мало кто мог поверить в то, что телефоны с привычными кнопками уступят место устройствам, которые управляются с помощью прикосновения к экрану. Но времена меняются и спрос на кнопочные телефоны постепенно падает, а на смартфоны - растет.
Термин «тачскрин» образовался от двух слов - Touch и Screen, что в переводе с английского языка переводится как «сенсорный экран». Да, именно так - тачскрин и есть сенсорный экран, к которому вы прикасаетесь, когда пользуетесь своим смартфоном или планшетом. На деле же сенсорные экраны встречаются не только в мире мобильной техники. Так, вы могли видеть их при внесении средств на счет мобильного устройства через терминал, в банкомате, в билетных устройствах и т.д.
Своим появлением touch-screen обязан западным учёным. Самые первые образцы появились на свет во второй половине 60-ых годов прошлого века. На основании этого можно сделать вывод о том, что тачскрин используется вот уже более 40 лет. До появления смартфонов они использовались в банкоматах и т.д. В настоящий момент каждый человек, который пользуется сотовой связью, автомобильными навигаторами, посещает банки и магазины, сталкивается с данной технологией, порой даже не догадываясь о том, как она называется. Итак, мы разобрались в том, что такое тачскрин в телефонах. По сути, это то же самое, что и дисплей, реагирующий на касание пальцев. Он прекрасно используется вместо клавиатуры и активно применяется в мобильных технологиях. К достоинствам тачскрин можно отнести защиту от пыли, влаги и прочих неблагоприятных факторов окружающей среды, а также высокую степень надёжности. Если наше сенсорное устройство не всегда реагирует на касание, либо и вовсе отказывается это делать, к примеру, не желает менять яркость на iPad, скорее всего, из строя вышел именно touch-screen. Стоит он относительно недорого (особенно если нас интересует резистивный дисплей), и заменить его легко.
Основа тачскрина
Основа любого тачскрина - это матрица на жидких кристаллах, которая фактически является уменьшенной копией той, что находится в мониторе. На обратной стороне расположены диоды подсветки, а на лицевой - ряд слоев, которые фиксируют нажатие (резистивный экран) или прикосновение (емкостной экран).
Человек, который хорошо разбирается в том, что такое тачскрин, понимает, что большая часть произведенных устройств использует резистивный сенсорный экран. Это следует из их дешевизны и относительной простоты конструкции. Многие китайские «смартфоны», заполонившие рынок, имеют резистивный тип экрана, технология изготовления которого, кстати, появилась раньше, чем емкостная.
Виды сенсорных экранов
Сенсорные экраны подразделяются на резистивные, матричные, проекционно-ёмкостные, сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах, инфракрасные, оптическиие, тензометрические, сенсорные экраны DST и индукционные.
Резистивные сенсорные экраны
Подразделяются на четырехпроводные и пятипроводные.
Сенсор резистивного экрана состоит из двух прозрачных пластмассовых пластин с тонкой токопроводящей сеткой, которые находятся на поверхности обычного жидкокристаллического экрана. Между пластинами - прозрачный диэлектрический слой. Программа выводит графический интерактивный интерфейс, который благодаря прозрачным материалам на матрице хорошо видно. Отвечая на запрос программы, пользователь нажимает на нужную точку интерфейса (например, изображение кнопки). - Расходится пластичный диэлектрик расходится, соприкасаются пластмассовые пластины, подавая ток с электрода одной на сетку другой. Появление тока фиксируется регистрирующим контроллером, который в соответствии с сеткой координат определит точку нажатия. Координаты точки поступают в программу и обрабатываются по заложенным алгоритмам.
Четырёхпроводной экран
Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микро-изоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:
На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко, и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.
Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надёжности.
Пятипроводной экран
Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.
Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.
Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:
На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.
