Сенсорный экран (или сенсорный экран ) — это тип дисплея , который может обнаруживать сенсорный ввод от пользователя. Он состоит из устройства ввода (сенсорной панели) и устройства вывода (визуального дисплея). Сенсорная панель обычно располагается поверх электронного визуального дисплея устройства. Сенсорные экраны обычно встречаются в смартфонах , планшетах , ноутбуках и других электронных устройствах. Дисплей часто представляет собой ЖК- , AMOLED- или OLED- дисплей.
Пользователь может вводить данные или управлять системой обработки информации с помощью простых или многосенсорных жестов, касаясь экрана специальным стилусом или одним или несколькими пальцами. [1] Некоторые сенсорные экраны используют обычные или специально покрытые перчатки для работы, в то время как другие могут работать только с использованием специального стилуса или ручки. Пользователь может использовать сенсорный экран, чтобы реагировать на то, что отображается, и, если программное обеспечение позволяет, управлять тем, как это отображается; например, масштабировать 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 распространены в таких устройствах, как смартфоны , портативные игровые консоли и персональные компьютеры . Они распространены в системах точек продаж (POS), банкоматах (ATM), электронных машинах для голосования , а также в автомобильных информационно-развлекательных системах и элементах управления. Они также могут быть подключены к компьютерам или, как терминалы, к сетям. Они играют важную роль в разработке цифровых устройств, таких как персональные цифровые помощники (PDA) и некоторые электронные книги . Сенсорные экраны важны в образовательных учреждениях, таких как классы или в студенческих городках. [3]
Популярность смартфонов, планшетов и многих типов информационных устройств обусловила спрос и принятие обычных сенсорных экранов для портативной и функциональной электроники. Сенсорные экраны используются в медицинской сфере, тяжелой промышленности , банкоматах (ATM) и киосках, таких как музейные экспозиции или автоматизация помещений , где системы клавиатуры и мыши не позволяют пользователю достаточно интуитивно, быстро или точно взаимодействовать с содержимым дисплея.
Исторически сенсор сенсорного экрана и его сопутствующая прошивка на основе контроллера были доступны широкому кругу интеграторов систем послепродажного рынка , 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.
Одним из предшественников современных сенсорных экранов являются системы на основе стилуса.
1946 ПРЯМОЕ СВЕТОВОЕ ПЕРО - Компания Philco Company подала патент на стилус, разработанный для спортивного телевещания, который при размещении напротив промежуточного дисплея с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) усиливал и добавлял к исходному сигналу. Фактически, это использовалось для временного рисования стрелок или кругов на прямой телевизионной трансляции, как описано в патенте США 2487641A, Denk, William E, "Электронный указатель для телевизионных изображений", выданном 1949-11-08 .
1962 ОПТИЧЕСКИЙ - Первая версия сенсорного экрана, работающая независимо от света, производимого экраном, была запатентована корпорацией AT&T US 3016421A, Harmon, Leon D, "Электрографический передатчик", выдан 1962-01-09 . Этот сенсорный экран использовал матрицу коллимированных огней, сияющих ортогонально по всей сенсорной поверхности. Когда луч прерывается стилусом, фотодетекторы, которые больше не получают сигнал, могут использоваться для определения того, где находится прерывание. Более поздние итерации сенсорных экранов на основе матрицы были построены на этом путем добавления большего количества излучателей и детекторов для улучшения разрешения, импульсных излучателей для улучшения оптического отношения сигнал/шум и неортогональной матрицы для удаления теневых показаний при использовании мультитач.
1963 INDIRECT LIGHT PEN - Более поздние изобретения были построены на этой системе, чтобы освободить стилусы телеписца от их механических привязок. Транскрибируя то, что пользователь рисует на компьютере, это можно было сохранить для будущего использования. См. US 3089918A, Graham, Robert E, "Telewriting hardware", выданный 1963-05-14 .
1965 ЁМКОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ - Первый сенсорный экран с управлением пальцем был разработан Эриком Джонсоном из Королевского радиолокационного института в Малверне , Англия, который описал свою работу над ёмкостными сенсорными экранами в короткой статье, опубликованной в 1965 году [8] [9] , а затем более подробно — с фотографиями и диаграммами — в статье, опубликованной в 1967 году. [10]
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЗАНАВЕСКА СЕРЕДИНОЙ 60-Х -Другой предшественник сенсорных экранов, ультразвуковое указательное устройство на основе занавеса перед дисплеем терминала, было разработано командой Райнера Маллебрейна в Telefunken Konstanz для системы управления воздушным движением. [11] В 1970 году это превратилось в устройство под названием «Touchinput- Einrichtung » («средство сенсорного ввода») для терминала SIG 50, использующее стеклянный экран с проводящим покрытием перед дисплеем. [12] [11] Это было запатентовано в 1971 году, и патент был выдан пару лет спустя. [12] [11] Та же команда уже изобрела и продавала мышь Rollkugel RKS 100-86 для SIG 100-86 пару лет назад. [12]
1968 CAPACITANCE - Применение сенсорной технологии для управления воздушным движением было описано в статье, опубликованной в 1968 году. [13] Фрэнк Бек и Бент Штумпе , инженеры из ЦЕРНа (Европейская организация по ядерным исследованиям), разработали прозрачный сенсорный экран в начале 1970-х годов, [14] основанный на работе Штумпе на телевизионной фабрике в начале 1960-х годов. Затем произведенный ЦЕРНом, а вскоре после этого и партнерами по отрасли, [15] он был введен в эксплуатацию в 1973 году. [16]
1972 ОПТИЧЕСКИЙ - Группа из Университета Иллинойса подала заявку на патент на оптический сенсорный экран [17] , который стал стандартной частью студенческого терминала Magnavox Plato IV, и тысячи были построены для этой цели. Эти сенсорные экраны имели скрещенную матрицу 16×16 инфракрасных датчиков положения, каждый из которых состоял из светодиода на одном краю экрана и соответствующего фототранзистора на другом краю, все они были установлены перед монохромной плазменной панелью дисплея. Такое устройство могло распознавать любой непрозрачный объект размером с кончик пальца в непосредственной близости от экрана.
1973 МНОГОКАСАТЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ - В 1973 году Бек и Штумпе опубликовали еще одну статью, описывающую их емкостный сенсорный экран. В ней говорилось, что он был способен на мультитач, но эта функция была намеренно подавлена, предположительно, потому что в то время это не считалось полезным («A...переменная...называемая BUT изменяет значение от нуля до пяти при касании кнопки. Касание других кнопок дало бы другие ненулевые значения BUT, но это защищено программным обеспечением» (страница 6, раздел 2.6). [18] «Фактический контакт между пальцем и конденсатором предотвращается тонким слоем пластика» (страница 3, раздел 2.3). В то время проекционная емкость еще не была изобретена.
1977 РЕЗИСТИВНЫЙ - Американская компания Elographics в партнерстве с Siemens начала работу над разработкой прозрачной реализации существующей технологии непрозрачной сенсорной панели, патент США № 3,911,215 от 7 октября 1975 года, 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]
МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ КАМЕРА 1982 ГОДА. Технология мультисенсорного ввода зародилась в 1982 году, когда исследовательская группа по вводу данных Университета Торонто разработала первую систему мультисенсорного ввода с использованием панели из матового стекла и камеры, расположенной за стеклом.
1983 ОПТИЧЕСКИЙ - Оптический сенсорный экран использовался на HP-150 с 1983 года. HP 150 был одним из первых в мире коммерческих компьютеров с сенсорным экраном. [21] HP установила свои инфракрасные передатчики и приемники вокруг рамки 9-дюймовой электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) Sony .
1983 МНОГОКАСАЮЩИЙСЯ СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН С СИЛОВЫМ ДАТЧИКОМ - Боб Бойе из AT&T Bell Labs использовал емкость для отслеживания механических изменений толщины мягкой деформируемой накладной мембраны при взаимодействии с ней одного или нескольких физических объектов; [22] гибкая поверхность легко заменяется, если она повреждена этими объектами. В патенте указано, что «тактильные сенсорные устройства могут использоваться в качестве сенсорного экрана».
