Тачскрин или сенсорный экран — это совокупность устройства ввода (сенсорная панель) и вывода (дисплей). Сенсорная панель обычно располагается поверх электронного визуального дисплея электронного устройства .
Дисплей часто представляет собой ЖК-дисплей , AMOLED или OLED- дисплей.
Пользователь может вводить данные или управлять системой обработки информации с помощью простых или мультитач- жестов, касаясь экрана специальным стилусом или одним или несколькими пальцами. [1] Для работы с некоторыми сенсорными экранами используются обычные перчатки или перчатки со специальным покрытием, в то время как на других можно работать только с помощью специального стилуса или ручки. Пользователь может использовать сенсорный экран, чтобы реагировать на то, что отображается, и, если программное обеспечение позволяет, контролировать способ его отображения; например, масштабирование для увеличения размера текста.
Сенсорный экран позволяет пользователю напрямую взаимодействовать с тем, что отображается, вместо использования мыши , сенсорной панели или других подобных устройств (кроме стилуса, который является необязательным для большинства современных сенсорных экранов). [2]
Сенсорные экраны широко распространены в таких устройствах, как смартфоны , портативные игровые консоли , персональные компьютеры , машины для электронного голосования , банкоматы и системы торговых точек (POS). Их также можно подключать к компьютерам или, как терминалы, к сетям. Они играют заметную роль в разработке цифровых устройств, таких как персональные цифровые помощники (КПК) и некоторые устройства для чтения электронных книг . Сенсорные экраны также важны в образовательных учреждениях, таких как классы или кампусы колледжей. [3]
Популярность смартфонов, планшетов и многих типов информационных устройств стимулирует спрос и признание обычных сенсорных экранов для портативной и функциональной электроники. Сенсорные экраны встречаются в медицине, тяжелой промышленности , банкоматах (банкоматах) и киосках, таких как музейные экспозиции или системы автоматизации помещений , где системы клавиатуры и мыши не обеспечивают достаточно интуитивного, быстрого или точного взаимодействия пользователя с экраном. содержимое дисплея.
Исторически сложилось так, что сенсор сенсорного экрана и сопровождающее его встроенное ПО на базе контроллера предоставлялось широким кругом системных интеграторов послепродажного обслуживания , а не производителями дисплеев, чипов или материнских плат . Производители дисплеев и чипов признали тенденцию к принятию сенсорных экранов в качестве компонента пользовательского интерфейса и начали интегрировать сенсорные экраны в фундаментальную конструкцию своих продуктов.
Один из предшественников современного сенсорного экрана включает системы на основе стилуса.
1946 РУЧКА ПРЯМОГО СВЕТА. Компания Philco подала патент на стилус, предназначенный для спортивных телетрансляций, который при размещении на промежуточном дисплее с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) усиливал и дополнял исходный сигнал. По сути, это использовалось для временного рисования стрелок или кругов на прямой телетрансляции, как описано в документе US 2487641A, Denk, William E, «Электронный указатель для телевизионных изображений», выпущенном 8 ноября 1949 года .
1962 ОПТИЧЕСКИЙ. Первая версия сенсорного экрана, который работал независимо от света, исходящего от экрана, была запатентована корпорацией AT&T US 3016421A, Harmon, Leon D, «Электрографический передатчик», выдан 9 января 1962 года . В этом сенсорном экране использовалась матрица коллимированных источников света, сияющих перпендикулярно сенсорной поверхности. Когда луч прерывается иглой, фотодетекторы , которые больше не получают сигнал, могут использоваться для определения места прерывания. Более поздние версии сенсорных экранов на основе матрицы были основаны на этом за счет добавления большего количества излучателей и детекторов для улучшения разрешения, импульсных излучателей для улучшения отношения оптического сигнала к шуму и неортогональной матрицы для удаления теневых показаний при использовании мультитач.
1963 РУЧКА С НЕПРЯМЫМ СВЕТОМ. Более поздние изобретения были основаны на этой системе, позволяющей освободить стилусы телепишущего устройства от механических креплений. Записывая то, что пользователь рисует на компьютер, можно сохранить его для будущего использования. См. патент США 3089918A, Graham, Robert E, «Аппарат телеписания», выданный 14 мая 1963 г.
1965 CAPACITANCE AND RESISTANCE - The first finger driven touchscreen was developed by Eric Johnson, of the Royal Radar Establishment located in Malvern, England, who described his work on capacitive touchscreens in a short article published in 1965[8][9] and then more fully—with photographs and diagrams—in an article published in 1967.[10]
MID-60s ULTRASONIC CURTAIN - Another precursor of touchscreens, an ultrasonic-curtain-based pointing device in front of a terminal display, had been developed by a team around Rainer Mallebrein at Telefunken Konstanz for an air traffic control system.[11] In 1970, this evolved into a device named "Touchinput-Einrichtung" ("touch input facility") for the SIG 50 terminal utilizing a conductively coated glass screen in front of the display.[12][11] This was patented in 1971 and the patent was granted a couple of years later.[12][11] The same team had already invented and marketed the Rollkugel mouse RKS 100-86 for the SIG 100-86 a couple of years earlier.[12]
1968 CAPACITANCE - The application of touch technology for air traffic control was described in an article published in 1968.[13] Frank Beck and Bent Stumpe, engineers from CERN (European Organization for Nuclear Research), developed a transparent touchscreen in the early 1970s,[14] based on Stumpe's work at a television factory in the early 1960s. Then manufactured by CERN, and shortly after by industry partners,[15] it was put to use in 1973.[16]
1972 OPTICAL - A group at the University of Illinois filed for a patent on an optical touchscreen[17] that became a standard part of the Magnavox Plato IV Student Terminal and thousands were built for this purpose. These touchscreens had a crossed array of 16×16 infrared position sensors, each composed of an LED on one edge of the screen and a matched phototransistor on the other edge, all mounted in front of a monochrome plasma display panel. This arrangement could sense any fingertip-sized opaque object in close proximity to the screen.
1973 МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ ЕМКОСТЬ. В 1973 году Бек и Стампе опубликовали еще одну статью, описывающую свой емкостный сенсорный экран. Это указывало на то, что он поддерживает мультитач, но эта функция была намеренно отключена, по-видимому, поскольку в то время это не считалось полезным («...переменная...называемая НО меняет значение от нуля до пяти при нажатии кнопки Прикосновение к другим кнопкам приведет к получению других ненулевых значений НО, но это защищено программным обеспечением» (Страница 6, раздел 2.6). [18] «Фактический контакт между пальцем и конденсатором предотвращается тонким слоем пластик» (стр. 3, раздел 2.3). В то время расчетная емкость еще не была изобретена.
1977 РЕЗИСТИВНЫЙ. Американская компания Elographics в партнерстве с Siemens начала работу над прозрачной реализацией существующей технологии непрозрачной сенсорной панели (патент США № 3911215 от 7 октября 1975 г.), которая была разработана основателем Elographics Джорджем Сэмюэлем Херстом. . [19] Полученный в результате сенсорный экран с резистивной технологией был впервые показан на Всемирной выставке в Ноксвилле в 1982 году. [20]
1982 МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ КАМЕРА. Технология мультитач зародилась в 1982 году, когда группа исследования ввода Университета Торонто разработала первую мультисенсорную систему с человеческим вводом данных, в которой использовалась панель из матового стекла с камерой, расположенной за стеклом.
1983 ОПТИЧЕСКИЙ. Оптический сенсорный экран использовался в HP-150, начиная с 1983 года. HP 150 был одним из первых в мире коммерческих компьютеров с сенсорным экраном. [21] Компания HP установила свои инфракрасные передатчики и приемники вокруг лицевой панели 9-дюймовой электронно-лучевой трубки Sony (ЭЛТ).
1983 СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН С МУЛЬТИСЕНСОРНЫМ ДАТЧИКОМ СИЛА. Боб Бой из AT&T Bell Labs использовал емкость для отслеживания толщины мягкой, податливой мембраны при контакте с одним или несколькими внешними физическими объектами; [22] поверхность легко заменяется в случае повреждения этими предметами. В патенте эта технология описана как потенциально пригодная для использования в качестве сенсорного экрана.
