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

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

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

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

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.

Перед тем как рассмотреть емкостной или резистивный экран, требуется определиться с тем, что собой представляет сенсорная технология вообще. Тут все понятно: это экран, который определяет координаты нажатия. Если выражаться научно, то тут подразумевается метод управления интерфейсом, с помощью которого пользователь может нажимать непосредственно на интересующее место. На данный момент существует несколько методов реализации сенсорных экранов. Стоит рассмотреть каждый по отдельности.

Резистивная технология

Чтобы определиться, какой тип экрана, емкостный или резистивный, вам больше подходит, необходимо рассмотреть их. Второй вариант предполагает использование определенной производственной технологии. Снизу размещена панель из стекла, поверх которой находится прозрачная гибкая мембрана. На панели и мембране присутствует токопроводящее покрытие, то есть резистивное. При нажатии на экран происходит замыкание в определенной точке. Если знать напряжение на электродах с одной стороны и измерить его же на мембране, то получается отследить одну координату. Две координаты потребуют отключить одну группу электродов, чтобы включить другую. Это все в автоматическом режиме делает микропроцессор, как только происходит изменение напряжения на мембране. Резистивные экраны не позволяют реализовать мультитач.

Особенности резистивной технологии

Как и у любого другого типа реализованных устройств, тут имеются определенные черты, которые являются положительными или отрицательными в зависимости от ситуации. В качестве преимуществ обычно отмечается дешевое производство, а также возможность нажимать чем угодно, так как требуется только продавить мембрану. Точность позиционирования повышается за счет применения стилусов.

Негативные моменты

Основными недостатками можно назвать низкую степень пропускания света, высокую скорость появления царапин на поверхности, возможность нажатий в одну точку не более 35 миллионов раз, невозможность реализовать мультитач. Если вы не можете решить, емкостной или резистивный экран выбрать, то важно отметить еще и невозможность использования жестов типа скольжения, так как требуется нажать пальцем на экран и вести его не отпуская. В устройствах с такими элементами управления лучше использовать софт, требующий минимального использования «листающих» жестов.

Разбираясь в особенностях этой технологии, стоит отметить, что она может быть реализована несколькими способами, имеющими определенные различия. Емкостный сенсорный экран может быть просто емкостным и проекционно-емкостным. Первый вариант предполагает использование определенных элементов. Поверх стеклянной панели размещается прозрачный резистивный материал, например, сплав оксида олова или индия. По углам размещены электроды, которые подают небольшое переменное напряжение на проводящий слой. Если к экрану прикасаются токопроводящим предметом, то возникает утечка, и чем этот предмет ближе к электроду, тем ниже сопротивление экрана, то есть сила тока заметно увеличивается. А называется это все емкостной экран, так как переменный ток проводится предметом большей емкости. Чаще всего речь идет о пальце.

Особенности емкостных экранов

Как и прочие виды технологий, в данном случае речь идет о совокупности достоинств и недостатков. В качестве преимуществ перед остальными можно назвать высокую светопропускающую способность, значительный ресурс нажатий, простоту и удобство работы методом «листания». Недостатки здесь тоже имеются: требуется использовать только пальцы либо специализированные стилусы. Обычный емкостной экран не поддерживает технологию мультитач. Часто бывают случайные нажатия. К примеру, система может распознавать жест как «листание» даже в том случае, когда он не предполагается, так как сложно удержать палец строго на одном месте после нажатия.

Проекционно-емкостной сенсорный экран

В данном случае устройство отличается от предыдущих довольно сильно. Внутренняя сторона экрана представляет собой сетку электродов. Если происходит прикосновение предметом большей емкости к электроду, то образуется конденсатор, обладающий постоянной емкостью. Такие экраны используются на улице, так как позволяют устанавливать стекло, толщина которого достигает 18 мм, при этом удается получить не только максимально твердую поверхность, но и обеспечить вандалоустойчивость.

Особенности проекционно-емкостных сенсоров

В данном случае, как и во всех остальных, имеются определенные преимущества и недостатки, о которых следует знать. В качестве достоинств можно назвать возможность реализации мультитач, реагирование на нажатие в перчатке, высокую степень пропускания света, а также долговечность самого экрана. Такие экраны способны реагировать на приближение пальцев без факта нажатия. Порог, когда происходит завершение касания, обычно настраивается программно. Крайняя точка - это обычно сам экран, так как продавливать его совершенно бесполезно.

