Сенсорний екран

Сенсорна панель
Nintendo DS - кишенькова ігрова консоль з двома екранами; нижній - сенсорний. Поруч - перо від неї.
Інформаційний автомат з сенсорним екраном

Сенсорний екран - пристрій введення інформації, що представляє собою екран, що реагує на дотики до нього.


1. Історія

Сенсорний екран винайшли в США в рамках досліджень по програмованого навчання. Комп'ютерна система PLATO IV, що з'явилася в 1972, мала сенсорний екран на сітці ІК-променів, що складався з 16 16 блоків. Але навіть настільки низька точність дозволяла користувачу вибирати відповідь, натискаючи в потрібне місце екрану.

В 1971 Семюелем Херстом (майбутнім засновником компанії Elographics, нині Elo TouchSystems) був розроблений елограф - графічний планшет, який діяв по чьотирьох резистивного принципом ( US Patent 3662105 ). В 1974 він же зумів зробити елограф прозорим, у 1977 - розробив п'ятипровідні екран [1]. Об'єднавшись з Siemens, в Elographics зуміли зробити опуклу сенсорну панель, яка пасувала до кінескопа того часу. На всесвітньому ярмарку 1982 Elographics представила телевізор з сенсорним екраном [2].

В 1983 вийшов комп'ютер HP-150 з сенсорним екраном на ІЧ-сітці [3]. Втім, у ті часи сенсорні екрани застосовувалися переважно в промисловій та медичній апаратурі.

В споживчі пристрої (телефони, КПК і т.д.) сенсорні екрани увійшли як заміна крихітній клавіатурі, коли з'явилися пристрої з великими (у всю передню панель) РК-екранами. Перша кишенькова ігрова консоль з сенсорним екраном - Nintendo DS, перше масове пристрій, що підтримує мультитач - iPhone.


2. Застосування

Сенсорні екрани використовуються в платіжних терміналах, інформаційних кіосках, обладнанні для автоматизації торгівлі, кишенькових комп'ютерах, мобільних телефонах, ігрових консолях, операторських панелях у промисловості.


2.1. Переваги і недоліки в кишенькових пристроях

2.1.1. Переваги

  • Простота інтерфейсу.
  • В апараті можуть поєднуватися невеликі розміри і великий екран.
  • Швидкий набір в спокійній обстановці.
  • Серйозно розширюються мультимедійні можливості апарату.

2.1.2. Недоліки

  • Ні тактильної віддачі [4]
  • Високе енергоспоживання.
  • Особливо тонкі моделі екранів навіть при незначному пошкодженні ризикують бути розтріснеться або взагалі розбитими.

2.2. Переваги і недоліки у стаціонарних пристроях

2.2.1. Переваги

В інформаційних та торговельних автоматах, операторських панелях та інших пристроях, в яких немає активного введення, сенсорні екрани зарекомендували себе як дуже зручний спосіб взаємодії людини з машиною. Переваги:

  • Підвищена надійність.
  • Стійкість до жорстких зовнішніх впливів (включаючи вандалізм), пило-та вологозахищеність.

2.2.2. Недоліки

  • (Для ємнісних екранів). Ні тактильної віддачі. [4]
  • Працюючи з вертикальним екраном, користувач змушений тримати руку на вазі. Тому вертикальні екрани придатні тільки для епізодичного використання зразок банкоматів.
  • На горизонтальному екрані руки загороджують огляд.
  • Навіть з гострим пером паралакс обмежує точність позиціонування дій оператора на сенсорних екранах без курсора. У той же час використання курсора створює оператору додаткові складності, зменшуючи ергономічність.
  • При використанні екрану не повністю чистими руками використання утруднюється через труднощі руху пальців, а також утворюються відбитків пальців і плям, якщо на екрані немає спеціальних покриттів для їх нейтралізації.

Ці недоліки не дозволяють використовувати тільки сенсорний екран в пристроях, з якими людина працює годинами. Втім, в грамотно спроектованому пристрої сенсорний екран може бути не єдиним пристроєм введення - наприклад, на робочому місці касира сенсорний екран може застосовуватися для швидкого вибору товару, а клавіатура - для введення цифр.