Резистивные сенсорные экраны дёшевы и стойки к загрязнению. Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым гладким твёрдым предметом: рукой (голой или в перчатке), пером, кредитной картой, медиатором. Их используют везде, где вандализм и низкие температуры не исключены: для автоматизации промышленных процессов, в медицине, в сфере обслуживания (POS-терминалы), в персональной электронике (КПК). Лучшие образцы обеспечивают точность в 4096×4096 пикселей.
Недостатками резистивных экранов являются низкое светопропускание (не более 85% для 5-проводных моделей и ещё более низкое для 4-проводных), низкая долговечность (не более 35 млн нажатий в одну точку) и недостаточная вандалоустойчивость (плёнку легко разрезать).
Матричные сенсорные экраны
Конструкция аналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану - вертикальные.
При прикосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет, какие проводники замкнулись, и передаёт в микропроцессор соответствующие координаты.
Имеют очень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специально располагать с учётом клеток матричного экрана. Единственное достоинство - простота, дешевизна и неприхотливость. Обычно матричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрице кнопок); это позволяет наладить мультитач. Постепенно заменяются резистивными.
Ёмкостные сенсорные экраны
Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.
Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.
В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток - это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.
Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят токонепроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90%. Впрочем, проводящее покрытие, расположенное прямо на внешней поверхности, всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, лишь установленных в защищённом от непогоды помещении. Не реагируют на руку в перчатке.
Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран, например, iPhone является проекционно-ёмкостным, а не ёмкостным.
Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны
На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).
Компания Samsung сумела установить чувствительные электроды прямо между субпикселями AMOLED-экрана, это упрощает конструкцию и повышает прозрачность.
Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁСЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны широко применяются и в персональной электронике, и в автоматах, в том числе установленных на улице. Многие разновидности поддерживают мультитач.
Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах
Экран представляет собой стеклянную панель с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), находящимися по углам. По краям панели находятся отражающие и принимающие датчики. Принцип действия такого экрана заключается в следующем. Специальный контроллер формирует высокочастотный электрический сигнал и посылает его на ПЭП. ПЭП преобразует этот сигнал в ПАВ, а отражающие датчики его соответственно отражают.
Эти отражённые волны принимаются соответствующими датчиками и посылаются на ПЭП. ПЭП, в свою очередь, принимают отражённые волны и преобразовывают их в электрический сигнал, который затем анализируется с помощью контроллера. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, а микроконтроллер вычисляет положение точки касания. Реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористая резина).
Главным достоинством экрана на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является возможность отслеживать не только координаты точки, но и силу нажатия (здесь, скорее, способность точно определять радиус или область нажатия), благодаря тому, что степень поглощения акустических волн зависит от величины давления в точке касания (экран не прогибается под нажатием пальца и не деформируется, поэтому сила нажатия не влечет за собой качественных изменений в обработке контроллером данных о координатах воздействия, который фиксирует только область, перекрывающую путь акустических импульсов).
Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как свет от отображающего прибора проходит через стекло, не содержащее резистивных или проводящих покрытий. В некоторых случаях для борьбы с бликами стекло вообще не используется, а излучатели, приёмники и отражатели крепятся непосредственно к экрану отображающего устройства. Несмотря на сложность конструкции, эти экраны довольно долговечны. По заявлению, например, американской компании Tyco Electronics и тайваньской фирмы GeneralTouch, они выдерживают до 50 млн касаний в одной точке, что превышает ресурс 5-проводного резистивного экрана.
Экраны на ПАВ применяются, в основном, в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Как правило, экраны ПАВ различают на обычные - толщиной 3 мм, и вандалостойкие - 6 мм. Последние выдерживают удар кулаком среднего мужчины или падение металлического шара весом 0.5 кг с высоты 1.3 метра (по данным Elo Touch Systems). На рынке предлагаются варианты подключения к компьютеру как через интерфейс RS232, так и через интерфейс USB. На данный момент большей популярностью пользуются контроллеры к сенсорным экранам ПАВ, поддерживающие и тот, и другой тип подключения - combo (данные Elo Touch Systems).
Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбои в работе при наличии вибрации или при воздействии акустическими шумами, а также при загрязнении экрана. Любой посторонний предмет, размещённый на экране (например, жевательная резинка), полностью блокирует его работу. Кроме того, данная технология требует касания предметом, который обязательно поглощает акустические волны, - то есть, например, пластиковая банковская карточка в данном случае неприменима.
Точность этих экранов выше, чем матричных, но ниже, чем традиционных ёмкостных. Для рисования и ввода текста они, как правило, не используются.
Инфракрасные сенсорные экраны
Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост - сетка, сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами, прерывается при касании к монитору любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.
Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения, например, в электронных книгах. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Часто на таком принципе делают клавиатуры домофонов. Данный тип экрана применяется в обильных телефонах компании Neonode.
Оптические сенсорные экраны
Стеклянная панель снабжена инфракрасной подсветкой. На границе «стекло-воздух» получается полное внутреннее отражение, на границе «стекло - посторонний предмет» свет рассеивается. Остаётся заснять картину рассеивания, для этого существуют две технологии:
В проекционных экранах рядом с проектором ставится камера.
Так устроен, например, Microsoft PixelSense.
Либо светочувствительным делают дополнительный четвёртый субпиксель ЖК-экрана.
Позволяют отличить нажатия рукой от нажатий какими-либо предметами, есть мультитач. Возможны большие сенсорные поверхности, вплоть до классной доски.
Тензометрические сенсорные экраны
Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Основное применение - банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.
Сенсорные экраны DST
Сенсорный экран DST (Dispersive Signal Technology) регистрирует пьезоэлектрический эффект в стекле. Возможно нажатие на экран рукой или любым предметом.
Отличительной особенностью является высокая скорость реакции и возможность работы в условиях сильного загрязнения экрана. Однако палец должен двигаться, неподвижный палец система не замечает.
Человечество всегда любило делиться на группы: католики и протестанты, вегетарианцы и мясоеды, поклонники сенсорных экранов и те, кто не испытывает к ним особой тяги. К счастью, техно-гики вряд ли развяжут войну или крестовый поход против тех, кто не разделяет их точку зрения, несмотря на то, что армия приверженцев «пальцеориентированных» интерфейсов растет со скоростью развития самой технологии. Как же это все устроено?
Смартфоны и планшеты: как работает экран?
Первый сенсорный экран появился 40 лет назад в США. Сетка ИК-лучей, состоявшая из 16х16 блоков, была установлена в компьютерную систему Plato IV. Первый телевизор с сенсорным экраном показали на всемирной ярмарке 1982 года, спустя год презентовали первый персональный компьютер HP-150. В телефонах сенсорные экраны появились гораздо позже: в 2004 году на 3GSM Congress (так в то время называли выставку Mobile World Congress) компания Philips представила на суд журналистов три модели (Philips 550, 755 и 759). В то время операторы сотовой связи возлагали большие надежды на сервис MMS, поэтому основные функции сенсорного экрана сводились к развлекательным: для того чтобы сделать MMS более эмоциональными, разработчики предлагали пользователям обрабатывать фото с помощью стилуса – подписывать, пририсовывать детали – и только потом отправлять адресату.
Тогда же появилась возможность пользоваться виртуальной клавиатурой, но так как все модели обладали цифровой, а сенсорный экран значительно увеличивал стоимость устройств, про них на время забыли. Через год появился Fly X7 – полностью сенсорный бесклавиатурный моноблок, к сожалению, с рядом аппаратных недоработок, которые вкупе с тогдашней безызвестностью брэнда похоронили его среди ничем не примечательных моделей. И это были не единственные попытки создать что-то новое, однако несмотря на ряд предшественников, первыми полноценными «пальцеориентированными» моделями можно назвать лишь Apple iPhone, LG KE850 PRADA и линейку HTC Touch, появившуюся на рынке в 2007 году. Именно они положили начало эре сенсорных телефонов.
Строго говоря, сенсорный элемент экраном не является – это проводящая поверхность, которая работает в паре с экраном и позволяет вводить данные с помощью пальца или иного предмета.
