В ряде случаев к качеству изображения, воспроизводимого отображающим устройством, предъявляются строгие требования. Это касается дисплеев, предназначенных, в основном, для просмотра телевизионных передач, видеофильмов или отображения иллюстративного материала
(слайдов и фотографий), например, в художественном кружке или фотостудии. При необходимости оснащения такого устройства сенсорным экраном лучшим решением будет применение инфракрасной технологии. Для определения точки касания используются две линейки светодиодов, расположенные по вертикали и горизонтали, и две линейки фотодиодов, расположенные на противоположных сторонах экрана (рис.9).
Каждому светодиоду соответствует свой фотодиод. Работает такая оптическая пара следующим образом. При подаче напряжения на светодиод он излучает невидимый для человека инфракрасный свет в пределах очень небольшого телесного угла, чтобы попасть на «свой» фотодиод «не задеть» соседние. Любое препятствие, например, касающийся экрана палец руки, частично или полностью перекрывающее световой луч, приводит к уменьшению или прекращению электрического тока через соответствующий фотодиод. Это изменение фиксируется микроконтроллером, позволяя вычислить координату касания с высокой точностью. Обычно светодиод (и, соответственно, фотодиод) в линейке имеет размеры порядка 2,5 мм, то есть на каждый квадратный сантиметр панели приходится четыре горизонтальных и четыре вертикальных сканирующих луча. Однако механизмы интерполяции, используемые микроконтроллером, позволяют вычислять положение препятствия с большей точностью. Инфракрасный сенсорный экран выполняется в виде рамки, которая не имеет никаких стекол или прозрачных пленок. Поэтому изменение яркости, контраста и цветопередачи изображения, а также появление дополнительных бликов исключены, что является несомненным достоинством экрана. Плюсами так же является то, что можно использовать любой предмет для касания (стилус к примеру или обратная сторона ручки), хорошо переносят перепады температур, имеют высокую чувствительность и выдерживают бесконечное колличество нажатий в одну точку.
Инфракрасная технология не лишена ряда недостатков. Применение в качестве отображающего устройства жидкокристаллических панелей нежелательно, так как касание их поверхности может привести к повреждению TFT-транзисторов и появлению «мертвых» точек, (которые всегда либо включены, либо выключены). Рамка сенсорного экрана зачастую не прилегает к экрану дисплея вплотную, а находится на некотором расстоянии, при этом вследствие параллакса становятся заметными ошибки определения координат по углам. Устройство имеет невысокую надежность, что связанно, во-первых, с небольшим сроком службы ИК-светодиодов, а во-вторых, с особенностями конструкции - оптопары боятся пыли, загрязнений и конденсата. Попадание прямого солнечного света вызывает сбои в работе. Кроме того, такие экраны имеют самую высокую стоимость. Применяются ИК-экраны обычно в образовательных учреждениях - в качестве интерактивных панелей большого размера, и в игровых автоматах.
Конструкция резистивной интерактивной доски включает в себя жёсткую подложку и гибкую пластиковую мембрану. Пространство между подложкой и мембраной заполнено изоляторами, которые равномерно распределены по активной области доски и надёжно изолируют проводящие поверхности. При нажатии на интерактивную доску эти два слоя соприкасаются, что вызывает изменение уровня сопротивления, который регистрируется устройством.
Точка нажатия будет распознаваться интерактивной доской как клик мыши. В один и тот же момент времени возможна регистрация только одной точки касания пальцем, стилусом или любым другим подходящим предметом. Исключение представляют резистивные доски двойного касания, под единой пластиковой мембраной которой находятся две жёсткие подложки. Работа с данными устройствами интуитивно понятна, однако есть свои нюансы: 1) нажатие должно быть достаточно сильным, иначе сигнал будет прерываться; 2) при длительном использовании может происходить залипание пластиковой мембраны; 3) для того, чтобы использовать интерактивную доску как маркерную, нужно использовать специальные маркеры, т.к. она с трудом поддаётся очистке. Примеры компаний-производителей: , QOMO, IQBoard.
Внешний слой сенсорного экрана такого типа является проводником статического электричества, внутренняя сторона представлена сеткой электродов. В процессе работы контроллер подает на них импульсы слабого переменного тока.
При касании происходит утечка тока. Величина тока утечки обратно пропорциональна расстоянию от точки нажатия до электрода. Сравнивая величины тока утечки через каждый из четырех электродов, контроллер рассчитывает координаты точки нажатия. Яркие представители подобных устройств: планшеты iPad, Samsung и т.д. Эти устройства распознают несколько одновременных касаний и различные жесты, однако вследствие необходимости обеспечения электрического контакта между поверхностью и телом человека работа с ними с помощью других предметов (в т.ч. в перчатках) не представляется возможной.
По периметру интерактивной доски установлены ИК-сенсоры, которые формируют невидимую для человеческого глаза сеть лучей. Касание стилусом или пальцем преломляет эти лучи, точка нажатия регистрируется контроллером, а информация о её координатах передаётся на компьютер. Такая технология может использоваться как при производстве интерактивных досок, так и интерактивных приставок или интерактивных проекторов. Подобные устройства могут распознавать как одно касание, так и несколько точек контакта с поверхностью. Примеры компаний-производителей: , Epson, .