Многие производные источники [23] [24] [25] ретроспективно описывают Бои как человека, сделавшего большой шаг вперед с помощью своей сенсорной технологии; но не было обнаружено никаких доказательств того, что прочный сенсорный экран с поддержкой нескольких касаний, который мог бы распознавать через жесткую защитную накладку — такой, который позже потребовался для мобильного телефона, — был когда-либо разработан или запатентован Бои. [26] Многие из этих цитат основаны на неофициальных свидетельствах Билла Бакстона из Bell Labs. [27] Однако Биллу Бакстону не очень повезло с этой технологией. Как он заявляет в цитате: «Мы предполагали (как оказалось, ложно) что технология Бои станет доступной нам в ближайшем будущем. Около 1990 года я взял группу из Xerox, чтобы увидеть эту технологию [sic], поскольку я чувствовал, что она подойдет для пользовательского интерфейса наших больших процессоров документов. Это не сработало».
ДО 1984 ГОДА ЕМКОСТЬ - Хотя, как упоминалось ранее, Джонсону приписывают разработку первых емкостных и резистивных сенсорных экранов, управляемых пальцем, в 1965 году, они работали путем прямого прикосновения к проводам на передней панели экрана. [9] Штампе 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 путем прямого прикосновения или через тонкую изолирующую пленку. [28] Согласно отчету Штампе за 1977 год, толщина составляла 11 микрон. [29]
1984 ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ПРОЕКЦИОННО-ЕМКОСТНЫЙ СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН - емкостная клавиатура и сенсорный экран, способные к мультитачу, которые могли «проецировать» прикосновение через несколько сантиметров воздуха и других непроводящих материалов, были изобретены британским изобретателем Роном Бистедом [30] Это позволило точно определять пальцы через очень толстое стекло и даже двойное остекление (см. клавиатуру для изображения). [31] Значительно возросшая функциональность была обусловлена гораздо большей вычислительной мощностью, доступной в то время, и использованием простой формы искусственного интеллекта (см. Патентную заявку1). Первоначально для обработки данных использовался компьютер Acorn BBC . Позже эта технология стала известна как проекционная емкость .
Проецируемая емкость использует простую форму искусственного интеллекта для измерения изменений емкости, вызванных одним или несколькими пальцами, путем специального профилирования эффектов емкости, ожидаемых от прикосновения пальцем, и устранения любых измеренных изменений емкости, приписываемых другим глобальным и/или локальным событиям. [32]
Вместо клавиатуры устройство можно было использовать как непрерывную зону считывания x/y (см. пункт 9). Прозрачная версия могла использоваться как проекционный емкостный сенсорный экран (см. пункт 10), но она была ограничена в размере из-за высокого сопротивления узких прозрачных дорожек оксида индия и олова (пронумерованных на изображении как 96), используемых для независимого соединения всех зон считывания (80,82,84,86,88,90) с общим краем.
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 НАЧАЛА 80-Х ДЛЯ САМОЛЕТОВ - Сенсорные блоки управления и отображения (CDU) были оценены для кабин экипажа коммерческих самолетов в начале 1980-х годов. Первоначальные исследования показали, что сенсорный интерфейс снизит нагрузку на пилотов, поскольку экипаж сможет выбирать точки маршрута, функции и действия, а не «головой вниз» набирать широты, долготы и коды точек маршрута на клавиатуре. Эффективная интеграция этой технологии была направлена на то, чтобы помочь летным экипажам поддерживать высокий уровень ситуационной осведомленности обо всех основных аспектах операций транспортного средства, включая траекторию полета, функционирование различных систем самолета и ежеминутное взаимодействие людей. [36]
ОЦЕНКА АВТОМОБИЛЕЙ В НАЧАЛЕ 80-Х - также в начале 1980-х годов General Motors поручила своему подразделению Delco Electronics проект, направленный на замену несущественных функций автомобиля (т. е. отличных от дроссельной заслонки , трансмиссии , торможения и рулевого управления ) с механических или электромеханических систем на твердотельные альтернативы везде, где это возможно. Готовое устройство было названо ECC для «Electronic Control Center», цифровой компьютер и система управления программным обеспечением, жестко подключенные к различным периферийным датчикам , сервомеханизмам , соленоидам , антенне и монохромному сенсорному экрану ЭЛТ, который функционировал как дисплей и единственный метод ввода. [37] ECC заменил традиционные механические элементы управления и дисплеи стереосистемы , вентилятора, обогревателя и кондиционера 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 не пользовался популярностью у потребителей — отчасти из-за технофобии некоторых традиционных клиентов Buick , но в основном из-за дорогостоящих технических проблем, связанных с сенсорным экраном ECC, из-за которого управление климат-контролем или стереосистемой было бы невозможным. [38]
1985 ГРАФИЧЕСКИЙ ПЛАНШЕТ - Sega выпустила Terebi Oekaki, также известную как Sega Graphic Board, для игровой консоли SG-1000 и домашнего компьютера SC-3000 . Она состояла из пластиковой ручки и пластиковой доски с прозрачным окном, в котором обнаруживались нажатия ручки. Она использовалась в основном с программным обеспечением для рисования. [39]
1985 МНОГОСЕНСОРНАЯ ЕМКОСТЬ - Группа из Университета Торонто, включая Билла Бакстона, разработала многосенсорный планшет, в котором вместо громоздких оптических сенсорных систем на основе камеры использовалась емкостная технология (см. История многосенсорной технологии ).
1985 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ POS-ТЕРМИНАЛОВ - Первое коммерчески доступное графическое программное обеспечение для POS- терминалов было продемонстрировано на 16-битном цветном компьютере Atari 520ST . Он имел цветной сенсорный экран с интерфейсом на основе виджетов. [40] Программное обеспечение ViewTouch [41] POS было впервые показано его разработчиком Джином Мошером на демонстрационной площадке Atari Computer на выставке Fall COMDEX в 1986 году. [42]
1987 ИЗОБРЕТЕНО ПЕРВОЕ БОЛЬШОЕ ПРОЕКЦИОННО-ЕМКОСТНОЕ СЕНСОРНОЕ ЭКРАН - Большой проекционно-емкостной сенсорный экран был изобретен британским изобретателем Роном Бистедом. [43] Он распознавал пальцы через очень толстое стекло и двойное остекление, что позволяло управлять сенсорными экранами через витрины магазинов. 16 зон чувствительности к прикосновениям были подключены непосредственно к четырем краям сенсорного экрана (см. вставленное изображение), тем самым избегая необходимости в узких дорожках, соединяющих зоны чувствительности с краем. Был размещен заказ на эти сенсорные экраны на сумму 0,7 млн долларов для использования в сети отелей США. [44]
1987 ЁМКОСТИ СЕНСОРНЫХ КЛАВИШ - Casio выпустила карманный компьютер Casio PB-1000 с сенсорным экраном, состоящим из матрицы 4×4, что позволило получить 16 сенсорных областей на небольшом графическом ЖК-экране.
1988 SELECT ON "LIFT-OFF" - Сенсорные экраны имели плохую репутацию неточных до 1988 года. В большинстве книг по пользовательскому интерфейсу утверждалось, что выбор сенсорного экрана был ограничен целями, большими, чем средний палец. В то время выбор делался таким образом, что цель выбиралась, как только палец проходил над ней, и соответствующее действие выполнялось немедленно. Ошибки были обычным явлением из-за проблем с параллаксом или калибровкой, что приводило к разочарованию пользователя. "Стратегия отрыва" [45] была введена исследователями из Лаборатории взаимодействия человека и компьютера (HCIL) Мэрилендского университета . Когда пользователи касаются экрана, предоставляется обратная связь относительно того, что будет выбрано: пользователи могут регулировать положение пальца, и действие происходит только тогда, когда палец поднимается от экрана. Это позволяло выбирать небольшие цели, вплоть до одного пикселя на экране Video Graphics Array (VGA) 640×480 (стандарт того времени).
