Многообразие сенсорных дисплеев. Типы сенсорных экранов

rub usd evro uan

Аналого-резистивная технология

Конструкция резистивной интерактивной доски включает в себя жёсткую подложку и гибкую пластиковую мембрану. Пространство между подложкой и мембраной заполнено изоляторами, которые равномерно распределены по активной области доски и надёжно изолируют проводящие поверхности. При нажатии на интерактивную доску эти два слоя соприкасаются, что вызывает изменение уровня сопротивления, который регистрируется устройством.

Точка нажатия будет распознаваться интерактивной доской как клик мыши. В один и тот же момент времени возможна регистрация только одной точки касания пальцем, стилусом или любым другим подходящим предметом. Исключение представляют резистивные доски двойного касания, под единой пластиковой мембраной которой находятся две жёсткие подложки. Работа с данными устройствами интуитивно понятна, однако есть свои нюансы: 1) нажатие должно быть достаточно сильным, иначе сигнал будет прерываться; 2) при длительном использовании может происходить залипание пластиковой мембраны; 3) для того, чтобы использовать интерактивную доску как маркерную, нужно использовать специальные маркеры, т.к. она с трудом поддаётся очистке. Примеры компаний-производителей: SMART Technologies, QOMO, IQBoard.

Ёмкостная (электростатическая) технология

Внешний слой сенсорного экрана такого типа является проводником статического электричества, внутренняя сторона представлена сеткой электродов. В процессе работы контроллер подает на них импульсы слабого переменного тока.

При касании происходит 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. Яркие представители подобных устройств: планшеты iPad, Samsung и т.д. Эти устройства распознают несколько одновременных касаний и различные жесты, однако вследствие необходимости обеспечения электрического контакта между поверхностью и телом человека работа с ними с помощью других предметов (в т.ч. в перчатках) не представляется возможной.

Инфракрасная технология

По периметру интерактивной доски установлены ИК-сенсоры, которые формируют невидимую для человеческого глаза сеть лучей. Касание стилусом или пальцем преломляет эти лучи, точка нажатия регистрируется контроллером, а информация о её координатах передаётся на компьютер. Такая технология может использоваться как при производстве интерактивных досок, так и интерактивных приставок или интерактивных проекторов. Подобные устройства могут распознавать как одно касание, так и несколько точек контакта с поверхностью. Примеры компаний-производителей:Mimio, Epson, SMART Technologies.

Технология DViT (Digital Vision Touch)

Во внутренние углы внешней рамы интерактивной доски встроены цифровые видеокамеры. Изображение с камер анализируется цифровыми сигнальными процессорами на предмет наличия стилуса или пальца в зоне видимости.

Местоположение точки нажатия регистрируется контроллером и передаётся на компьютер. С интерактивными досками такого типа можно работать пальцем или стилусом, они распознают более 2х точек касания и жесты. Работа с подобными интерактивными досками очень комфортна, есть модели, которые также определяют различные предметы (по англ. object-awareness): перо как инструмент письма, палец как манипулятор, теннисный мяч, ладонь или кулак как ластик. Единственный нюанс, о котором нужно помнить, - распознавание касания происходит ещё на стадии приближения к поверхности, поэтому кисти шали, бусы, слишком длинные рукава будут регистрироваться устройством, - со временем просто вырабатывается правильная привычка взаимодействия с доской. Держателем патента на данную технологию является компания SMART Technologies.

Ультразвуковая технология

В корпус сенсорного экрана такого типа встроены специальные датчики, которые улавливают УЗ волны, исходящие от специального пера. Во время контакта наконечника пера с поверхностью экрана срабатывают датчики. Контроллер фиксирует время срабатывания каждого из датчиков и по разнице этих значений вычисляет координаты точки касания. Работа с такими устройствами возможна только специальным пером.

Микроточечная технология

На экран нанесена прозрачная координатная сетка, местоположение точки касания считывает электронный Bluetooth-стилус благодаря встроенной в него микрофотокамере. К компьютеру подключён специальный Bluetooth-приёмник, который улавливает сигналы от стилуса, что позволяет реализовать беспроводное подключение устройств. Распознавание нескольких точек касания возможно только при наличии дополнительных стилусов (максимальное количество - три), с пальцем такие устройства не работают. Ярким представителем производителей устройств такого типа является компания.