Во внутренние углы внешней рамы интерактивной доски встроены цифровые видеокамеры. Изображение с камер анализируется цифровыми сигнальными процессорами на предмет наличия стилуса или пальца в зоне видимости.
Местоположение точки нажатия регистрируется контроллером и передаётся на компьютер. С интерактивными досками такого типа можно работать пальцем или стилусом, они распознают более 2х точек касания и жесты. Работа с подобными интерактивными досками очень комфортна, есть модели, которые также определяют различные предметы (по англ. object-awareness): перо как инструмент письма, палец как манипулятор, теннисный мяч, ладонь или кулак как ластик. Единственный нюанс, о котором нужно помнить, — распознавание касания происходит ещё на стадии приближения к поверхности, поэтому кисти шали, бусы, слишком длинные рукава будут регистрироваться устройством, — со временем просто вырабатывается правильная привычка взаимодействия с доской. Держателем патента на данную технологию является компания . Подробную информацию можно получить по .
Дмитрий Кузовков
Сенсорные технологии активно вторгаются на российский компьютерный рынок. Дебют этих систем состоялся более четырех лет назад, но бурный рост рынка начался только этим летом, когда на станциях Московского метрополитена, в крупных гостиницах и на вокзалах появились сенсорные информационные киоски. Часть из них была установлена в рамках проекта “Городская информационная система Москвы”, другая - как проекты отдельных фирм.
Впервые сенсорная технология появилась более 25 лет назад, когда специалисты американской фирмы ELO TouchSystems разработали электродную резистивную технологию, позволяющую добиться редкого сочетания высокой надежности и гарантированной точности с потрясающей адаптивностью. Эта разработка дала толчок к развитию сенсорных технологий. На рынке стали появляться сенсорные экраны, использующие принцип поверхностных акустических волн (ELO TouchSystems), изменения распределенной емкости (MicroTouch), инфракрасных волн и 4-электродную резистивную технологию (ряд тайваньских фирм).
Рассмотрим особенности различных типов реализации сенсорного интерфейса.
Резистивная 5-электродная технология
Сенсорный экран, выполненный по этому принципу (AccuTouch), представляет собой стеклянное основание, покрытое снаружи слоем пластика. На обе поверхности изнутри нанесен специальный проводящий слой. Пространство между стеклом и пластиком заполнено особым составом, запатентованным фирмой ELO TouchSystems. Этот состав надежно изолирует проводящие поверхности. При нажатии на пластик состав расступается и проводники соприкасаются между собой. Изменение сопротивления регистрируется контроллером, и координата прикосновения передается в компьютер.
Принцип поверхностных акустических волн (ПАВ)
Экран, основанный на этом принципе (IntelliTouch), выполнен в виде стеклянной панели с пьезоэлектрическими преобразователями, расположенными в углах экрана. Специальный контроллер посылает на них высокочастотный электрический сигнал, который преобразуется в акустические волны. Волны отражаются массивом датчиков, расположенным по краям панели. Приемные датчики собирают отраженные волны и направляют их обратно на преобразователи, которые преобразуют полученные данные в электрический сигнал, анализируемый контроллером. Особенность этой технологии в том, что координата прикосновения вычисляется не только по осям X и Y, но и по оси Z.
Принцип изменения распределенной емкости
Экран выполнен в виде стеклянной панели с нанесенным на нее проводящим слоем, т. е. поверхность экрана представляет собой распределенную емкость, изменяющуюся при прикосновении. Эти изменения регистрируются и обрабатываются контроллером, который затем вычисляет координату прикосновения.
Технология использования инфракрасных волн
Экран выполнен в виде рамки с рядами инфракрасных излучателей, которые создают решетку. Появление постороннего предмета в пределах решетки регистрируется контроллером, обрабатывается и передается в компьютер.
Конструктивно сенсорные экраны выполняются в виде стеклянного основания, повторяющего кривизну поверхности электронно-лучевой трубки или жидкокристаллической матрицы монитора. На рынке присутствуют сферические, FST, цилиндрические и плоские экраны, что позволяет выбрать оптимальный вариант для любого монитора.
Исключение составляют экраны, использующие инфракрасные волны, и “вандалостойкие” экраны SecureTouch фирмы ELO. Первые, как уже говорилось, выполнены в виде рамки, которая надевается на монитор. Вторые устанавливаются перед монитором. Обусловлено это тем, что SecureTouch представляет собой сенсорный экран повышенной прочности. Разработанный на базе технологии ПАВ, SecureTouch способен противостоять грубому воздействию. Он будет продолжать работать, несмотря на царапины, которые испортили бы любой другой сенсорный экран, и способен выдерживать удары тяжелых предметов. Основой SecureTouch является отожженное или отпущенное стекло, толщиной 0,25 или 0,5 дюйма.
Сенсорные экраны этого класса проходят испытания согласно требованиям спецификации UL (UL-1950). На поверхность экрана с высоты 51,5 дюйма (примерно 131 см) несколько раз бросают стальной шар весом один килограмм. SecureTouch выдерживает испытание без повреждений и царапин на поверхности.