1988 WORLD EXPO - С апреля по октябрь 1988 года в городе Брисбен , Австралия , проходила выставка Expo 88 , темой которой было «отдых в век технологий». Для поддержки мероприятия и предоставления информации посетителям выставки компания Telecom Australia (теперь Telstra ) установила 8 киосков по всему выставочному пространству с 56 сенсорными информационными консолями, специально модифицированными рабочими станциями Sony Videotex . Каждая система также была оснащена видеоплеером, динамиками и жестким диском на 20 МБ. Для поддержания актуальности информации во время мероприятия база данных с информацией о посетителях обновлялась и дистанционно передавалась на компьютерные терминалы каждую ночь. Используя сенсорные экраны, посетители могли найти информацию об аттракционах, достопримечательностях, представлениях, объектах и прилегающих территориях выставки. Посетители также могли выбирать между информацией, отображаемой на английском и японском языках; отражение зарубежного туристического рынка Австралии в 1980-х годах. Стоит отметить, что система Expo Info компании Telecom была основана на более ранней системе, которая использовалась на выставке Expo 86 в Ванкувере , Канада . [46]
1990 ОДНО И МНОГОКАСАТЕЛЬНЫЕ ЖЕСТЫ - Sears et al. (1990) [47] дали обзор академических исследований по одно- и многокасательному взаимодействию человека с компьютером того времени, описав такие жесты, как вращение ручек, настройка ползунков и проведение пальцем по экрану для активации переключателя (или U-образный жест для тумблера). Команда HCIL разработала и изучила небольшие сенсорные клавиатуры (включая исследование, которое показало, что пользователи могут печатать со скоростью 25 слов в минуту на сенсорной клавиатуре), способствуя их внедрению на мобильных устройствах. Они также разработали и реализовали многокасательные жесты, такие как выбор диапазона строки, соединение объектов и жест «касание-щелчок» для выбора с сохранением местоположения другим пальцем.
1990 СЕНСОРНЫЙ ПОЛЗУНОК И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ - HCIL продемонстрировала сенсорный слайдер, [48] который позже был упомянут в качестве прототипа в патентном споре по экрану блокировки между Apple и другими поставщиками сенсорных мобильных телефонов (в связи с патентом США 7 657 849 ). [49]
1991 г. ВЫДАН ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ПРОЕКТИРУЕМУЮ ЕМКОСТЬ - Заявка на патент на проектируемую емкость 1984 г. выдана компании Binstead Designs из Ноттингема, Англия. [30]
1991 ИНЕРЦИАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ - С 1991 по 1992 год прототип КПК Sun Star7 реализовал сенсорный экран с инерционной прокруткой . [50]
1993 ЁМКОСТИ МЫШИ/КЛАВИАТУРЫ — Боб Бойе из AT&T Bell Labs запатентовал простую мышь или клавиатуру, которая ёмкостно распознавала только один палец через тонкий изолятор. [51] Хотя это не заявлено и даже не упомянуто в патенте, эта технология потенциально могла бы использоваться в качестве ёмкостного сенсорного экрана.
1993 ПЕРВЫЙ ТЕЛЕФОН С РЕЗИСТИВНЫМ СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ — IBM выпустила IBM Simon , первый телефон с сенсорным экраном.
ЗАБРОШЕННЫЙ ИГРОВОЙ КОНТРОЛЛЕР НАЧАЛА 90-Х ГОДОВ - Ранняя попытка создания портативной игровой консоли с сенсорным управлением была задумана Sega как преемница Game Gear , хотя в конечном итоге устройство было отложено и так и не выпущено из-за высокой стоимости сенсорной технологии в начале 1990-х годов.
1994 ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА X/Y ПРОЕКЦИОННО-ЕМКОСТНЫЙ СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН - x/y мультиплексированный, проекционно-емкостный, многовходовой датчик приближения и тачпад / сенсорный экран были изобретены британским изобретателем Роном Бистедом. Он был способен на мультитач и мог точно и надежно распознавать пальцы через толстые пластиковые и стеклянные накладки. [52] Вместе с более ранним патентом изобретателя [30] это было очень похоже на патент Apple, полученный 10 лет спустя в 2004 году. [53]
1994 ПЕРВАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ НА ОСНОВЕ ПРОВОДОВ - сенсорные экраны Штумпе и Бека (1972/1977 - уже цитировались) использовали непрозрачные проводящие медные дорожки, которые закрывали около 50% экрана (дорожка 80 микрон / пространство 80 микрон). Однако появление проекционной емкости в 1984 году с ее улучшенной способностью считывания показало, что большинство этих дорожек можно устранить. Это оказалось так, и привело к изобретению сенсорного экрана на основе проводов в 1994 году, где один провод диаметром 25 микрон, покрытый изоляцией, заменил около 30 из этих дорожек шириной 80 микрон, и также мог точно распознавать пальцы через толстое стекло. Маскировка экрана, вызванная медью, была снижена с 50% до менее 0,5%.
Использование тонкой проволоки означало, что очень большие сенсорные экраны, шириной в несколько метров, могли быть нанесены на тонкую полиэфирную пленку-подложку с помощью простого x/y перьевого плоттера, [54] устраняя необходимость в дорогостоящем и сложном напылении, лазерной абляции, трафаретной печати или травлении. Полученная в результате невероятно гибкая сенсорная пленка толщиной менее 100 микрон могла быть прикреплена статическим или не затвердевающим слабым клеем к одной стороне листа стекла для считывания через это стекло. [55] Ранние версии этого устройства управлялись микрочипом PIC16C54.
ПЕРВАЯ ИГРА ДЛЯ ПАБОВ С СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ 1994 ГОДА - Появившись в пабах в 1994 году, Monopoly SWP (skill with Prizes) от JPM стала первой машиной, в которой вместо кнопок использовалась технология сенсорного экрана (см. Quiz machine / History). Она использовала 14-дюймовую версию этого недавно изобретенного проводного проекционно-емкостного сенсорного экрана и имела 64 сенсорные области - схема проводки была похожа на ту, что показана на нижней диаграмме. Зигзагообразная схема была введена для минимизации визуальных отражений и предотвращения помех муара между проводами и линейными сканированиями монитора. Около 600 из них были проданы для этой цели по розничной цене 50 фунтов стерлингов за штуку, что было очень дешево для того времени. [44] Работа через очень толстое стекло делала его идеальным для работы во «враждебной» среде, такой как паб. Хотя отраженный свет от медных проводов был заметен при определенных условиях освещения, эта проблема была устранена с помощью тонированного стекла. Проблема отражения была позже решена путем использования более тонких (диаметром 10 микрон) проводов с темным покрытием. В течение следующего десятилетия JPM продолжала использовать сенсорные экраны для многих других игр, таких как «Cluedo» и «Who wants to be a Millionaire». [56]
ЛИЦЕНЗИИ НА ПРОЕКТНУЮ ЕМКОСТЬ 1998 ГОДА - Эта технология была лицензирована четыре года спустя компанией Romag Glass Products (позднее ставшей Zytronic Displays) и Visual Planet в 2003 году (см. стр. 4). [57]
2004 ПАТЕНТ НА МОБИЛЬНЫЙ МУЛЬТИ-СЕНСОРНЫЙ ЕМКОСТЬ - Apple патентует свой мультисенсорный емкостный сенсорный экран для мобильных устройств. [53]
ВИДЕОИГРЫ 2004 ГОДА С СЕНСОРНЫМИ ЭКРАНАМИ - Сенсорные экраны не были широко использованы в видеоиграх до выхода Nintendo DS в 2004 году. [58]
МОБИЛЬНЫЙ ТЕЛЕФОН С ЕМКОСТЬЮ 2007 ГОДА - Первым мобильным телефоном с емкостным сенсорным экраном был LG Prada , выпущенный в мае 2007 года (что было до выпуска первого iPhone ). [59] К 2009 году мобильные телефоны с сенсорным экраном стали модными и быстро набирали популярность как в базовых, так и в продвинутых устройствах. [60] [61] В четвертом квартале 2009 года впервые большинство смартфонов (т. е. не все мобильные телефоны) поставлялись с сенсорными экранами, а не с несенсорными. [62]
ПРОДАЖИ РЕЗИСТИВНЫХ И ПРОЕКТИРОВАННЫХ ЕМКОСТНЫХ ЭКРАНОВ В 2013 ГОДУ - В 2007 году 93% отгруженных сенсорных экранов были резистивными и только 4% - проекционной емкости. В 2013 году 3% отгруженных сенсорных экранов были резистивными и 96% - проекционной емкости (см. стр. 5). [63]
СЕНСОРНЫЕ ЭКРАНЫ С СИЛОВЫМ ДАТЧИКОМ 2015 ГОДА - До недавнего времени [ когда? ] большинство потребительских сенсорных экранов могли распознавать только одну точку контакта за раз, и лишь немногие имели возможность определять силу прикосновения. Это изменилось с коммерциализацией технологии мультитач и выпуском Apple Watch с дисплеем с силовым датчиком в апреле 2015 года.