Бойе описывается [23] [24] [25] как человек, сделавший большой шаг вперед в технологии сенсорных экранов; но не было найдено никаких доказательств того, что прочный емкостный сенсорный экран с функцией мультитач, способный воспринимать информацию через жесткую защитную накладку, когда-либо был запатентован Бойе. [26] Многие из этих цитат основаны на неофициальных свидетельствах Билла Бакстона из Bell Labs. [27] Однако Биллу Бакстону не удалось освоить эту технологию. Как он заявляет в цитате: «Наше предположение (ошибочное, как оказалось) заключалось в том, что технология Boie станет доступной для нас в ближайшем будущем. Примерно в 1990 году я взял группу из Xerox, чтобы увидеть эту технологию, поскольку она [так в оригинале] Я чувствовал, что это подойдет для пользовательского интерфейса наших крупных процессоров документов. Это не сработало».
ЕМКОСТЬ ДО 1984 ГОДА. Хотя, как упоминалось ранее, Джонсону приписывают разработку первых емкостных и резистивных сенсорных экранов, управляемых пальцем, в 1965 году, они работали путем прямого касания проводов, пересекающих переднюю часть экрана. [9] Стампе и Бек разработали сенсорный экран с собственной емкостью в 1972 году и сенсорный экран с взаимной емкостью в 1977 году. Оба эти устройства могли распознавать палец только при прямом прикосновении или через тонкую изолирующую пленку. [28] Согласно отчету Стампе за 1977 год, его толщина составляла 11 микрон. [29]
1984 ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН НА ПРОЕКТИРОВАННУЮ ЕМКОСТЬ. Британский изобретатель Рон Бинстед изобрел емкостную клавиатуру и сенсорный экран, поддерживающие мультитач, который мог «проецировать» сенсорное восприятие через несколько сантиметров воздуха и других непроводящих материалов . Это позволило точно обнаружить пальцы через очень толстое стекло и даже двойное остекление (изображение см. на клавиатуре ). [31] Значительное увеличение функциональности было связано с гораздо большей вычислительной мощностью, доступной в то время, и использованием простой формы искусственного интеллекта (см. Патентную формулу 1). Первоначально для обработки данных использовался компьютер Acorn BBC . Этот метод позже стал известен как проектируемая емкость .
Проектируемая емкость использует простую форму искусственного интеллекта для измерения изменений емкости, вызванных одним или несколькими пальцами, путем специального профилирования эффектов емкости, ожидаемых от прикосновения пальца, и устранения любых измеренных изменений емкости, связанных с другими глобальными и/или локальными событиями. [32]
Вместо клавиатуры устройство можно использовать в качестве зоны непрерывного измерения координат x/y (см. п.9). Прозрачную версию можно было использовать в качестве сенсорного экрана с проекционной емкостью (см. пункт 10), но она была ограничена в размерах из-за высокого сопротивления узких прозрачных дорожек из оксида индия и олова (под номером 96 на изображении), используемых для связи всех чувствительных зон ( 80,82,84,86,88,90) независимо до общего края.
1984 СЕНСОРНАЯ ПАНЕЛЬ. Fujitsu выпустила сенсорную панель для Micro 16 , позволяющую обрабатывать сложные символы кандзи , которые хранились в виде мозаичной графики. [33]
1986 ГРАФИЧЕСКИЙ ПЛАНШЕТ. Для компьютера Sega AI был выпущен графический сенсорный планшет. [34] [35]
ОЦЕНКА ДЛЯ АВИАЦИИ В НАЧАЛЕ 80-Х ГОДОВ. В начале 1980-х годов сенсорные блоки управления и индикации (CDU) оценивались для кабин пилотов коммерческих самолетов. Первоначальные исследования показали, что сенсорный интерфейс снизит рабочую нагрузку пилота, поскольку тогда экипаж сможет выбирать путевые точки, функции и действия, а не «головой вниз», набирая широту, долготу и коды путевых точек на клавиатуре. Эффективная интеграция этой технологии была направлена на то, чтобы помочь летным экипажам поддерживать высокий уровень ситуационной осведомленности обо всех основных аспектах работы транспортного средства, включая траекторию полета, функционирование различных систем самолета и мгновенное взаимодействие людей. [36]
ОЦЕНКА АВТОМОБИЛЕЙ В НАЧАЛЕ 80-Х ГОДОВ - также в начале 1980-х годов компания General Motors поручила своему подразделению Delco Electronics проект, направленный на замену второстепенных функций автомобиля (т.е. кроме дроссельной заслонки , трансмиссии , торможения и рулевого управления ) механическими или электроприводами. механические системы с твердотельными альтернативами, где это возможно. Готовое устройство было названо ECC, что означает «Электронный центр управления», цифровой компьютер и система программного управления, подключенная к различным периферийным датчикам , сервоприводам , соленоидам , антенне и монохромному сенсорному экрану с ЭЛТ, который функционировал как в качестве дисплея, так и в качестве единственного метода ввода. [37] ECC заменил традиционные механические органы управления стереосистемой , вентилятором, обогревателем и кондиционером и дисплеями и был способен предоставлять очень подробную и конкретную информацию о совокупном и текущем рабочем состоянии автомобиля в режиме реального времени . ECC был стандартным оборудованием на Buick Riviera 1985–1989 годов , а затем на Buick Reatta 1988–1989 годов , но был непопулярен среди потребителей - отчасти из-за технофобии некоторых традиционных клиентов Buick , но в основном из-за дорогостоящих технических проблем, с которыми столкнулся сенсорный экран ECC. что сделает невозможным климат-контроль или работу стереосистемы. [38]
1985 ГРАФИЧЕСКИЙ ПЛАНШЕТ — Sega выпустила Terebi Oekaki, также известную как графическая плата Sega, для игровой консоли SG-1000 и домашнего компьютера SC-3000 . Он состоял из пластиковой ручки и пластиковой доски с прозрачным окошком, через которое фиксируется нажатие ручки. Он использовался в основном с программным обеспечением для рисования. [39]
1985 МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ ЕМКОСТЬ. Группа Университета Торонто, включая Билла Бакстона, разработала мультитач-планшет, в котором использовалась емкость, а не громоздкие оптические сенсорные системы на базе камеры (см. « История мультитач» ).
1985 г. ИСПОЛЬЗОВАНО ДЛЯ ТОЧЕК ПРОДАЖ. Первое коммерчески доступное графическое программное обеспечение для точек продаж (POS) было продемонстрировано на 16-битном цветном компьютере Atari 520ST . Он имел цветной сенсорный экран, управляемый виджетами. [40] Программное обеспечение ViewTouch [41] POS было впервые показано его разработчиком Джином Мошером на демонстрационной площадке Atari Computer на осенней выставке COMDEX в 1986 году. [42]
1987 г. ПАТЕНТ НА СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН НА ВИТРИНУ МАГАЗИНА С БОЛЬШОЙ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЕМКОСТЬЮ. Был разработан сенсорный экран с большой проекционной емкостью для распознавания пальцев через очень толстое стекло и двойное остекление. Это позволило управлять сенсорными экранами через витрины магазинов. [43] Сопротивление используемого прозрачного оксида индия и олова не было проблемой, поскольку 16 сенсорных зон были подключены непосредственно к четырем краям сенсорного экрана (см. Врезное изображение), что позволило избежать необходимости в узких дорожках, соединяющих каждую сенсорную зону с только один край. Был размещен заказ на эти сенсорные экраны на сумму 0,7 миллиона долларов для использования в сети отелей США. [44]
1987 ЕМКОСТНЫЕ СЕНСОРНЫЕ КЛАВИШИ. Casio выпустила карманный компьютер Casio PB-1000 с сенсорным экраном, состоящим из матрицы 4×4, в результате чего на небольшом графическом ЖК-экране появилось 16 сенсорных областей.
1988 г. ВЫБОР НА «ПОДЪЕМ». До 1988 года сенсорные экраны имели плохую репутацию неточностей. В большинстве книг по пользовательскому интерфейсу указывалось, что выбор сенсорных экранов ограничивался объектами размером больше среднего пальца. В то время выбор осуществлялся таким образом, что цель выбиралась, как только на нее наступал палец, и соответствующее действие выполнялось немедленно. Ошибки были обычным явлением из-за параллакса или проблем с калибровкой, что приводило к разочарованию пользователей. «Стратегия отрыва» [45] была предложена исследователями из Лаборатории взаимодействия человека и компьютера (HCIL) Университета Мэриленда . Когда пользователи касаются экрана, предоставляется информация о том, что будет выбрано: пользователи могут регулировать положение пальца, и действие происходит только тогда, когда палец отрывается от экрана. Это позволяло выбирать небольшие цели, вплоть до одного пикселя, на экране видеографической матрицы (VGA) 640×480 (стандарт того времени).