Технология электромагнитного резонанса (EMR)

Данная технология была разработана компанией Wacom для использования в графических планшетах. Такого рода устройства реагируют только на касание специальным пером.

Сенсорный экран на основе технологии EMR включает в себя датчики, расположенные за твёрдой поверхностью доски или LCD экраном. В процессе работы датчики испускают электромагнитное излучение как реакцию на касание пером с катушкой индуктивности, что приводит к точному определению координат точки соприкосновения кончика пера и экрана. Примеры компаний-производителей: Promethean, Sahara Interactive.

Использовании материалов сайта "Про интерактив" - prointeraktiv.ru

Резистивная технология

Плюс: точность и высокая чувствительность. Минус: невысокая яркость и недопустимость прикосновения острыми предметами.

Мкостная технология

Плюс: большое разрешение, малое время отклика, хорошее качество изображения и большой ресурс. Минус: реагирует только на контакт с пальцем.

Технология ПАВ (поверхностные акустические волны)

Плюс: высокая чувствительность, большая яркость и малая цена. Минус: чувствительность к воздействию внешних факторов, то есть колебания температуры и давления влияют на их работу.

Инфракрасные мониторы

Такая техника является самой надёжной и долговечной. Количество прикосновений, перепады температуры, погодные условия – не влияют на работу экрана. Минус: реагируют на любые прикосновения и на попадание солнечных лучей. Но этот недостаток не имеет особой значимости, стоит лишь установить защитную программу, требующую подтверждения выполнения операции.
Как видим, сенсорные мониторы, хоть и не лишены недостатков - достаточно хороши для определённых целей.

Перспективные конструкции и технологии мониторов

Технология E-Ink

В наше время большинство пользователей ПК все еще предпочитают читать текст на бумаге. Кроме привычки воспринимать информацию с листа бумаги, есть еще и объективные факторы, такие как количество отраженного от дисплея света (характеризуется коэффициентом отражения) и контрастность (отношение интенсивностей отражаемых световых потоков от белых и черных участков изображения).
Даже в последних моделях мониторов коэффициент отражения и контрастность примерно в два раза ниже, чем, скажем, у страницы книги. Вдобавок печатные издания имеют более широкий угол обзора и им можно придать ту форму, которая удобнее для чтения. В общем, читать текст на бумаге, конечно, удобнее (видимо, именно поэтому даже с приходом Интернета бумажные издания продолжают существовать).
Поэтому при производстве мониторов ПК, возможно, получит распространение технология E-Ink (Electronic Ink - "Электронные чернила "), разрабатываемая компаниями Philips, E Ink и лабораторией Bell Labs.
Bell Labs представила общественному вниманию гибкий пластиковый лист, способный отображать простейшие символы графики. Толщина новинки - не более миллиметра, что позволяет сравнивать его с листом бумаги, благо он имеет довольно высокую эластичность и достаточно прочен. Сейчас размеры точки на таком листе не очень маленькие, но в будущем планируется уменьшить его размер до нескольких микрон (как в современных мониторах или даже меньше).
Использование таких технологий позволит производить не просто плоские экраны , но имеющие возможность сворачиваться и/или принимать произвольную форму. Основная проблема в этих технологиях - чем заменить стеклянную подложку? Если применить пластик, то гибкость обеспечена, однако он, в отличие от стекла, пропускает кислород и воду, присутствие которых несовместимо с электролюминесцентными свойствами органических диодов. Так что пока гибкие OLED-дисплеи "живут" не больше двух-трех недель, но исследовательские лаборатории рапортуют, что через несколько лет можно будет начать их массовое производство.
Основной элемент дисплеев, создаваемых E - Ink, - матрица микрокапсул, каждая из которых содержит положительно заряженные частицы белого цвета и отрицательно заряженные - черного. При подведении к капсуле отрицательного заряда белые (положительно заряженные) частицы под действием кулоновских сил отталкиваются и поднимаются в верхнюю часть капсулы, где их видит наблюдатель. А при подведении положительного заряда верх капсулы окрашивается в черный цвет. Такой способ получения изображения обеспечивает высокую контрастность цвета и широкий угол обзора . Кроме того, сейчас разрабатываются технологии, позволяющие использовать в качестве подложки для слоя из таких микрокапсул совершенно произвольные по составу и форме поверхности. Ведутся работы и по созданию цветных дисплеев на основе "электронных чернил", в которых принцип получения цвета будет сходен с используемой в ЖК-мониторах системой красных, желтых и зеленых светофильтров

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.).