В начале этого года появилась еще одна разновидность сенсорного экрана. Это экраны Scribex фирмы ELO. Scribex дает возможность рукописного ввода информации в компьютерную систему. Таким образом решаются насущные проблемы банковских и торговых приложений. Новое решение помогает пользователям избежать трудностей, возникающих при авторизации доступа и заполнении различных документов с клавиатуры. Экраны выполнены по 5-электродной резистивной технологии. Высокое разрешение и большая скорость сканирования позволяют ввести подпись с качеством, достаточным для идентификации ее большинством программ.
Программно-сенсорные экраны полностью эмулируют стандартную мышь. Драйвер позволяет установить режимы реакции на нажатие, отжатие, двойное прикосновение. В настоящее время доступны драйверы под DOS, Windows 3.x, Windows 95, Windows NT и ряд UNIX-систем, OS/2, Apple Macintosh.
Выпускается много разновидностей контроллеров сенсорных экранов, отличающихся друг от друга способом связи с компьютером. Контроллеры PC-Bus вставляются в слот расширения системной платы, последовательные - подключаются к последовательному порту. Последние могут быть как внешними, так и внутренними, встраиваемыми непосредственно в монитор. Для работы в портативных ПК выпускается серия PCMCIA-контроллеров.
Технология сенсорного ввода имеет ряд свойств, делающих ее незаменимой во многих приложениях. Первое из них - реализация генетически заложенной установки “прикосновения к интересующему объекту”. Для человека естественно прикасаться к предмету для получения дополнительной информации о нем. Это происходит интуитивно и не приводит к внутреннему конфликту, который подчас вызывают традиционные средства ввода. Это свойство идеально решает проблему дружественного интерфейса в справочно-информационных системах, рассчитанных на массовый доступ.
Характеристики сенсорных технологий
Второе свойство - максимальная защита от ошибок оператора. Многие, наверное, помнят заклеенную клавиатуру на кассовых машинах в магазинах. Нерациональное размещение клавиш и высокие нагрузки приводят к ошибкам ввода. Поэтому кассиры нашли простой выход и закрывали редко используемые клавиши спичечными коробками. При использовании сенсорного ввода клавиатура на экране монитора формируется программно. Это позволяет не перегружать оператора и выводить только те клавиши, которые используются в данный момент. Кроме того, можно подобрать оптимальные размер и цвет клавиш.
Используемые материалы:
Стекло, листовой полиэстер, проводящее покрытие.
Принцип действия :
Преимущества:
Недостатки:
Используемые материалы:
Стеклянная или акриловая подложка, рамка по периметру стекла, светодиодная матрица
Принцип действия:
Светодиоды создают сетку инфракрасных световых лучей по осям X и Y на поверхности экрана. Фотоприемники улавливают эти лучи на противоположной стороне экрана. Касание определяется когда палец или стилус блокирует луч и не позволяет ему достичь фотоприемников. Контроллер постоянно сканирует по осям X и Y и в момент касания определяет блокировку и вычисляет координату касания методом триангуляции.
Преимущества:
Недостатки:
Используемые матреиалы:
Стеклянная подложка, оптические сенсоры линейного сканирования, световые шины.
Принцип действия:
Миниатюрные камеры расположены в 2-ух верхних углах подложки. Подсвеченные или отражающие границы 3-х противоположных сторон проецируют однородное поле инфракрасного света немного выше поверхности стекла. Касание распознается благодаря перекрыванию пальцем или другим объектом светового потока от камер. Контроллер обрабатывает оптическую информацию и вычисляет координаты Х и Y.
Преимущества:
Недостатки:
Используемые материалы:
Стекло, пьезоэлектрические преобразователи
Принцип действия:
Преимущества:
Недостатки:
Используемые материалы:
Стеклянная подложка, Покрытие из прозрачного метталического оксида Glass substrate, transparent metal oxide coating
Принцип действия:
Преимущества:
Недостатки:
Введение
Постоянное совершенствование технологий обмена информацией между человеком и вычислительной техникой является важнейшей тенденцией развития современной информационной сферы. И если в стационарных компьютерах и ноутбуках основными средствами ввода остаются клавиатура и мышь (дополненная в ноутбуках емкостным тачпэдом), то в мобильных устройствах повсеместно используются сенсорные дисплеи, реагирующие на прикосновение, позволяя определить координаты точки касания. Сенсорные устройства применяются также в графических дисплеях для художественного и проектного творчества, в разного рода демонстрационных системах с большими экранами и различных системах регистрации и ввода небольшого объема данных. Для создания современных сенсорных дисплеев используются инженерные решения, основанные на применении целого спектра разнообразных физических явлений.
