История сенсорных экранов кратко
Обновлено: 26.04.2024
Сенсорные экраны: прошлое, настоящее и будущее
В нашем современном мире сенсорные экраны являются обычным явлением. Согласно исследованию Pew Research, проведенному в ноябре 2016 года, 77% американцев имеют смартфон, а 51% - планшетный компьютер. Хотя сенсорный экран существует уже несколько десятилетий, он никогда не видел такой популярности. Но откуда они взялись? Как они стали такими распространенными? И как мы можем ожидать их изменения?
По сравнению с другими запчастями для смартфонов, сенсорные экраны уникальны, потому что они обрабатывают как ввод, так и вывод - интерпретируя действия пользователя, используя графический дисплей. Они позволяют пользователю напрямую взаимодействовать с тем, что находится на экране, в отличие от мыши, которая перемещает курсор. Теоретически это более быстрый дизайн, поскольку указателю не нужно перемещаться по экрану между различными объектами. Сенсорные экраны могут дополнительно иметь ряд функций, которые увеличивают их функциональность.
прошлое
1960-е - 70-е годы: изобретение
Другой дизайн появился в 1970-х годах с резистивным сенсорным экраном . Американский изобретатель, ученый, физик в области здравоохранения и педагог, доктор Г. Сэмюэль Херст, открыл эту конструкцию, изучая атомную физику с генератором Ван де Граафа, машиной, которая накапливает и высвобождает электрический заряд. Он и два коллеги использовали электропроводящую бумагу, чтобы прочитать координаты своего анализа, завершив свои эксперименты за несколько часов, когда это могло занять несколько дней.
1980-е: первые потребительские модели и новые технологии
Между тем, другие сенсорные технологии были разработаны. Майрон Крюгер, американский компьютерный художник, разработал Video Place, экран, который может отслеживать силуэт и движения пользователя. Мультитач был также доказан в 1982 году в университете Торонто Нимишем Мехтой. Этот дизайн также использовал камеру, чтобы определить, где пользователь касался экрана. Первый мультитач-оверлей был разработан в 1984 году Бобом Бои из Bell Labs, создавая действительно емкостный экран, который мог обнаруживать несколько точек контакта.
1990-е: популярные сенсорные экраны
Поскольку компьютеры продолжали сокращаться, технологические компании начали видеть возможности портативных устройств. Apple выпустила MessagePad, также называемый Newton, в 1993 году как революционно новый инструмент: КПК. Они использовали сенсорный экран, который был сделан для стилуса, и имели очень ожидаемую особенность: распознавание рукописного ввода. Тем не менее, высокая цена и проблемы с интерпретацией пользовательских текстов не позволили ему быть успешным. В это время IBM выпустила первый мобильный телефон с сенсорным экраном, Simon Personal Communicator. Сегодня он признан первым настоящим смартфоном с календарем, адресной книгой и блокнотом.
Самой популярной серией устройств с сенсорным экраном был Pilot от Palm Computing. Представленные в 1996 году, эти КПК были одним из основных продуктов в мире бизнеса, улучшая многие функции Apple Newton. Фактически, распознавание рукописного ввода Palm Pilot было настолько успешным, что в конечном итоге оно использовалось на более поздних моделях Newton.
К концу 1990-х сенсорные экраны стали частью компьютерной культуры, и интерес к ним возрос. Уэйн Вестерман, аспирант Университета штата Делавэр, опубликовал докторскую диссертацию о емкостных сенсорных экранах в 1999 году, что привело к их популярности сегодня. Он также создал компанию FingerWorks для создания новых устройств на основе своих выводов.
2000-е: сенсорные экраны до смартфонов в повседневной жизни
Крупные технологические компании продолжали понимать, как сенсорные экраны могут использоваться по-новому. Alias | Wavefront создали PortfolioWall, компьютер на основе жестов, который позволил сделать визуальный дизайн быстрым. Nintendo выпустила первую успешную игровую консоль с сенсорным вводом в 2004 году, DS. Microsoft также начала разрабатывать собственные устройства. Microsoft Surface (не путать с современной линейкой планшетов) представлял собой компьютер размером с таблицу с плоским сенсорным дисплеем сверху. Вскоре банкоматы, тренажеры, газовые насосы и кассовые аппараты будут использовать этот стиль ввода по мере роста популярности.