1990 ЖЕСТЫ ОДИНОЧНОГО И МУЛЬТИСЕНСОРНОГО КАСАНИЯ — Sears et al. (1990) [46] дали обзор академических исследований по одно- и многоточечному взаимодействию человека с компьютером того времени, описывая такие жесты, как вращение ручек, регулировка ползунков и пролистывание экрана для активации переключателя (или U-образной кнопки). жест для тумблера). Команда HCIL разработала и изучила небольшие клавиатуры с сенсорным экраном (включая исследование, которое показало, что пользователи могут печатать со скоростью 25 слов в минуту на сенсорной клавиатуре), что способствовало их внедрению на мобильных устройствах. Они также разработали и реализовали мультисенсорные жесты, такие как выбор диапазона линии, соединение объектов и жест «нажатие-щелчок» для выбора, сохраняя местоположение другим пальцем.
1990 СЛАЙДЕР С СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ - HCIL продемонстрировала слайдер с сенсорным экраном, [47] который позже был назван предшествующим уровнем техники в судебном разбирательстве по патентам на экран блокировки между Apple и другими поставщиками мобильных телефонов с сенсорным экраном (в отношении патента США 7,657,849 ). [48]
1991 ВЫДАЕТСЯ ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ПРОЕКТИРОВАННУЮ ЕМКОСТЬ. Заявка на патент на проектируемую емкость в 1984 году выдана компании Binstead Designs из Ноттингема, Англия. [30]
1991 ИНЕРЦИАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ — с 1991 по 1992 год в прототипе КПК Sun Star7 был реализован сенсорный экран с инерционной прокруткой . [49]
1993 ЕМКОСТНАЯ МЫШЬ/КЛАВИАТУРА. Боб Бойе из AT&T Bell Labs запатентовал простую мышь или клавиатуру, которая емкостно воспринимала только один палец через тонкий изолятор. [50] Хотя эта технология не заявлена и даже не упомянута в патенте, она потенциально может быть использована в качестве емкостного сенсорного экрана.
1993 ПЕРВЫЙ ТЕЛЕФОН С РЕЗИСТИВНЫМ СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ. IBM выпустила IBM Simon , первый телефон с сенсорным экраном.
ЗАБРОШЕННЫЙ ИГРОВОЙ КОНТРОЛЛЕР НАЧАЛА 90-Х — Ранняя попытка создания портативной игровой консоли с сенсорным управлением была запланированным преемником Sega Game Gear , хотя в конечном итоге устройство было отложено и так и не выпущено из-за высокой стоимости технологии сенсорного экрана в начале 1990-х годов.
1994 ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН НА ПРОЕКТИРУЕМУЮ ЕМКОСТЬ X/Y. Британским изобретателем Роном Бинстедом был изобретен мультиплексированный по X/Y проецируемой емкости, датчик приближения с несколькими входами и сенсорная панель/сенсорный экран. Он был способен к мультитач и мог точно и надежно распознавать пальцы через толстые пластиковые и стеклянные накладки. [51] Вместе с более ранним патентом изобретателя, [30] он был очень похож на патент Apple, полученный 10 лет спустя, в 2004 году. [52]
1994 ПЕРВЫЕ ПРОХОДНЫЕ ПРОЕКТНЫЕ ЕМКОСТИ — в сенсорных экранах Стампе и Бека (1972/1977 — уже упоминалось) использовались непрозрачные проводящие медные дорожки, которые закрывали около 50% экрана (дорожка 80 микрон / пространство 80 микрон). Однако появление в 1984 году проектируемой емкости с ее улучшенными возможностями обнаружения показало, что большинство этих дорожек можно устранить. Это оказалось так и привело к изобретению сенсорного экрана на основе проволоки в 1994 году, где один провод диаметром 25 микрон с изоляционным покрытием заменил около 30 из этих дорожек шириной 80 микрон, а также мог точно распознавать пальцы через толстое стекло. Маскирование экрана, вызванное медью, было уменьшено с 50% до менее чем 0,5%.
Использование тонкой проволоки означало, что очень большие сенсорные экраны шириной в несколько метров можно было печатать на тонкой полиэфирной опорной пленке с помощью простого рентгеновского перьевого плоттера [53], что устраняло необходимость в дорогостоящем и сложном напылении покрытия, лазерной абляции, экранировании. печать или травление. Получившаяся в результате невероятно гибкая пленка для сенсорного экрана толщиной менее 100 микрон может быть прикреплена статическим или незатвердевающим слабым клеем к одной стороне листа стекла для считывания через это стекло. [54] Ранние версии этого устройства управлялись микрочипом PIC16C54.
1994 ПЕРВАЯ ИГРА С СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ В ПАБЕ. Появившаяся в пабах в 1994 году игра Monopoly SWP (навыки с призами) от JPM стала первой машиной, в которой вместо кнопок использовалась технология сенсорного экрана (см. « Викторина» / «История»). Он использовал 14-дюймовую версию этого недавно изобретенного сенсорного экрана с проекционной емкостью на основе проводов и имел 64 чувствительные области - схема подключения аналогична показанной на нижней диаграмме. Зигзагообразный рисунок был введен для минимизации визуальных отражений и предотвращения муаровых помех между проводами и линиями сканирования монитора. Для этой цели было продано около 600 из них по цене 50 фунтов за штуку, что по тем временам было очень дешево. [44] Работа через очень толстое стекло сделало его идеальным для работы в «агрессивной» среде, например в пабе. Хотя отраженный свет от медных проводов был заметен при определенных условиях освещения, эту проблему удалось устранить с помощью тонированного стекла. Проблема отражения была позже решена за счет использования более тонких (диаметром 10 микрон) проводов с темным покрытием. В течение следующего десятилетия JPM продолжал использовать сенсорные экраны во многих других играх, таких как «Cluedo» и «Кто хочет стать миллионером». [55]
1998 ЛИЦЕНЗИИ НА ПРОЕКТИРОВАННУЮ ЕМКОСТЬ. Четыре года спустя лицензия на эту технологию была предоставлена компании Romag Glass Products, которая позже в 2003 году стала называться Zytronic Displays и Visual Planet (см. стр. 4). [56]
2004 MOBILE MULTI-TOUCH PROJECTED CAPACITANCE PATENT - Apple patents its multi-touch capacitive touchscreen for mobile devices.[52]
2004 VIDEO GAMES WITH TOUCHSCREENS - Touchscreens were not be popularly used for video games until the release of the Nintendo DS in 2004.[57]
2007 MOBILE PHONE WITH CAPACITANCE - The first mobile phone with a capacitive touchscreen was LG Prada, released in May 2007 (which was before the first iPhone released).[58] By 2009, touchscreen-enabled mobile phones were becoming trendy and quickly gaining popularity in both basic and advanced devices.[59][60] In Quarter-4 2009 for the first time, a majority of smartphones (i.e. not all mobile phones) shipped with touchscreens over non-touch.[61]
2013 RESISTIVE VERSUS PROJECTED CAPACITANCE SALES - In 2007, 93% of touchscreens shipped were resistive and only 4% were projected capacitance. In 2013, 3% of touchscreens shipped were resistive and 96% were projected capacitance (see page 5).[62]
2015 FORCE SENSING TOUCHSCREENS - Until recently,[when?] most consumer touchscreens could only sense one point of contact at a time, and few have had the capability to sense how hard one is touching. This has changed with the commercialization of multi-touch technology, and the Apple Watch being released with a force-sensitive display in April 2015.