3. Принципи роботи сенсорних екранів

Існує безліч різних типів сенсорних екранів, які працюють на різних фізичних принципах. [5] [6] [7]

3.1. Резистивні сенсорні екрани

3.1.1. Чьотирьох екран

Принцип дії 4-проводового резистивного сенсорного екрану
Принцип дії 5-проводового резистивного сенсорного екрану

Резистивний сенсорний екран складається зі скляної панелі та гнучкої пластикової мембрани. І на панель, і на мембрану нанесено резистивні покриття. Простір між склом і мембраною заповнено мікроізоляторамі, які рівномірно розподілені по активній області екрану і надійно ізолюють провідні поверхні. Коли на екран натискають, панель і мембрана замикаються, і контролер за допомогою аналогово-цифрового перетворювача реєструє зміну опору і перетворює його в координати дотику (X і Y). У загальних рисах алгоритм зчитування такий:

  1. На верхній електрод подається напруга +5 В, нижній заземлюється. Лівий із правим з'єднуються накоротко, і перевіряється напруга на них. Ця напруга відповідає Y-координаті екрану.
  2. Аналогічно на лівий і правий електрод подається +5 В і "земля", з верхнього та нижнього зчитується X-координата.

Існують також восьміпроводние сенсорні екрани. Вони поліпшують точність відстеження, але не підвищують надійності.


3.1.2. П'ятипровідні екран

П'ятипровідні екран більш надійний за рахунок того, що резистивні покриття на мембрані замінено проводять (5-провідний екран продовжує працювати навіть з прорізаної мембраною). На задньому склі нанесено резистивні покриття з чотирма електродами по кутах.

Спочатку всі чотири електроди заземлені, а мембрана "підтягнута" резистором до +5 В. Рівень напруги на мембрані постійно відстежується аналогово-цифровим перетворювачем. Коли ніщо не стосується сенсорного екрану, напруга дорівнює 5 В.

Як тільки на екран натискають, мікропроцесор вловлює зміну напруги мембрани і починає обчислювати координати торкання наступним чином:

  1. На два правих електрода подається напруга +5 В, ліві заземлюються. Напруга на екрані відповідає X-координаті.
  2. Y-координата зчитується підключенням до +5 В обох верхніх електродів і до "землі" обох нижніх.

3.1.3. Особливості

Резистивні сенсорні екрани дешеві і стійки до забруднення. Резистивні екрани реагують на дотик будь-яким гладким твердим предметом: рукою (голою або в рукавичці), пером, кредитною картою, медіатором. Їх використовують скрізь, де вандалізм і низькі температури не виключені: для автоматизації промислових процесів, в медицині, в сфері обслуговування ( POS-термінали), в персональній електроніці ( КПК). Кращі зразки забезпечують точність в 4096 4096 пікселів.

Недоліками резистивних екранів є низьке світлопропускання (не більше 85% для 5-провідних моделей і ще більш низьке для 4-провідних), низька довговічність (не більше 35 млн натиснень в одну точку) і недостатня вандалостійкість (плівку легко розрізати).


3.2. Матричні сенсорні екрани

3.2.1. Конструкція і принцип роботи

Конструкція аналогічна резистивної, але спрощена до межі. На скло нанесені горизонтальні провідники, на мембрану - вертикальні.

При дотику до екрану провідники стикаються. Контролер визначає, які провідники замкнулися, і передає в мікропроцесор відповідні координати.

3.2.2. Особливості

Мають дуже низьку точність. Елементи інтерфейсу доводиться спеціально розташовувати з урахуванням клітин матричного екрану [8]. Єдине достоїнство - простота, дешевизна і невибагливість. Зазвичай матричні екрани опитуються по рядках (аналогічно матриці кнопок); це дозволяє налагодити мультитач. Поступово замінюються резистивними.

3.3. Ємнісні сенсорні екрани

3.3.1. Конструкція і принцип роботи

Принцип дії ємнісного сенсорного екрану

Ємнісний (або поверхнево-ємнісний) екран використовує той факт, що предмет великої ємності проводить змінний струм. [5] [6]

Ємнісний сенсорний екран являє собою скляну панель, вкриту прозорим резистивним матеріалом (зазвичай застосовується сплав оксиду індію та оксиду олова). Електроди, розташовані по кутах екрана, подають на провідний шар невелику змінну напругу (однакову для всіх кутів). При торканні екрану пальцем або іншим провідним предметом з'являється витік струму. При цьому чим ближче палець до електрода, тим менше опір екрану, а значить, сила струму більше. Струм у всіх чотирьох кутах реєструється датчиками і передається в контролер, що обчислює координати точки дотику.

В більш ранніх моделях ємнісних екранів застосовувався постійний струм - це спрощувало конструкцію, але при поганому контакті користувача з землею призводило до збоїв.

Ємнісні сенсорні екрани надійні, близько 200 млн натиснень (близько 6 з половиною років натискань з проміжком в одну секунду), не пропускають рідини і відмінно зазнають не струмопровідні забруднення. Прозорість на рівні 90%. Втім, проводить покриття, розташоване прямо на зовнішній поверхні, все ще вразливе. Тому ємнісні екрани широко застосовуються в автоматах, лише встановлених в захищеному від негоди приміщенні. Не реагують на руку в рукавичці.