Развитие сенсорных технологий

Сенсорные технологии активно вторгаются на российский компьютерный рынок. Дебют этих систем состоялся более четырех лет назад, но бурный рост рынка начался только этим летом, когда на станциях Московского метрополитена, в крупных гостиницах и на вокзалах появились сенсорные информационные киоски. Часть из них была установлена в рамках проекта "Городская информационная система Москвы", другая - как проекты отдельных фирм.

У всех этих киосков удобный и действительно дружественный интерфейс, который позволяет даже неискушенному пользователю с легкостью управлять сложной информационной системой.

Достичь такой простоты и удобства позволяют сенсорные экраны. Впервые сенсорная технология появилась более 25 лет назад, когда специалисты американской фирмы ELO TouchSystems разработали электродную резистивную технологию, позволяющую добиться редкого сочетания высокой надежности и гарантированной точности с потрясающей адаптивностью. Эта разработка дала толчок к развитию сенсорных технологий. На рынке стали появляться сенсорные экраны, использующие принцип поверхностных акустических волн (ELO TouchSystems), изменения распределенной емкости (MicroTouch), инфракрасных волн и 4-электродную резистивную технологию (ряд тайваньских фирм).

Рассмотрим особенности различных типов реализации сенсорного интерфейса.

Резистивная 5-электродная технология

Пространство между стеклом и пластиком отделено микроизоляторами ("dots"), запатентованными фирмой ELO TouchSystems, которые равномерно распределены по активной области экрана. Они надежно изолируют проводящие поверхности. При нажатии эти поверхности соприкасаются между собой. Изменение сопротивления регистрируется контроллером и передается в компьютер. Преимуществом AccuTouch является высокая надежность. Экран совершенно не чувствителен к загрязнению и агрессивным средам. Сенсорный экран AccuTouch соединяется с контроллером, который обрабатывает сигналы, поступающие с поверхности экрана, и преобразует их в координаты прикосновения (X и Y), которые передаются на системную шину компьютера и обрабатываются как стандартные сигналы "мыши".

Принцип поверхностных акустических волн (ПАВ)

Экран, основанный на этом принципе (IntelliTouch), выполнен в виде стеклянной панели с пьезоэлектрическими преобразователями, расположенными в углах экрана. Специальный контроллер посылает на них высокочастотный электрический сигнал, который преобразуется в акустические волны. Волны отражаются массивом датчиков, расположенным по краям панели. Приемные датчики собирают отраженные волны и направляют их обратно на преобразователи, которые преобразуют полученные данные в электрический сигнал, анализируемый контроллером. Особенность этой технологии в том, что координата прикосновения вычисляется не только по осям X и Y, но и по оси Z.

Принцип изменения распределенной емкости

Экран выполнен в виде стеклянной панели с нанесенным на нее проводящим слоем, т. е. поверхность экрана представляет собой распределенную емкость, изменяющуюся при прикосновении. Эти изменения регистрируются и обрабатываются контроллером, который затем вычисляет координату прикосновения.

Технология использования инфракрасных волн

Экран выполнен в виде рамки с рядами инфракрасных излучателей, которые создают решетку. Появление постороннего предмета в пределах решетки регистрируется контроллером, обрабатывается и передается в компьютер.

Конструктивно сенсорные экраны выполняются в виде стеклянного основания, повторяющего кривизну поверхности электронно-лучевой трубки или жидкокристаллической матрицы монитора. На рынке присутствуют сферические, FST, цилиндрические и плоские экраны, что позволяет выбрать оптимальный вариант для любого монитора.

Исключение составляют экраны, использующие инфракрасные волны, и "вандалостойкие" экраны SecureTouch фирмы ELO. Первые, как уже говорилось, выполнены в виде рамки, которая надевается на монитор. Вторые устанавливаются перед монитором. Обусловлено это тем, что SecureTouch представляет собой сенсорный экран повышенной прочности. Разработанный на базе технологии ПАВ, SecureTouch способен противостоять грубому воздействию. Он будет продолжать работать, несмотря на царапины, которые испортили бы любой другой сенсорный экран, и способен выдерживать удары тяжелых предметов. Основой SecureTouch является отожженное или отпущенное стекло, толщиной 0,25 или 0,5 дюйма.