Резистивный сенсорный экран состоит из гибкой пластиковой мембраны, на которую собственно мы и нажимаем пальцем, и стеклянной панели. На внутренние поверхности двух панелей нанесен резистивный материал, по сути, являющийся проводником. Между мембраной и стеклом равномерно расположен микроизолятор. Когда мы нажимаем на одну из областей сенсора, в этом месте замыкаются проводящие слои мембраны и стеклянной панели и происходит электрический контакт. Электронная схема-контроллер сенсора преобразует сигнал от нажатия в конкретные координаты на области дисплея и передает их в схему управления самим электронным устройством. Определение координат, а вернее ее алгоритм, очень сложен и основан на последовательном вычислении сначала вертикальной, а потом горизонтальной координаты контакта.
Резистивные сенсорные экраны достаточно надежны, поскольку нормально функционируют даже при загрязнении активной верхней панели. К тому же они, ввиду своей простоты более дешевы в производстве. Однако у них есть и недостатки. Одним из основных является низкая светопропускная способность сенсора. То есть поскольку сенсор наклеен на дисплей, изображение получается не таким ярким и контрастным.
Емкостный сенсорный экран. В основу его работы заложен тот факт, что любой предмет, имеющий электрическую емкость, в данном случае палец пользователя, проводит переменный электрический ток. Сам сенсор представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным веществом, которое образует проводящий слой. На этот слой при помощи электродов подается переменный ток. Как только палец или стилус касается одной из областей сенсора, в этом месте происходит утечка тока. Его сила зависит от того на сколько близко к краю сенсора произведен контакт. Специальный контроллер измеряет ток утечки и по его значению вычисляет координаты контакта.
Емкостный сенсор также как и резистивный не боится загрязнений, к тому же ему не страшна жидкость. Однако по сравнению с предыдущим он имеет более высокую прозрачность, что делает изображение на дисплее более четким и ярким. Недостаток емкостного сенсора происходит из его конструктивных особенностей. Дело в том, что активная часть сенсора, по сути, находится на самой поверхности, поэтому подвержена износу и повреждениям.
Теперь поговорим о принципах работы менее популярных на сегодняшний день сенсоров.
Матричные сенсоры работают по принципу резистивных, однако отличаются от первых максимально упрощенной конструкцией. На мембрану наносятся вертикальные проводящие полосы, на стекло – горизонтальные. Или наоборот. При давлении на определенную область, замыкаются две проводящие полосы и контроллеру достаточно легко вычислить координаты контакта.
Недостаток такой технологии виден невооруженным глазом – очень низкая точность, а следовательно и невозможность обеспечить высокую дискретность сенсора. Из-за этого некоторые элементы изображения могут не совпадать с расположением полос проводника, а следовательно нажатие на эту область может либо вызвать неправильное исполнение нужной функции либо вообще не сработать. Единственным достоинством этого типа сенсоров является их дешевизна, которая собственно говоря, и выплывает из простоты. Кроме этого матричные сенсоры не прихотливы в использовании.
Проекционно-емкостные сенсорные экраны являются как бы разновидностью емкостных, однако работают немного по-другому. На внутреннюю сторону экрана наносится сетка электродов. При касании пальцем между соответствующим электродом и телом человека возникает электрическая система – эквивалент конденсатора. Контроллер сенсора подает импульс микротока и измеряет емкость образовавшегося конденсатора. В результате того что в момент касания одновременно задействованы несколько электродов, контроллеру достаточно просто вычислить точное место касания (по самой большой емкости).
Основные достоинства проекционно-емкостных сенсоров – это большая прозрачность всего дисплея (до 90 %), чрезвычайно широкий диапазон рабочих температур и долговечность. При использовании такого типа сенсора несущее стекло может достигать толщины 18 мм, что дает возможность делать ударопрочные дисплеи. К тому же сенсор устойчив к непроводящему загрязнению.
Сенсоры на поверхностно-акустических волнах – волнах, распространяющихся на поверхности твердого тела. Сенсор представляет собой стеклянную панель, по углам которой расположены пьезоэлектрические преобразователи. Суть работы такого сенсора в следующем. Пьезоэлектрические датчики генерируют и принимают акустические волны, которые распространяются между датчиками по поверхности дисплея. Если касания нет – электрический сигнал преобразуется в волны, а потом обратно в электрический сигнал. Если произошло касание часть энергии акустической волны поглотится пальцем, а следовательно не дойдет до датчика. Контроллер проанализирует полученный сигнал и посредством алгоритма вычислит место касания.
