Сенсорные экраны: эволюция и направления развития



В статье авторы исследуют виды сенсорных экранов, их характеристики, достоинства и недостатки, сферы применения и возможные пути развития.

Ключевые слова: сенсорный экран, тип экрана.

Идея создания сенсорных экранов появилась тогда, когда использование мыши или клавиатуры стало нецелесообразным или затруднительным. Первым устройством с таким экраном стал графический планшет, изобретённый в 1971 году Сэмюэлем Херстом. В 1983 году компания Hewlett-Packard выпустила первый в мире компьютер с сенсорным экраном на ИК-сетке (Рисунок 1). Экран представлял собой матрицу размером 14 на 21 точку.

Рис. 1. Моноблок HP-150

В то время массовое распространение сенсорных экранов было невозможным, так как они были слишком дорогие в производстве и имели высокое энергопотребление. Лишь спустя 15 лет, в 1998 году удалось поместить монохромный сенсорный экран в компактное устройство. Цветной экран появился в 2002 году в смартфоне компании HTC и имел резистивную технологию, а в 2007 Apple выпустила первый iPhone, оснащённый проекционно-ёмкостным экраном, поддерживающим технологию miltitouch (Рисунок 2). Именно появление этого смартфона на рынке положило начало массовому распространению сенсорных панелей, которые стали появляться повсеместно: в принтерах, электронных книгах и др., хотя до этого они использовались лишь в терминалах на улицах или предприятиях. [1,2]

Рис. 2. iPhone первого поколения [2]

В данный момент времени технологии сделали огромный шаг вперёд. Как было сказано, сенсорные экраны получили повсеместное распространение: мы видим их и взаимодействуем с ними почти каждый день. В этой статье нами описаны основные технологии сенсорных экранов.

В настоящее время выделяют четыре основных принципа работы экранов: резистивный, ёмкостный, с определением поверхностно акустических волн и оптический. На их основе разработаны другие сенсорные технологии и конструкции экранов. Ниже приведены подробные сведения об основных используемых типах.

Резистивный экран. Как следует из названия, в основе технологии лежит электрическое сопротивление. Экран состоит из двух прозрачных пластин, разделённым слоем диэлектрика (Рисунок 3). Принцип работы прост: при нажатии верхнюю пластину она прогибается и соприкасается с нижней. Микроконтроллер фиксирует изменение сопротивления и таким образом определяются координаты прикосновения. Плюсами данного типа экранов является низкая стоимость производства, высокая чувствительность и возможность нажимать на экран любым предметом. Минусами является плохое светопропускание и отсутствие multitouch.

Применяются в сотовых телефонах, коммуникаторах, терминалах, медицинском оборудовании.

Рис. 3. Резистивный сенсорный экран [3]

Ёмкостный экран. Делятся на поверхностно-ёмкостные и проекционно-ёмкостные. Поверхностно-ёмкостная технология представляет собой стекло, на которое нанесено тонкое прозрачное проводящее покрытие и защитный слой. По краям стекла расположены печатные электроды, подающие на проводящее покрытие низковольтное переменное напряжение. Для определения места нажатия контролер сравнивает импульсы тока, возникающие в точке касания (Рисунок 4). Плюсы: хорошее светопропускание, малое время отклика и большой ресурс касаний. Минусы: электроды мешают размещению в компактных устройствах, требователен к температуре окружающей среды, не поддерживает multitouch, не чувствителен к прикосновениям не проводящими предметами.

Рис. 4. Поверхностно-емкостной сенсорный экран [3]

Проекционно-ёмкостные экраны состоят из стекла, на внутреннюю поверхность которого нанесена сетка из электродов. При касании палец и электрод образуют конденсатор, контроллер обнаруживает изменение ёмкости и считывает координаты (Рисунок 5). Плюсы: поддержка multitouch, возможность сделать толщину экрана как относительно большой, так и маленькой. Минусы: малая толщина приводит к хрупкости.

Рис. 5. Проекционно-ёмкостный экран [3]

Ёмкостные сенсорные панели применяют в информационных киосках, охраняемых помещениях, некоторых банкоматах.

Экран с определением поверхностно-акустических волн (ПАВ). Один из самых сложно устроенных экранов. Принцип работы: по углам экрана размещены пьезоэлементы, преобразующие электрический сигнал в ультразвуковые волны и направляющие эти волны вдоль поверхности экрана. Отражатели распределяют волны по всей поверхности экрана, после чего сенсоры фиксируют эти волны и передают их на преобразователь (Рисунок 6). При касании пальцем экрана в любой точке происходит поглощение волн. Общая картина распространения ультразвуковых волн изменяется и преобразователь выдает более слабый сигнал, который сравнивается с хранящимся в памяти. Так вычисляются координаты касания экрана. Плюсы: долговечность, высокая светопроводимость и возможность определения силы нажатия. Минусы: низкая точность по сравнению с ёмкостными, сбои в работе при воздействии шумов, вибраций и загрязнений.

Рис. 6. Сенсорный экран ПАВ [3]

Инфракрасный экран. Относится к оптическому типу экранов. Именно этот тип экрана был применён в компьютере на рисунке 1. Для определения места касания используются расположенные по краям линейки светодиодов и фотодиодов (Рисунок 7). Любой предмет, помещённый на пути луча, прерывает ход тока через фотодиод. Так и определяются координаты касания. Плюсы: самое высокое качество картинки. Минусы: реагируют на попадания солнечных лучей, низкая точность касания.

Рис. 7. Инфракрасный экран [3]

Multitouch. Отдельно стоит рассказать об данной технологии. В нашей статье она упоминалась уже несколько раз. Эта технология является не самим сенсорным экраном, а дополнением к нему. Сам термин переводится на русский как «Множественное нажатие». Эта технология позволяет экрану распознавать несколько точек соприкосновения, поэтому становятся возможны жесты, например: щипок (уменьшение изображения), разведение пальцев (увеличение изображения) и вращение пальцами по экрану (поворот изображения). Для работы жестов необходима программная поддержка.

Развитие технологий. Технический прогресс не обходит стороной и сенсорные экраны. Перечисленные выше экраны имеют свои достоинства и недостатки, поэтому учёные ищут способы от них избавиться, что приводит к созданию всё новых и новых типов экранов.

Вот несколько научных открытий, которые могут прийти на замену существующим ныне технологиям.

1. Австралийские ученые разработали новый тип материала, который реагирует на прикосновения и имеет толщину в сто раз меньше, чем экраны современных смартфонов. Возможно, однажды он найдет применение в мобильных устройствах следующего поколения. Из-за его невероятной тонкости и гибкости его можно будет производить в больших масштабах — печатать как газету. За основу взят оксидом индия-олова. Он прозрачный, с высокой проводимостью, но слишком хрупкий. Поэтому ученые решили добавить ему пластичности, а также уменьшить толщину. [4]
2. Компания Atmel разработала технологию гибких сенсорных дисплеев, которую назвала XSense. Эта технология позволяет производить очень тонкие сенсорные дисплеи, не нуждающиеся в рамке и способные гнуться под любым углом, что открывает широкие перспективы перед разработчиками мобильных устройств, поскольку такие дисплеи могут в корне изменить наше представление о размерах планшетов, смартфонов и других устройств. [5]
3. LG продемонстрировала свои OLED-технологии нового поколения на конференции Society for Information Display (SID) 2020. В «Зоне свободы неограниченного дизайна» (Unlimited Design Freedom Zone) компании представлен 65-дюймовый телевизор, который сворачивается в свиток и убирается в подставку, когда он не используется. [6]

Некоторые разработки уже могут считаться массовыми, но их качество пока не позволяет полностью заменить уже устоявшиеся технологии.

Вывод . И так, в результате нашего исследования можно сделать вывод, что идеального сенсорного экрана на данный момент не существует. Каждый тип экранов применяется в определённых условиях, поэтому и требования к ним будут различными. Все экраны объединяет одно: они обеспечивают комфортное взаимодействие человека с устройством, поэтому развитие данной технологии будет продолжаться и дальше.

Обобщением всего сказанного в статье станет таблица 1, в которой представлены общие характеристики экранов и их оценка.

Таблица 1

Сравнительная характеристика сенсорных экранов

	Резистивный	Ёмкостный	ПАВ	Инфракрасный
Доступность, легкость использования	Хорошая	Отличная	Хорошая	Отличная
Устойчивость курсора	Хорошая	Отличная	Хорошая	Отличная
Устойчивость к атмосферным явлениям	Низкая	Отличная	Низкая	Низкая
Точность касания	Хорошая	Отличная	Отличная	Низкая
Прозрачность	Отличная	Хорошая	Отличная	Отличная
Износоустойчивость поверхности	Отличная	Хорошая	Отличная	Отличная
Светопередача	75 %	85 %	92 %	100 %

Литература:

1. Сенсорный экран. — Текст: электронный // wikipedia.org: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сенсорный_экран (дата обращения: 13.02.2022).
2. С чего всё начиналось в мире сенсорных экранов... — Текст: электронный // touchtechn.ru: [сайт]. — URL: http://www.touchtechn.ru/history-of-touch-screen.html (дата обращения: 13.02.2022).
3. Карабин, А. С. Типы сенсорных экранов. Какой сенсорный экран лучше / А. С. Карабин. — Текст: электронный // life.mosmetod.ru: [сайт]. — URL: http://life.mosmetod.ru/index.php/item/tipy-sensornyh-ekranov-kakoj-sensornyj-ekran-luchshe (дата обращения: 13.02.2022).
4. Новые тонкие и гибкие экраны можно печатать как газеты. — Текст: электронный // scientificrussia.ru: [сайт]. — URL: https://scientificrussia.ru/articles/novye-tonkie-i-gibkie-sensornye-ekrany-mozhno-pechatat-kak-gazety (дата обращения: 13.02.2022).
5. Гибкий датчик касания Atmel XSense. — Текст: электронный // 3dnews.ru: [сайт]. — URL: https://3dnews.ru/776871 (дата обращения: 13.02.2022).
6. LG показала экраны будущего. — Текст: электронный // ixbt.com: [сайт]. — URL: https://www.ixbt.com/news/2020/08/05/lg-pokazala-jekrany-budushego.html (дата обращения: 13.02.2022).