Сенсорные экраны этого класса проходят испытания согласно требованиям спецификации UL (UL-1950). На поверхность экрана с высоты 51,5 дюйма (примерно 131 см) несколько раз бросают стальной шар весом один килограмм. SecureTouch выдерживает испытание без повреждений и царапин на поверхности.

В начале этого года появилась еще одна разновидность сенсорного экрана. Это экраны Scribex фирмы ELO. Scribex дает возможность рукописного ввода информации в компьютерную систему. Таким образом решаются насущные проблемы банковских и торговых приложений. Новое решение помогает пользователям избежать трудностей, возникающих при авторизации доступа и заполнении различных документов с клавиатуры. Экраны выполнены по 5-электродной резистивной технологии. Высокое разрешение и большая скорость сканирования позволяют ввести подпись с качеством, достаточным для идентификации ее большинством программ.

Они полностью эмулируют стандартную мышь. Драйвер позволяет установить режимы реакции на нажатие, отжатие, двойное прикосновение и даже правую кнопку мыши. В настоящее время доступны драйверы под DOS, Windows 3.x, Windows 95, Windows NT и ряд UNIX-систем, OS/2, Apple Macintosh.

Выпускается много разновидностей контроллеров сенсорных экранов, отличающихся друг от друга способом связи с компьютером. Контроллеры PC-Bus вставляются в слот расширения системной платы, последовательные - подключаются к последовательному порту. Последние могут быть как внешними, так и внутренними, встраиваемыми непосредственно в монитор. Для работы в портативных ПК выпускается серия PCMCIA-контроллеров.

Технология сенсорного ввода имеет ряд свойств, делающих ее незаменимой во многих приложениях. Первое из них - реализация генетически заложенной установки "прикосновения к интересующему объекту". Для человека естественно прикасаться к предмету для получения дополнительной информации о нем. Это происходит интуитивно и не приводит к внутреннему конфликту, который подчас вызывают традиционные средства ввода. Это свойство идеально решает проблему дружественного интерфейса в справочно-информационных системах, рассчитанных на массовый доступ.

Второе свойство - максимальная защита от ошибок оператора. Многие, наверное, помнят заклеенную клавиатуру на кассовых машинах в магазинах. Нерациональное размещение клавиш и высокие нагрузки приводят к ошибкам ввода. Поэтому кассиры нашли простой выход и закрывали редко используемые клавиши спичечными коробками.

При использовании сенсорного ввода клавиатура на экране монитора формируется программно. Это позволяет не перегружать оператора и выводить только те клавиши, которые используются в данный момент. Кроме того, можно подобрать оптимальные размер и цвет клавиш.

Сенсорный ввод также снижает вероятность взлома и проведения несанкционированных действий в компьютерной системе.

Эти и другие особенности делают сенсорную технологию оптимальной для использования в качестве POS-терминалов, в медицине, в промышленности (терминал контроля процесса), в приложениях массового доступа, в охранном бизнесе (система идентификации и наведения устройств слежения), в финансовых приложениях.

Уже сейчас решения на основе сенсорного ввода успешно используются в различных организациях Москвы, Санкт-Петербурга и многих других городов.

Компания КВАРТА Сенсорные Системы, http://www.quarta.msk.ru/ucc/ -

Благодаря широкому распространению мобильных устройств, а также различной потребительской электроники, в частности карманных персональных компьютеров, переносных навигаторов и игровых приставок, сенсорные дисплеи все более уверенно занимают собственную нишу во многих сторонах нашей жизни.

В настоящее время используются несколько видов сенсорных дисплеев, однако наиболее широко применяются следующие четыре технологии:

Резистивная (Resistive);

Инфракрасная (Infrared);

Емкостная (Capacitive);

Поверхностно-акустической волны (SAW).

Все указанные технологии имеют свои собственные отличительные черты, выгоды, преимущества и недостатки.

Резистивная технология сенсорных экранов

Резистивный сенсорный экран имеет многослойную структуру, состоящую из двух проводящих поверхностей, разделенных специальным изолирующим составом, распределенным по всей площади активной области экрана.