Достоинства таких сенсоров в том, что используя специальный алгоритм можно определять не только координаты касания, но и силу нажатия – дополнительная информационная составляющая. К тому же конечное устройство отображения (дисплей) имеет очень высокую прозрачность, поскольку на пути света нет полупрозрачных проводящих электродов. Однако сенсоры имеют и ряд недостатков. Во-первых, это очень сложная конструкция, а во-вторых – точности определения координат очень сильно мешают вибрации.
Инфракрасные сенсорные экраны. Принцип их работы основан на использовании координатной сетки из инфракрасных лучей (излучатели и приемники света). Примерно тоже, что и в банковских хранилищах из художественных фильмов про шпионов и грабителей. При касании в определенной точке сенсора прерывается часть лучей, а контроллер по данным от оптических приемников определяет координаты контакта.
Основной недостаток таких сенсоров – очень критичное отношение к чистоте поверхности. Любое загрязнение может привести к полной его неработоспособности. Хотя из-за простоты конструкции этот тип сенсора используется в военных целях, и даже в некоторых мобильных телефонах.
Оптические сенсорные экраны являются логическим продолжением предыдущих. Инфракрасный свет используется в качестве информационной подсветки. Если на поверхности нет сторонних предметов – свет отражается и попадает в фотоприемник. Если произошло касание – часть лучей поглощается, а контроллер определяет координаты контакта.
Недостатком технологии является сложность конструкции в виду необходимости использования дополнительного светочувствительного слоя дисплея. К достоинствам можно отнести возможность достаточно точного определения материала, с помощью которого произведено касание.
Тензометрические и сенсорные экраны DST работают по принципу деформацииповерхностного слоя. Их точность достаточно низкая, но они прекрасно выдерживают механические воздействия, поэтому применяются в банкоматах, билетных автоматах и прочих публичных электронных устройствах.
Индукционные экраны основаны на принципе формирования электромагнитного поля под верхней частью сенсора. При касании специальным пером, меняется характеристика поля, а контроллер в свою очередь вычисляет точные координаты контакта. Применяются в художественных планшетных ПК самого высокого класса, поскольку обеспечивают большую точность определения координат.
Се?нсорный экран — устройство ввода информации; представляет собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.
История
Сенсорный экран изобрели в США в рамках исследований по программированному обучению. Компьютерная система PLATO IV, появившаяся в 1972 году, имела сенсорный экран на сетке ИК-лучей, состоявший из 16×16 блоков. Но даже столь низкая точность позволяла пользователю выбирать ответ, нажимая в нужное место экрана. В 1971 году Сэмюэлем Херстом (будущим основателем компании Elographics, ныне Elo TouchSystems) был разработан элограф — графический планшет, действовавший по четырёхпроводному резистивному принципу (U.S. Patent 3662105 (англ.)).
В 1974 году тот же Херст сумел сделать элограф прозрачным, в 1977 — разработал пятипроводной экран. 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 экраном.
В 1983 году вышел компьютер HP-150 с сенсорным экраном на ИК-сетке. 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 — Nintendo DS, первое массовое устройство, поддерживающее мультитач — iPhone.
Применение
Сенсорные экраны используются в платёжных терминалах, информационных киосках, оборудовании для автоматизации торговли, карманных компьютерах, операторских панелях в промышленности.
Принципы работы сенсорных экранов
Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах.
Резистивные сенсорные экраны
Четырёхпроводной экран
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).
Пятипроводной экран
Особенности
Резистивные сенсорные экраны дёшевы и обладают максимальной стойкостью к загрязнению. Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым гладким твёрдым предметом: рукой (голой или в перчатке), пером, кредитной картой, тупым концом скальпеля. Их используют везде, где вандализм и низкие температуры полностью 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 и принцип работы
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.
Особенности
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
Конструкция и принцип работы
Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток. Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую проводящим прозрачным материалом indium tin oxide (ITO). 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 упрощает конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводит к сбоям.
Особенности
Ёмкостные сенсорные экраны надёжны (порядка 200 млн нажатий), не пропускают жидкости и отлично терпят непроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, установленных в охраняемом помещении. Не реагируют на руку в перчатке.
Мультитач невозможен — четырьмя замерами тока нельзя зафиксировать две и более точки утечки.
Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны
Конструкция и принцип работы
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).
Особенности
Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место — сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны применяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Многие модели реагируют на руку в перчатке.
В современных моделях конструкторы добились очень высокой точности — правда, вандалоустойчивые исполнения менее точны. Отличают нажатие рукой от нажатия проводящим пером. В некоторых моделях поддерживается мультитач. Поэтому такая технология применяется в тачпадах и мультитач-экранах. Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран iPhone является проекционно-ёмкостным.
Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах
Конструкция и принцип работы
Экран представляет собой стеклянную панель с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) находящимися по углам. По краям панели находятся отражающие и принимающие датчики.
Принцип действия такого экрана заключается в следующем. Специальный контроллер формирует высокочастотный электрический сигнал и посылает его на ПЭП. ПЭП преобразует этот сигнал в ПАВ, а отражающие датчики его соответственно отражают. Эти отражённые волны принимаются соответствующими датчиками и посылаются на ПЭП. ПЭП в свою очередь принимают отражённые волны и преобразовывают их в электрический сигнал, который затем анализируется с помощью контроллера. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, а микроконтроллер вычисляет положение точки касания. Реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористая резина).
Особенности
Главным достоинством экрана на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является возможность отслеживать не только координаты точки, но и силу нажатия, благодаря тому, что степень поглощения акустических волн зависит от величины давления в точке касания. Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как свет от отображающего прибора проходит через стекло, не содержащее резистивных или проводящих покрытий. В некоторых случаях для борьбы с бликами стекло вообще не используется, а излучатели, приёмники и отражатели крепятся непосредственно к экрану отображающего устройства. Несмотря на сложность конструкции, эти экраны довольно долговечны. По заявлению, например, тайваньской фирмы GeneralTouch, они выдерживают до 50 млн касаний в одной точке, что превышает ресурс 5-проводного резистивного экрана.
Экраны на ПАВ применяются в основном в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях.
Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбои в работе при наличии вибрации или при воздействии акустическими шумами, а также при загрязнении экрана. Любой посторонний предмет, размещённый на экране (например, жевательная резинка), полностью блокирует его работу. Кроме того, данная технология требует касания предметом, который обязательно поглощает акустические волны, — то есть, например, пластиковая банковская карточка в данном случае неприменима. Точность этих экранов выше, чем матричных, но ниже, чем традиционных ёмкостных. Для рисования и ввода текста они, как правило, не используются.
Сетка инфракрасных лучей
Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост — сетка, сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами, прерывается при касании к монитору любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.
Особенности
Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Данный тип экрана применется в мобильных телефонах компании Neonode.
Оптические сенсорные экраны
Особенности
Тензометрические сенсорные экраны
Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Применение аналогично проекционно-ёмкостным: банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.
Индукционные сенсорные экраны
Индукционный сенсорный экран — это графический планшет со встроенным экраном. Такие экраны реагируют только на специальное перо. Применяются, когда требуется реакция именно на нажатия пером (а не рукой): художественные планшеты класса high-end, некоторые модели планшетных ПК.
Сегодня таким чудом, как сенсорный экран, который позволяет вводить информацию с помощью касаний, уже никого не удивишь. Подавляющее большинство современных смартфонов, планшетных ПК, электронных книг и других гаджетов оснащены подобной технологией. Какова же история появления сенсорного дисплея?
Считается, что первое в мире сенсорное устройство появилось благодаря американскому преподавателю Сэмюэлу Хёрсту, которому приходилось вводить огромное количество данных с многочисленных лент самописцев. Это занятие отнимало много времени, было непроизводительным и требовало повышенной концентрации внимания, чтобы не допускать ошибок.
Для автоматизации процесса Хёрст стал разрабатывать сенсорный экран, по которому двигался самописец. Его творение, вышедшее в свет в 1971 году, получило название Elograph.
В 1974 году образованная Сэмюэлом Хёрстом компания Elographics выпускает прозрачную сенсорную панель, а еще через несколько лет совместно с Siemens — первый телевизор с сенсорным дисплеем.
В 1983 году от компании Hewlett-Packard миру был представлен компьютер HP-150, который был оборудован сенсорным дисплеем, функционирующим по принципу инфракрасной сетки.
Первым сотовым телефоном, имеющим сенсорный экран и выпущенным в 1998 году, стал Alcatel OneTouchCOM. Модель была оснащена небольшим монохромным дисплеем, однако это не помешало ей стать прообразом современного смартфона.
Полноцветный дисплей с хорошим разрешением и поддержкой 4096 цветов был представлен компанией HTC в 2002 году. В модели Qtek с маркировкой 1010/02 XDA была использована резистивная технология.
Благодаря компании Apple сенсорные дисплеи вышли на новый уровень. После выпуска iPhone в 2007 году устройства с сенсорными дисплеями завоевали невероятную популярность. К тому же, технология Multitouch значительно упростила процесс ввода информации.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Читайте также: