Сенсорный экран

Пользователь, работающий с сенсорным экраном

Умный термостат с сенсорным экраном

Сенсорный экран (или сенсорный экран ) — это тип дисплея , который может обнаруживать сенсорный ввод пользователя. Он состоит как из устройства ввода (сенсорная панель), так и устройства вывода (визуальный дисплей). 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-дисплей , AMOLED или OLED -дисплей.

Пользователь может вводить данные или управлять системой обработки информации с помощью простых или мультитач- жестов, касаясь экрана специальным стилусом или одним или несколькими пальцами. На некоторых сенсорных экранах для работы используются обычные перчатки или перчатки со специальным покрытием, а на других можно работать только с помощью специального стилуса или ручки. Пользователь может использовать сенсорный экран, чтобы реагировать на то, что отображается, и, если программное обеспечение позволяет, контролировать способ его отображения; например, масштабирование для увеличения размера текста.

Сенсорный экран позволяет пользователю напрямую взаимодействовать с тем, что отображается, вместо использования мыши , сенсорной панели или других подобных устройств (кроме стилуса, который является необязательным для большинства современных сенсорных экранов).

Сенсорные экраны широко распространены в таких устройствах, как смартфоны , портативные игровые консоли и персональные компьютеры . Они широко распространены в системах торговых точек (POS), банкоматах (банкоматах) и машинах для электронного голосования . Их также можно подключать к компьютерам или, как терминалы, к сетям. Они играют заметную роль в разработке цифровых устройств, таких как персональные цифровые помощники (КПК) и некоторые устройства для чтения электронных книг . Сенсорные экраны важны в образовательных учреждениях, таких как классы или кампусы колледжей.

Популярность смартфонов, планшетов и многих типов информационных устройств привела к спросу и принятию обычных сенсорных экранов для портативной и функциональной электроники. Сенсорные экраны встречаются в медицинской сфере, тяжелой промышленности , банкоматах (банкоматах) и киосках, таких как музейные экспозиции или автоматизация помещений , где системы клавиатуры и мыши не обеспечивают достаточно интуитивного, быстрого или точного взаимодействия пользователя с экраном. содержимое дисплея.

Исторически сложилось так, что сенсор сенсорного экрана и сопровождающее его встроенное ПО на базе контроллера предоставлялось широким кругом системных интеграторов послепродажного обслуживания , а не производителями дисплеев, чипов или материнских плат . Производители дисплеев и чипов признали тенденцию к принятию сенсорных экранов в качестве компонента пользовательского интерфейса и начали интегрировать сенсорные экраны в фундаментальную конструкцию своих продуктов.

История

Прототип Сенсорный экран взаимной емкости xy (слева), разработанный в ЦЕРН в 1977 году Фрэнком Беком , британским инженером-электронщиком, для диспетчерской ускорителя SPS ( Суперпротонный синхротрон ) ЦЕРН. Это было дальнейшее развитие самоемкостного экрана (справа), также разработанного Штумпе в ЦЕРНе. в 1972 году.

Один из предшественников современного сенсорного экрана включает системы на основе стилуса.

подала патент 1946 РУЧКА ПРЯМОГО СВЕТА. Компания Philco на стилус, предназначенный для спортивных телетрансляций, который при размещении на промежуточном дисплее с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) усиливал и дополнял исходный сигнал. По сути, это использовалось для временного рисования стрелок или кругов на прямой телетрансляции, как описано в разделе США 2487641A , Денк, Уильям Э, «Электронный указатель для телевизионных изображений», выдан 8 ноября 1949   г.

1962 ОПТИЧЕСКИЙ. Первая версия сенсорного экрана, работающая независимо от света, исходящего от экрана, была запатентована корпорацией AT&T. US 3016421A , Harmon, Leon D, «Электрографический передатчик», выдан 9 января 1962   г. В этом сенсорном экране использовалась матрица коллимированных источников света, сияющих перпендикулярно сенсорной поверхности. Когда луч прерывается иглой, фотодетекторы, которые больше не получают сигнал, могут использоваться для определения места прерывания. Более поздние версии сенсорных экранов на основе матрицы были основаны на этом путем добавления большего количества излучателей и детекторов для улучшения разрешения, импульсных излучателей для улучшения отношения оптического сигнала к шуму и неортогональной матрицы для удаления теневых показаний при использовании мультитач.

1963 РУЧКА С НЕПРЯМЫМ СВЕТОМ. Более поздние изобретения были основаны на этой системе, позволяющей освободить стилусы телепишущего устройства от механических креплений. Записывая то, что пользователь рисует на компьютер, можно сохранить его для будущего использования. Видеть US 3089918A , Graham, Robert E, «Аппарат телеписания», выдан 14 мая 1963   г.

1965 ЕМКОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ. Первый сенсорный экран, управляемый пальцем, был разработан Эриком Джонсоном из Королевского радарного учреждения , расположенного в Малверне , Англия, который описал свою работу над емкостными сенсорными экранами в короткой статье, опубликованной в 1965 году. а затем более подробно — с фотографиями и диаграммами — в статье, опубликованной в 1967 году.

СЕРЕДИНА 60-х УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЗАВЕСА. Еще один предшественник сенсорных экранов, указательное устройство на основе ультразвуковой занавески перед дисплеем терминала, было разработано командой Райнера Маллебрейна из Telefunken Konstanz для системы управления воздушным движением. В 1970 году это превратилось в устройство под названием «Touchinput- Einrichtung » («средство сенсорного ввода») для терминала SIG 50, в котором перед дисплеем использовался стеклянный экран с проводящим покрытием. Он был запатентован в 1971 году, а патент был выдан пару лет спустя. та же команда уже изобрела и продала мышь Rollkugel RKS 100-86 для SIG 100-86. Пару лет назад

1968 ЕМКОСТЬ. Применение сенсорной технологии для управления воздушным движением было описано в статье, опубликованной в 1968 году. Фрэнк Бек и Бент Стампе , инженеры из ЦЕРН (Европейской организации ядерных исследований), разработали прозрачный сенсорный экран в начале 1970-х годов. основан на работе Стампе на телевизионном заводе в начале 1960-х годов. Затем он был изготовлен ЦЕРН, а вскоре после этого и отраслевыми партнерами. он был введен в эксплуатацию в 1973 году.

1972 ОПТИЧЕСКИЙ — группа из Университета Иллинойса подала заявку на патент на оптический сенсорный экран. это стало стандартной частью студенческого терминала Magnavox Plato IV, и для этой цели были построены тысячи таких устройств. Эти сенсорные экраны имели перекрещенную матрицу из инфракрасных датчиков положения 16×16, каждый из которых состоял из светодиода на одном краю экрана и соответствующего фототранзистора на другом краю, и все они были установлены перед монохромной плазменной панелью дисплея. Такое устройство могло обнаружить любой непрозрачный объект размером с кончик пальца, находящийся в непосредственной близости от экрана.

1973 МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ ЕМКОСТЬ. В 1973 году Бек и Стампе опубликовали еще одну статью, описывающую свой емкостный сенсорный экран. Это указывало на то, что он поддерживает мультитач, но эта функция была намеренно запрещена, по-видимому, поскольку в то время это не считалось полезным («...переменная...называемая НО меняет значение от нуля до пяти при нажатии кнопки . Нажатие на другие кнопки приведет к получению других ненулевых значений НО, но это защищено программным обеспечением» (Страница 6, раздел 2.6). «Фактический контакт между пальцем и конденсатором предотвращается тонким листом пластика» (стр. 3, раздел 2.3). В то время проектируемая 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 № 3911215 от 7 октября 1975 г.), которая была разработана основателем Elographics Джорджем Сэмюэлем Херстом. . Созданный в результате сенсорный экран с резистивной технологией был впервые показан на Всемирной выставке в Ноксвилле в 1982 году.

1982 МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ КАМЕРА. Технология мультитач появилась в 1982 году, когда исследовательская группа Университета Торонто разработала первую мультисенсорную систему с человеческим вводом данных, в которой использовалась панель из матового стекла с камерой, расположенной за стеклом.

1983 ОПТИЧЕСКИЙ. Оптический сенсорный экран использовался в HP-150, начиная с 1983 года. HP 150 был одним из первых в мире коммерческих компьютеров с сенсорным экраном. HP установила свои инфракрасные передатчики и приемники вокруг лицевой панели 9-дюймовой электронно-лучевой трубки Sony (ЭЛТ).

1983 СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН С МУЛЬТИСЕНСОРНЫМ ДАТЧИКОМ СИЛЫ. Боб Бой 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; гибкая поверхность легко заменяется в случае повреждения этими предметами. В патенте говорится, что «тактильные датчики могут использоваться в качестве сенсорного экрана».

Множество производных источников ретроспективно описать Бойе как человека, добившегося значительного прогресса в области технологии сенсорных экранов; но не было найдено никаких доказательств того, что прочный емкостный сенсорный экран с функцией мультитач, который мог воспринимать информацию через жесткую защитную накладку - тип, который позже потребовался для мобильного телефона, когда-либо был разработан или запатентован Бойе. Многие из этих цитат основаны на неофициальных свидетельствах Билла Бакстона из Bell Labs. Однако Биллу Бакстону не удалось освоить эту технологию. Как он заявляет в цитате: «Наше предположение (как оказалось, ложное) заключалось в том, что технология Boie станет доступной для нас в ближайшем будущем. Примерно в 1990 году я взял группу из Xerox, чтобы увидеть эту технологию, поскольку она [так в оригинале] Я чувствовал, что это подойдет для пользовательского интерфейса наших больших процессоров документов. Это не сработало».

ЕМКОСТЬ ДО 1984 ГОДА. Хотя, как упоминалось ранее, Джонсону приписывают разработку первых емкостных и резистивных сенсорных экранов, управляемых пальцем, в 1965 году, они работали путем прямого касания проводов, пересекающих переднюю часть экрана. Стампе и Бек разработали сенсорный экран с собственной емкостью в 1972 году и сенсорный экран с взаимной емкостью в 1977 году. Оба этих устройства могли распознавать палец только при прямом прикосновении или через тонкую изолирующую пленку. Согласно отчету Стампе за 1977 год, его толщина составляла 11 микрон.

Расположение дорожек для емкостной клавиатуры или сенсорного экрана для работы через толстое стекло

1984 ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ​​СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН НА ПРОЕКТИРОВАННУЮ ЕМКОСТЬ. Британский изобретатель Рон Бинстед изобрел емкостную клавиатуру и сенсорный экран, поддерживающие мультитач, который мог «проецировать» сенсорное восприятие через несколько сантиметров воздуха и других непроводящих материалов. Это позволило точно обнаружить пальцы через очень толстое стекло и даже двойное остекление (изображение см . на клавиатуре ). Значительное увеличение функциональности было связано с гораздо большей вычислительной мощностью, доступной в то время, и использованием простой формы искусственного интеллекта (см. Патентную формулу 1). компьютер Acorn BBC Первоначально для обработки данных использовался . Этот метод позже стал известен как проектируемая емкость .

Проектируемая емкость использует простую форму искусственного интеллекта для измерения изменений емкости, вызванных одним или несколькими пальцами, путем специального профилирования эффектов емкости, ожидаемых от прикосновения пальца, и устранения любых измеренных изменений емкости, связанных с другими глобальными и/или локальными событиями.

Вместо клавиатуры устройство можно использовать в качестве зоны непрерывного измерения координат x/y (см. п.9). Прозрачную версию можно было использовать в качестве сенсорного экрана с проекционной емкостью (см. пункт 10), но она была ограничена в размере из-за высокого сопротивления узких прозрачных дорожек из оксида индия и олова (под номером 96 на изображении), используемых для связи всех чувствительных зон ( 80,82,84,86,88,90) независимо до общего края.

1984 СЕНСОРНАЯ ПАНЕЛЬ. Fujitsu выпустила сенсорную панель для Micro 16, позволяющую обрабатывать сложные символы кандзи , которые хранились в виде мозаичной графики.

1986 ГРАФИЧЕСКИЙ ПЛАНШЕТ. Для компьютера Sega AI был выпущен графический сенсорный планшет.

ОЦЕНКА ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ СУДОВ НАЧАЛА 80-Х ГОДОВ. Сенсорные блоки управления и индикации (CDU) были протестированы для кабин пилотов коммерческих самолетов в начале 1980-х годов. Первоначальные исследования показали, что сенсорный интерфейс снизит рабочую нагрузку пилота, поскольку тогда экипаж сможет выбирать путевые точки, функции и действия, а не «головой вниз», набирая широту, долготу и коды путевых точек на клавиатуре. Эффективная интеграция этой технологии была направлена ​​на то, чтобы помочь летным экипажам поддерживать высокий уровень ситуационной осведомленности обо всех основных аспектах работы транспортного средства, включая траекторию полета, функционирование различных систем самолета и мгновенное взаимодействие людей.

ОЦЕНКА АВТОМОБИЛЕЙ В НАЧАЛЕ 80-Х ГОДОВ - также в начале 1980-х годов компания General Motors поручила своему подразделению Delco Electronics проект, направленный на замену второстепенных функций автомобиля (т.е. кроме дроссельной заслонки , трансмиссии , торможения и рулевого управления ) механическими или электроприводами. механические системы с твердотельными альтернативами, где это возможно. Готовое устройство было названо ECC, что означает «Электронный центр управления», цифровой компьютер и система управления программным обеспечением, жестко подключенная к различным периферийным датчикам , сервоприводам , соленоидам , антенне и монохромному сенсорному экрану с ЭЛТ, который функционировал как в качестве дисплея, так и в качестве единственного метода ввода. ECC заменил традиционные механические элементы управления стереосистемой , вентилятором, обогревателем и кондиционером и дисплеями и был способен предоставлять очень подробную и конкретную информацию о совокупном и текущем рабочем состоянии автомобиля в режиме реального времени . ECC был стандартным оборудованием на Buick Riviera 1985–1989 годов , а затем на Buick Reatta 1988–1989 годов , но был непопулярен среди потребителей - отчасти из-за технофобии некоторых традиционных клиентов Buick , но в основном из-за дорогостоящих технических проблем, с которыми столкнулся сенсорный экран ECC. что сделает невозможным климат-контроль или работу стереосистемы.

1985 ГРАФИЧЕСКИЙ ПЛАНШЕТ — Sega выпустила Terebi Oekaki, также известную как графическая плата Sega, для SG-1000 игровой консоли и SC-3000 домашнего компьютера . Он состоял из пластиковой ручки и пластиковой доски с прозрачным окошком, через которое фиксируется нажатие ручки. Он использовался в основном с программным обеспечением для рисования.

1985 МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ ЕМКОСТЬ. Группа Университета Торонто, включая Билла Бакстона, разработала мультитач-планшет, в котором использовалась емкость, а не громоздкие оптические сенсорные системы на базе камеры (см. « История мультитач» ).

1985 г. ИСПОЛЬЗОВАНО ДЛЯ ТОЧЕК ПРОДАЖ. Первое коммерчески доступное графическое программное обеспечение для точек продаж (POS) было продемонстрировано на 16-битном цветном компьютере Atari 520ST . Он имел цветной сенсорный экран, управляемый виджетами. ViewTouch Программное обеспечение POS было впервые показано его разработчиком Джином Мошером на демонстрационной площадке Atari Computer на осенней выставке COMDEX в 1986 году.

Прозрачная емкостная клавиатура, используемая в качестве сенсорного экрана

1987 ИЗОБРЕТЕН ПЕРВЫЙ СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН С БОЛЬШОЙ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЕМКОСТЬЮ. Британский изобретатель Рон Бинстед изобрел сенсорный экран с большой проекционной емкостью. Он ощущал пальцы сквозь очень толстое стекло и двойное остекление, что позволяло управлять сенсорными экранами через витрины магазинов. 16 сенсорных зон были подключены непосредственно к четырем краям сенсорного экрана (см. изображение на вставке), что позволило избежать необходимости использования узких дорожек, соединяющих сенсорные зоны с краями. Был размещен заказ на эти сенсорные экраны на сумму 0,7 миллиона долларов для использования в сети отелей США.

1987 ЕМКОСТНЫЕ СЕНСОРНЫЕ КЛАВИШИ. Casio выпустила карманный компьютер Casio PB-1000 с сенсорным экраном, состоящим из матрицы 4×4, в результате чего на небольшом графическом ЖК-экране появилось 16 сенсорных областей.

1988 г. ВЫБОР НА «ПОДЪЕМ». До 1988 года сенсорные экраны имели плохую репутацию неточностей. В большинстве книг по пользовательскому интерфейсу указывалось, что выбор на сенсорном экране ограничивался объектами размером больше среднего пальца. В то время выбор осуществлялся таким образом, что цель выбиралась, как только на нее наступал палец, и соответствующее действие выполнялось немедленно. Ошибки были обычным явлением из-за параллакса или проблем с калибровкой, что приводило к разочарованию пользователей. «Стратегия взлета» был представлен исследователями из Лаборатории взаимодействия человека и компьютера (HCIL) Университета Мэриленда . Когда пользователи касаются экрана, им предоставляется информация о том, что будет выбрано: пользователи могут регулировать положение пальца, и действие происходит только тогда, когда палец отрывается от экрана. Это позволяло выбирать небольшие цели, вплоть до одного пикселя, на экране видеографической матрицы (VGA) 640×480 (стандарт того времени).

1990 ЖЕСТЫ ОДИНОЧНОГО И МУЛЬТИСЕНСОРНОГО КАСАНИЯ — Sears et al. (1990) дал обзор академических исследований по одно- и многоточечному взаимодействию человека с компьютером того времени, описав такие жесты, как вращение ручек, регулировка ползунков и пролистывание экрана для активации переключателя (или U-образный жест для тумблера). . Команда HCIL разработала и изучила небольшие клавиатуры с сенсорным экраном (включая исследование, которое показало, что пользователи могут печатать со скоростью 25 слов в минуту на сенсорной клавиатуре), что способствовало их внедрению на мобильных устройствах. Они также разработали и реализовали мультисенсорные жесты, такие как выбор диапазона линии, соединение объектов и жест «нажмите-щелкните» для выбора, сохраняя местоположение другим пальцем.

1990 СЛАЙДЕР С СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ - HCIL продемонстрировала слайдер с сенсорным экраном, который позже был указан в качестве предшествующего уровня техники в судебном разбирательстве по патенту на экран блокировки между Apple и другими поставщиками мобильных телефонов с сенсорным экраном (в отношении патента США 7 657 849 ).

1991 ВЫДАЕТСЯ ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ​​ПРОЕКТИРОВАННУЮ ЕМКОСТЬ. Заявка на патент на проектируемую емкость в 1984 году выдана компании Binstead Designs из Ноттингема, Англия.

1991 ИНЕРЦИАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ — с 1991 по 1992 год Sun Star7 в прототипе КПК был реализован сенсорный экран с инерционной прокруткой .

1993 ЕМКОСТНАЯ МЫШЬ/КЛАВИАТУРА. Боб Бой из AT&T Bell Labs запатентовал простую мышь или клавиатуру, которая емкостно воспринимала только один палец через тонкий изолятор. Хотя эта технология не заявлена ​​и даже не упомянута в патенте, она потенциально могла бы использоваться в качестве емкостного сенсорного экрана.

1993 ПЕРВЫЙ ТЕЛЕФОН С РЕЗИСТИВНЫМ СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ. IBM выпустила IBM Simon , первый телефон с сенсорным экраном.

ЗАБРОШЕННЫЙ ИГРОВОЙ КОНТРОЛЛЕР НАЧАЛА 90-Х — Ранняя попытка создать портативную игровую консоль с сенсорным управлением была Game запланированным преемником Sega Gear , хотя в конечном итоге устройство было отложено и так и не выпущено из-за высокой стоимости технологии сенсорного экрана в начале 1990-х годов.

16 входов/выходов, детектор приближения с несколькими входами и клавиатура

1994 ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ​​СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН НА ПРОЕКТИРУЕМУЮ ЕМКОСТЬ X/Y. Британским изобретателем Роном Бинстедом был изобретен мультиплексированный по X/Y проецируемой емкости, датчик приближения с несколькими входами и сенсорная панель/сенсорный экран. Он был способен к мультитач и мог точно и надежно распознавать пальцы через толстые пластиковые и стеклянные накладки. Вместе с более ранним патентом изобретателей, это было очень похоже на патент Apple, полученный 10 лет спустя, в 2004 году.

Сенсорный экран с проекционной емкостью 8 x 8, изготовленный с использованием медного провода с изоляционным покрытием толщиной 25 микрон, заключенного в прозрачную полиэфирную пленку.

1994 ПЕРВЫЕ ПРОХОДНЫЕ ПРОЕКТНЫЕ ЕМКОСТИ - в сенсорных экранах Стампе и Бека (1972/1977 - уже упоминалось) использовались непрозрачные проводящие медные дорожки, которые закрывали около 50% экрана (дорожка 80 микрон / пространство 80 микрон). Однако появление в 1984 году проектируемой емкости с ее улучшенными возможностями обнаружения показало, что большинство этих дорожек можно устранить. Это оказалось так и привело к изобретению сенсорного экрана на основе проволоки в 1994 году, где один провод диаметром 25 микрон с изоляционным покрытием заменил около 30 из этих дорожек шириной 80 микрон, а также мог точно распознавать пальцы через толстое стекло. Маскирование экрана, вызванное медью, было уменьшено с 50% до менее чем 0,5%.

Использование тонкой проволоки означало, что очень большие сенсорные экраны шириной в несколько метров можно было печатать на тонкой полиэфирной пленке с помощью простого перьевого плоттера. устраняя необходимость в дорогостоящем и сложном напылении, лазерной абляции, трафаретной печати или травлении. Полученная в результате невероятно гибкая пленка для сенсорного экрана толщиной менее 100 микрон может быть прикреплена статическим или незатвердевающим слабым клеем к одной стороне листа стекла для считывания через это стекло. Ранние версии этого устройства управлялись микросхемой PIC16C54.

1994 ПЕРВАЯ ИГРА С СЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ В ПАБЕ. Появившаяся в пабах в 1994 году игра Monopoly SWP (навыки с призами) от JPM стала первой машиной, в которой вместо кнопок использовалась технология сенсорного экрана (см. «Викторина» / «История»). Он использовал 14-дюймовую версию этого недавно изобретенного сенсорного экрана с проекционной емкостью на проводной основе и имел 64 чувствительные области - схема подключения аналогична показанной на нижней диаграмме. Зигзагообразный рисунок был введен для минимизации визуальных отражений и предотвращения муаровых помех между проводами и линиями сканирования монитора. Для этой цели было продано около 600 из них по цене 50 фунтов за штуку, что для того времени было очень дешево. Работа через очень толстое стекло делало его идеальным для работы в «агрессивной» среде, например в пабе. Хотя отраженный свет от медных проводов был заметен при определенных условиях освещения, эту проблему удалось устранить с помощью тонированного стекла. Проблема отражения была позже решена за счет использования более тонких (диаметром 10 микрон) проводов с темным покрытием. В течение следующего десятилетия JPM продолжал использовать сенсорные экраны во многих других играх, таких как «Cluedo» и «Кто хочет стать миллионером».

1998 ЛИЦЕНЗИИ НА ПРОЕКТИРОВАННУЮ ЕМКОСТЬ. Четыре года спустя лицензия на эту технологию была предоставлена ​​компании Romag Glass Products, которая позже в 2003 году стала называться Zytronic Displays и Visual Planet (см. стр. 4).

2004 ПАТЕНТ НА ​​ПРОЕКТИРУЕМУЮ ЕМКОСТЬ МОБИЛЬНОГО МУЛЬТИТАЧНОГО СЕНСОРА. Apple патентует свой емкостный сенсорный экран с функцией мультитач для мобильных устройств.

ВИДЕОИГРЫ 2004 ГОДА С СЕНСОРНЫМИ ЭКРАНАМИ. Сенсорные экраны не использовались широко в видеоиграх до выпуска Nintendo DS в 2004 году.

2007 МОБИЛЬНЫЙ ТЕЛЕФОН С ЕМКОСТЬЮ. Первым мобильным телефоном с емкостным сенсорным экраном стал LG Prada , выпущенный в мае 2007 года (что было до выпуска первого iPhone ). К 2009 году мобильные телефоны с сенсорным экраном стали модными и быстро завоевали популярность как в базовых, так и в продвинутых устройствах. В четвертом квартале 2009 года впервые большинство смартфонов (т.е. не все мобильные телефоны) поставлялись с сенсорными экранами, а не без сенсорных экранов.

ПРОДАЖА РЕЗИСТИВНЫХ И ПЛАНИРУЕМЫХ ЕМКОСТЕЙ В 2013 ГОДУ. В 2007 году 93% поставленных сенсорных экранов были резистивными, и только 4% имели запланированную емкость. В 2013 году 3% поставленных сенсорных экранов были резистивными, а 96% — емкостными (см. стр. 5).

2015 СЕНСОРНЫЕ ЭКРАНЫ С СИЛОВЫМ ДАТЧИКОМ – До недавнего времени большинство потребительских сенсорных экранов могут воспринимать только одну точку соприкосновения одновременно, и немногие из них обладают способностью определять, насколько сильно человек прикасается. Ситуация изменилась с коммерциализацией технологии мультитач и выпуском Apple Watch с сенсорным дисплеем в апреле 2015 года.

Диагональный сенсорный экран с 16 входами/выходами выполнен из изолированного провода диаметром 10 микрон.

Диагональная разводка позволяет неограниченно увеличивать ширину сенсорного экрана без увеличения сопротивления электродов.

ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ НА ​​ДИАГОНАЛЬНЫЙ СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН, 2015 ГОДА. Британским изобретателем Роном Бинстедом была изобретена новая диагональная схема разводки для использования с резистивными и мультисенсорными проекционно-емкостными сенсорными экранами — все элементы ввода-вывода выходят только с одного края, а не с одного края. шины или «мертвая зона» вокруг трех других краев (см. верхнее изображение справа). Сенсорное разрешение почти вдвое выше по сравнению с мультиплексированием x/y. Например, 16 входов/выходов x/y создают максимум 64 пересечения чувствительных элементов, тогда как 16 диагональных входов/выходов создают 120 пересечений.

2015 БИСТАТНАЯ ПРОЕКТНАЯ ЕМКОСТЬ — при использовании в качестве сенсорного экрана проектируемой емкости в режиме взаимной емкости диагональное соединение требует, чтобы каждая линия ввода-вывода могла переключаться между двумя состояниями (бистатическое состояние), выходом в некоторых случаях и входом в другое время. . Большую часть времени входы/выходы являются входами, но после каждого сканирования один из входов/выходов должен стать выходом, а остальные входы воспринимают любые генерируемые им сигналы. Поэтому линиям ввода-вывода, возможно, придется переключаться с входа на выход и наоборот много раз в секунду. Этот новый дизайн получил премию Electronics Weekly Elektra Award в 2017 году.

ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ «БЕСКОНЕЧНО ШИРОКОГО» СЕНСОРНОГО ЭКРАНА 2021 ГОДА. В стандартных сенсорных экранах с x/y-матрицей длина горизонтальных чувствительных элементов увеличивается по мере увеличения ширины сенсорного экрана. В конце концов достигается предел, когда сопротивление становится настолько большим, что сенсорный экран больше не может работать должным образом.

В патенте описывается, как использование диагональных элементов гарантирует, что длина любого элемента никогда не превышает высоту в 1,414 раза. ${\textstyle \left\lceil H{\sqrt {2}}\right\rfloor }$ сенсорного экрана, независимо от его ширины. Это значение можно уменьшить до 1,15-кратной высоты, если противоположные диагональные элементы пересекаются под углом 60 градусов вместо 90 градусов. Удлиненным сенсорным экраном может управлять один процессор, а удаленные концы могут управляться совершенно независимо разными процессорами, связанными синхронизирующим процессором в перекрывающейся средней части. Количество уникальных пересечений можно увеличить, разрешив отдельным чувствительным элементам двигаться в двух противоположных направлениях, как показано на схеме.

Технологии

Существует ряд технологий сенсорных экранов с разными методами восприятия прикосновения.

Резистивный

Основная статья: Резистивный сенсорный экран

Резистивная сенсорная панель состоит из нескольких тонких слоев, наиболее важными из которых являются два прозрачных электрорезистивных слоя, обращенных друг к другу с небольшим зазором между ними. Верхний слой (тот, к которому прикасаются) имеет покрытие на нижней поверхности; прямо под ним находится аналогичный резистивный слой поверх подложки. Один слой имеет проводящие соединения по бокам, другой сверху и снизу. Напряжение подается на один слой и воспринимается другим. Когда какой-либо объект, например кончик пальца или стилуса, прижимается к внешней поверхности, два слоя соприкасаются, соединяясь в этой точке. В этом случае панель ведет себя как пара делителей напряжения , по одной оси за раз. Путем быстрого переключения между слоями можно определить положение давления на экране.

Резистивный сенсорный экран используется в ресторанах, на фабриках и в больницах из-за его высокой устойчивости к жидкостям и загрязнениям. Основным преимуществом резистивной сенсорной технологии является ее низкая стоимость. Кроме того, поскольку для ощущения прикосновения необходимо только достаточное давление, их можно использовать в перчатках или используя что-нибудь жесткое вместо пальца. К недостаткам можно отнести необходимость придавливания и риск повреждения острыми предметами. Резистивные сенсорные экраны также страдают от более низкой контрастности из-за дополнительных отражений (т.е. бликов) от слоев материала, расположенного над экраном. Этот тип сенсорного экрана использовался Nintendo в семействе DS, семействе 3DS и Wii U GamePad .

При одинаковом количестве входов сенсорные экраны с мультиплексированием с тремя состояниями имеют гораздо больше пересечений, чем сенсорные экраны с мультиплексированием x/y.

Из-за своей простой структуры и очень небольшого количества входов резистивные сенсорные экраны в основном используются для управления одним касанием, хотя доступны некоторые версии с двумя касаниями (часто называемые мультитач). Однако существуют настоящие мультитач-резистивные сенсорные экраны. Им требуется гораздо больше входных данных, и они полагаются на мультиплексирование x/y, чтобы уменьшить счетчик ввода-вывода.

Один из примеров настоящего мультисенсорного резистивного сенсорного экрана. может обнаружить 10 пальцев одновременно. Он имеет 80 соединений ввода-вывода. Возможно, это разделенные 34 входов / 46 выходов y, образующие стандартный сенсорный экран с соотношением сторон 3:4 с 1564 пересекающимися узлами сенсорного восприятия x/y.

мультиплексирование с тремя состояниями Вместо мультиплексирования x/y можно было бы использовать . Это позволило бы сократить количество входов/выходов с 80 до 60, одновременно создав 1770 уникальных сенсорных узлов без необходимости в лицевой панели и со всеми входными данными, поступающими только с одного края.

Поверхностная акустическая волна

Основная статья: Поверхностная акустическая волна

Технология поверхностных акустических волн (SAW) использует ультразвуковые волны, которые проходят через сенсорную панель. При прикосновении к панели часть волны поглощается. Изменение ультразвуковых волн обрабатывается контроллером для определения положения события касания. Сенсорные панели с поверхностными акустическими волнами могут быть повреждены внешними элементами. Загрязнения на поверхности также могут мешать работе сенсорного экрана.

Устройства на ПАВ имеют широкий спектр применения, включая линии задержки , фильтры, корреляторы и преобразователи постоянного тока в постоянный .

Емкостный сенсорный экран

Емкостный сенсорный экран мобильного телефона

Часы Casio TC500 с емкостным сенсорным датчиком 1983 года выпуска, с угловым освещением, обнажающим сенсорные панели, и следами, выгравированными на верхней поверхности стекла часов.

Основная статья: Емкостное зондирование

Емкостная сенсорная панель состоит из изолятора , например стекла , покрытого прозрачным проводником , например оксидом индия и олова (ITO). поля экрана Поскольку человеческое тело также является электрическим проводником, прикосновение к поверхности экрана приводит к искажению электростатического , которое можно измерить как изменение емкости . Для определения места прикосновения могут использоваться различные технологии. Затем местоположение отправляется контроллеру для обработки. В некоторых сенсорных экранах вместо ITO используется серебро, поскольку ITO вызывает ряд проблем с окружающей средой из-за использования индия. Контроллер обычно представляет собой (ASIC) металл-оксид-полупроводник (КМОП) дополнительную микросхему специализированной интегральной схемы , которая, в свою очередь, обычно отправляет сигналы в цифровой сигнальный процессор КМОП (DSP) для обработки.

В отличие от резистивного сенсорного экрана , некоторые емкостные сенсорные экраны нельзя использовать для обнаружения пальца через электроизоляционный материал, например перчатки. Этот недостаток особенно влияет на удобство использования бытовой электроники, такой как сенсорные планшетные ПК и емкостные смартфоны, в холодную погоду, когда люди могут носить перчатки. Его можно преодолеть с помощью специального емкостного стилуса или специальной перчатки с вышитым участком проводящей нити, обеспечивающим электрический контакт с кончиком пальца пользователя.

Некачественный импульсный блок питания с соответственно нестабильным и шумным напряжением может временно влиять на точность, аккуратность и чувствительность емкостных сенсорных экранов.

Некоторые производители емкостных дисплеев продолжают разрабатывать более тонкие и точные сенсорные экраны. Экраны для мобильных устройств теперь производятся с использованием «внутриячеечной» технологии, как, например, в экранах Super AMOLED от Samsung , которая устраняет слой за счет создания конденсаторов внутри самого дисплея. Этот тип сенсорного экрана уменьшает видимое расстояние между пальцем пользователя и тем, к чему он прикасается на экране, уменьшая толщину и вес дисплея, что желательно в смартфонах .

Простой конденсатор с параллельными пластинами имеет два проводника, разделенных диэлектрическим слоем. Большая часть энергии в этой системе сосредоточена непосредственно между пластинами. Часть энергии перетекает в область за пределами пластин, а линии электрического поля, связанные с этим эффектом, называются периферийными полями. Одной из задач создания практичного емкостного датчика является разработка набора дорожек печатной платы, которые направляют периферийные поля в активную чувствительную область, доступную пользователю. Конденсатор с параллельными пластинами не является хорошим выбором для такой схемы датчика. Помещение пальца рядом с окаймляющими электрическими полями увеличивает площадь проводящей поверхности емкостной системы. Дополнительная емкость хранения заряда, добавляемая пальцем, известна как емкость пальца или CF. Емкость датчика без присутствия пальца известна как паразитная емкость или CP.

Поверхностная емкость

В этой базовой технологии только одна сторона изолятора покрыта проводящим слоем. К слою прикладывается небольшое напряжение, в результате чего создается однородное электростатическое поле. Когда проводник, например человеческий палец, касается непокрытой поверхности, динамически формируется конденсатор. Контроллер датчика может определить место касания косвенно по изменению емкости, измеренной по четырем углам панели. Поскольку он не имеет движущихся частей, он достаточно долговечен, но имеет ограниченное разрешение, подвержен ложным сигналам из-за паразитной емкостной связи и требует калибровки во время производства. Поэтому он чаще всего используется в простых приложениях, таких как промышленные системы управления и киоски .

Хотя некоторые стандартные методы обнаружения емкости являются проекционными, в том смысле, что их можно использовать для обнаружения пальца через непроводящую поверхность, они очень чувствительны к колебаниям температуры, которые расширяют или сжимают чувствительные пластины, вызывая колебания емкости. этих пластин. Эти колебания приводят к сильному фоновому шуму, поэтому для точного обнаружения требуется сильный сигнал от пальца. Это ограничивает применение теми случаями, когда палец непосредственно касается чувствительного элемента или воспринимается через относительно тонкую непроводящую поверхность.

Прогнозируемая емкость

Задняя сторона Multitouch Globe, основанная на технологии проекционно-емкостного касания (PCT).

Схема проекционно-емкостного тачскрина

Технология проекционно-емкостного касания (PCT; также PCAP) представляет собой вариант технологии емкостного касания, но в котором чувствительность к касанию, точность, разрешение и скорость касания были значительно улучшены за счет использования простой формы искусственного интеллекта. Эта интеллектуальная обработка позволяет точно и надежно проецировать чувствительность пальцев через очень толстое стекло и даже двойное остекление.

Прогнозируемая емкость — это метод точного обнаружения и отслеживания определенной переменной или группы переменных (например, пальцев) путем: а) использования простой формы искусственного интеллекта для разработки профиля ожидаемых для этого эффектов изменения емкости. переменная, б) специально искать такие изменения и в) устранять измеренные изменения емкости, которые не соответствуют этому профилю, связанные с глобальными переменными (такими как температура/влажность, накопление грязи, электрический шум) и локальными переменными (такими как капли дождя, полутень и руки/локти). Емкостные датчики могут быть дискретными – возможно (но не обязательно) в виде регулярной матрицы или мультиплексированными.

Предположения.

На практике делаются различные предположения, например: - а) пальцы не будут касаться экрана при включении питания, б) палец не будет находиться на одном и том же месте дольше, чем фиксированный период времени, и в ) пальцы не будут соприкасаться повсюду одновременно.

а) Если палец касается экрана при «включении питания», то, как только он будет удален, будет обнаружено большое «анти-касание» изменение емкости. Это сигнализирует процессору о необходимости сброса порогов касания и сохранения новых значений «без касания» для каждого входа.

б) Долгосрочная компенсация дрейфа используется для постепенного повышения или понижения этих пороговых значений (с тенденцией в конечном итоге к «отсутствию касания»). Это компенсирует глобальные изменения температуры и влажности. Это также исключает вероятность того, что какое-либо положение будет казаться затронутым слишком долго из-за какого-либо события, не связанного с пальцем. Это может быть вызвано, например, тем, что мокрый лист приземлился на экран и прилип к нему.

в) Когда необходимо принять решение о достоверности одного или нескольких касаний, предположение в) означает, что среднее значение изменений, измеренных для некоторых входных данных с наименьшим изменением, может использоваться для «компенсации» коснитесь пороговых значений конфликтующих входов. Это сводит к минимуму влияние рук и рук.

С помощью этих и других средств процессор постоянно настраивает пороги касания и чувствительность каждого входа. Это позволяет точно обнаружить очень небольшие изменения, вызванные только пальцами, через толстые слои или несколько сантиметров воздуха.

Когда проводящий объект, например палец, контактирует с панелью РСТ, он искажает локальное электростатическое поле в этой точке. Это можно измерить как изменение емкости. Если палец перекрывает зазор между двумя «дорожками», поле заряда прерывается и обнаруживается контроллером. Емкость можно изменять и измерять в каждой отдельной точке сетки. Эта система способна точно отслеживать прикосновения.

Поскольку верхний слой PCT выполнен из стекла, он более прочный, чем менее дорогая резистивная сенсорная технология.В отличие от традиционной емкостной сенсорной технологии, система PCT может распознавать пассивное стилус или пальцы в перчатках.

Влага на поверхности панели, высокая влажность или собранная пыль не являются проблемой, особенно для сенсорных экранов на основе «тонкой проволоки», поскольку сенсорные экраны на основе проволоки имеют очень низкую «паразитную» емкость и расстояние между ними больше. между соседними проводниками. В проектируемую емкость встроена «долговременная компенсация дрейфа». Это сводит к минимуму влияние медленно меняющихся факторов окружающей среды, таких как накопление грязи и эффекты, вызванные изменениями погоды. Капли дождя оказывают незначительное влияние, но текущая вода, особенно текущая морская вода (из-за ее электропроводности), может вызвать кратковременные проблемы.

Высокочастотный (РЧ) сигнал, возможно, от 100 кГц до 1 МГц, подается на одну дорожку за раз и проводятся соответствующие измерения емкости (как описано ниже в этой статье). Этот процесс повторяется до тех пор, пока все треки не будут семплированы.

Проводящие дорожки часто прозрачны, одним из примеров является оксид индия-олова (ITO), прозрачный электрический проводник, но эти проводящие дорожки могут быть изготовлены из очень тонкой непрозрачной металлической сетки. или отдельные тонкие проволоки.

Расположение сенсорного экрана с проекционной емкостью.

На этой диаграмме показано, как восемь входов на решетчатый сенсорный экран или клавиатуру создают 28 уникальных пересечений, в отличие от 16 пересечений, созданных с использованием стандартного сенсорного экрана с мультиплексированием x/y.

Диагональный сенсорный экран с 16 входами/выходами выполнен из изолированного провода диаметром 10 микрон.

32-входовой диагональный сенсорный экран

Сенсорный экран с проекционной емкостью 8 x 8, изготовленный с использованием медного провода с изоляционным покрытием толщиной 25 микрон, заключенного в прозрачную полиэфирную пленку.

Расположение может варьироваться в зависимости от того, должен ли обнаруживаться один палец или несколько пальцев.

Чтобы одновременно распознавать множество пальцев, некоторые современные сенсорные экраны PCT состоят из тысяч отдельных клавиш. каждая клавиша индивидуально привязана к краю сенсорного экрана. Это достигается путем травления рисунка электродной сетки на прозрачном проводящем покрытии на одной стороне листа стекла или пластика.

Чтобы уменьшить количество входных дорожек, большинство сенсорных экранов PCT используют мультиплексирование. Это позволяет, например, сократить 100 (n) дискретных клавишных вводов до 20. ${\textstyle \left\lceil 2{\sqrt {n}}\right\rfloor }$ при использовании мультиплексирования x/y или 15 ${\textstyle \left\lceil 1.5{\sqrt {n}}\right\rfloor }$ при использовании двухуровневого мультиплексирования или трехуровневого мультиплексирования .

Для емкостного мультиплексирования требуется сетка пересекающихся, но электрически изолированных проводящих дорожек. Этого можно достичь разными способами. Один из способов заключается в создании параллельных проводящих дорожек на одной стороне пластиковой пленки и аналогичных параллельных дорожек на другой стороне, ориентированных под углом 90 градусов к первой стороне.

Другой способ - вытравить дорожки на отдельных листах стекла и соединить эти листы так, чтобы дорожки находились под прямым углом друг к другу, лицом к лицу, используя тонкий непроводящий клейкий промежуточный слой.

Простая альтернатива — встроить x/y или диагональную сетку из очень тонких проводящих проводов с изоляционным покрытием в тонкую полиэфирную пленку. Затем эту пленку можно прикрепить к одной стороне листа стекла для работы через стекло.

Разрешение касания и количество пальцев, которые могут быть обнаружены одновременно, определяются количеством точек пересечения (x * y). Если x + y = n, то максимально возможное количество кроссоверов равно (n/2). ² . Однако количество точек пересечения можно почти удвоить, если использовать диагональную решетку (см. Диаграммы решетки/диагонального сенсорного экрана), где вместо элементов x, которые всегда пересекают только элементы y, каждый проводящий элемент пересекает каждый другой элемент. В этих условиях максимальное количество кроссоверов равно (n ² -н)/2. Все входы разъема поступают только с одного края.

См. видео (выше) необработанных данных с диагонального сенсорного экрана с 32 входами.

Диагональные массивы сенсорных экранов

Складывание (n) проводников над собой образует треугольный массив из (n ^ 2 - n)/2 уникальных пересечений.

Двойное складывание 6 ( n ) параллельных проводников друг над другом образует в центральной области квадратный массив, состоящий из 15 (( n ² − n )/2) уникальные пересечения.

В 2015 году Рон Бинстед из Binstead Designs Ltd изобрел и запатентовал новый диагональный массив, подходящий для ряда технологий сенсорных экранов и клавиатур.

На диаграмме (слева) показано, как группа из 6 параллельных проводящих элементов, сложенных друг на друга (под прямым углом), может создать треугольный массив из 15 уникальных пересечений. Массив x/y с 6 проводящими элементами создал бы максимум 9 уникальных пересечений.

Хотя проводящие элементы обычно подключаются к клемме на одном конце проводника, на левой схеме показано, что эти сложенные элементы могут быть заделаны на сгибе, образуя тем самым разделенные (или раздвоенные) элементы.

Квадратный/прямоугольный диагональный массив можно сформировать путем двойного сгиба параллельных проводников – см. схему справа. Два разъема можно было установить на сгибах на противоположных сторонах массива. В качестве альтернативы на одном конце массива можно установить один разъем, как показано на схеме.

Цилиндрические сенсорные экраны.

Девять проводящих элементов образуют цилиндрический мультисенсорный экран с 36 уникально адресуемыми пересечениями.

Диагональные чувствительные элементы также могут быть сформированы в виде бесшовной цилиндрической матрицы. На диаграмме справа показана разделенная цилиндрическая компоновка с 9 входами/выходами с двумя состояниями и 36 уникальными пересечениями - все линии ввода/вывода подключены к одному концу цилиндра (стандартный массив x/y потребует горизонтального ввода/вывода). O-линии, входящие в боковую часть цилиндра). Неразделенные диагональные чувствительные элементы также могут быть сформированы в цилиндры, но 9 входов/выходов создадут только 20 (5x4) уникальных пересечений. Эти цилиндры можно физически трансформировать в сложные трехмерные формы с помощью различных методов, таких как выдувное формование, вакуумное формование и т. д.

Аналогичная компоновка возможна для дополнительного цилиндрического светодиодного дисплея — см. Charlieplexing#Diagonal arrays .

Бесконечно широкие сенсорные экраны.

Диагональная разводка позволяет неограниченно увеличивать ширину сенсорного экрана без увеличения сопротивления электродов.

Ширина сенсорного экрана обычно ограничивается сопротивлением используемого проводящего материала. По мере увеличения ширины сенсорного экрана по осям x/y сопротивление горизонтальных проводников в конечном итоге становится слишком большим, чтобы сенсорный экран мог работать должным образом.Однако возможны «бесконечно» широкие сенсорные экраны при использовании диагональной проводки, поскольку длина дорожек всегда равна 1,414 x высота сенсорного экрана. ${\textstyle \left\lceil H{\sqrt {2}}\right\rfloor }$и не зависят от ширины сенсорного экрана (см. диаграмму справа). ).

Существует два типа ПКТ: взаимная емкость и собственная емкость.

Взаимная емкость

Электрический сигнал, подаваемый на один электрический проводник, может быть емкостно «воспринят» другим электрическим проводником, который находится очень близко, но электрически изолирован - особенность, которая используется в сенсорных экранах с взаимной емкостью. В матрице взаимно-емкостных датчиков «взаимное» пересечение одного электрического проводника с другим электрическим проводником, но без прямого электрического контакта, образует конденсатор ( см. сенсорный экран#Конструкция ).

К этим проводникам поочередно подаются импульсы напряжения высокой частоты. Эти импульсы емкостно связываются с каждым проводником, который его пересекает.

Поднесение пальца или проводящего стилуса к поверхности датчика изменяет локальное электростатическое поле, что, в свою очередь, уменьшает емкость между этими пересекающимися проводниками. Любое значительное изменение силы воспринимаемого сигнала используется для определения наличия или отсутствия пальца на перекрестке.

Изменение емкости на каждом пересечении сетки можно измерить, чтобы точно определить одно или несколько мест касания.

Взаимная емкость позволяет осуществлять мультитач-операцию, при которой одновременно можно точно отслеживать несколько пальцев, ладоней или стилусов. Чем больше число пересечений, тем лучше сенсорное разрешение и тем больше независимых пальцев можно обнаружить. Это указывает на явное преимущество диагональной проводки перед стандартной проводкой x/y, поскольку диагональная проводка создает почти вдвое больше пересечений.

Массивы взаимной емкости могут иметь формат x/y или диагональный формат.

Например, массив с 30 входами/выходами, 16×14 x/y будет иметь 224 таких пересечений/конденсаторов, а массив диагональной решетки с 30 входами/выходами может иметь 435 пересечений.

Каждая трасса массива взаимной емкости x/y имеет только одну функцию: это либо вход, либо выход. Горизонтальные трассы могут быть передатчиками, а вертикальные трассы — датчиками, и наоборот.

Однако дорожки в диагональном массиве взаимной емкости должны постоянно менять свою функциональность «на лету» с помощью процесса, называемого мультиплексированием в двух состояниях или мультиплексированием в трех состояниях . Иногда трасса будет выходом, иногда — входом или «заземленной». Для упрощения этого процесса можно использовать справочную таблицу. Путем небольшого искажения проводников в диагональной матрице ввода-вывода «n» формируется эквивалент массива (n-1) на (n/2). После декодирования адреса его можно обработать как стандартный массив x/y.

Собственная емкость

Датчики собственной емкости могут иметь одинаковую сетку X/Y или диагональную сетку. как датчики взаимной емкости, но при наличии собственной емкости все дорожки обычно работают независимо, без взаимодействия между различными дорожками. Наряду с некоторыми другими методами, дополнительную емкостную нагрузку пальца на следящем электроде можно измерить с помощью измерителя тока или по изменению частоты RC-генератора.

Следы распознаются один за другим, пока не будут обнаружены все следы. Палец может быть обнаружен в любом месте по всей длине следа (даже «за кадром»), но нет указания, где находится палец на этом следе. Однако если палец обнаружен и вдоль другой пересекающейся трассы, то предполагается, что положение пальца находится на пересечении двух трасс. Это позволяет быстро и точно обнаружить один палец.

Однако существует неоднозначность, если необходимо обнаружить более одного пальца. Два пальца могут иметь четыре возможных положения обнаружения, только два из которых верны, а два других являются «призраками». Однако путем выборочного снижения чувствительности к любым точкам соприкосновения в споре противоречивые результаты легко разрешаются. Это позволяет использовать собственную емкость для работы в два касания.

Хотя взаимная емкость проще для мультитач, мультитач может быть достигнут с использованием собственной емкости.

Ручное обнаружение через толстое стекло по проекционной емкости - с использованием «замаскированной» собственной емкости.

Если воспринимаемая трасса пересекается с другой трассой, на которой имеется «десенсибилизирующий» сигнал, то это пересечение нечувствительно к прикосновению. Если наложить такой «десенсибилизирующий» сигнал на все пересекающиеся трассы, кроме одной, вдоль воспринимаемой трассы, то только небольшая часть этой трассы будет чувствительна к прикосновению. Выбирая последовательность этих чувствительных участков на трассе, можно определить точное положение нескольких пальцев на одной трассе. Затем этот процесс можно повторить для всех остальных трассировок, пока не будет просканирован весь экран.

Самоемкостные слои сенсорного экрана используются в мобильных телефонах, таких как Sony Xperia Sola . 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 определения близости, когда палец даже не должен касаться стеклянной поверхности. Взаимная емкость в основном используется в мультитач-приложениях. Многие производители сенсорных экранов используют в одном продукте как собственную, так и взаимную емкостную технологию, тем самым объединяя свои индивидуальные преимущества.

Собственная емкость

Собственная емкость создает n^2 возможных положений пальцев при обнаружении n пальцев.

При использовании матрицы X/Y 16 x 14 для определения положения одного пальца по собственной емкости требуется 30 (т. е. 16 + 14) измерений емкости. Палец находится на пересечении самого сильного из 16 измерений x и самого сильного из 14 измерений y. Однако при использовании взаимной емкости, возможно, придется измерить каждое пересечение, в результате чего будет выполнено в общей сложности 224 (т. е. 16 x 14) измерений емкости. Таким образом, в этом примере взаимная емкость требует почти в 7 раз больше измерений, чем собственная емкость, чтобы определить положение пальца.

Для многих приложений, таких как выбор элементов из списка или меню, требуется всего один палец, и собственная емкость идеально подходит для таких приложений из-за относительно низкой вычислительной нагрузки, более простого метода обработки, способности считывать данные через толстые диэлектрические материалы или air и возможность сокращения количества необходимых входов за счет повторения компоновки дорожек.

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 измерения собственной емкости, но это требует нескольких дополнительных вычислений и четырех дополнительных измерений емкости, чтобы исключить два «фантомных» положения. Один из методов состоит в том, чтобы провести полное сканирование собственной емкости, чтобы обнаружить 4 неоднозначных положения пальцев, а затем использовать всего 4 целевых измерения взаимной емкости, чтобы определить, какие два из 4 положений действительны, а какие 2 нет. В общей сложности это дает 34 измерения, что все еще намного меньше, чем 224, необходимые при использовании только взаимной емкости.

С 3 пальцами требуется 9 значений; с 4 пальцами, 16 значений и т. д.

Имея больше пальцев, можно решить, что процесс устранения неоднозначности слишком громоздкий. Если имеется достаточная вычислительная мощность, можно переключиться на полное сканирование взаимной емкости.

Использование стилуса на емкостных экранах

Емкостными сенсорными экранами не обязательно управлять пальцем, но до недавнего времени покупка специальных стилусов могла стоить довольно дорого. Стоимость этой технологии за последние годы значительно упала, и емкостные щупы теперь широко доступны за символическую плату и часто раздаются бесплатно вместе с мобильными аксессуарами. Они состоят из электропроводящего стержня с наконечником из мягкой проводящей резины, тем самым резистивно соединяя пальцы с кончиком стилуса.

Инфракрасная сетка

Инфракрасные датчики, установленные вокруг дисплея, следят за вводом данных пользователем на сенсорном экране этого терминала PLATO V в 1981 году. Показано характерное оранжевое свечение монохроматического плазменного дисплея.

Инфракрасный сенсорный экран использует массив пар инфракрасных светодиодов XY и фотодетекторов по краям экрана для обнаружения нарушения диаграммы направленности светодиодных лучей. Эти светодиодные лучи пересекают друг друга по вертикали и горизонтали. Это помогает датчикам определить точное место касания. Основным преимуществом такой системы является то, что она может обнаружить практически любой непрозрачный объект, включая палец, палец в перчатке, стилус или ручку. Обычно он используется в наружных приложениях и POS-системах, которые не могут полагаться на проводник (например, голый палец) для активации сенсорного экрана. В отличие от емкостных сенсорных экранов , инфракрасные сенсорные экраны не требуют нанесения рисунка на стекло, что увеличивает долговечность и оптическую четкость всей системы. Инфракрасные сенсорные экраны чувствительны к грязи и пыли, которые могут мешать инфракрасным лучам, а также страдают от параллакса на изогнутых поверхностях и случайного нажатия, когда пользователь наводит палец на экран во время поиска элемента, который нужно выбрать.

Инфракрасная акриловая проекция

Полупрозрачный акриловый лист используется в качестве экрана обратной проекции для отображения информации. Края акрилового листа подсвечиваются инфракрасными светодиодами, а инфракрасные камеры фокусируются на обратной стороне листа. Объекты, размещенные на листе, обнаруживаются камерами. Когда пользователь прикасается к листу, нарушение полного внутреннего отражения приводит к утечке инфракрасного света, пик которого приходится на точки максимального давления, указывая место касания пользователя. Планшеты Microsoft PixelSense используют эту технологию.

визуализация

Оптические сенсорные экраны — это относительно современная разработка в технологии сенсорных экранов, в которой два или более датчика изображения (например, CMOS-сенсоры ) расположены по краям (в основном по углам) экрана. Инфракрасная подсветка размещена в поле зрения датчика на противоположной стороне экрана. Прикосновение блокирует часть света от датчиков, и можно рассчитать местоположение и размер объекта прикосновения (см. визуальную оболочку ). Популярность этой технологии растет благодаря ее масштабируемости, универсальности и доступности для больших сенсорных экранов.

Технология

Представленная в 2002 году компанией 3M , эта система обнаруживает прикосновение с помощью датчиков для измерения пьезоэлектричества в стекле. Сложные алгоритмы интерпретируют эту информацию и определяют фактическое место касания. Технология не подвержена влиянию пыли и других внешних факторов, включая царапины. Поскольку на экране нет необходимости в дополнительных элементах, он также обеспечивает превосходную оптическую четкость. Для генерации событий касания можно использовать любой объект, включая пальцы в перчатках. Минусом является то, что после первого касания система не может обнаружить неподвижный палец. Однако по той же причине неподвижные объекты не мешают распознаванию касаний.

Распознавание акустического пульса

Ключом к этой технологии является то, что прикосновение к любой точке поверхности генерирует звуковую волну в подложке, которая затем создает уникальный комбинированный сигнал, измеряемый тремя или более крошечными датчиками, прикрепленными к краям сенсорного экрана. Оцифрованный сигнал сравнивается со списком, соответствующим каждой позиции на поверхности, определяя место касания. Движущееся прикосновение отслеживается по быстрому повторению этого процесса. Посторонние и окружающие звуки игнорируются, поскольку они не соответствуют ни одному сохраненному звуковому профилю. Эта технология отличается от других технологий, основанных на звуке, тем, что использует простой метод поиска, а не дорогостоящее оборудование для обработки сигналов. Как и в случае с системой технологии дисперсионного сигнала, неподвижный палец не может быть обнаружен после первого прикосновения. Однако по той же причине распознавание касаний не нарушается никакими покоящимися объектами. Технология была создана компанией SoundTouch Ltd в начале 2000-х годов, как описано в семействе патентов EP1852772, и представлена ​​на рынке компанией Tyco International в 2006 году как Acoustic Pulse Recognition. Подразделение Elo компании Сенсорный экран, используемый Elo, изготовлен из обычного стекла, обеспечивающего хорошую прочность и оптическую четкость. Технология обычно сохраняет точность при наличии царапин и пыли на экране. Эта технология также хорошо подходит для дисплеев, которые физически больше.

Строительство

Существует несколько основных способов создания сенсорного экрана. Ключевые цели — распознать касание одного или нескольких пальцев к дисплею, интерпретировать команду, которую он представляет, и передать команду соответствующему приложению.

Мультисенсорные проекционные емкостные экраны

Разрез микроконденсатора, возникающий при пересечении двух проводящих проводов с изоляционным покрытием.

Однопроводной график для сенсорного экрана с 32 входами, диагональной разводкой и проекционной емкостной пленкой

Очень простой и недорогой способ сделать мультисенсорный проекционно-емкостный сенсорный экран — это разместить x/y или диагональную матрицу из тонких медных или вольфрамовых проводов с изоляционным покрытием между двумя слоями прозрачной полиэфирной пленки. Это создает массив микроконденсаторов, чувствительных к близости . Одного из этих микроконденсаторов каждые 10–15 мм, вероятно, будет достаточно, если пальцы расположены на относительно большом расстоянии друг от друга, но для мультитач с очень высокой дискриминацией может потребоваться установка микроконденсатора через каждые 5 или 6 мм. Подобную систему можно использовать для распознавания со сверхвысоким разрешением, например для распознавания отпечатков пальцев. Для датчиков отпечатков пальцев требуется расстояние между микроконденсаторами примерно от 44 до 50 микрон.

Сенсорные экраны можно изготовить дома, используя легкодоступные инструменты и материалы, или же это можно сделать промышленным способом.

Сначала с помощью простой системы САПР создается схема проводки с непрерывной трассировкой.

Проволока продевается через перо плоттера и наносится непосредственно, как одна непрерывная проволока, на тонкий лист прозрачной полиэфирной пленки с клейким покрытием (например, «оконной пленки») с использованием стандартного недорогого перьевого плоттера x/y. После печати одиночную проволоку аккуратно разрезают на отдельные секции острым скальпелем, стараясь не повредить пленку.

Вторую идентичную полиэфирную пленку ламинируют поверх первой пленки. Полученную пленку сенсорного экрана затем обрезают до нужной формы и на нее устанавливают разъем.

Конечный продукт чрезвычайно гибкий: его толщина составляет около 75 микрон (приблизительно толщина человеческого волоса). Его даже можно мять без потери функциональности.

Диагональный сенсорный экран с 32 входами, распознающий 10 пальцев

Пленка может быть установлена ​​на или за непроводящими (или слабопроводящими) поверхностями. Обычно его монтируют за листом стекла толщиной до 12 мм (и более) для измерения через стекло.

Этот метод подходит для широкого диапазона размеров сенсорных экранов: от очень маленьких до ширины в несколько метров — или даже шире, если используется матрица с диагональной разводкой.

Конечный продукт является экологически чистым, поскольку в нем используется перерабатываемый полиэстер и незначительное количество медной проволоки. Пленка может даже получить вторую жизнь в качестве другого продукта, например, пленки для рисования или оберточной пленки. В отличие от некоторых других технологий сенсорных экранов, здесь не используются сложные процессы или редкие материалы.

Для приложений без сенсорного экрана другие пластмассы (например, винил или АБС-пластик можно использовать ). Пленка может быть выдута или подвергнута термоформованию в сложные трехмерные формы, такие как бутылки, глобусы или приборные панели автомобилей. Альтернативно, провода могут быть заделаны в толстый пластик, например, в панели кузова из стекловолокна или углеродного волокна.

Резистивные сенсорные экраны с одним касанием

В резистивном подходе, который раньше был самым популярным методом, обычно имеется четыре слоя:

• Верхний слой с полиэфирным покрытием, нижний слой – прозрачное металлопроводящее покрытие.
• Клейкая прокладка
• Слой стекла, покрытый сверху прозрачным металлопроводящим покрытием.
• Клеевой слой на обратной стороне стекла для крепления.

Когда пользователь касается поверхности, система фиксирует изменение электрического тока, протекающего через дисплей.

Дисперсионный сигнал

Технология дисперсионного сигнала измеряет пьезоэлектрический эффект — напряжение, генерируемое при приложении к материалу механической силы, которая химически возникает при прикосновении к прочной стеклянной подложке.

Инфракрасный

Существует два подхода, основанных на инфракрасном излучении. В одном из них массив датчиков обнаруживает прикосновение или почти прикосновение пальца к дисплею, тем самым прерывая лучи инфракрасного света, проецируемые на экран. В другом — расположенные внизу инфракрасные камеры фиксируют тепло от прикосновений к экрану.

В каждом случае система определяет предполагаемую команду на основе элементов управления, отображаемых на экране в момент и в месте касания.

Развитие

Развитие мультитач-экранов облегчило отслеживание более чем одного пальца на экране; таким образом, возможны операции, требующие более одного пальца. Эти устройства также позволяют нескольким пользователям одновременно взаимодействовать с сенсорным экраном.

С ростом использования сенсорных экранов стоимость технологии сенсорных экранов обычно поглощается продуктами, которые ее включают, и практически исключается. Технология сенсорных экранов продемонстрировала надежность и используется в самолетах, автомобилях, игровых консолях, системах управления машинами, бытовой технике и портативных устройствах отображения, включая мобильные телефоны; По прогнозам, к 2009 году рынок сенсорных экранов для мобильных устройств принесет 5 миллиардов долларов США.

Способность точно указывать на сам экран также развивается с появлением гибридов графического планшета и экрана . Поливинилиденфторид (ПВДФ) играет важную роль в этой инновации благодаря своим высоким пьезоэлектрическим свойствам, которые позволяют планшету чувствовать давление, благодаря чему такие вещи, как цифровая живопись, ведут себя как бумага и карандаш.

TapSense, анонсированный в октябре 2011 года, позволяет сенсорным экранам различать, какая часть руки использовалась для ввода, например кончик пальца, сустав или ноготь. Это можно использовать по-разному, например, для копирования и вставки, использования заглавных букв, активации различных режимов рисования и т. д.

Эргономика и использование

Включение сенсорного экрана

Чтобы сенсорные экраны были эффективными устройствами ввода, пользователи должны иметь возможность точно выбирать цели и избегать случайного выбора соседних целей. Дизайн сенсорных интерфейсов должен отражать технические возможности системы, эргономику , когнитивную психологию и физиологию человека .

Рекомендации по конструкции 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 рекомендации менее актуальны для большинства современных сенсорных устройств, в которых используется емкостная или резистивная сенсорная технология.

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 непригодны с точки зрения человеческого фактора .

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 по левому и правому краям и наименее точны у верхнего края и особенно у нижнего края. Точность R95 (необходимый радиус для точности цели 95%) варьируется от 7 мм (0,28 дюйма) в центре до 12 мм (0,47 дюйма) в нижних углах. Пользователи подсознательно осознают это и тратят больше времени на выбор целей меньшего размера или по краям или углам сенсорного экрана.

Эта неточность пользователя является результатом параллакса , остроты зрения и скорости обратной связи между глазами и пальцами. Точность человеческого пальца намного выше этой, поэтому при наличии вспомогательных технологий, таких как экранные лупы, пользователи могут перемещать палец (после соприкосновения с экраном) с точностью всего 0,1 мм ( 0,004 дюйма).

Положение руки, используемая цифра и переключение

Пользователи карманных и портативных устройств с сенсорным экраном держат их разными способами и регулярно меняют способ удержания и выбора в соответствии с положением и типом ввода. Существует четыре основных типа портативного взаимодействия:

• Удержание хотя бы частично обеими руками, постукивание одним большим пальцем
• Держим двумя руками и постукиваем обоими большими пальцами.
• Держа одной рукой, постукивая пальцем (реже большим пальцем) другой руки
• Держите устройство в одной руке и постукиваете большим пальцем той же руки.

Нормы использования сильно различаются. Хотя постукивание двумя большими пальцами встречается редко (1–3%) при многих общих взаимодействиях, оно используется в 41% случаев набора текста.

Кроме того, устройства часто размещают на поверхностях (столах или столах), а планшеты особенно используют на подставках. В этих случаях пользователь может указывать, выбирать или жестикулировать пальцем или большим пальцем и варьировать использование этих методов.

В сочетании с тактильными ощущениями

Сенсорные экраны часто используются с системами тактильного реагирования. Типичным примером этой технологии является вибрационная обратная связь, возникающая при нажатии кнопки на сенсорном экране. Тактильные ощущения используются для улучшения взаимодействия пользователя с сенсорными экранами за счет имитации тактильной обратной связи и могут быть спроектированы так, чтобы реагировать немедленно, частично компенсируя задержку ответа на экране. Исследования Университета Глазго (Брюстер, Чохан и Браун, 2007; а совсем недавно Хоган) показывают, что пользователи сенсорных экранов уменьшают ошибки ввода (на 20 %), увеличивают скорость ввода (на 20 %) и снижают свою когнитивную нагрузку (на 20 %). 40%), когда сенсорные экраны сочетаются с тактильной или тактильной обратной связью. Вдобавок ко всему, исследование, проведенное в 2013 году Бостонским колледжем, изучило влияние тактильной стимуляции сенсорных экранов на формирование психологического владения продуктом. Их исследование пришло к выводу, что способность сенсорных экранов включать в себя большое количество тактильных ощущений привела к тому, что клиенты почувствовали большую заинтересованность в продуктах, которые они разрабатывали или покупали. Исследование также показало, что потребители, использующие сенсорный экран, были готовы согласиться на более высокую цену за товары, которые они покупали.

Служба поддержки клиентов

Технология сенсорных экранов стала интегрированной во многие аспекты индустрии обслуживания клиентов в 21 веке. Ресторанная индустрия является хорошим примером внедрения сенсорных экранов в эту сферу. Сетевые рестораны, такие как Taco Bell, Panera Bread и McDonald's предлагают сенсорные экраны в качестве опции, когда клиенты заказывают блюда из меню. Хотя добавление сенсорных экранов является развитием для этой отрасли, клиенты могут отказаться от сенсорного экрана и сделать заказ у традиционного кассира. Чтобы пойти еще дальше, ресторан в Бангалоре попытался полностью автоматизировать процесс заказа. Клиенты садятся за стол с сенсорными экранами и заказывают обширное меню. После размещения заказа он отправляется на кухню в электронном виде. Эти типы сенсорных экранов подходят для систем торговых точек (POS), упомянутых в начальном разделе.

«Рука гориллы»

См. Также: Травма от повторяющегося напряжения и теннисный локоть.

Расширенное использование жестовых интерфейсов без возможности оставить руку на отдыхе называется «рукой гориллы». Это может привести к усталости и даже травмам от повторяющегося стресса при регулярном использовании на работе. Некоторые ранние перьевые интерфейсы требовали от оператора работать в этом положении большую часть рабочего дня. Разрешение пользователю положить руку на устройство ввода или рамку вокруг него является решением этой проблемы во многих контекстах. Это явление часто приводится в качестве примера движений, которые следует свести к минимуму с помощью правильного эргономичного дизайна.

Неподдерживаемые сенсорные экраны по-прежнему довольно распространены в таких приложениях, как банкоматы и киоски передачи данных, но не являются проблемой, поскольку типичный пользователь работает только в течение коротких и широко разнесенных периодов времени.

Отпечатки пальцев

Отпечатки пальцев и пятна на сенсорном экране iPad ( планшетного компьютера )

Сенсорные экраны могут страдать от отпечатков пальцев на дисплее. Это можно смягчить за счет использования материалов с оптическими покрытиями , предназначенными для уменьшения видимого воздействия масел от отпечатков пальцев. Большинство современных смартфонов имеют олеофобное покрытие, которое уменьшает количество остатков масла. Другой вариант — установить матовую антибликовую защитную пленку для экрана , которая создает слегка шероховатую поверхность, на которой трудно удерживать пятна.

Прикосновение перчатками

Емкостные сенсорные экраны редко работают, когда пользователь носит перчатки. Толщина перчаток и материал, из которого они изготовлены, играют важную роль, а также способность сенсорного экрана воспринимать прикосновения.

Некоторые устройства имеют режим, повышающий чувствительность сенсорного экрана. Это позволяет более надежно использовать сенсорный экран в перчатках, но также может привести к ненадежному и фантомному вводу данных. Однако тонкие перчатки, такие как медицинские, достаточно тонкие, чтобы их можно было носить при использовании сенсорных экранов; в основном применимо к медицинской технике и машинам.

См. также

• Двойной сенсорный экран
• Перьевые вычисления
• Сбор энергии
• Гибкая клавиатура
• Одно стеклянное решение
• Жестовый интерфейс
• Графический планшет
• Световая ручка
• Список производителей сенсорных решений
• Экран блокировки
• Планшетный компьютер
• Сенсорный переключатель
• Пульт дистанционного управления с сенсорным экраном
• Мультитач
• Омнитач
• Жест указательного устройства
• Сенсаселл
• Шестое чувство
• Нинтендо ДС

• Чарлиплексинг

Ссылки

Источники

• Шнейдерман, Б. (1991). «Сенсорные экраны теперь предлагают интересные возможности использования». Программное обеспечение IEEE . 8 (2): 93–94, 107. дои : 10.1109/52.73754 . S2CID   14561929 .
• Поттер, Р.; Уэлдон Л. и Шнейдерман Б. (1988). Экспериментальная оценка трех стратегий . Учеб. ЧИ'88. Вашингтон, округ Колумбия: ACM Press. стр. 27–32.
• Сирс, А.; Плезант К. и Шнейдерман Б. (1992). «Новая эра высокоточных сенсорных экранов». В Хартсон, Р. и Хикс, Д. (ред.). Достижения во взаимодействии человека и компьютера . Том. 3. Алекс, Нью-Джерси. стр. 1–33. {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
• Сирс, Эндрю; Шнейдерман, Бен (апрель 1991 г.). «Высокоточные сенсорные экраны: стратегии проектирования и сравнение с мышью». Международный журнал человеко-машинных исследований . 34 (4): 593–613. дои : 10.1016/0020-7373(91)90037-8 . HDL : 1903/360 . S2CID   2430120 .