2015 ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ДИАГОНАЛЬНО «ПРОВОДНОЙ» СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН - Новая диагональная «проводная» схема была изобретена британским изобретателем Роном Бинстедом для использования с резистивными и мультисенсорными проекционно-емкостными сенсорными экранами - все элементы ввода-вывода исходят только с одного края, и нет шинных проводов или «мертвой зоны» вокруг трех других краев (см. верхнее изображение справа). Разрешение касания почти удвоено по сравнению с мультиплексированием x/y. Например, 16 x/y вводов-выводов создают максимум 64 пересечения чувствительных элементов, тогда как 16 диагональных вводов-выводов создают 120 пересечений. [64] [65]
2015 BISTATE PROJECTED CAPACITANCE - При использовании в качестве сенсорного экрана Projected Capacitance в режиме взаимной емкости диагональная проводка требует, чтобы каждая линия ввода-вывода могла переключаться между двумя состояниями (бистабильным), выходом в некоторых случаях и входом в других случаях. Вводы-выводы большую часть времени являются входами, но после каждого сканирования один из вводов-выводов должен по очереди стать выходом, а оставшиеся вводы-выводы воспринимают любые генерируемые им сигналы. Поэтому линии ввода-вывода могут переключаться с входа на выход и наоборот много раз в секунду. Эта новая конструкция выиграла премию Electronics Weekly Elektra Award в 2017 году. [66]
ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН «БЕСКОНЕЧНОЙ ШИРОКОСТИ» 2021 ГОДА - В стандартных сенсорных экранах с матрицей x/y длина горизонтальных чувствительных элементов увеличивается по мере увеличения ширины сенсорного экрана. В конце концов, достигается предел, при котором сопротивление становится настолько большим, что сенсорный экран больше не может нормально функционировать.
В патенте описывается, как использование диагональных элементов гарантирует, что длина любого элемента никогда не превысит 1,414 высоты сенсорного экрана, независимо от его ширины. [67] Это можно было бы уменьшить до 1,15 высоты, если бы противоположные диагональные элементы пересекались под углом 60 градусов вместо 90 градусов. Удлиненный сенсорный экран мог бы управляться одним процессором, или удаленные концы могли бы управляться совершенно независимо разными процессорами, связанными синхронизирующим процессором в перекрывающейся средней секции. Количество уникальных пересечений можно было бы увеличить, если бы отдельные чувствительные элементы работали в двух противоположных направлениях, как показано на схеме.
Существует ряд сенсорных технологий с различными методами распознавания прикосновений. [47]
Резистивная сенсорная панель состоит из нескольких тонких слоев, наиболее важными из которых являются два прозрачных электрически резистивных слоя, обращенных друг к другу с тонким зазором между ними. Верхний слой (слой, к которому прикасаются) имеет покрытие на нижней поверхности; прямо под ним находится аналогичный резистивный слой поверх его подложки. Один слой имеет проводящие соединения по бокам, а другой — по верху и низу. Напряжение подается на один слой и воспринимается другим. Когда объект, такой как кончик пальца или стилуса, нажимает на внешнюю поверхность, два слоя соприкасаются, соединяясь в этой точке. [68] Затем панель ведет себя как пара делителей напряжения , по одной оси за раз. Быстро переключаясь между каждым слоем, можно определить положение давления на экране.
Резистивный сенсор используется в ресторанах, на фабриках и в больницах из-за его высокой устойчивости к жидкостям и загрязняющим веществам. Главным преимуществом технологии резистивного сенсора является его низкая стоимость. Кроме того, их можно использовать в перчатках или используя что-либо жесткое в качестве замены пальца, так как для восприятия прикосновения требуется лишь достаточное давление. К недостаткам можно отнести необходимость нажатия и риск повреждения острыми предметами. Резистивные сенсорные экраны также страдают от более низкой контрастности из-за дополнительных отражений (т. е. бликов) от слоев материала, размещенных над экраном. [69] Этот тип сенсорного экрана использовался Nintendo в семействе DS, семействе 3DS и Wii U GamePad . [70]
Из-за своей простой структуры, с очень небольшим количеством входов, резистивные сенсорные экраны в основном используются для работы с одним касанием, хотя доступны некоторые версии с двумя касаниями (часто описываемые как мультитач). [71] [72] Однако существуют некоторые действительно мультитач-резистивные сенсорные экраны. Им требуется гораздо больше входов, и они полагаются на мультиплексирование x/y для уменьшения количества входов/выходов.
Один из примеров настоящего резистивного сенсорного экрана с функцией мультитач [73] может распознавать 10 пальцев одновременно. Он имеет 80 соединений ввода/вывода. Они, возможно, разделены на 34 x входа / 46 y выходов, образуя 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 сократило бы количество входов/выходов с 80 до 60, создав при этом 1770 уникальных узлов сенсорного датчика, без необходимости в рамке, и со всеми входами, поступающими только с одного края. [74]
Технология поверхностных акустических волн (SAW) использует ультразвуковые волны, которые проходят через сенсорную панель. При касании 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). [75] Поскольку человеческое тело также является электрическим проводником, прикосновение к поверхности экрана приводит к искажению электростатического поля экрана, измеряемому как изменение емкости . Для определения местоположения касания могут использоваться различные технологии. Затем местоположение отправляется на контроллер для обработки. Некоторые сенсорные экраны используют серебро вместо ITO, поскольку ITO вызывает несколько экологических проблем из-за использования индия. [76] [77] [78] [79] Контроллер, как правило, представляет собой микросхему специализированной интегральной схемы (ASIC) на основе комплементарного металл-оксид-полупроводника (КМОП) , которая, в свою очередь, обычно отправляет сигналы на цифровой сигнальный процессор (DSP) КМОП для обработки. [80] [81]
В отличие от резистивного сенсорного экрана , некоторые емкостные сенсорные экраны не могут использоваться для обнаружения пальца через электроизоляционный материал, например, перчатки. Этот недостаток особенно влияет на удобство использования в потребительской электронике, например, сенсорных планшетных ПК и емкостных смартфонах в холодную погоду, когда люди могут носить перчатки. Его можно преодолеть с помощью специального емкостного стилуса или перчатки специального применения с вышитым участком токопроводящей нити, обеспечивающей электрический контакт с кончиком пальца пользователя.
Низкокачественный импульсный блок питания с соответствующим нестабильным, шумным напряжением может временно повлиять на точность, правильность и чувствительность емкостных сенсорных экранов. [82] [83] [84]
Некоторые производители емкостных дисплеев продолжают разрабатывать более тонкие и точные сенсорные экраны. Теперь сенсорные экраны для мобильных устройств производятся с использованием технологии «in-cell», например, в экранах Super AMOLED от Samsung , которая устраняет слой, создавая конденсаторы внутри самого дисплея. Этот тип сенсорного экрана уменьшает видимое расстояние между пальцем пользователя и тем, чего он касается на экране, уменьшая толщину и вес дисплея, что желательно в смартфонах .
Простой плоский конденсатор имеет два проводника, разделенных слоем диэлектрика. Большая часть энергии в этой системе сосредоточена непосредственно между пластинами. Часть энергии перетекает в область за пределами пластин, и линии электрического поля, связанные с этим эффектом, называются краевыми полями. Частью задачи создания практичного емкостного датчика является разработка набора печатных дорожек, которые направляют краевые поля в активную чувствительную область, доступную пользователю. Плоский конденсатор не является хорошим выбором для такой схемы датчика. Размещение пальца вблизи краевых электрических полей добавляет проводящую площадь поверхности к емкостной системе. Дополнительная емкость хранения заряда, добавленная пальцем, известна как емкость пальца, или CF. Емкость датчика без пальца известна как паразитная емкость, или CP.