Как экран распознает касание?
Существует множество типов сенсорных экранов, но мы остановимся только на тех, которые широко используются в мобильных устройствах: смартфонах и планшетах.
Резистивный дисплей состоит из гибкой пластиковой мембраны и стеклянной панели, пространство между которыми заполнено микроизоляторами, которые изолируют токопроводящую поверхность. Когда вы нажимаете на экран пальцем или стилусом, панель и мембрана замыкаются, а контроллер регистрирует изменение сопротивления, ориентируясь на которое умная электроника определяет координаты нажатия. Основные плюсы – дешевизна и простота изготовления, что позволяет снизить рыночную стоимость конечного устройства.
Также к несомненным преимуществам можно отнести то, что экран реагирует на любое нажатие – при работе с ним не обязательно использовать специальный токопроводящий стилус или палец, для этого вполне подойдет авторучка или любой другой предмет, которым вы сможете надавить на определенную точку экрана. Резистивный экран устойчив к загрязнениям. Ряд операций можно провести даже рукой в перчатке – например, ответить на звонок в холодное время года. Однако не обошлось и без недостатков. Резистивный экран легко царапается, поэтому его желательно закрывать специальной защитной пленкой, что в свою очередь не лучшим образом сказывается на качестве изображения. Более того, эти царапины имеют свойство увеличиваться в размерах.
Экран обладает невысокой прозрачностью – пропускает всего 85% света, исходящего от дисплея. При низких температурах экран «подмерзает» и хуже реагирует на нажатия, не очень долговечен (35 млн нажатий в одну точку). Предтечей резистивных экранов были матричные сенсорные, основу которых составляла сенсорная сетка: на стекло наносились горизонтальные проводники, на мембрану – вертикальные. При прикосновении к экрану направляющие замыкались и указывали координаты точки. Эта технология используется до сих пор, но в смартфонах ее уже практически не встретишь.
Схема резистивного экрана
Технология емкостных экранов основана на том, что человек обладает большой электрической емкостью и способен проводить ток. Для того чтобы все работало, на экран наносится тонкий токопроводящий слой, а к каждому из четырех углов подводится слабый переменный ток небольшой величины. При прикосновении к экрану происходит утечка точка, которая зависит от того, насколько далеко от угла дисплея произошло касание. По этой величине и определяются координаты точки. Такие экраны более устойчивы к царапинам, не пропускают жидкость, более долговечны (около 200 млн нажатий) и прозрачны по сравнению с резистивными, к тому же, реагируют на легчайшие прикосновения. Однако у этого есть и свои минусы – во время разговора можно неловко задеть телефоном ухом и запросто запустить какое-нибудь приложение, рукой в перчатке на звонок не ответишь – электропроводимость не та. Более высокая стоимость экрана, разумеется, сказывается на цене устройства.
Схема емкостного экрана
Как работает мой "айфон"?
К более продвинутым разновидностям емкостных экранов относятся проекционно-емкостные. На внутреннюю поверхность стекла наносится электрод, в качестве второго электрода выступает человек. При прикосновении к экрану образуется конденсатор, измеряя емкость которого можно определить координаты нажатия. Так как электрод нанесен на внутреннюю поверхность экрана, тот весьма устойчив к загрязнениям; слой стекла может достигать 18 мм, что позволяет значительно повысить срок жизни дисплея и устойчивость к механическим повреждениям.
Одна из самых интересных фишек проекционно-емкостных экранов – поддержка технологии мультитач. Также они обладают большой чувствительностью и имеют относительно широкий температурный диапазон работы, но с рукой в перчатке взаимодействуют по-прежнему не очень. Казалось бы, это может смутить потенциальных покупателей, однако несколько лет назад кто-то из предприимчивых корейских фанатов iPhone догадался использовать в качестве стилуса обыкновенную сосиску, электропроводимость которой позволяла ответить на звонок. Неоднозначный тренд вызвал бурю восторга на форумах и привлек внимание производителей аксессуаров, которые запустили в продажу специальный стилус-сосиску. Перед обычной сосиской у него есть как минимум один плюс – он не оставляет жирных следов на экране девайса.