2015 FIRST DIAGONALLY "WIRED" TOUCHSCREEN PATENT - A new diagonal "wiring" arrangement was invented by British inventor Ron Binstead, for use with resistive and multi-touch projected capacitance touchscreens - all the I/O elements coming from just one edge, and no bussed wires or "dead zone" round the other three edges (see top image on right). Touch resolution is almost doubled compared to x/y multiplexing. For example, 16 x/y I/Os create a maximum of 64 sensing element intersections, whereas 16 diagonal I/Os create 120 intersections.[63][64]
2015 БИСТАТНАЯ ПРОЕКТНАЯ ЕМКОСТЬ — при использовании в качестве сенсорного экрана проектируемой емкости в режиме взаимной емкости диагональная проводка требует, чтобы каждая линия ввода-вывода могла переключаться между двумя состояниями (бистатное состояние), выходом в некоторых случаях и входом в другое время. . Большую часть времени входы/выходы являются входами, но после каждого сканирования один из входов/выходов должен стать выходом, а остальные входы воспринимают любые генерируемые им сигналы. Поэтому линиям ввода-вывода, возможно, придется переключаться с входа на выход и наоборот много раз в секунду. Этот новый дизайн получил премию Electronics Weekly Elektra Award в 2017 году. [65]
ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА «БЕСКОНЕЧНО ШИРОКИЙ» СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН 2021 ГОДА. В стандартных сенсорных экранах с x/y-матрицей сопротивление горизонтальных чувствительных элементов увеличивается по мере увеличения ширины сенсорного экрана. В конце концов достигается предел, когда сопротивление становится настолько большим, что сенсорный экран больше не может работать должным образом. В 2021 году британский изобретатель Рон Бинстед изобрел сенсорный экран неограниченной ширины. Диагональная разводка позволяет сделать чувствительные элементы независимыми от ширины сенсорного экрана и никогда не превышать высоту в 1,414 раза , независимо от ширины сенсорного экрана. [66] Эту высоту можно уменьшить в 1,12 раза , если чувствительные элементы пересекаются под углом 60 градусов вместо 90 градусов. Сенсорным экраном может управлять один процессор, или два конца могут управляться совершенно независимо разными процессорами, если они связаны синхронизирующим процессором в перекрывающейся средней части. Количество уникальных пересечений можно увеличить за счет разделения многих чувствительных элементов, как показано на схеме.
Существует множество технологий сенсорных экранов с разными методами восприятия прикосновения. [46]
Резистивная сенсорная панель состоит из нескольких тонких слоев, наиболее важными из которых являются два прозрачных электрорезистивных слоя, обращенных друг к другу с небольшим зазором между ними . Верхний слой (тот, к которому прикасаются) имеет покрытие на нижней поверхности; прямо под ним находится аналогичный резистивный слой поверх подложки. Один слой имеет проводящие соединения по бокам, другой сверху и снизу. Напряжение подается на один слой и воспринимается другим. Когда какой-либо объект, например кончик пальца или стилуса, прижимается к внешней поверхности, два слоя соприкасаются, соединяясь в этой точке. [67] В этом случае панель ведет себя как пара делителей напряжения , по одной оси за раз. Путем быстрого переключения между слоями можно определить положение давления на экране.
Резистивный сенсорный экран используется в ресторанах, на фабриках и в больницах из-за его высокой устойчивости к жидкостям и загрязнениям. Основным преимуществом резистивной сенсорной технологии является ее низкая стоимость. Кроме того, поскольку для ощущения прикосновения необходимо лишь достаточное давление, их можно использовать в перчатках или используя что-нибудь жесткое вместо пальца. К недостаткам можно отнести необходимость придавливания и риск повреждения острыми предметами. Резистивные сенсорные экраны также страдают от более низкой контрастности из-за дополнительных отражений (т.е. бликов) от слоев материала, расположенного над экраном. [68] Этот тип сенсорного экрана использовался Nintendo в семействе DS, семействе 3DS и Wii U GamePad . [69]
Из-за своей простой структуры и очень небольшого количества входов резистивные сенсорные экраны в основном используются для управления одним касанием, хотя доступны некоторые версии с двумя касаниями (часто называемые мультитач). [70] [71] Однако существуют некоторые резистивные сенсорные экраны с поддержкой мультитач. Им требуется гораздо больше входных данных, и они полагаются на мультиплексирование x/y, чтобы уменьшить счетчик ввода-вывода.
Один из примеров настоящего резистивного сенсорного экрана с поддержкой мультитач [72] может одновременно распознавать 10 пальцев. Он имеет 80 соединений ввода-вывода. Возможно, это разделенные 34 входов / 46 выходов y, образующие стандартный сенсорный экран с соотношением сторон 3:4 с 1564 пересекающимися узлами сенсорного восприятия x/y.
Вместо мультиплексирования x/y можно было бы использовать мультиплексирование с тремя состояниями . Это позволило бы сократить количество входов/выходов с 80 до 60, создав при этом 1770 уникальных сенсорных узлов без необходимости использования лицевой панели и со всеми входными данными, поступающими только с одного края. [73]
Технология поверхностных акустических волн (SAW) использует ультразвуковые волны, которые проходят через сенсорную панель. При прикосновении к панели часть волны поглощается. Изменение ультразвуковых волн обрабатывается контроллером для определения положения события касания. Сенсорные панели с поверхностными акустическими волнами могут быть повреждены внешними элементами. Загрязнения на поверхности также могут мешать работе сенсорного экрана.
Устройства на ПАВ имеют широкий спектр применения, включая линии задержки , фильтры, корреляторы и преобразователи постоянного тока в постоянный .
Емкостная сенсорная панель состоит из изолятора , например стекла , покрытого прозрачным проводником , например оксидом индия и олова (ITO). [74] Поскольку человеческое тело также является электрическим проводником, прикосновение к поверхности экрана приводит к искажению электростатического поля экрана, которое можно измерить как изменение емкости . Для определения места прикосновения могут использоваться различные технологии. Затем местоположение отправляется контроллеру для обработки. В некоторых сенсорных экранах вместо ITO используется серебро, поскольку ITO вызывает ряд проблем с окружающей средой из-за использования индия. [75] [76] [77] [78] Контроллер обычно представляет собой дополнительную микросхему специализированной интегральной схемы (ASIC) металл-оксид-полупроводник (КМОП), которая, в свою очередь, обычно отправляет сигналы на цифровой процессор сигналов КМОП ( DSP) для обработки. [79] [80]
В отличие от резистивного сенсорного экрана , некоторые емкостные сенсорные экраны нельзя использовать для обнаружения пальца через электроизоляционный материал, например перчатки. Этот недостаток особенно влияет на удобство использования бытовой электроники, такой как сенсорные планшеты и емкостные смартфоны, в холодную погоду, когда люди могут носить перчатки. Его можно преодолеть с помощью специального емкостного стилуса или специальной перчатки с вышитым участком проводящей нити, обеспечивающим электрический контакт с кончиком пальца пользователя.
Некачественный импульсный блок питания с соответственно нестабильным и шумным напряжением может временно влиять на точность, аккуратность и чувствительность емкостных сенсорных экранов. [81] [82] [83]
Некоторые производители емкостных дисплеев продолжают разрабатывать более тонкие и точные сенсорные экраны. Экраны для мобильных устройств теперь производятся с использованием «внутриклеточной» технологии, например, в экранах Super AMOLED от Samsung , которая устраняет слой за счет создания конденсаторов внутри самого дисплея. Этот тип сенсорного экрана уменьшает видимое расстояние между пальцем пользователя и тем, к чему он прикасается на экране, уменьшая толщину и вес дисплея, что желательно в смартфонах .
Простой конденсатор с параллельными пластинами имеет два проводника, разделенных диэлектрическим слоем. Большая часть энергии в этой системе сосредоточена непосредственно между пластинами. Часть энергии перетекает в область за пределами пластин, а линии электрического поля, связанные с этим эффектом, называются краевыми полями. Одной из задач создания практичного емкостного датчика является разработка набора дорожек печатной платы, которые направляют периферийные поля в активную чувствительную область, доступную пользователю. Конденсатор с параллельными пластинами не является хорошим выбором для такой схемы датчика. Помещение пальца рядом с окаймляющими электрическими полями увеличивает площадь проводящей поверхности емкостной системы. Дополнительная емкость хранения заряда, добавляемая пальцем, известна как емкость пальца или CF. Емкость датчика без присутствия пальца известна как паразитная емкость или CP.