В этой базовой технологии только одна сторона изолятора покрыта проводящим слоем. К слою прикладывается небольшое напряжение, что приводит к однородному электростатическому полю. Когда проводник, например, человеческий палец, касается непокрытой поверхности, динамически формируется конденсатор. Контроллер датчика может определить место касания косвенно по изменению емкости, измеренной с четырех углов панели. Поскольку он не имеет движущихся частей, он умеренно долговечен, но имеет ограниченное разрешение, подвержен ложным сигналам от паразитной емкостной связи и требует калибровки во время производства. Поэтому он чаще всего используется в простых приложениях, таких как промышленные элементы управления и киоски . [85]
Хотя некоторые стандартные методы обнаружения емкости являются проективными, 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. [86] Эти колебания приводят к большому фоновому шуму, поэтому для точного обнаружения требуется сильный сигнал пальца. Это ограничивает приложения теми, где палец непосредственно касается чувствительного элемента или обнаруживается через относительно тонкую непроводящую поверхность.
Технология проекционно-емкостного касания (PCT; также PCAP) является вариантом технологии емкостного касания, но где 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 прикосновение пальца через очень толстое стекло и даже двойное остекление. [87]
Проецируемая емкость — это метод точного обнаружения и отслеживания определенной переменной или группы переменных (например, пальца(ей)) путем: a) использования простой формы искусственного интеллекта для разработки профиля эффектов изменения емкости, ожидаемых для этой переменной, b) специального поиска таких изменений и c) устранения измеренных изменений емкости, которые не соответствуют этому профилю, приписываемых глобальным переменным (таким как температура/влажность, накопление грязи, электрический шум) и локальным переменным (таким как капли дождя, частичная тень и руки/локти). Датчики емкости могут быть дискретными — возможно (но не обязательно) в регулярном массиве, или они могут быть мультиплексированы. [53]
Предположения.
На практике делаются различные предположения, такие как: а) пальцы не будут касаться экрана при «включении», б) палец не будет находиться на одном и том же месте дольше фиксированного периода времени и в) пальцы не будут касаться всех поверхностей одновременно.
a) Если палец касается экрана при «включении», то как только он убирается, будет обнаружено большое изменение емкости «анти-касание». Это сигнал процессору сбросить пороги касания и сохранить новые значения «без касания» для каждого ввода.
b) Долгосрочная компенсация дрейфа используется для постепенного повышения или понижения этих порогов (в конечном итоге стремясь к «отсутствию касания»). Это компенсирует глобальные изменения температуры и влажности. Это также исключает возможность того, что какая-либо позиция будет казаться слишком долго касаемой из-за какого-то «непальцевого» события. Это может быть вызвано, например, приземлением мокрого листа и прилипанием к экрану.
c) Когда необходимо принять решение о действительности одного или нескольких касаний, то предположение c) означает, что среднее значение изменений, измеренных для некоторых входов с наименьшим изменением, может быть использовано для «смещения» порогов касания входов, находящихся в конфликте. Это минимизирует влияние рук и кистей.
Этими и другими способами процессор постоянно настраивает пороги прикосновения и корректирует чувствительность прикосновения каждого ввода. Это позволяет точно определять даже самые незначительные изменения, вызванные только пальцами, через толстые накладки или несколько сантиметров воздуха. [31]
Когда проводящий объект, например палец, соприкасается с панелью PCT, он искажает локальное электростатическое поле в этой точке. Это можно измерить как изменение емкости. Если палец перекрывает зазор между двумя «дорожками», поле заряда еще больше прерывается и обнаруживается контроллером. Емкость можно изменять и измерять в каждой отдельной точке сетки. Эта система способна точно отслеживать касания. [88]
Поскольку верхний слой PCT сделан из стекла, он прочнее, чем менее дорогая резистивная сенсорная технология. В отличие от традиционной емкостной сенсорной технологии, система PCT может распознавать пассивный стилус или пальцы в перчатках.
Влага на поверхности панели, высокая влажность или скопившаяся пыль не являются проблемой, особенно для сенсорных экранов на основе «тонких проводов», поскольку сенсорные экраны на основе проводов имеют очень низкую «паразитную» емкость, а расстояние между соседними проводниками больше. Проецируемая емкость имеет встроенную «долгосрочную компенсацию дрейфа». Это минимизирует влияние медленно меняющихся факторов окружающей среды, таких как накопление грязи и эффекты, вызванные изменениями погоды. [87] Капли дождя оказывают незначительное влияние, но текущая вода, и особенно текущая морская вода (из-за ее электропроводности), может вызвать краткосрочные проблемы.
Высокочастотный (РЧ) сигнал, возможно, от 100 кГц до 1 МГц, накладывается на одну дорожку за раз, и производятся соответствующие измерения емкости (как описано далее в этой статье). [89] Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут опробованы все дорожки.
Проводящие дорожки часто прозрачны, одним из примеров является оксид индия и олова (ITO), прозрачный электрический проводник, но эти проводящие дорожки могут быть изготовлены из очень тонкой непрозрачной металлической сетки [90] или отдельных тонких проводов. [54]
Компоновка может меняться в зависимости от того, необходимо ли распознавать один палец или несколько пальцев.
Для того, чтобы обнаружить много пальцев одновременно, некоторые современные сенсорные экраны PCT состоят из тысяч дискретных клавиш, [53] каждая клавиша связана индивидуально с краем сенсорного экрана. Это становится возможным благодаря травлению сетки электродов в прозрачном проводящем покрытии на одной стороне листа стекла или пластика.
Для уменьшения количества входных дорожек большинство сенсорных экранов PCT используют мультиплексирование. Это позволяет, например, сократить 100 (n) дискретных клавишных вводов до 20 при использовании мультиплексирования x/y или до 15 при использовании мультиплексирования с двумя или тремя состояниями .
Мультиплексирование емкости требует сетки пересекающихся, но электрически изолированных проводящих дорожек. Этого можно достичь многими разными способами. Один из способов — создание параллельных проводящих дорожек на одной стороне пластиковой пленки и подобных параллельных дорожек на другой стороне, ориентированных под углом 90 градусов к первой стороне. [91] [92]
Другой способ – протравить дорожки на отдельных листах стекла и соединить эти листы, расположив дорожки под прямым углом друг к другу, лицом к лицу, используя тонкую непроводящую клеевую прослойку. [93]
Простая альтернатива — встроить x/y или диагональную сетку очень тонких проводов с изоляцией в тонкую полиэфирную пленку. Затем эту пленку можно прикрепить к одной стороне листа стекла для работы через стекло. [54]
Разрешение касания и количество пальцев, которые могут быть обнаружены одновременно, определяются количеством точек пересечения (x * y). Если x + y = n, то максимально возможное количество точек пересечения равно (n/2) 2 . Однако количество точек пересечения можно почти удвоить, используя диагональную решетчатую схему (см. Диаграммы решетчатого/диагонального сенсорного экрана), где вместо того, чтобы элементы x всегда пересекали только элементы y, каждый проводящий элемент пересекает каждый другой элемент. При этих обстоятельствах максимальное количество точек пересечения равно (n 2 -n)/2. [74] Все входы разъема исходят только с одного края.
См. видео (выше) необработанных данных с 32-входного диагонально подключенного сенсорного экрана.
В 2015 году Рон Бистед из Binstead Designs Ltd. изобрел и запатентовал новый диагональный массив, подходящий для ряда технологий сенсорных экранов и клавиатур. [94] [65] [95]
Диаграмма (слева) показывает, как группа из 6 параллельных проводящих элементов, сложенных на себя (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 заканчиваться на сгибе, образуя тем самым разделенные (или раздвоенные) элементы.