Сенсорные дисплеи, в которых обнаружение точки касания основано на протекании через нее постоянного электрического тока, называются резистивными. Хотя история этих устройств насчитывает более четырех десятилетий, они широко применяются до настоящего времени. Первую резистивную сенсорную панель разработал и в 1971 году запатентовал, назвав её элографом (elograph, в русскоязычных текстах встречаются также написания илограф, елограф), американец Сэм Хернст, работавший в университета штата Кентукки. А через три года, в 1974 году, основанная Хернстом для развития этой разработки компания Elographics, добившись прозрачности сенсорной панели, уже разработала на этой основе реагирующий на прикосновение дисплей. В 1994 году компания изменила название на Elo TouchSystems, а позже влилась в холдинг Tyco Electronics.
Принцип действия резистивных дисплеев наиболее просто пояснить на примере исторически первого четырехпроводного варианта, применяемого до настоящего времени. Поверх обычного жидкокристаллического дисплея монтируются подложка из стекла или пластика и гибкая мембрана, на обращенные друг к другу поверхности которых, разделенные полем точечных микроизоляторов, наносится проводящий слой. На противоположных краях подложки и мембраны взаимно перпендикулярно закреплены две пары электродов из металла (одна пара на подложке, другая на мембране). При точечном нажатии на мембрану она прогибается, и в точке соприкосновении проводящих слоев подложки и мембраны между ними возникает электрический контакт и начинается протекание тока. Измерение координат точки контакта по горизонтали и вертикали производится поочередно, при этом одна пара электродов соединяется накоротко, а на вторую подается напряжение. При контакте проводящих поверхностей напряжение на закороченной паре электродов определяется расположением точки контакта. Её координаты вычисляются специальным контроллером устройства. Конструкцию и принцип действия четырехпроводной резистивной сенсорной системы иллюстрируют рис. 1-3.
Недостатком четырехпроводного дисплея является то, что он перестает работать при повреждении резистентного слоя на мембране. Этот недостаток частично устранен в пятипроводной схеме (также разработанной компанией Хернста, патент 1977 года), где на мембрану нанесен проводящий слой, не теряющий работоспособность при её повреждении. Четыре электрода, на которые попарно поочередно подается напряжение, закреплены на задней пластине. Уровень напряжения на мембране зависит от точки её контакта с подложкой. Устройство и принцип определения координат контакта для пятипроводной резистивной панели поясняются рис. 4 и 5 соответственно. Именно по пятипроводной схеме, обеспечивающей сохранение работоспособности до восьмизначного числа касаний в одной точке, изготовляется в настоящее время большинство сенсорных панелей резистивного типа. Существует и восьмипроводная схема, гарантирующая более высокую точность измерения, однако она применяется реже вследствие большей дороговизны.
Новейшие разработки в области резистивной технологии сенсорных устройств позволяют воспринимать координаты нескольких одновременно нажатых точек: например, в разработках фирмы Fujitsu Components America, показанных на форуме SID 2010, максимальное число воспринимаемых одновременных нажатий достигало 32.
Несмотря на давность разработки их базовой схемы, резистивные сенсорные устройства до настоящего времени сохраняют свою популярность. Так, по статистике специализированного агентства DisplaySearch, в 2009 году сенсорные панели указанной категории составили половину суммарного количества продаж этого вида товара в мире. Этим они обязаны сравнительной простоте и дешевизне технологии, высокому быстродействию (задержка реакции порядка 10 мс) и нечувствительности к загрязнению поверхности. Кроме того, нажим на сенсорный экран может выполняться как пальцем, так и любым другим предметом – спичкой, стилусом, указкой.
Недостатками сенсорных приборов резистивного типа является требование периодической калибровки, а также неизбежное снижение яркости и четкости изображения из-за необходимости помещения перед экраном нескольких слоев прозрачных материалов (результирующий коэффициент светопропускания не превышает 85 процентов для пятипроводной схемы и еще более низок у четырехпроводной). Кроме того, неконтролируемые по силе нажатия на воспринимающий экран создают дополнительный риск его механического повреждения. Резистивные сенсорные экраны выполняются с двумя вариантами покрытия – глянцевым и матовым. Глянцевый вариант обеспечивает несколько большую четкость изображения, однако на нем возникают мешающие восприятию блики, а также более заметны загрязнения от прикосновения пальцев.
Разновидностью резистивных сенсорных систем, мало применяемой в настоящее время из-за принципиального ограничения по точности, являются матричные системы . В этом случае сплошные проводящие поверхности, соприкасающиеся при нажатии, заменены матрицей проводящих линий, горизонтальных на одной из поверхностей и вертикальных на другой. Преимуществом этой схемы является простота и дешевизна конструкции, возможность осуществления мультитача.
Помимо мобильных персональных вычислительных устройств различных типов, сферой применения резистивных сенсорных дисплеев являются мобильные телефоны, терминалы оплаты и ввода данных в промышленности, на транспорте, в медицинском оборудовании.
Идея использования изменения емкости системы для фиксации прикосновений к ней не уступает в давности истории резистивных схем данной категории. Её первым применением в промышленном изделии считается сенсорный планшет RAND Tablet, сконструированный Малкольмом Дэвисом и Томасом Эллисом в 1963 году и широко применявшийся в аппаратуре военного назначения.
В отличие от резистивных систем, выполненные по данной технологии сенсорные устройства, называемые также электростатическими, работают на переменном токе. Сенсорная панель устройства представляет собой пластину из стекла или прозрачного пластика, покрытую с внешней стороны прозрачным же проводящим слоем (обычно для этой цели применяется сплав оксидов олова и индия). К каждому из четырех углов экрана подведен электрод, связанный с контроллером, который подает на него импульсы переменного тока безопасной для человека мощности (рис. 6). При касании экрана пальцем тело человека действует как конденсатор большой емкости, через который проходит ток утечки. Величина тока утечки, определяемая контроллером, находится в обратной зависимости от расстояния между точкой контакта и электродом. Соотношение значений силы тока, протекающего через каждый из электродов, однозначно определяет расположение точки контакта.
Преимуществом емкостных сенсорных устройств перед резистивными является отсутствие гибкой мембраны, что повышает их надежность и срок службы, который достигает нескольких сот миллионов срабатываний. Большая долговечность достигается также за счет того, что срабатывание происходит при касании, не требуя нажатия. В то же время необходим контакт поверхности экрана с телом человека, что делает невозможным использование, например, стилуса из не проводящего материала или работу в перчатках. Могут использоваться только стилусы, специально предназначенные для данной категории устройств. Работа панели нарушается также при её загрязнении электропроводящими веществами.
Еще одним преимуществом емкостных сенсорных экранов перед резистивными является меньшее количество слоев материала над поверхностью непосредственного формирования изображения, что позволяет довести коэффициент светопропускания до величин порядка 90 процентов. Сенсорные системы на основе емкостной технологии применяются для создания крупномасштабных сенсорных экранов устройств типа банкоматов, информационных киосков и блоков ввода информации в разнообразном промышленном оборудовании. По тому же принципу может быть построена реагирующая на прикосновение клавиатура повышенной долговечности и надежности.
Проекционно-емкостная технология также основана на определении места касания путем измерения утечки переменного тока через тело человека, но использует другое устройство сенсорной панели. Сенсорная панель этой конструкции состоит из двух изолирующих пластин из стекла, между которыми помещены две взаимно перпендикулярные системы тонких электродов, образующих прямоугольную сетку (рис 7). Контроллер посылает через эту систему электродов короткие импульсы переменного тока. Прикосновение пальца или нахождение его вблизи сенсорной поверхности вызывает фиксируемую контроллером утечку тока на ближайших электродах, что позволяет вычислить место контакта.
Достоинствами данной технологии являются длительный срок службы, высокие, до 90 процентов, показатели светопропускания, устойчивость к механическим повреждениям и загрязнению экрана, большой диапазон рабочих температур. Эти качества сенсорных панелей описываемой категории делают их оптимальными для применения в уличных устройствах (при этом важна свойственная описываемой технологии возможность работы в перчатках) и разного рода системах массового обслуживания.
В целом данная технология, наряду с сенсорными устройствами резистивного типа, является в настоящее время наиболее востребованной. Так, в 2009 году, согласно статистике агентства DisplaySearch, сенсорные панели проекционно-емкостного типа составили почти треть суммарных поставок изделий данной категории. Точность определения координат точки прикосновения у этой системы потенциально очень высокая, однако уменьшается при увеличении толщины защитного слоя, когда начинает проявляться эффект параллакса. Важное преимущество проекционно-емкостной технологии состоит в возможности определения одновременного касания в нескольких точках (функция мультитач).
Основным недостатком является сложность и высокая стоимость используемого электронного оборудования, возрастающая с увеличением размеров экрана. Кроме того, как и резистивным, устройствам данной категории требуется периодическая калибровка. Они также недостаточно удобны для воспроизведения плавного передвижения точки контакта, необходимого при рисовании на экране или перетаскивании изображений. Областью применения сенсорных экранов данного типа являются сотовые телефоны, цифровые медиаплееры, информационные киоски и уличные устройства ввода данных, тачпэды портативных компьютеров.
Для построения сенсорных систем в настоящее время начинает использоваться также оптический диапазон излучений в его инфракрасной части. Хотя масштаб применения подобных устройств пока невелик (так, в 2009 году оптические сенсорные панели составили три процента всей массы общемировых поставок изделий этого класса), возможно его расширение в будущем.
В данной категории устройств перед экраном на двух его взаимно перпендикулярных сторонах в специальной крепежной раме размещаются линейки инфракрасных излучателей, а на противоположных сторонах − приемники. Излучатели представляют собой фотодиоды с фокусирующими линзами для формирования узкого луча, а в качестве приемников используются фотодиоды или фототранзисторы (рис.8). Таким образом перед экраном создается невидимая измерительная сетка, перекрывание определенных лучей которой при приближении к экрану любого предмета фиксируется контроллером.
Максимально достижимая точность определения координат точки контакта при этом ограничивается размерами оптических элементов. Обычно шаг образуемой ими координатной сетки оказывается равным 2-3 мм, что в пересчете для дисплея с диагональю 32 дюйма эквивалентно разрешающей способности не более 320x240 точек. Этим объясняется тот факт, что данные системы в основном применяются для больших демонстрационных экранов в образовательных и т. п. учреждениях. Дополнительную погрешность вносит явление параллакса (возникающее в ситуации, когда соприкасающийся с экраном предмет не строго перпендикулярен его плоскости), поскольку измерительная сетка формируется на некотором расстоянии от поверхности экрана.
Преимущество инфракрасных систем состоит в отсутствии перед экраном каких-либо дополнительных слоев, снижающих его четкость, контрастность и другие параметры качества изображения. Системы описываемого класса не нуждаются в калибровке. Дополнительное преимуществом является то, что весь модуль инфракрасного оборудования может быть съемным и компоноваться на любой соответствующий по величине экран.
К недостаткам инфракрасных систем описанного типа, кроме ограниченной точности, относится необходимость периодической очистки от пыли и загрязнений и предохранения от прямых солнечных лучей.
В этой модификации конструкции сенсорных систем вместо создания постоянной тестовой инфракрасной сетки используется единственный инфракрасный луч, последовательно сканирующий проверяемую поверхность за счет действия механизма развертки. Для генерации поискового луча применяется светодиод или полупроводниковый лазер инфракрасного диапазона. При отсутствии касаний проверяемой поверхности луч рассеивается, а при прикосновении к ней постороннего предмета – отражается от него. Отраженный луч воспринимается фотодиодом. Параметры и время прихода отраженного луча несут информацию о положении отражающего препятствия, обрабатываемую контроллером. Данная технология предназначена для работы с широким диапазоном размеров рабочей области, в т.ч. пригодна для компактной реализации в портативных устройствах. Её характерной особенностью является возможность работы с проекцией изображения на любую поверхность. Недостатками системы являются ограничения как по разрешающей способности, свойственные устройствам с инфракрасными оптическими парами, так и по возможности восприятия нескольких одновременных касаний. Ошибка вычисления положения точки касания возрастает, если она расположена на краях экрана, что объясняется малым углом падения сканирующего луча для этих зон.
Первой сферой применения инфракрасных сенсоров с разверткой луча оказалось создание миниатюрных виртуальных клавиатур для портативных компьютеров и сотовых телефонов (рис. 9). Позже интерес к ним проявили разработчики систем с различными типами проекторов – как мультимедийных, так и встроенных в портативные приборы (рис. 10).
В сенсорных панелях с использованием инфракрасного излучения, выпускаемых компанией NextWindow, используется собственная оригинальная разработка компании, сочетающая в себе отдельные черты описанных выше вариантов реализации рассматриваемой категории изделий.
Сенсорная поверхность устройства представляет собой стеклянную или изготовленную из синтетического материала пластину. С трех сторон прямоугольника пластины в её торцах находятся линейки светодиодов-излучателей инфракрасного диапазона, а в двух верхних углах размещены сенсоры-приемники инфракрасного излучения (рис. 11). При касании сенсорной поверхности пальцем или любым другим предметом пространственно-временное распределение принимаемого сенсорами излучения меняется за счет отражения, и координаты точки контакта рассчитываются контроллером. Возможно одновременное определение координат двух точек касания.
Система отличается коэффициентом светопроводности свыше 92 процентов, высокой разрешающей способностью, стабильностью в эксплуатации без необходимости в периодических калибровках. Недостатком можно считать сложность конструкции контроллера, приводящую к удорожанию системы в целом.
Как и другие варианты сенсорных приборов с линейками инфракрасных излучателей, данные панели применимы главным образом для дисплеев с большой диагональю экрана, начиная от 20 дюймов. На основе описанной технологии производятся как сенсорные системы, интегрированные с дисплеями, так и отдельные съемные сенсорные модули.
Сенсорные системы на основе видеокамер могут быть применены только при условии формирования оптического изображения методом обратной проекции, когда зритель и проектирующая аппаратура располагаются с противоположных сторон экрана. В этом случае видеоаппаратура инфракрасного диапазона (в простейшем случае единственная цифровая инфракрасная видеокамера), не реагирующая на видимое изображение, и источники инфракрасного излучения располагаются по ту же сторону экрана, что и система формирования основного оптического изображения в видимом диапазоне (рис.12).
Инфракрасное излучение свободно проходит через стекло экрана. В случае же касания экрана каким-либо предметом отраженное от него излучение воспринимается видеокамерой и обрабатывается программным обеспечением для вычисления координат отражающего объекта. Использование нескольких видеокамер позволяет повысить точность и надежность системы и реализовать некоторые дополнительные функции. В некоторых конструкциях отраженное инфракрасное излучение фиксирует не видеокамера, а матрица дополнительных (четвертых) пикселей жидкокристаллического экрана, чувствительных к инфракрасному диапазону.
К достоинствам систем описываемого типа относится отсутствие ухудшения качества основного изображения за счет нанесения на экран дополнительных слоев, возможность фиксации касаний как пальцем, так и любым предметом, равно как и нескольких касаний одновременно, минимальный объем переделок базового сенсора для работы с новым экраном. Недостатками являются высокая стоимость, непригодность для малых экранов, необходимость калибровки после монтажа и периодической настройки в дальнейшем.