В этой базовой технологии только одна сторона изолятора покрыта проводящим слоем. К слою прикладывается небольшое напряжение, в результате чего создается однородное электростатическое поле. Когда проводник, например человеческий палец, касается непокрытой поверхности, динамически формируется конденсатор. Контроллер датчика может определить место касания косвенно по изменению емкости, измеренной по четырем углам панели. Поскольку он не имеет движущихся частей, он достаточно долговечен, но имеет ограниченное разрешение, подвержен ложным сигналам из-за паразитной емкостной связи и требует калибровки во время производства. Поэтому он чаще всего используется в простых приложениях, таких как промышленные системы управления и киоски . [84]
Хотя некоторые стандартные методы обнаружения емкости являются проекционными, в том смысле, что их можно использовать для обнаружения пальца через непроводящую поверхность, они очень чувствительны к колебаниям температуры, которые расширяют или сжимают чувствительные пластины, вызывая колебания емкости. этих пластин. [85] Эти колебания приводят к сильному фоновому шуму, поэтому для точного обнаружения требуется сильный сигнал от пальца. Это ограничивает применение теми случаями, когда палец непосредственно касается чувствительного элемента или воспринимается через относительно тонкую непроводящую поверхность.
Технология проекционно-емкостного касания (PCT; также PCAP) представляет собой вариант технологии емкостного касания, но в котором чувствительность к касанию, точность, разрешение и скорость касания были значительно улучшены за счет использования простой формы искусственного интеллекта. Эта интеллектуальная обработка позволяет точно и надежно проецировать чувствительность пальцев через очень толстое стекло и даже двойное остекление. [86]
Прогнозируемая емкость — это метод точного обнаружения и отслеживания конкретной переменной или группы переменных (например, пальцев) путем: а) использования простой формы искусственного интеллекта для разработки профиля ожидаемых для этого эффектов изменения емкости. переменная, б) специальный поиск таких изменений и в) устранение измеренных изменений емкости, которые не соответствуют этому профилю, обусловленные глобальными переменными (такими как температура/влажность, накопление грязи, электрический шум) и локальными переменными (такими как капли дождя, полутень и руки/локти). Емкостные датчики могут быть дискретными – возможно (но не обязательно) в виде регулярной матрицы или мультиплексированными. [52]
Предположения.
На практике делаются различные предположения, например: - а) пальцы не будут касаться экрана при включении питания, б) палец не будет находиться на одном и том же месте дольше, чем фиксированный период времени, и в ) пальцы не будут соприкасаться повсюду одновременно.
а) Если палец касается экрана при «включении питания», то, как только он будет удален, будет обнаружено большое «анти-касание» изменение емкости. Это сигнализирует процессору о необходимости сброса порогов касания и сохранения новых значений «без касания» для каждого входа.
б) Долгосрочная компенсация дрейфа используется для постепенного повышения или понижения этих пороговых значений (с тенденцией в конечном итоге к «отсутствию касания»). Это компенсирует глобальные изменения температуры и влажности. Это также исключает возможность того, что какое-либо положение будет казаться затронутым слишком долго из-за какого-либо события, не связанного с пальцем. Это может быть вызвано, например, тем, что мокрый лист приземлился на экран и прилип к нему.
в) Когда необходимо принять решение о достоверности одного или нескольких касаний, предположение в) означает, что среднее значение изменений, измеренных для некоторых входных данных с наименьшим изменением, может использоваться для «компенсации» коснитесь пороговых значений конфликтующих входов. Это сводит к минимуму влияние рук и рук.
С помощью этих и других средств процессор постоянно настраивает пороги касания и чувствительность каждого входа. Это позволяет точно обнаружить очень небольшие изменения, вызванные только пальцами, через толстые слои или несколько сантиметров воздуха. [31]
Когда проводящий объект, например палец, контактирует с панелью РСТ, он искажает локальное электростатическое поле в этой точке. Это можно измерить как изменение емкости. Если палец перекрывает зазор между двумя «дорожками», поле заряда прерывается и обнаруживается контроллером. Емкость можно изменять и измерять в каждой отдельной точке сетки. Эта система способна точно отслеживать прикосновения. [87]
Поскольку верхний слой PCT выполнен из стекла, он более прочный, чем менее дорогая резистивная сенсорная технология. В отличие от традиционной емкостной сенсорной технологии, система PCT может распознавать пассивное стилус или пальцы в перчатках.
Влага на поверхности панели, высокая влажность или скопившаяся пыль не являются проблемой, особенно для сенсорных экранов на основе «тонкой проволоки», поскольку сенсорные экраны на основе проволоки имеют очень низкую «паразитную» емкость и расстояние между ними больше. между соседними проводниками. В проектируемую емкость встроена «долговременная компенсация дрейфа». Это сводит к минимуму влияние медленно меняющихся факторов окружающей среды, таких как накопление грязи и эффекты, вызванные изменениями погоды. [86] Капли дождя малоэффективны, но текущая вода, особенно текущая морская вода (из-за ее электропроводности), может вызвать кратковременные проблемы.
Высокочастотный (РЧ) сигнал, возможно, от 100 кГц до 1 МГц, подается на одну дорожку за раз и проводятся соответствующие измерения емкости (как описано ниже в этой статье). [88] Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут выбраны все дорожки.
Проводящие дорожки часто бывают прозрачными, например, оксид индия-олова (ITO), прозрачный электрический проводник, но эти проводящие дорожки могут быть изготовлены из очень тонкой непрозрачной металлической сетки [89] или отдельных тонких проволок. [53]
Расположение может варьироваться в зависимости от того, должен ли обнаруживаться один палец или несколько пальцев.
Чтобы одновременно распознавать множество пальцев, некоторые современные сенсорные экраны PCT состоят из тысяч отдельных клавиш, [52] каждая из которых индивидуально связана с краем сенсорного экрана. Это достигается путем травления рисунка электродной сетки на прозрачном проводящем покрытии на одной стороне листа стекла или пластика.
Чтобы уменьшить количество входных дорожек, большинство сенсорных экранов PCT используют мультиплексирование. Это позволяет, например, сократить количество входов со 100 (n) дискретных клавиш до 20 при использовании мультиплексирования x/y или до 15 при использовании мультиплексирования в двух состояниях или мультиплексировании в трех состояниях .
Для емкостного мультиплексирования требуется сетка пересекающихся, но электрически изолированных проводящих дорожек. Этого можно достичь разными способами. Один из способов заключается в создании параллельных проводящих дорожек на одной стороне пластиковой пленки и аналогичных параллельных дорожек на другой стороне, ориентированных под углом 90 градусов к первой стороне. [90] [91]
Другой способ - вытравить дорожки на отдельных листах стекла и соединить эти листы так, чтобы дорожки находились под прямым углом друг к другу, лицом к лицу, используя тонкий непроводящий клейкий промежуточный слой. [92]
Простая альтернатива — встроить x/y или диагональную сетку из очень тонких проводящих проводов с изоляционным покрытием в тонкую полиэфирную пленку. Затем эту пленку можно прикрепить к одной стороне листа стекла для работы через стекло. [53]
Разрешение касания и количество пальцев, которые могут быть обнаружены одновременно, определяются количеством точек пересечения (x * y). Если x + y = n, то максимально возможное количество кроссоверов равно (n/2) 2 . Однако количество точек пересечения можно почти удвоить, если использовать диагональную решетку (см. Схемы решетки/диагонального сенсорного экрана), где вместо элементов x, которые всегда пересекают только элементы y, каждый проводящий элемент пересекает каждый другой элемент. В этих обстоятельствах максимальное число кроссинговеров равно (n 2 -n)/2. [73] Все входы разъема подводятся только к одному краю.
См. видео (выше) необработанных данных с диагонального сенсорного экрана с 32 входами.
В 2015 году Рон Бинстед из Binstead Designs Ltd. изобрел и запатентовал новый диагональный массив, подходящий для ряда технологий сенсорных экранов и клавиатур. [93] [64] [94]
На диаграмме (слева) показано, как группа из 6 параллельных проводящих элементов, сложенных друг на друга (под прямым углом), может создать треугольный массив из 15 уникальных пересечений. Массив x/y с 6 проводящими элементами создал бы максимум 9 уникальных пересечений.
Хотя проводящие элементы обычно подключаются к клемме на одном конце проводника, на левой схеме показано, что эти сложенные элементы могут быть заделаны на сгибе, образуя тем самым разделенные (или раздвоенные) элементы.