Квадратный/прямоугольный диагональный массив может быть сформирован двойным сгибанием параллельных проводников - см. схему справа. Два разъема могут быть установлены на сгибах, на противоположных сторонах массива. В качестве альтернативы, один разъем может быть установлен на одном конце массива - как показано на схеме. [64] [65] [96]
Цилиндрические сенсорные экраны.
Диагональные чувствительные элементы также могут быть сформированы в бесшовный цилиндрический массив. На схеме справа показана разделенная, 9 входов/выходов , двухпозиционная цилиндрическая компоновка с 36 уникальными пересечениями — все линии ввода/вывода подключены к одному концу цилиндра (стандартный массив x/y потребовал бы горизонтальных линий ввода/вывода, входящих в сторону цилиндра). Неразделенные диагональные чувствительные элементы также могут быть сформированы в цилиндры, но 9 входов/выходов создадут только 20 (5x4) уникальных пересечений. Эти цилиндры могут быть физически преобразованы в сложные трехмерные формы с помощью ряда 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 ограничена сопротивлением используемого проводящего материала. По мере увеличения ширины сенсорного экрана x/y в конечном итоге сопротивление горизонтальных проводников становится слишком большим для корректной работы сенсорного экрана. Однако возможны «бесконечно» широкие сенсорные экраны при использовании диагональной проводки, поскольку длина дорожек всегда составляет 1,414 x высоты сенсорного экрана и не зависит от ширины сенсорного экрана (см. диаграмму справа [97] ).
Существует два типа ПЦТ: взаимная емкость и собственная емкость.
Электрический сигнал, наложенный на один электрический проводник, может быть емкостно «воспринят» другим электрическим проводником, который находится очень близко, но электрически изолирован — особенность, которая используется во взаимных емкостных сенсорных экранах. В матрице взаимных емкостных датчиков «взаимное» пересечение одного электрического проводника с другим электрическим проводником, но без прямого электрического контакта, образует конденсатор ( см. touchscreen#Construction).
К этим проводникам по одному за раз прикладываются высокочастотные импульсы напряжения. Эти импульсы емкостно связываются с каждым проводником, который их пересекает.
Поднесение пальца или проводящего стилуса близко к поверхности датчика изменяет локальное электростатическое поле, что в свою очередь уменьшает емкость между этими пересекающимися проводниками. Любое значительное изменение силы считываемого сигнала используется для определения того, присутствует ли палец на пересечении или нет. [98]
Изменение емкости на каждом пересечении сетки можно измерить, чтобы точно определить одно или несколько мест касания.
Взаимная емкость позволяет осуществлять многоточечное касание, при котором одновременно можно точно отслеживать несколько пальцев, ладоней или стилусов. Чем больше число пересечений, тем лучше разрешение касания и тем больше независимых пальцев можно обнаружить. [99] [100] Это указывает на явное преимущество диагональной разводки по сравнению со стандартной разводкой x/y, поскольку диагональная разводка создает почти в два раза больше пересечений.
Например, массив из 30 входов/выходов, 16×14 x/y будет иметь 224 таких пересечения/конденсатора, а диагональный решетчатый массив из 30 входов/выходов может иметь 435 пересечений.
Каждый след массива взаимной емкости x/y имеет только одну функцию: это либо вход, либо выход. Горизонтальные следы могут быть передатчиками, а вертикальные — датчиками, или наоборот.
Однако трассы в диагональной матрице взаимной емкости должны постоянно менять свою функциональность «на лету» с помощью процесса, называемого двухпозиционным мультиплексированием или трехпозиционным мультиплексированием . Иногда трасса будет выходом, иногда — входом или «заземлена». Для упрощения этого процесса можно использовать «справочную» таблицу. Слегка искажая проводники в диагональной матрице ввода-вывода «n», формируется эквивалент массива (n-1) на (n/2). После декодирования адреса его можно обрабатывать как стандартный массив x/y.
Датчики собственной емкости могут иметь ту же схему сетки X/Y или диагональную [74] , что и датчики взаимной емкости, но при наличии собственной емкости все следы обычно работают независимо, без взаимодействия между различными следами. Наряду с несколькими другими методами, дополнительная емкостная нагрузка пальца на электрод следа может быть измерена измерителем тока или изменением частоты RC-генератора. [101]
Следы считываются один за другим, пока не будут считаны все следы. Палец может быть обнаружен в любом месте по всей длине следа (даже «за пределами экрана»), но нет никаких указаний, где находится палец вдоль этого следа. Однако, если палец также обнаружен вдоль другого пересекающегося следа, то предполагается, что положение пальца находится на пересечении двух следов. Это позволяет быстро и точно обнаружить один палец.
Однако существует неоднозначность, если необходимо обнаружить более одного пальца. [102] Два пальца могут иметь четыре возможных положения обнаружения, только два из которых являются истинными, а два других являются «призраками». Однако, путем выборочной десенсибилизации любых точек касания в споре, конфликтующие результаты легко разрешаются. [103] Это позволяет использовать собственную емкость для работы с двумя касаниями.
Хотя взаимная емкость проще для мультитач, мультитач можно реализовать с помощью собственной емкости.
Если считываемый след пересекается другим следом, на котором есть «десенсибилизирующий» сигнал, то это пересечение нечувствительно к прикосновению. Наложив такой «десенсибилизирующий» сигнал на все пересекающиеся следы, кроме одного, вдоль считываемого следа, то только короткая часть этого следа будет чувствительна к прикосновению. [103] Выбрав последовательность этих чувствительных участков вдоль следа, можно определить точное положение нескольких пальцев вдоль одного следа. Затем этот процесс можно повторить для всех других следов, пока не будет просканирован весь экран.
Самоемкостные сенсорные экраны используются в таких мобильных телефонах, как Sony Xperia Sola , [104], Samsung Galaxy S4 , Galaxy Note 3 , Galaxy S5 и Galaxy Alpha .
Собственная емкость гораздо более чувствительна, чем взаимная емкость, и в основном используется для одиночного касания, простых жестов и обнаружения близости, когда палец даже не должен касаться стеклянной поверхности. Взаимная емкость в основном используется для многосенсорных приложений. [105] Многие производители сенсорных экранов используют как собственную, так и взаимную технологии емкости в одном продукте, тем самым объединяя их индивидуальные преимущества. [106]
При использовании массива 16 x 14 X/Y для определения положения одного пальца по собственной емкости требуется 30 (т. е. 16 + 14) измерений емкости. Палец определяется как находящийся на пересечении самых сильных из 16 измерений x и самых сильных из 14 измерений y. Однако при использовании взаимной емкости может потребоваться измерение каждого пересечения, что в общей сложности составит 224 (т. е. 16 x 14) измерений емкости. Таким образом, в этом примере для определения положения пальца взаимная емкость требует почти в 7 раз больше измерений, чем собственная емкость.
Многие приложения, такие как выбор элементов из списка или меню, требуют всего одного пальца, и собственная емкость в высшей степени подходит для таких приложений из-за относительно низкой нагрузки на обработку, более простого метода обработки, способности чувствовать сквозь толстые диэлектрические материалы или воздух, а также возможности сокращения количества требуемых входов за счет повторных схем дорожек. [107]
Однако для многих других приложений, таких как расширение/сжатие элементов на экране и другие жесты, необходимо отслеживать два или более пальцев.
Два пальца можно точно обнаружить и отследить с помощью собственной емкости, но это требует нескольких дополнительных вычислений и 4 дополнительных измерения емкости для устранения 2 «фантомных» положений. Один из методов заключается в проведении полного сканирования собственной емкости для обнаружения 4 неоднозначных положений пальцев, а затем использовании всего 4 целевых измерений взаимной емкости для определения того, какие два из 4 положений являются действительными, а какие 2 — нет. Это дает в общей сложности 34 измерения — все еще намного меньше 224, требуемых при использовании только взаимной емкости.
При использовании 3 пальцев требуется 9 разрешений неоднозначностей; при использовании 4 пальцев — 16 разрешений неоднозначностей и т. д.