Варто зауважити, що через відмінності в термінології часто плутають поверхнево-і проекційно-ємнісні екрани. За класифікацією, застосованої в даній статті, екран, наприклад, iPhone є проекційно-ємнісним, а не ємнісним. [5] [6] [7] [9]


3.4. Проекційно-ємнісні сенсорні екрани

3.4.1. Конструкція і принцип роботи

Принцип дії проекційно-ємнісного сенсорного екрану

На внутрішній стороні екрану нанесена сітка електродів. Електрод разом з тілом людини утворює конденсатор; електроніка вимірює ємність цього конденсатора (подає імпульс струму і вимірює напругу).


3.4.2. Особливості

Прозорість таких екранів до 90%, температурний діапазон надзвичайно широкий. Дуже довговічні (вузьке місце - складна електроніка, обробна натискання). На ПЕCЕ може застосовуватися скло завтовшки аж до 18 мм [10], що призводить до крайньої вандалостійкості. На непровідні забруднення не реагують, провідні легко придушуються програмними методами. Тому проекційно-ємнісні сенсорні екрани широко застосовуються і в персональній електроніці, і в автоматах, у тому числі встановлених на вулиці.

Варто зауважити, що через відмінності в термінології [7] часто плутають поверхнево-і проекційно-ємнісні екрани. За класифікацією, застосованої в даній статті, екран iPhone (основоположник "буму технології", приблизно 2007 рік) є проекційно-ємнісним. [5] [6] [7] [9]


3.5. Сенсорні екрани на поверхнево-акустичних хвилях

3.5.1. Конструкція і принцип роботи

Екран являє собою скляну панель з п'єзоелектричними перетворювачами (ПЕП), що знаходяться по кутах. По краях панелі знаходяться відбиваючі та приймаючі датчики. Принцип дії такого екрану полягає в наступному. Спеціальний контролер формує високочастотний електричний сигнал і посилає його на ПЕП. ПЕП перетворить цей сигнал в ПАР, а відображають датчики його відповідно відображають. Ці відбиті хвилі приймаються відповідними датчиками і посилаються на ПЕП. ПЕП, в свою чергу, приймають відбиті хвилі і перетворюють їх в електричний сигнал, який потім аналізується за допомогою контролера. При торканні екрану пальцем частина енергії акустичних хвиль поглинається. Приймачі фіксують цю зміну, а мікроконтроллер обчислює положення точки дотику. Реагує на торкання предметом, здатним поглинути хвилю (палець, рука в рукавичці, пориста гума).


3.5.2. Особливості

Головним достоїнством екрану на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) є можливість відслідковувати не тільки координати точки, але і силу натиснення (тут, швидше, здатність точно визначати радіус або область натискання), завдяки тому, що ступінь поглинання акустичних хвиль залежить від величини тиску в точці торкання (екран не прогинається під натисканням пальця і ​​не деформується, тому сила натискання не тягне за собою якісних змін в обробці контролером даних про координати впливу, який фіксує тільки область, перекриває шлях акустичних імпульсів). Даний пристрій має дуже високу прозорість, так як світло від отображающего приладу проходить через скло, що не містить резистивних або проводять покриттів. У деяких випадках для боротьби з відблисками скло взагалі не використовується, а випромінювачі, приймачі та відбивачі кріпляться безпосередньо до екрану отображающего пристрої. Незважаючи на складність конструкції, ці екрани досить довговічні. За заявою, наприклад, американської компанії Tyco Electronics і тайванської фірми GeneralTouch, вони витримують до 50 млн торкань в одній точці, що перевищує ресурс 5-проводового резистивного екрану. Екрани на ПАВ застосовуються, в основному, в ігрових автоматах, в охоронюваних довідкових системах і освітніх установах. Як правило, екрани ПАР розрізняють на звичайні - завтовшки 3 мм, і вандалостійкі - 6 мм. Останні витримують удар кулаком середнього чоловіка або падіння металевого кулі вагою 0.5 кг з висоти 1.3 метра (за даними Elo Touch Systems). На ринку пропонуються варіанти підключення до комп'ютера як через інтерфейс RS232, так і через інтерфейс USB. На даний момент більшою популярністю користуються контролери до сенсорних екранів ПАР, підтримуючі і той, і інший тип підключення - combo (дані Elo Touch Systems).

Головним недоліком екрана на ПАХ є збої в роботі при наявності вібрації або при впливі акустичними шумами, а також при забрудненні екрана. Будь-який сторонній предмет, розміщений на екрані (наприклад, жувальна гумка), повністю блокує його роботу. Крім того, дана технологія вимагає торкання предметом, який обов'язково поглинає акустичні хвилі, - тобто, наприклад, пластикова банківська картка в даному випадку непридатна.

Точність цих екранів вище, ніж матричних, але нижче, ніж традиційних ємнісних. Для малювання та введення тексту вони, як правило, не використовуються.


3.6. Інфрачервоні сенсорні екрани

Принцип роботи інфрачервоної сенсорної панелі простий - сітка, сформована горизонтальними і вертикальними інфрачервоними променями, переривається при торканні до монітора будь-яким предметом. Контролер визначає місце, в якому промінь був перерваний.

3.6.1. Особливості

Інфрачервоні сенсорні екрани бояться забруднень і тому застосовуються там, де важлива якість зображення, наприклад, в електронних книгах. Через простоту і ремонтопридатності схема популярна у військових. Часто на такому принципі роблять клавіатури домофонів. Даний тип екрану застосовується в мобільних телефонах компанії Neonode. [11]

3.7. Оптичні сенсорні екрани

Скляна панель забезпечена інфрачервоним підсвічуванням. На кордоні "скло-повітря" виходить повне внутрішнє віддзеркалення, на кордоні "скло - сторонній предмет" світло розсіюється. Залишається зняти картину розсіювання, для цього існують дві технології:


3.7.1. Особливості

Дозволяють відрізнити натискання рукою від натискань якими предметами, є мультитач. Можливі великі сенсорні поверхні, аж до класної дошки.

3.8. Тензометричні сенсорні екрани

Реагують на деформацію екрану. Точність тензометричних екранів невелика, зате вони відмінно витримують вандалізм. Застосування аналогічно проекційно-ємнісним: банкомати, квиткові автомати та інші пристрої, розташовані на вулиці. [16]

3.9. Сенсорні екрани DST

Сенсорний екран DST (Dispersive Signal Technology) реагує на деформацію скла. Можливо натискання на екран рукою або будь-яким предметом. Відмінною особливістю є висока швидкість реакції і можливість роботи в умовах сильного забруднення екрану.

3.10. Індукційні сенсорні екрани

Індукційний сенсорний екран - це графічний планшет з вбудованим екраном. Такі екрани реагують тільки на спеціальне перо.

Застосовуються, коли потрібно реакція саме на натискання пером (а не рукою): художні планшети класу high-end, деякі моделі планшетних ПК.


3.11. Зведена таблиця

Матр 4-пров 5-пров Ємк Пр-ємк ПАР ІЧ-сітка Опт Тензо DST Індукц
Функціональність
Рука в рукавичці Так Так Так Так Так Так Так Так Так
Твердий проводить предмет Так Так Так Так Так Так Так Так Так
Твердий непровідних предмет Так Так Так Так Так Так Так
Мультитач Так 1 Так 7 Так Так Так 1 Так
Вимірювання сили натискання Так Так Так Так Так
Гранична прозорість,% 2 85 75 85 90 90 100 100 100 95 90
Точність 3 Низ Вис Вис Вис Вис Середовищ Низ Середовищ Низ Вис Вис
Надійність
Термін життя, млн. натискань 35 10 35 200 4 [17] 50 5 4 ??? 4 4
Захист від бруду і рідин Так Так Так Так Так Так Так Так Так
Стійкість до вандалізму Так Так Так
Застосування 6 Огран Огран Огран Приміщ Вулиця Приміщ Приміщ Приміщ Вулиця Приміщ Огран

1 Підтримується з обмеженнями.
2 Якщо потрібна тільки скляна панель, без будь-яких прозорих провідних плівок - умовно 95%. Якщо не потрібна навіть вона (можна застосувати штатний покриття екрану) - умовно 100%
3 Висока - до пікселя (точно відстежує гостре перо). Середня - до декількох пікселів (достатня для натискань пальцем). Низька - великими блоками екрану (неможливо малювання, потрібні дуже великі елементи інтерфейсу).
4 Обмежується надійністю електроніки
5 Обмежується забрудненням датчика
6 огра - апаратура обмеженого доступу (персональна електроніка, промислова апаратура). Приміщ - загальний доступ в приміщенні, що охороняється. Вулиця - загальний доступ на вулиці.
7 Програмна емуляція, обробляє максимум 2 натискання.


4. Цікаві факти

У кінофільмі "Міцний горішок" герой Брюса Вілліса з великим інтересом розглядає технічну новинку того часу - сенсорну панель для відвідувачів в Накатомі Плаза.