Квадратный/прямоугольный диагональный массив можно сформировать путем двойного сгиба параллельных проводников – см. схему справа. Два разъема можно было установить на сгибах на противоположных сторонах массива. В качестве альтернативы на одном конце массива можно установить один разъем, как показано на схеме. [63] [64] [95]
Цилиндрические сенсорные экраны.
Диагональные чувствительные элементы также могут быть сформированы в виде бесшовной цилиндрической матрицы. Диаграмма справа показывает разделенную цилиндрическую компоновку с 9 входами/выходами и 36 уникальными пересечениями - все линии ввода/вывода подключены к одному концу цилиндра (стандартный массив x/y потребует горизонтального ввода/вывода). O-линии, входящие в боковую часть цилиндра). Неразделенные диагональные чувствительные элементы также могут быть сформированы в цилиндры, но 9 входов/выходов создадут только 20 (5x4) уникальных пересечений. Эти цилиндры можно физически трансформировать в сложные трехмерные формы с помощью различных методов, таких как выдувное формование, вакуумное формование и т. д.
Аналогичная компоновка возможна для дополнительного цилиндрического светодиодного дисплея — см. Charlieplexing#Diagonal arrays .
Бесконечно широкие сенсорные экраны.
Ширина сенсорного экрана обычно ограничивается сопротивлением используемого проводящего материала. По мере увеличения ширины сенсорного экрана по осям x/y сопротивление горизонтальных проводников в конечном итоге становится слишком большим, чтобы сенсорный экран мог работать должным образом. Однако при использовании диагональной проводки возможны «бесконечно» широкие сенсорные экраны, поскольку длина дорожек всегда равна 1,414 x высоте сенсорного экрана и не зависит от ширины сенсорного экрана (см. диаграмму справа [96] ).
Существует два типа ПКТ: взаимная емкость и собственная емкость.
Электрический сигнал, поданный на один электрический проводник, может быть емкостно «воспринят» другим электрическим проводником, который находится очень близко, но электрически изолирован - особенность, которая используется в сенсорных экранах с взаимной емкостью. В матрице взаимно-емкостных датчиков «взаимное» пересечение одного электрического проводника с другим электрическим проводником, но без прямого электрического контакта, образует конденсатор ( см. сенсорный экран#Конструкция).
К этим проводникам поочередно подаются импульсы напряжения высокой частоты. Эти импульсы емкостно связываются с каждым проводником, который его пересекает.
Поднесение пальца или проводящего стилуса к поверхности датчика изменяет локальное электростатическое поле, что, в свою очередь, уменьшает емкость между этими пересекающимися проводниками. Любое значительное изменение силы воспринимаемого сигнала используется для определения наличия или отсутствия пальца на перекрестке. [97]
Изменение емкости на каждом пересечении сетки можно измерить, чтобы точно определить одно или несколько мест касания.
Взаимная емкость обеспечивает мультисенсорную работу, при которой одновременно можно точно отслеживать несколько пальцев, ладоней или стилусов. Чем больше число пересечений, тем лучше сенсорное разрешение и тем больше независимых пальцев можно обнаружить. [98] [99] Это указывает на явное преимущество диагональной проводки перед стандартной проводкой x/y, поскольку диагональная проводка создает почти вдвое больше пересечений.
Например, массив с 30 входами/выходами, 16×14 x/y будет иметь 224 таких пересечений/конденсаторов, а массив диагональной решетки с 30 входами/выходами может иметь 435 пересечений.
Каждая трасса массива взаимной емкости x/y имеет только одну функцию: это либо вход, либо выход. Горизонтальные трассы могут быть передатчиками, а вертикальные трассы — датчиками, и наоборот.
Однако дорожки в диагональном массиве взаимной емкости должны постоянно менять свою функциональность «на лету» с помощью процесса, называемого мультиплексированием в двух состояниях или мультиплексированием в трех состояниях . Иногда трасса будет выходом, иногда — входом или «заземленной». Для упрощения этого процесса можно использовать справочную таблицу. Путем небольшого искажения проводников в диагональной матрице ввода-вывода «n» формируется эквивалент массива (n-1) на (n/2). После декодирования адреса его можно обработать как стандартный массив x/y.
Датчики собственной емкости могут иметь ту же X/Y или диагональную сетку [73] , что и датчики взаимной емкости, но при использовании собственной емкости все дорожки обычно работают независимо, без взаимодействия между различными дорожками. Наряду с некоторыми другими методами, дополнительную емкостную нагрузку пальца на следящем электроде можно измерить с помощью измерителя тока или по изменению частоты RC-генератора. [100]
Следы распознаются один за другим, пока не будут обнаружены все следы. Палец может быть обнаружен в любом месте по всей длине следа (даже «за кадром»), но нет указания, где находится палец на этом следе. Однако если палец обнаружен и вдоль другой пересекающейся трассы, то предполагается, что положение пальца находится на пересечении двух трасс. Это позволяет быстро и точно обнаружить один палец.
Однако существует неоднозначность, если необходимо обнаружить более одного пальца. [101] Два пальца могут иметь четыре возможных положения обнаружения, только два из которых являются истинными, а два других являются «призраками». Однако путем выборочного снижения чувствительности к любым точкам соприкосновения в споре противоречивые результаты легко разрешаются. [102] Это позволяет использовать собственную емкость для работы в два касания.
Хотя взаимная емкость проще для мультитач, мультитач может быть достигнут с использованием собственной емкости.
Если воспринимаемая трасса пересекается с другой трассой, на которой имеется «десенсибилизирующий» сигнал, то это пересечение нечувствительно к прикосновению. Если наложить такой «десенсибилизирующий» сигнал на все пересекающиеся дорожки, кроме одной, вдоль воспринимаемой дорожки, то только небольшая часть этой дорожки будет чувствительна к прикосновению. [102] Путем выбора последовательности этих чувствительных секций вдоль трассы можно определить точное положение нескольких пальцев вдоль одной трассы. Затем этот процесс можно повторить для всех остальных трассировок, пока не будет просканирован весь экран.
Самоемкостные слои сенсорного экрана используются в таких мобильных телефонах, как Sony Xperia Sola , [103] Samsung Galaxy S4 , Galaxy Note 3 , Galaxy S5 и Galaxy Alpha .
Собственная емкость гораздо более чувствительна, чем взаимная емкость, и в основном используется для однократного касания, простых жестов и определения близости, когда палец даже не должен касаться стеклянной поверхности. Взаимная емкость в основном используется в мультитач-приложениях. [104] Многие производители сенсорных экранов используют в одном продукте технологии как собственной, так и взаимной емкости, тем самым объединяя свои индивидуальные преимущества. [105]
При использовании матрицы X/Y 16 x 14 для определения положения одного пальца по собственной емкости требуется 30 (т. е. 16 + 14) измерений емкости. Палец находится на пересечении самого сильного из 16 измерений x и самого сильного из 14 измерений y. Однако при использовании взаимной емкости, возможно, придется измерить каждое пересечение, в результате чего будет выполнено в общей сложности 224 (т. е. 16 x 14) измерений емкости. Таким образом, в этом примере взаимная емкость требует почти в 7 раз больше измерений, чем собственная емкость, чтобы определить положение пальца.
Для многих приложений, таких как выбор элементов из списка или меню, требуется всего один палец, и собственная емкость идеально подходит для таких приложений из-за относительно низкой вычислительной нагрузки, более простого метода обработки, способности считывать данные через толстые диэлектрические материалы или air и возможность сокращения количества необходимых входов за счет повторения компоновки дорожек. [106]
Однако для многих других приложений, например для расширения/сжатия элементов на экране и для других жестов, необходимо отслеживать два или более пальцев.
Два пальца можно точно обнаружить и отследить с помощью измерения собственной емкости, но это требует нескольких дополнительных вычислений и четырех дополнительных измерений емкости, чтобы исключить два «фантомных» положения. Один из методов состоит в том, чтобы провести полное сканирование собственной емкости, чтобы обнаружить 4 неоднозначных положения пальцев, а затем использовать всего 4 целевых измерения взаимной емкости, чтобы определить, какие два из 4 положений действительны, а какие 2 нет. В общей сложности это дает 34 измерения, что все еще намного меньше, чем 224, необходимые при использовании только взаимной емкости.