Если рассматривать проекционно-емкостной экран, то он обладает и определенными недостатками, в качестве которых принято называть сложную и довольно дорогую электронику, невозможность использования обычного стилуса, вероятность случайных нажатий.

Мультитач технология

Невозможно определить подходящий тип сенсорного экрана, емкостный или резистивный, не решив вопрос, касающийся реализации данной технологии. Мультитач - это возможность множественных касаний. Настоящая реализация предполагает отслеживание координат нескольких нажатий одновременно. Если в смартфоне или планшете реализована такая технология, то с его помощью можно имитировать игру на музыкальном инструменте, к примеру, гитаре. Следует разобраться с этим подробнее.

Можно взять обычный емкостный или резистивный экран. Если нажать сначала, например, в левый верхний угол, а потом, не отрывая палец, другим нажать в правый нижний, то электроникой в качестве координат будет определен центр экрана, то есть середина отрезка между парой этих касаний. Это будет видно, если запустить специальное приложение, отслеживающее координаты нажатия. Однако встает вопрос о том, а как же реализовано масштабирование картинок, если все равно распознается только одно нажатие?

Тут все просто. Это самый обычный программный трюк. Вы нажали на емкостной экран - электроника это определила. Это будет точка «А». Теперь, не отпуская пальца, вы нажимаете в другое место, которое будет точкой «В», получается, что в этот момент точка нажатия переместилась мгновенно в сторону, образовав «С». Именно в этот момент, когда фактически отпускания пальца не было, а точка нажатия мгновенно переместилась, программно обрабатывается в качестве мультитача. Далее, если точка «С» становится ближе к «А», то определяется сдвигание пальцев, то есть в случае с изображением, картинку надо уменьшить, и наоборот. Еще один момент: если точка «С» описывает дугу вокруг одной из точек, то программа определяет это как вращение одного пальца вокруг другого, что вызывает необходимость поворота картинки в соответствующую сторону.

Использование резистивного и емкостного экранов

Профессиональными разработчиками традиционно используется первый тип, так как он позволяет управлять любым предметом при различных погодных условиях. При реализации резистивной технологии используется большее количество датчиков на квадратный сантиметр в сравнении с емкостной, поэтому на дисплее можно отображать мельчайшие значки, на которые допускается нажимать иглой. К примеру, операционная система Windows Mobile разрабатывалась с учетом такой особенности, поэтому хорошо работает с резистивными экранами. Такие дисплеи почти нечувствительны к случайным нажатиям. Однако многие разработчики сейчас нацелены создавать приложения, ориентированные на емкостный сенсорный экран. Это уже становится проблемой для устройств, выполненных с применением резистивной технологии.

Степень защищенности

Важно понимать, что для планшетных компьютеров и коммуникаторов дисплей является самой уязвимой частью. Емкостной экран является более предпочтительным вариантом в плане надежности. Его производительность в любых условиях заметно выше, а резистивные модели могут отказать, к примеру, если нести их вниз стеклом. Емкостный экран - это отказоустойчивый вариант. Даже если он сломан, то и дальше будет исполнять свои функции. Если решать, емкостный или резистивный экран выбрать, то стоит отметить, что в полевых условиях первый будет оптимальным вариантом.

Выводы

Если подводить итоги, то можно отметить, что оба варианта реализации дисплеев имеют свои преимущества и недостатки. При том что емкостный экран - это целая совокупность возможностей, резистивный ориентирован на использование в определенных ситуациях. Обычно все зависит от интерфейса, используемого в гаджете. удобен в использовании, площадь его нажатия заметно меньше, чем у пальца, однако при хорошей отзывчивости поверхности удобно обходиться и без этого приспособления. Постоянное совершенствование резистивных дисплеев привело к тому, что появились модели вполне твердые, то есть стойкие к формированию царапин, но при этом и отзывчивые. Такие варианты стали весьма удобны в эксплуатации.

Необходимость использовать специальный стилус для емкостных экранов иногда доставляет немалое неудобство, так как он обычно не идет в комплекте с устройством. А резистивная технология предполагает и сопровождение специальным приспособлением, и возможность нажатия любым твердым предметом. Одна из причин, по которой многие выбирают емкостный сенсорный экран - мультитач, однако стоит отметить, что чаще всего это программная реализация, как уже было описано, и при должном подходе она может быть применена и для резистивного. Проекционно-емкостная технология пока еще не стала настолько доступной, как этого хотелось бы.

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

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.).