При большем количестве пальцев может быть решено, что процесс устранения неоднозначности слишком громоздкий. Если доступна достаточная вычислительная мощность, то можно перейти к полному сканированию взаимной емкости. [103]
Емкостные сенсорные экраны не обязательно должны управляться пальцем, но до недавнего времени специальные стилусы, необходимые для их использования, могли быть довольно дорогими. Стоимость этой технологии значительно снизилась в последние годы, и емкостные стилусы теперь широко доступны за символическую плату и часто раздаются бесплатно с мобильными аксессуарами. Они состоят из электропроводящего стержня с мягким проводящим резиновым наконечником, тем самым резистивно соединяя пальцы с наконечником стилуса.
Инфракрасный сенсорный экран использует массив XY инфракрасных светодиодов и пар фотодетекторов по краям экрана для обнаружения нарушения в рисунке светодиодных лучей. Эти светодиодные лучи пересекаются друг с другом в вертикальных и горизонтальных узорах . Это помогает датчикам улавливать точное местоположение прикосновения. Основным преимуществом такой системы является то, что она может обнаруживать по существу любой непрозрачный объект, включая палец, палец в перчатке, стилус или ручку. Обычно она 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 никакого узора на стекле, что увеличивает долговечность и оптическую прозрачность всей системы. Инфракрасные сенсорные экраны чувствительны к грязи и пыли, которые могут мешать инфракрасным лучам, и страдают от параллакса на изогнутых поверхностях и случайного нажатия, когда пользователь наводит палец на экран во время поиска элемента для выбора.
Прозрачный 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 касается листа, нарушенное полное внутреннее отражение приводит к утечке инфракрасного света, пики которого достигают точек максимального давления, указывая на место касания пользователя. Планшеты PixelSense от Microsoft используют эту технологию.
Оптические сенсорные экраны — это относительно современная разработка в области сенсорных технологий, в которой два или более датчиков изображения (например, датчики CMOS ) размещаются по краям (в основном по углам) экрана. Инфракрасные подсветки размещаются в поле зрения датчика на противоположной стороне экрана. Касание блокирует часть света от датчиков, и местоположение и размер касающегося объекта могут быть вычислены (см. визуальный корпус ). Эта технология становится все более популярной из-за своей масштабируемости, универсальности и доступности для больших сенсорных экранов.
Представленная в 2002 году компанией 3M , эта система обнаруживает касание, используя датчики для измерения пьезоэлектричества в стекле. Сложные алгоритмы интерпретируют эту информацию и предоставляют фактическое местоположение касания. [108] Технология не подвержена влиянию пыли и других внешних элементов, включая царапины. Поскольку на экране нет необходимости в дополнительных элементах, она также заявляет о превосходной оптической четкости. Для генерации событий касания может использоваться любой объект, включая пальцы в перчатках. Недостатком является то, что после первоначального касания система не может обнаружить неподвижный палец. Однако по той же причине покоящиеся объекты не нарушают распознавание касания.
Ключ к этой технологии заключается в том, что прикосновение в любой точке поверхности генерирует звуковую волну в подложке, которая затем производит уникальный комбинированный сигнал, измеряемый тремя или более крошечными преобразователями, прикрепленными к краям сенсорного экрана. Оцифрованный сигнал сравнивается со списком, соответствующим каждой точке на поверхности, определяя местоположение прикосновения. Движущееся прикосновение отслеживается путем быстрого повторения этого процесса. Посторонние и окружающие звуки игнорируются, поскольку они не соответствуют ни одному сохраненному звуковому профилю. Технология отличается от других звуковых технологий использованием простого метода поиска, а не дорогостоящего оборудования для обработки сигнала. Как и в системе технологии дисперсионного сигнала, неподвижный палец не может быть обнаружен после первоначального прикосновения. Однако по той же причине распознавание прикосновения не нарушается никакими покоящимися объектами. Технология была создана SoundTouch Ltd в начале 2000-х годов, как описано в патентном семействе EP1852772, и представлена на рынке подразделением Elo компании Tyco International в 2006 году как Acoustic Pulse Recognition. [109] Сенсорный экран, используемый Elo, изготовлен из обычного стекла, что обеспечивает хорошую прочность и оптическую прозрачность. Технология обычно сохраняет точность при царапинах и пыли на экране. Технология также хорошо подходит для дисплеев, которые физически больше.
Существует несколько основных способов создания сенсорного экрана. Основные цели — распознавать один или несколько пальцев, прикасающихся к дисплею, интерпретировать команду, которую это представляет, и передавать команду соответствующему приложению.
Мультисенсорные проекционно-емкостные экраны
Очень простой и недорогой способ сделать проекционный емкостный сенсорный экран с несколькими касаниями — это разместить x/y или диагональную матрицу из тонких медных или вольфрамовых проводов с изоляцией между двумя слоями прозрачной полиэфирной пленки. Это создает массив микроконденсаторов для измерения расстояния . Один из этих микроконденсаторов каждые 10–15 мм, вероятно, будет достаточным расстоянием, если пальцы относительно широко расставлены, но для мультисенсорного экрана с очень высокой дискриминацией может потребоваться микроконденсатор каждые 5 или 6 мм. Подобную систему можно использовать для сверхвысокого разрешения, например, для сканирования отпечатков пальцев. Датчики отпечатков пальцев требуют расстояния между микроконденсаторами около 44–50 микрон. [110]
Сенсорные экраны можно изготавливать в домашних условиях, используя подручные инструменты и материалы, или же это можно сделать промышленным способом.
Сначала с помощью простой системы САПР создается схема электропроводки с «непрерывным контуром».
Провод продевается через ручку плоттера и напрямую наносится как один непрерывный провод на тонкий лист покрытой клеем прозрачной полиэфирной пленки (например, «оконной пленки») с помощью стандартного недорогого двухкоординатного плоттера. [54] После нанесения рисунка отдельный провод аккуратно разрезается на отдельные секции острым скальпелем, стараясь не повредить пленку.
Вторая идентичная полиэфирная пленка ламинируется поверх первой пленки. Полученная пленка сенсорного экрана затем обрезается по форме, и в нее вставляется разъем.
Конечный продукт чрезвычайно гибок, его толщина составляет около 75 микрон (примерно толщина человеческого волоса). Его даже можно сминать без потери функциональности.
Пленка может быть установлена на или за непроводящими (или слабопроводящими) поверхностями. Обычно она устанавливается за листом стекла толщиной до 12 мм (или более) для зондирования через стекло.
Этот метод подходит для широкого диапазона размеров сенсорных экранов: от очень маленьких до нескольких метров в ширину — или даже шире, если используется диагонально подключенная матрица. [74] [67]
Конечный продукт является экологически чистым, поскольку он использует перерабатываемый полиэстер и мельчайшие количества медной проволоки. Пленка может даже получить вторую жизнь в качестве другого продукта, например, пленки для рисования или упаковочной пленки. В отличие от некоторых других технологий сенсорных экранов, не используются сложные процессы или редкие материалы.
Для приложений без сенсорного экрана могут использоваться другие пластики (например, винил или АБС ). Пленка может быть выдувной или термоформованной в сложные трехмерные формы, такие как бутылки, глобусы или приборные панели автомобиля. В качестве альтернативы провода могут быть встроены в толстый пластик, такой как стекловолокно или панели кузова из углеродного волокна.
Резистивные сенсорные экраны с одним касанием
В резистивном подходе, который раньше был самой популярной техникой, обычно имеется четыре слоя:
Когда пользователь прикасается к поверхности, система регистрирует изменение электрического тока, протекающего через дисплей.
Дисперсионный сигнал
Технология дисперсионного сигнала измеряет пьезоэлектрический эффект — напряжение, возникающее при приложении механической силы к материалу, которое химически возникает при прикосновении к упрочненной стеклянной подложке.
Инфракрасный
Существуют два подхода на основе инфракрасного излучения. В одном из них массив датчиков обнаруживает, что палец касается или почти касается дисплея, тем самым прерывая инфракрасные световые лучи, проецируемые на экран. В другом — инфракрасные камеры, установленные снизу, регистрируют тепло от касаний экрана.
В каждом случае система определяет предполагаемую команду на основе элементов управления, отображаемых на экране в момент касания, и места касания.