С 3 пальцами требуется 9 значений; с 4 пальцами, 16 значений и т. д.
Имея больше пальцев, можно решить, что процесс устранения неоднозначности слишком громоздкий. Если имеется достаточная вычислительная мощность, можно переключиться на полное сканирование взаимной емкости. [102]
Емкостными сенсорными экранами не обязательно нужно управлять пальцем, но до недавнего времени покупка специальных стилусов могла быть довольно дорогой. Стоимость этой технологии значительно снизилась за последние годы, и емкостные щупы теперь широко доступны за символическую плату и часто раздаются бесплатно вместе с мобильными аксессуарами. Они состоят из электропроводящего стержня с наконечником из мягкой проводящей резины, тем самым резистивно соединяя пальцы с кончиком стилуса.
Инфракрасный сенсорный экран использует массив XY-инфракрасных светодиодов и пар фотодетекторов по краям экрана для обнаружения нарушения диаграммы направленности светодиодных лучей. Эти светодиодные лучи пересекают друг друга по вертикали и горизонтали. Это помогает датчикам определить точное место касания. Основным преимуществом такой системы является то, что она может обнаружить практически любой непрозрачный объект, включая палец, палец в перчатке, стилус или ручку. Обычно он используется в наружных приложениях и POS-системах, которые не могут полагаться на проводник (например, голый палец) для активации сенсорного экрана. В отличие от емкостных сенсорных экранов , инфракрасные сенсорные экраны не требуют нанесения рисунка на стекло, что увеличивает долговечность и оптическую четкость всей системы. Инфракрасные сенсорные экраны чувствительны к грязи и пыли, которые могут мешать инфракрасным лучам, а также страдают от параллакса на изогнутых поверхностях и случайного нажатия, когда пользователь наводит палец на экран во время поиска элемента, который нужно выбрать.
Полупрозрачный акриловый лист используется в качестве экрана обратной проекции для отображения информации. Края акрилового листа подсвечиваются инфракрасными светодиодами, а инфракрасные камеры фокусируются на обратной стороне листа. Объекты, размещенные на листе, обнаруживаются камерами. Когда пользователь прикасается к листу, нарушенное полное внутреннее отражение приводит к утечке инфракрасного света, пик которого приходится на точки максимального давления, указывая место касания пользователя. Планшеты Microsoft PixelSense используют эту технологию.
Оптические сенсорные экраны — это относительно современная разработка в технологии сенсорных экранов, в которой два или более датчика изображения (например, CMOS-сенсоры ) расположены по краям (в основном по углам) экрана. Инфракрасная подсветка размещена в поле зрения датчика на противоположной стороне экрана. Прикосновение блокирует часть света от датчиков, и можно рассчитать местоположение и размер объекта прикосновения (см. визуальную оболочку ). Популярность этой технологии растет благодаря ее масштабируемости, универсальности и доступности для больших сенсорных экранов.
Представленная в 2002 году компанией 3M , эта система обнаруживает прикосновение с помощью датчиков для измерения пьезоэлектричества в стекле. Сложные алгоритмы интерпретируют эту информацию и определяют фактическое место касания. [107] На эту технологию не влияет пыль и другие внешние элементы, включая царапины. Поскольку на экране нет необходимости в дополнительных элементах, он также обеспечивает превосходную оптическую четкость. Для генерации событий касания можно использовать любой объект, включая пальцы в перчатках. Минусом является то, что после первого касания система не может обнаружить неподвижный палец. Однако по той же причине неподвижные объекты не мешают распознаванию касаний.
Ключом к этой технологии является то, что прикосновение к любой точке поверхности генерирует звуковую волну в подложке, которая затем создает уникальный комбинированный сигнал, измеряемый тремя или более крошечными датчиками, прикрепленными к краям сенсорного экрана. Оцифрованный сигнал сравнивается со списком, соответствующим каждой позиции на поверхности, определяя место касания. Движущееся прикосновение отслеживается по быстрому повторению этого процесса. Посторонние и окружающие звуки игнорируются, поскольку они не соответствуют ни одному сохраненному звуковому профилю. Эта технология отличается от других технологий, основанных на звуке, тем, что использует простой метод поиска, а не дорогостоящее оборудование для обработки сигналов. Как и в случае с системой технологии дисперсионного сигнала, неподвижный палец не может быть обнаружен после первого прикосновения. Однако по той же причине распознавание касаний не нарушается никакими покоящимися объектами. Технология была создана компанией SoundTouch Ltd в начале 2000-х годов, как описано в семействе патентов EP1852772, и представлена на рынке подразделением Elo компании Tyco International в 2006 году под названием Acoustic Pulse Recognition. [108] Сенсорный экран, используемый Elo, изготовлен из обычного стекла, что обеспечивает его долговечность и оптическую четкость. Технология обычно сохраняет точность при наличии царапин и пыли на экране. Эта технология также хорошо подходит для дисплеев, которые физически больше.
Существует несколько основных способов создания сенсорного экрана. Ключевые цели — распознать касание одного или нескольких пальцев к дисплею, интерпретировать команду, которую он представляет, и передать команду соответствующему приложению.
Мультисенсорные проекционные емкостные экраны
Очень простой и недорогой способ сделать мультисенсорный проекционно-емкостный сенсорный экран — это разместить x/y или диагональную матрицу из тонких медных или вольфрамовых проводов с изоляционным покрытием между двумя слоями прозрачной полиэфирной пленки. Это создает массив микроконденсаторов, чувствительных к близости . Одного из этих микроконденсаторов каждые 10–15 мм, вероятно, будет достаточно, если пальцы расставлены относительно широко, но для мультитач с очень высокой дискриминацией может потребоваться микроконденсатор через каждые 5 или 6 мм. Подобную систему можно использовать для распознавания со сверхвысоким разрешением, например для распознавания отпечатков пальцев. Для датчиков отпечатков пальцев требуется расстояние между микроконденсаторами примерно от 44 до 50 микрон. [109]
Сенсорные экраны можно изготовить дома, используя легкодоступные инструменты и материалы, или же это можно сделать промышленным способом.
Сначала с помощью простой системы САПР создается схема проводки с непрерывной трассировкой.
Проволока продевается через перо плоттера и наносится непосредственно, как одна непрерывная проволока, на тонкий лист прозрачной полиэфирной пленки с клейким покрытием (например, «оконной пленки») с использованием стандартного недорогого перьевого плоттера x/y. [53] После нанесения изображения один провод аккуратно разрезается на отдельные секции острым скальпелем, стараясь не повредить пленку.
Вторую идентичную полиэфирную пленку ламинируют поверх первой пленки. Полученную пленку сенсорного экрана затем обрезают до нужной формы и на нее устанавливают разъем.
Конечный продукт чрезвычайно гибкий: его толщина составляет около 75 микрон (приблизительно толщина человеческого волоса). Его даже можно мять без потери функциональности.
Пленка может быть установлена на или за непроводящими (или слабопроводящими) поверхностями. Обычно его монтируют за листом стекла толщиной до 12 мм (и более) для измерения через стекло.
Этот метод подходит для широкого диапазона размеров сенсорных экранов: от очень маленьких до ширины в несколько метров — или даже шире, если используется матрица с диагональной разводкой. [73] [66]
Конечный продукт является экологически чистым, поскольку в нем используется перерабатываемый полиэстер и незначительное количество медной проволоки. Пленка может даже получить вторую жизнь в качестве другого продукта, например, пленки для рисования или оберточной пленки. В отличие от некоторых других технологий сенсорных экранов, здесь не используются сложные процессы или редкие материалы.
Для приложений без сенсорного экрана можно использовать другие пластмассы (например, винил или АБС-пластик ). Пленка может быть выдута или подвергнута термоформованию в сложные трехмерные формы, такие как бутылки, глобусы или приборные панели автомобилей. Альтернативно, провода могут быть заделаны в толстый пластик, например, в панели кузова из стекловолокна или углеродного волокна.
Резистивные сенсорные экраны с одним касанием
В резистивном подходе, который раньше был самым популярным методом, обычно имеется четыре слоя:
Когда пользователь касается поверхности, система фиксирует изменение электрического тока, протекающего через дисплей.