При касании наружного слоя, выполненного из тонкого прозрачного пластика, его внутренняя проводящая поверхность совмещается с проводящим слоем основной пластины (может быть сделана из стекла или полиэстера), играющей роль каркаса конструкции, благодаря чему происходит изменение сопротивления всей системы. Это изменение фиксируется микропроцессорным контроллером, передающим координаты точки касания управляющей программе компьютера.

Срабатывание происходит от нажатия пальцем или другим твердым предметом. Резистивные сенсорные экраны устойчивы к воздействию грязи, пыли, жира и многим жидкостям (таким как вода, ацетон, пиво, чай, кофе и др.), в том числе и некоторым химически едким.

Основные особенности резистивных сенсорных экранов (touchscreen):

превосходные показатели качества;

отличные технические характеристики;

ввод информации как стилусом, так и пальцем;

типичная прозрачность - 80%.

Резистивная продукция является самой привлекательной в ценовом отношении, так как стоит достаточно недорого. Также к преимуществам резистивных дисплеев можно отнести высокое разрешение, возможность использовать обычный металлический или пластиковый стилус, устойчивость к таким воздействиям, как пыль, грязь, вода и интенсивное освещение. Однако у данного вида продукции имеются и свои недостатки. К примеру, четкость изображения этого вида сенсорных дисплеев недостаточно высока. А сами дисплеи нуждаются в регулярной калибровке вследствие того, что начинается рассогласовывание места реакции системы с местом нажатия. Иногда возможен и такой вариант, что резистивный дисплей может реагировать синхронно более чем на одно нажатие. Помимо всего вышеперечисленного, такие дисплеи достаточно хрупкие, что в значительной мере ограничивает их использование.

Емкостная технология сенсорных экранов

Чувствительный элемент емкостного сенсорного экрана представляет собой стекло, на поверхность которого нанесено тонкое прозрачное проводящее покрытие. Вдоль краев стекла расположены узкие печатные электроды, равномерно распределяющие низковольтное электрическое поле по проводящему покрытию. Поверх проводящего слоя наносится защитное покрытие. При прикосновении к экрану образуется емкостная связь между пальцем и экраном, что вызывает импульс тока в точку контакта. Электрический ток из каждого угла экрана пропорционален расстоянию до точки касания, таким образом, контроллеру достаточно просто сравнить эти токи для определения места касания. Результат - прозрачный экран с малым временем отклика, обладающий высокой прочностью и долговечностью.

На сегодняшний день, сенсорный экран с технологией ThruTouch является уникальным и единственным сенсорным экраном, предназначенным для использования в уличных платежных терминалах или информационных киосках.

Данная технология первоначально была применена в таких моделях, как сотовые телефоны iPhone и LG Prada. При этом сенсор располагался под слоем минерального стекла, дававшего ему дополнительную защиту от царапин, а, следовательно, повышавшим его надежность. Электрические свойства проводников претерпевают изменение уже в момент приближения пальца к дисплею. Именно поэтому iPhone великолепно откликается даже на легкие касания. Проекционно-емкостные дисплеи позволяют в одно и то же время фиксировать несколько нажатий. К примеру, в iPhone для зумирования применяют двухпальцевые жесты.

iPhone, благодаря своей популярности, удалось стать прародителем характерного дизайна для большей части «сенсорных» телефонов.

Отличительной чертой стал элегантный моноблок с крупным сенсорным дисплеем и минимальным числом кнопок.

Экран iPhone отличается великолепным разрешением пикселей (320х480). Картинка на дисплее живая и яркая, с большим углом обзора и к тому же безупречным поведением на солнце. Подсветка экрана быстро меняется в зависимости от степени освещенности.

Дисплей iPhone также снабжен датчиками, реагирующими на движение, что дает возможность автоматически изменять его ориентацию при повороте телефона.

Стилус для iPhone не предусмотрен, к тому же устройство на него не реагирует. Однако удобство работы с дисплеем от этого никак не страдает.

iPhone удобен прежде всего для работы с Интернетом, поэтому большая часть фишек предназначена для работы в браузере. К ним можно отнести, к примеру, оптимизацию размеров интернет-страниц путем двойного нажатия.