Примером конкретной реализации системы описываемого типа является устройство Microsoft Surface, оснащенное пятью видеокамерами (рис 13). Эта система не только регистрирует прикосновения и движения соприкасающихся с экраном объектов, но и распознает их по нанесенным черно-белым меткам, используя зависимость коэффициента отражения инфракрасных лучей от цвета. Функция распознавания, в свою очередь, может использоваться для управления работой компьютера, например для запуска определенных элементов его программного обеспечения.
В новейших изделиях фирмы Microsoft, поставляемых с операционной системой Windows 10, недостатки устройства Microsoft Surface в значительной мере преодолены, а полезные функции существенно развиты – например, система воспроизводит подробное цветное изображение положенного на горизонтальный «сенсорный стол» предмета. Широкое распространение этой продукции может сделать неактуальным недавний тезис об ограниченности сферы применения устройств на основе инфракрасных видеосистем вследствие их дороговизны, больших габаритов, снижения популярности проекционных телевизоров.
Акустические колебания также входят в перечень физических явлений, применяемых для создания сенсорных дисплеев. Хотя распространенность систем этой категории пока не сопоставима с показателями резистивных, емкостных или инфракрасных сенсорных устройств, данная технология перспективна, обладает рядом интересных особенностей и уже реализована в ряде промышленно выпускаемых моделей, что и определяет целесообразность её рассмотрения в этом обзоре.
Работа систем этого типа основана на анализе картины распространения поверхностно-акустических волн (ПАВ) по стеклянной пластине, закрепляемой перед экраном. В двух углах пластины, находящихся на одной диагонали, размещены пьезоэлектрические преобразователи, генерирующие ультразвуковые колебания частотой в несколько мегагерц, в двух других углах – пьезоэлектрические преобразователи-приемники этих колебаний, преобразующие их в электрическую форму, а вдоль боковых сторон расположены линейки отражателей, направляющих акустическую волну к приемникам (рис. 14). Можно заметить, что компоновка измерительной системы несколько напоминает применяемую для систем на основе инфракрасного излучения.
Работа системы управляется контроллером, который подает электрический сигнал на пьезоизлучатели и анализирует электрический сигнал, формируемый приемниками. При отсутствии касания генерируемые ультразвуковые волны равномерно распределяются по площади пластины. При прикосновении к пластине пальцем или другим предметом часть энергии поверхностно-акустических волн поглощается этой помехой, и картина их распространения искажается. Воспринимая и анализируя эти искажения, контроллер вычисляет положение точки касания. Некоторые конструкции, выполненные по этой технологии, позволяют определить и силу нажима при касании.
Преимуществами технологии на основе поверхностно-акустических волн является высокая надежность (до десятков миллионов касаний в одной точке) и высокий коэффициент светопропускания, превышающий 90 процентов, т. к. на стеклянную пластину не наносятся никакие покрытия. В качестве недостатков следует указать ограниченную размерами пьезоэлементов разрешающую способность, чувствительность к загрязнению поверхности, вибрационным и шумовым помехам, что снижает возможность применения таких систем вне помещений. Не очень высокая разрешающая способность систем на основе ПАВ делает основной областью их применения устройства типа информационных киосков и терминалов для ввода небольших объемов данных.
В настоящее время серийно выпускаются несколько моделей устройств, выполненных по рассматриваемой технологии – это IntelliTouch, SecureTouch, iTouch и другие. Вследствие ограничений по разрешающей способности они используются в основном с большими дисплеями, с диагональю от 19 дюймов.
Другой вариант использования акустических явлений для создания сенсорной панели, разработанный одним их пионеров отрасли − компанией Elo TouchSystems, − технология распознавания акустических импульсов APR (Acoustic Pulse Recognition).
Основой сенсорной панели, построенной по этой технологии, является стеклянная пластина. Физическая основа распознавания места касания заключается в том, что при касании сенсорной пластины создается уникальный звуковой импульс, характерный именно и только для данной точки. Эти звуковые импульсы распространяются по пластине и воспринимаются четырьмя закрепленными в её углах пьезоэлектрическими преобразователями. Преобразованные таким образом в электрическую форму отображения сигнала поступают в контроллер, где хранятся их зафиксированные предварительно эталонные значения для каждой точки. Сравнение поступившего сигнала с предварительно сформированной и записанной в контроллере матрицей эталонов позволяет однозначно определить точку прикосновения. Устройство сенсорной системы на основе технологии APR иллюстрирует рис 15.
При несовпадении полученного сигнала ни с одним из эталонных прикосновение не фиксируется. Благодаря этому уникальному свойству данной технологии она обеспечивает значительно большую, чем для других сопоставимых технических решений, защиту сенсорного устройства от внешних шумовых и вибрационных помех. Вместе с тем, этот метод гарантирует более высокую, чем для устройств, выполненных по технологии ПАВ, точность определения координат точки касания, при том, что касание может осуществляться как пальцем, так и любым другим предметом. Помимо хорошей помехоустойчивости, описываемая технология ПАВ обеспечивает использующим её устройствам и ряд других преимуществ:
Дополнительным преимуществом является тот факт, что описываемое техническое решение характеризуется хорошей масштабируемостью, т.е. может применяться для сенсорных панелей с широким диапазоном размеров экрана, включая и миниатюрные устройства. Перечисленные преимущества делают данную технологию одной из наиболее перспективных, например, для создания платежных терминалов в разного рода торговых организациях и предприятиях общественного питания. Поставки промышленных изделий, построенных по технологии APR, начались в 2006 году и продолжают расширяться. В настоящий момент основная область их применения – разного рода цифровые киоски и платежные терминалы (POS-терминалы).