Дисперсионный сигнал
Технология дисперсионного сигнала измеряет пьезоэлектрический эффект — напряжение, возникающее при приложении к материалу механической силы, которое химически возникает при прикосновении к прочной стеклянной подложке.
Инфракрасный
Существует два подхода, основанных на инфракрасном излучении. В одном из них массив датчиков обнаруживает прикосновение или почти прикосновение пальца к дисплею, тем самым прерывая лучи инфракрасного света, проецируемые на экран. В другом — расположенные внизу инфракрасные камеры фиксируют тепло от прикосновений к экрану.
В каждом случае система определяет предполагаемую команду на основе элементов управления, отображаемых на экране в момент и в месте касания.
Развитие мультитач-экранов облегчило отслеживание более чем одного пальца на экране; таким образом, возможны операции, требующие более одного пальца. Эти устройства также позволяют нескольким пользователям одновременно взаимодействовать с сенсорным экраном.
С ростом использования сенсорных экранов стоимость технологии сенсорных экранов обычно поглощается продуктами, которые ее включают, и практически исключается. Технология сенсорных экранов продемонстрировала надежность и используется в самолетах, автомобилях, игровых консолях, системах управления машинами, бытовой технике и портативных устройствах отображения, включая мобильные телефоны; По прогнозам, к 2009 году рынок сенсорных экранов для мобильных устройств принесет 5 миллиардов долларов США. [110] [ нужно обновить ]
Способность точно указывать на сам экран также развивается с появлением гибридов графического планшета и экрана . Поливинилиденфторид (ПВДФ) играет важную роль в этой инновации благодаря своим высоким пьезоэлектрическим свойствам, которые позволяют планшету чувствовать давление, благодаря чему такие вещи, как цифровая живопись, ведут себя как бумага и карандаш. [111]
TapSense, анонсированный в октябре 2011 года, позволяет сенсорным экранам различать, какая часть руки использовалась для ввода, например кончик пальца, сустав или ноготь. Это можно использовать по-разному, например, для копирования и вставки, использования заглавных букв, активации различных режимов рисования и т. д. [112] [113]
For touchscreens to be effective input devices, users must be able to accurately select targets and avoid accidental selection of adjacent targets. The design of touchscreen interfaces should reflect technical capabilities of the system, ergonomics, cognitive psychology and human physiology.
Guidelines for touchscreen designs were first developed in the 2000s, based on early research and actual use of older systems, typically using infrared grids—which were highly dependent on the size of the user's fingers. These guidelines are less relevant for the bulk of modern touch devices which use capacitive or resistive touch technology.[114][115]
From the mid-2000s, makers of operating systems for smartphones have promulgated standards, but these vary between manufacturers, and allow for significant variation in size based on technology changes, so are unsuitable from a human factors perspective.[116][117][118]
Much more important is the accuracy humans have in selecting targets with their finger or a pen stylus. The accuracy of user selection varies by position on the screen: users are most accurate at the center, less so at the left and right edges, and least accurate at the top edge and especially the bottom edge. The R95 accuracy (required radius for 95% target accuracy) varies from 7 mm (0.28 in) in the center to 12 mm (0.47 in) in the lower corners.[119][120][121][122][123] Users are subconsciously aware of this, and take more time to select targets which are smaller or at the edges or corners of the touchscreen.[124]
This user inaccuracy is a result of parallax, visual acuity and the speed of the feedback loop between the eyes and fingers. The precision of the human finger alone is much, much higher than this, so when assistive technologies are provided—such as on-screen magnifiers—users can move their finger (once in contact with the screen) with precision as small as 0.1 mm (0.004 in).[125][dubious ]
Users of handheld and portable touchscreen devices hold them in a variety of ways, and routinely change their method of holding and selection to suit the position and type of input. There are four basic types of handheld interaction:
Нормы использования сильно различаются. Хотя постукивание двумя большими пальцами встречается редко (1–3%) при многих общих взаимодействиях, оно используется в 41% случаев набора текста. [126]
Кроме того, устройства часто размещают на поверхностях (столах или столах), а планшеты особенно используют на подставках. В этих случаях пользователь может указывать, выбирать или жестикулировать пальцем или большим пальцем и варьировать использование этих методов. [127]
Сенсорные экраны часто используются с системами тактильного реагирования. Типичным примером этой технологии является вибрационная обратная связь, возникающая при нажатии кнопки на сенсорном экране. Тактильные ощущения используются для улучшения взаимодействия пользователя с сенсорными экранами за счет имитации тактильной обратной связи и могут быть спроектированы так, чтобы реагировать немедленно, частично компенсируя задержку ответа на экране. Исследования Университета Глазго (Брюстер, Чохан и Браун, 2007; и совсем недавно Хоган) показывают, что пользователи сенсорных экранов уменьшают ошибки ввода (на 20 %), увеличивают скорость ввода (на 20 %) и снижают свою когнитивную нагрузку (на 20 %). 40%), когда сенсорные экраны сочетаются с тактильной или тактильной обратной связью. Вдобавок ко всему, исследование, проведенное в 2013 году Бостонским колледжем, изучило влияние тактильной стимуляции сенсорных экранов на психологическое владение продуктом. Их исследование пришло к выводу, что способность сенсорных экранов включать в себя большое количество тактильных ощущений привела к тому, что клиенты почувствовали большую заинтересованность в продуктах, которые они разрабатывали или покупали. Исследование также показало, что потребители, использующие сенсорный экран, были готовы согласиться на более высокую цену за товары, которые они покупали. [128]
Технология сенсорных экранов стала интегрированной во многие аспекты индустрии обслуживания клиентов в 21 веке. [129] Ресторанная индустрия является хорошим примером внедрения сенсорных экранов в эту сферу. Сетевые рестораны, такие как Taco Bell, [130] Panera Bread и McDonald's, предлагают сенсорные экраны в качестве опции, когда клиенты заказывают блюда из меню. [131] Хотя добавление сенсорных экранов является развитием для этой отрасли, клиенты могут отказаться от сенсорного экрана и сделать заказ у традиционного кассира. [130] Чтобы пойти еще дальше, ресторан в Бангалоре попытался полностью автоматизировать процесс заказа. Клиенты садятся за стол с сенсорными экранами и заказывают обширное меню. После размещения заказа он отправляется на кухню в электронном виде. [132] Эти типы сенсорных экранов подходят для систем торговых точек (POS), упомянутых в начальном разделе.
Расширенное использование жестовых интерфейсов без возможности оставить руку на отдыхе называется «рукой гориллы». [133] Это может привести к усталости и даже травмам от повторяющегося стресса при регулярном использовании на работе. Некоторые ранние перьевые интерфейсы требовали от оператора работать в этом положении большую часть рабочего дня. [134] Разрешение пользователю положить руку на устройство ввода или рамку вокруг него является решением этой проблемы во многих контекстах. Это явление часто приводится в качестве примера движений, которые следует свести к минимуму с помощью правильного эргономичного дизайна.
Неподдерживаемые сенсорные экраны по-прежнему довольно распространены в таких приложениях, как банкоматы и киоски передачи данных, но не являются проблемой, поскольку типичный пользователь работает только в течение коротких и широко разнесенных периодов времени. [135]
Сенсорные экраны могут страдать от отпечатков пальцев на дисплее. Это можно смягчить за счет использования материалов с оптическими покрытиями , предназначенными для уменьшения видимого воздействия масел от отпечатков пальцев. Большинство современных смартфонов имеют олеофобное покрытие, которое уменьшает количество остатков масла. Другой вариант — установить матовую антибликовую защитную пленку для экрана , которая создает слегка шероховатую поверхность, на которой трудно удерживать пятна.
Емкостные сенсорные экраны редко работают, когда пользователь носит перчатки. Толщина перчаток и материал, из которого они изготовлены, играют важную роль, а также способность сенсорного экрана воспринимать прикосновения.
Некоторые устройства имеют режим, повышающий чувствительность сенсорного экрана. Это позволяет более надежно использовать сенсорный экран в перчатках, но также может привести к ненадежному и фантомному вводу данных. Однако тонкие перчатки, такие как медицинские, достаточно тонкие, чтобы их можно было носить при использовании сенсорных экранов; в основном применимо к медицинской технике и машинам.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