Развитие мультисенсорных экранов облегчило отслеживание более одного пальца на экране; таким образом, стали возможны операции, требующие более одного пальца. Эти устройства также позволяют нескольким пользователям одновременно взаимодействовать с сенсорным экраном.
С ростом использования сенсорных экранов стоимость сенсорной технологии обычно поглощается продуктами, которые ее включают, и почти устраняется. Сенсорная технология продемонстрировала надежность и используется в самолетах, автомобилях, игровых консолях, системах управления машинами, бытовой технике и портативных устройствах отображения, включая мобильные телефоны; рынок сенсорных экранов для мобильных устройств, по прогнозам, должен был произвести 5 миллиардов долларов США к 2009 году. [111] [ требуется обновление ]
Способность точно указывать на сам экран также совершенствуется с появлением гибридов графических планшетов и экранов . Поливинилиденфторид (ПВДФ) играет важную роль в этой инновации благодаря своим высоким пьезоэлектрическим свойствам, которые позволяют планшету чувствовать давление, делая такие вещи, как цифровая живопись, более похожими на бумагу и карандаш. [112]
TapSense, анонсированная в октябре 2011 года, позволяет сенсорным экранам различать, какая часть руки использовалась для ввода, например, кончик пальца, костяшка пальца и ноготь. Это можно использовать разными способами, например, для копирования и вставки, для заглавных букв, для активации различных режимов рисования и т. д. [113] [114]
Чтобы сенсорные экраны были эффективными устройствами ввода, пользователи должны иметь возможность точно выбирать цели и избегать случайного выбора соседних целей. Дизайн интерфейсов сенсорных экранов должен отражать технические возможности системы, эргономику , когнитивную психологию и физиологию человека .
Руководящие принципы для дизайна сенсорных экранов были впервые разработаны в 2000-х годах на основе ранних исследований и фактического использования старых систем, обычно использующих инфракрасные сетки, которые сильно зависели от размера пальцев пользователя. Эти руководящие принципы менее актуальны для большинства современных сенсорных устройств, которые используют емкостную или резистивную сенсорную технологию. [115] [116]
С середины 2000-х годов производители операционных систем для смартфонов обнародовали стандарты, но они различаются у разных производителей и допускают значительные различия в размерах в зависимости от технологических изменений, поэтому они не подходят с точки зрения человеческого фактора . [117] [118] [119]
Гораздо важнее точность, с которой люди выбирают цели пальцем или стилусом. Точность выбора пользователя зависит от положения на экране: пользователи наиболее точны в центре, менее точны на левом и правом краях и наименее точны на верхнем крае и особенно на нижнем крае. Точность R95 (требуемый радиус для 95% точности цели) варьируется от 7 мм (0,28 дюйма) в центре до 12 мм (0,47 дюйма) в нижних углах. [120] [121] [122] [123] [124] Пользователи подсознательно осознают это и тратят больше времени на выбор целей, которые меньше или находятся на краях или углах сенсорного экрана. [125]
Эта неточность пользователя является результатом параллакса , остроты зрения и скорости обратной связи между глазами и пальцами. Точность одного только человеческого пальца намного, намного выше, поэтому, когда предоставляются вспомогательные технологии, такие как экранные лупы, пользователи могут перемещать свой палец (после соприкосновения с экраном) с точностью до 0,1 мм (0,004 дюйма). [126] [ dubious – discussion ]
Пользователи карманных и портативных сенсорных устройств держат их разными способами и регулярно меняют способ удержания и выбор в соответствии с положением и типом ввода. Существует четыре основных типа ручного взаимодействия:
Показатели использования сильно различаются. Хотя постукивание двумя большими пальцами встречается редко (1–3%) для многих общих взаимодействий, оно используется в 41% случаев взаимодействия при наборе текста. [127]
Кроме того, устройства часто размещаются на поверхностях (столах или столах), а планшеты особенно используются на стойках. Пользователь может указывать, выбирать или жестикулировать в этих случаях пальцем или большим пальцем, а также изменять использование этих методов. [128]
Сенсорные экраны часто используются с системами тактильного отклика. Типичным примером этой технологии является вибрационная обратная связь, обеспечиваемая при нажатии кнопки на сенсорном экране. Тактильные эффекты используются для улучшения пользовательского опыта работы с сенсорными экранами, обеспечивая имитацию тактильной обратной связи, и могут быть разработаны для немедленной реакции, частично компенсируя задержку отклика на экране. Исследования Университета Глазго (Брюстер, Чохан и Браун, 2007; и совсем недавно Хоган) показывают, что пользователи сенсорных экранов сокращают ошибки ввода (на 20%), увеличивают скорость ввода (на 20%) и снижают когнитивную нагрузку (на 40%), когда сенсорные экраны сочетаются с тактильными эффектами или тактильной обратной связью. Вдобавок к этому, исследование, проведенное в 2013 году Бостонским колледжем, изучало влияние тактильной стимуляции сенсорных экранов на возникновение психологического владения продуктом. Их исследование пришло к выводу, что способность сенсорных экранов включать большое количество тактильного взаимодействия привела к тому, что клиенты почувствовали большую принадлежность к продуктам, которые они проектировали или покупали. Исследование также показало, что потребители, использующие сенсорный экран, были готовы принять более высокую цену за товары, которые они покупали. [129]
Сенсорная технология стала интегрироваться во многие аспекты индустрии обслуживания клиентов в 21 веке. [130] Ресторанная индустрия является хорошим примером внедрения сенсорных экранов в эту область. Такие сетевые рестораны, как Taco Bell, [131] Panera Bread и McDonald's, предлагают сенсорные экраны в качестве опции, когда клиенты заказывают блюда из меню. [132] Хотя добавление сенсорных экранов является разработкой для этой отрасли, клиенты могут решить обойти сенсорный экран и сделать заказ у традиционного кассира. [131] Чтобы сделать еще один шаг вперед, ресторан в Бангалоре попытался полностью автоматизировать процесс заказа. Клиенты садятся за стол, оснащенный сенсорными экранами, и заказывают обширное меню. После размещения заказа он отправляется в электронном виде на кухню. [133] Эти типы сенсорных экранов подходят под системы точек продаж (POS), упомянутые в разделе «Ввод».
Длительное использование жестовых интерфейсов без возможности пользователя дать отдых своей руке называется «рукой гориллы». [134] Это может привести к усталости и даже к повторяющимся стрессовым травмам при регулярном использовании в рабочей обстановке. Некоторые ранние интерфейсы на основе пера требовали, чтобы оператор работал в этом положении большую часть рабочего дня. [135] Разрешение пользователю положить свою руку или кисть на устройство ввода или рамку вокруг него является решением этой проблемы во многих контекстах. Это явление часто приводится в качестве примера движений, которые следует минимизировать с помощью надлежащего эргономичного дизайна.
Неподдерживаемые сенсорные экраны по-прежнему довольно распространены в таких приложениях, как банкоматы и киоски данных, но не являются проблемой, поскольку типичный пользователь взаимодействует с ними только в течение коротких и широко разнесенных периодов времени. [136]
Сенсорные экраны могут страдать от проблемы отпечатков пальцев на дисплее. Это можно смягчить, используя материалы с оптическими покрытиями, предназначенными для уменьшения видимых эффектов отпечатков пальцев. Большинство современных смартфонов имеют олеофобные покрытия, которые уменьшают количество остатков масла. Другой вариант — установить матовую антибликовую защитную пленку для экрана , которая создает слегка шероховатую поверхность, на которой не так легко остаются пятна.
Емкостные сенсорные экраны редко работают, когда пользователь носит перчатки. Толщина перчаток и материал, из которого они сделаны, играют важную роль в этом, а также в способности сенсорного экрана воспринимать прикосновения.
Некоторые устройства имеют режим, который увеличивает чувствительность сенсорного экрана. Это позволяет более надежно использовать сенсорный экран в перчатках, но также может привести к ненадежным и фантомным вводам. Однако тонкие перчатки, такие как медицинские перчатки, достаточно тонкие, чтобы пользователи могли надевать их при использовании сенсорных экранов; в основном применимо к медицинской технике и машинам.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |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)