При использовании этой технологии генератор и излучатель тестового ультразвукового сигнала вместе с источником питания и миниатюрным выключателем смонтированы в специальном тестовом стилусе в виде пера. Соприкосновение наконечника пера с поверхностью экрана вызывает срабатывание выключателя, вызывающему излучение в ультразвуковом диапазоне. Приемные датчики этого сигнала, установленные в верхних углах рамки дисплея (рис. 16), связаны с контроллером, который фиксирует момент приема сигнала каждым из датчиков. Поскольку время распространения тестового сигнала пропорционально расстоянию, разница моментов срабатывания датчиков позволяет однозначно определить положение точки контакта. Ошибка определения её координат порядка ± 0.5 мм. Схема может быть применена с экранами различных размеров, что требует лишь небольших изменений в настройках программы контроллера.
Преимуществами этой измерительной схемы являются простота реализации, при которой не вносится каких-либо изменений в исходную конструкцию дисплея, и как следствие этого − низкая себестоимость. Не создается помех, ухудшающих качество изображения. Основными недостатками можно считать требование применения в качестве стилуса только специального пера и ограниченную точность определения положения точки контакта. Это обстоятельство, равно как и потребность в закреплении приемников ультразвука на раме дисплея, приводит к неприменимости ультразвуковых сенсоров в малогабаритных устройствах.
Примером применения ультразвукового устройства сенсорного ввода в серийном изделии является планшет Samsung SyncMaster 720TD с 17-дюймовым жидкокристаллическим монитором (рис 17). Приемные датчики ультразвука, закрепленные в верхних углах монитора, оформлены как цилиндрические шайбы. Изделие позиционируется как весьма удобное для рисования и проведения презентаций. Для удобства презентаций предусмотрен специальный дополнительный видеовыход, предназначенный для дублирования изображения на любом экране большего размера (плазменном экране, экране проектора и т. п).
Данная технология, запатентованная японской компанией Wacom, основана на явлении электромагнитного резонанса между электромагнитным полем, создаваемым помещенными под поверхностью дисплея плоскими печатными катушками индуктивности, и резонансным контуром, помещенным в используемом в качестве стилуса специальном пере. Резонансный контур возбуждается при приближении к экрану, что приводит к деформации электромагнитного поля дисплея. Чем ближе перо к дисплею, тем сильнее искажение исходного поля, которое и несет информацию о месте и характере контакта. Перо не имеет собственного источника питания, однако не просто отражает полученную вследствие резонанса энергию, а формирует с её помощью ответный сигнал, передающий информацию от помещенных в перо дополнительных датчиков о его наклоне, типе наконечника, силе нажима и других параметрах, необходимых для создания на экране изображения высокого качества.
Поскольку возникновение электромагнитного резонанса не требует непосредственного контакта между резонирующим пером и рабочей поверхностью исходного поля (допустимый зазор примерно до 2 см), сенсорная панель может быть помещена за модулем ЖК-дисплея, что устраняет её негативное влияние на качество изображения.
Вследствие своей довольно высокой стоимости (возрастающей при увеличении размеров экрана) данная технология применяется главным образом в дорогих графических планшетах, в профессиональных системах графического моделирования, включая 3D-моделирование, и т.п. приложениях. Запатентовавшая данную технологию фирма Wacom выпустила первую модель на её основе в 1998 году (графический планшет Cintiq 18sx с ЖК-дисплеем).
В дальнейшем в продукции компании появились две линейки дисплеев с сенсорной панелью этого типа − Cintiq и PL, один из которых представлен на рис 18. Кроме сравнительно высокой стоимости, к недостаткам данной системы можно отнести следующее:
Однако использование этой технологии в некоторых современных электронных книгах, например PocketBook Pro 603, свидетельствует о возможности преодоления её недостатков и расширении сферы применения.
В заключение обзора следует упомянуть тензометрические сенсорные экраны, фиксирующие деформации поверхности при нажатии. Они не обеспечивают высокой точности, зато отличаются прекрасной вандалоустойчивостью, стойкостью к перепадам температуры и высокой влажности, вследствие чего и используются главным образом в разного рода уличных автоматах.
Заключение
Подводя
итог проведенному обзору принципов построения сенсорных дисплеев и их
реализации в промышленных изделиях, можно отметить такую тенденцию
развития этой отрасли, как продолжающееся расширение спектра
используемых физических явлений и вариантов их реализации а конкретных
конструкциях и категориях товаров (примером могут служить часы с
сенсорным экраном). Интересна также тенденция к использованию комбинации
нескольких принципов в одном изделии, примером чего может служить
выпущенный в 2015 году смартфон фирмы Леново с встроенным лазерным
проектором, создающим на произвольной поверхности виртуальную
клавиатуру.