Схема проекционно-емкостного экрана
Вне зависимости от технологии работы экрана, у него есть ряд типичных характеристик. Помимо разрешения, к основным характеристикам экрана можно отнести угол обзора и цветопередачу, которая зависит от типа дисплея. Понятие цветопередачи неразрывно связано с «глубиной цвета» - термином, обозначающим объем памяти в количестве бит, используемых для хранения и передачи цвета. Чем больше бит, тем глубже цвета. Современные LCD-дисплеи в смартфонах и планшетах отображают 18-битный цвет (более 262 тысяч оттенков). Максимально возможным на данный момент является 24-битный TrueColor, который способен воспроизвести более 16 млн оттенков в AMOLED и IPS-матрицах.
Угол обзора, как и любой угол, измеряется в градусах и характеризует величину, при которой яркость и читаемость экрана падает не больше, чем в два раза, если смотреть на него прямо перпендикулярно. Этой характеристикой обладают LCD-дисплеи, но не OLED.
Сравнение медиаплееров: плюсы и минусы
| Модель
|
Тип экрана
|
Недостатки
|
Достоинтсва
|
| |
Проекционно-емкостный
|
|
|
| |
AMOLED |
|
|
|
|
|
|
|
| TFT TN |
|
|
|
| |
IPS
|
|
|
ZOOM.CNews
Типы экранов смартфонов и планшетов
На данный момент при производстве смартфонов и планшетов, как правило, используются либо LCD, либо OLED-дисплеи.
В основе LCD-экранов лежат жидкие кристаллы, которые не обладают собственным свечением, поэтому в ультимативном порядке требуют лампу задней подсветки. Под внешним воздействием (температурным или электрическим) кристаллы могут изменять структуру и становиться непрозрачными. Управляя током, на дисплее можно создавать надписи или картинки.
Схема ЖК-пикселя
Дисплеи на жидких кристаллах, используемые в смартфонах и планшетах, в большинстве своем имеют активную матрицу (TFT). В TFT-матрицах используются прозрачные тонкопленочные транзисторы, которые располагаются прямо под поверхностью экрана. За каждую точку изображения отвечает отдельный транзистор, поэтому картинка обновляется быстро и непринужденно.
С появлением LCD TFT-матриц время отклика дисплея значительно повысилось, но остались проблемы с цветопередачей, углами обзора и битыми пикселями.
Схема ЖК-пикселя
Самые распространенные TFT-матрицы - TN+film и IPS. TN+film – самая простая технология. Film – это дополнительный слой, который применяют для увеличения угла обзора. Из плюсов таких матриц – маленькое время отклика и невысокая себестоимость, минусы – плохая цветопередача и, увы, углы обзора (120-140 градусов). В IPS-матрицах (In-Plane-Switchin) удалось увеличить угол обзора до 178 градусов, повысить контрастность и цветопередачу до 24 бит и добиться глубокого черного цвета: в этой матрице второй фильтр всегда перпендикулярен первому, поэтому свет через него не проходит. Но время отклика по-прежнему осталось на низком уровне. Super-IPS является прямым наследником IPS с уменьшенным временем отклика.
PLS-матрица (Plain-to-Line Switchin) появилась в недрах компании Samsung как альтернатива IPS. К ее достоинствам можно отнести более высокую плотность пикселей, чем у IPS, высокую яркость и хорошую цветопередачу, низкое энергопотребление, большие углы обзора. Время отклика сравнимо с Super-IPS. Среди недостатков – неравномерная подсветка. Следующее поколение, Super-PLS, обскакало IPS в углах обзора на 100% и на 10% по показателям контрастности. Также эти матрицы оказались дешевле в производстве на целых 15%.
