Се́нсорный экра́н — устройство ввода и вывода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.
История В США сенсорный экран был изобретён в рамках исследований по программированному обучению. Компьютерная система PLATO IV, появившаяся в 1972 году, имела сенсорный экран на сетке инфракрасных (ИК) лучей, состоявший из 16×16 блоков. Но даже столь низкая точность позволяла пользователю выбирать ответ, нажимая в нужное место экрана.
В 1971 году (будущим основателем компании Elographics, ныне Elo Touch Solutions) был разработан элограф — графический планшет, действовавший по четырёхпроводному резистивному принципу (). В 1974 году он же сумел сделать элограф прозрачным, в 1977 — разработал пятипроводной экран[inventors.about.com/library/inventors/bltouch.htm Touch Screen — History of the Touch Screen Computer Interface]. Объединившись с Siemens, в Elographics сумели сделать выпуклую сенсорную панель, подходившую к кинескопам того времени. На всемирной ярмарке 1982 года Elographics представила телевизор с сенсорным экраномCompany history from Elographics to Elo TouchSystems, 1971 — present — Elo TouchSystems — Tyco Electronics .
В 1983 году вышел компьютер с сенсорным экраном на ИК-сеткеHP History : 1980s . Впрочем, в те времена сенсорные экраны применялись преимущественно в промышленной и медицинской аппаратуре.
В потребительские устройства (телефоны, КПК и т. д.) сенсорные экраны вошли как замена крохотной клавиатуре, когда появились устройства с большими (во всю переднюю панель) ЖК-экранами. Первая карманная игровая консоль с сенсорным экраном — Design Master Denshi Mangajuku в 1995 году; первое устройство, преподнесенное как первое поддерживающее мультитач — iPhone в 2007 году.
Применение Сенсорные экраны используются в платёжных терминалах, информационных киосках, автомобильных медиасистемах и бортовых компьютерах, оборудовании для автоматизации торговли, карманных компьютерах, мобильных телефонах, игровых консолях, операторских панелях в промышленности.
Достоинства и недостатки в карманных устройствах
Достоинства Простота интерфейса. В аппарате могут сочетаться небольшие размеры и крупный экран. Быстрый набор в спокойной обстановке. Серьёзно расширяются мультимедийные возможности аппарата.
Недостатки Нет тактильной отдачиВ резистивных экранах существует отдача при нажатии — это делает работу руками более комфортной. Кроме того, в некоторых телефонах удачное нажатие подтверждается вибрацией. Но такой отдачи недостаточно для того, чтобы на ощупь отличить один элемент интерфейса от другого.. Высокое энергопотребление. Сильное механическое воздействие может привести к повреждению экрана. Отсутствие гигиены экрана.
Достоинства и недостатки в стационарных устройствах
Достоинства В информационных и торговых автоматах, операторских панелях и прочих устройствах, в которых нет активного ввода, сенсорные экраны зарекомендовали себя как очень удобный способ взаимодействия человека с машиной. Достоинства: Повышенная надёжность. Устойчивость к жёстким внешним воздействиям (включая вандализм), пыле- и влагозащищённость.
Недостатки (Для ёмкостных экранов). Нет тактильной отдачи. Работая с вертикальным экраном, пользователь вынужден держать руку на весу. Поэтому вертикальные экраны пригодны только для эпизодического использования наподобие банкоматов. На горизонтальном экране руки загораживают обзор. Даже с острым пером параллакс ограничивает точность позиционирования действий оператора на сенсорных экранах без курсора. В то же время использование курсора создаёт оператору дополнительные сложности, уменьшая эргономичность. При использовании экрана не полностью чистыми руками использование затрудняется ввиду трудностей движения пальцев, а также образующихся отпечатков пальцев и пятен, если на экране нет специальных покрытий для их нейтрализации.
Эти недостатки не позволяют использовать только сенсорный экран в устройствах, с которыми человек работает часами. Впрочем, в грамотно спроектированном устройстве сенсорный экран может быть не единственным устройством ввода — например, на рабочем месте кассира сенсорный экран может применяться для быстрого выбора товара, а клавиатура — для ввода цифр.
Принципы работы сенсорных экранов Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципахМухин И. А. Сенсорные экраны — решение проблем (10 технологий) . «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть — № 3(55) май 2006, с.50-52; 2 часть — № 4(56) июнь-июль 2006, с.40-41; 3 часть — № 7(59) ноябрь 2006, с.64-66..
Резистивные сенсорные экраны
Четырёхпроводной
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 микроизоляторами, 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 +5 В, 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 +5 В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.
Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надёжности.
Пятипроводной 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 +5 В. 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 фиксирует изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:
На два правых электрода подаётся напряжение +5 В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате. Y-координата считывается подключением к +5 В 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 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
Поверхностно-ёмкостные
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 поверхностно-ёмкостным.
Проекционно-ёмкостные
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).
Первым телефоном с ёмкостным экраном был LG Prada. 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 проекционно-ёмкостных экранах может применяться стекло толщиной вплоть до 18 ммProjected capacitive touch technology — Elo TouchSystems — Tyco Electronics , что обеспечивает большую вандалоустойчивость. 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 отражатели и принимающие датчики. Контроллер посылает на каждый ПЭП высокочастотный электрический сигнал. ПЭП преобразует этот сигнал в ПАВ, отражаемую от краёв экрана. Отражённые волны принимаются датчиками и посылаются на ПЭП, преобразующие их в электрический сигнал, который затем анализируется контроллером. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, а контроллер вычисляет положение точки касания. Экран реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористая резина).