При производстве OLED-дисплеев используют органические светодиоды, которые под воздействием электричества испускают собственное свечение. По сравнению с LCD-дисплеями, у OLED – множество плюсов. Во-первых, они не используют дополнительную подсветку, а значит, аккумулятор смартфона разряжается не так быстро, как в случае с LCD. Во-вторых, OLED-дисплеи тоньше. От этой характеристики напрямую зависит толщина и дизайн девайса. К тому же, OLED-дисплеи могут быть гибкими, что предвещает отличные перспективы развития. У OLED отсутствует такой параметр как «угол обзора» - изображение хорошо просматривается с любого угла. По яркости и контрастности (1000000:1) OLED также лидирует.
Его хвалят за живые и насыщенные цвета и отдельно – за глубокий черный. Но есть, конечно, и минусы. Одним из основных можно назвать недолговечность: органические соединения неустойчивы к окружающей среде и имеют обыкновение выгорать, причем, одни цвета спектра страдают больше, чем другие. Хотя если вы меняете телефон раз в три года, вряд ли это станет аргументов против покупки. К тому же, до сих пор изготовление OLED обходится дороже, чем LCD.
Схема OLED
OLED-экраны второго поколения тоже в большинстве своем имеют активную матрицу TFT. Называются они AMOLED. Главное преимущество – еще более низкое энергопотребление, недостатки – нечитаемость картинки при ярком солнечном свете.
Схема AMOLED
Следующим шагов в развитии технологии стали SuperAMOLED-экраны, которые впервые начала использовать Samsung. Принципиальное их отличие от AMOLED состоит в том, что пленки с активными транзисторами (TFT) интегрированы в пленку из полупроводников. Это дает прирост яркости на 20%, снижение электропотребления на 20% и повышение читаемости на солнечном свете на целых 80%!
Схема SUPERAMOLED
Не стоит путать экраны, произведенные по технологии OLED, с экранами с LED-подсветкой – это совсем разные вещи. В последнем случае обычный ЖК-дисплей получает заднюю или боковую светодиодную подсветку, которая, конечно, улучшает качество изображения, но до AMOLED или SuperAMOLED все равно не дотягивает.
Что нас ждет в будущем?
На данный момент самые ясные и предсказуемые перспективы ожидают OLED-экраны. Уже сейчас в Сети можно найти информацию о технологии ближайшего будущего QLED – светодиодах на основе квантовых точек (полупроводниковый нанокристалл, который светится, когда подвергается воздействию тока или света). Сильными сторонами этой технологии являются высокая яркость, невысокая стоимость производства, широкий диапазон цветов, низкое энергопотребление. Квантовые точки, которые лежат в основе новой технологии, имеют еще одно важное свойство – они способны излучать спектрально чистые цвета. Уже сейчас этой технологии предрекают блестящее будущее. В Samsung уже разработали полноцветный 4-дюймовый QLED-дисплей, но в серийное производство новинку запускать пока не торопятся.
Прототип QLED-дисплея
Зато в Samsung подтвердили, что уже в этом году начнется серийное производство гибких OLED-дисплеев. Вероятно, первыми устройствами станут смартфоны и планшеты. Малая толщина экрана и физические свойства панели позволят существенно увеличить полезную площадь экрана и развяжут руки техно-дизайнерам.
В качестве другой перспективной технологии можно назвать IGZO, которой занимается компания Sharp. В ее основе лежат исследования профессора Хидео Хосоно, который решил присмотреться к альтернативным полупроводникам и в результате разработал технологию TAOS (Transparent Amorphous Oxide Semiconductors) - прозрачные аморфные оксидные полупроводники, которые содержат окислы индия, галлия и цинка (InGaZnO), сокращенно - IGZO. Отличия смеси от аморфного кремния, который использовался при производстве TFT, позволяет существенно снизить время отклика, значительно повысить разрешение экрана, сделать его ярче и контрастнее. Компания Apple весьма заинтересовалась перспективами этой технологии и вложила в производство дисплеев IGZO миллиард долларов.