Что такое touch screen и как он работает?

Цифровое устройство представлено в виде сложной конструкции для исполнения задач, которые человек не может решить без машины. Но некоторые внутренние составляющие аппарата доступны для понимания. В статье разберем простыми словами непростой термин «touchscreen».

Что такое touch screen и кто его придумал

Это цифровой аппарат, поверхность экрана которого восприимчива к прикосновениям подушечек пальцев или специального пера (стилуса). Сенсорный проектор считывает команду к действию после затрагивания нужной области дисплея. Преимущество устройства в работе без ощутимых кнопок и других клавиш. Применяется на планшете, компьютере или телевизоре. Зависит от характеристики и разработчика аппарата.

Кажется, что изобретение носит современный характер, но это не корректное суждение. Первые тачскрин-системы появились в 70-х годах. Параллельно несколькими профессорами — Сэмюэлом Херстом и другой группой ученых из США — была разработана схема тачскрин поверхности. Одна основывалась на сетке инфракрасных лучей, другая — на резистивном экране.

Рождение технологии пришлась на 1972-1982 годы, первым экземпляром выступал компьютер, функция которого была в считывании информации с лент самописцев. Только в 1998 году появляется мобильный телефон с возможность сенсорного касания.

Как работает тачскрин

Чтобы разобраться, как работает сенсорный экран, следует изучить его внутреннее устройство. Тачпанель представлена в виде слоев, каждый из которых выполняет отведенную функцию. Упрощенно конструкция дисплея состоит из внешней части — стекла, антибликового покрытия, средней — диодов, и внутренней — матрицы с микродиодами.

Если смотреть глубже на месторасположение и функцию каждой составляющей, то самой дальней частью от человеческого глаза будут микродиоды. Это микро лампочки, служащие для подсвечивания изображения. Располагаются под матрицей.

Матрица смартфона устроена по аналогии телевизора, компьютера, интерактивной доски. Представлена в виде слоя жидких кристаллов. Поверхностью выше расположены диоды — чувствительные к касанию элементы, находящиеся на верхней части отображающего слоя.

Далее идут видимые глазу составные элементы: стекло и антибликовое покрытие. Стекло играет роль перегородки между внутренним и внешним составляющими устройства, а антибликовое покрытие предназначено для удобства восприятия подаваемой информации с экрана. Оно защищает от бликов при избытке солнечных лучей.

Роль сенсорной поверхности в экране

Существуют кнопочные аппараты и сенсорные. Разница в спектре возможностей, характеристике, применении.

Устройства без системы тачскрин ограничены в использовании, с гаджетом может взаимодействовать только один человек. Сенсорное стекло получило положительный отклик среди пользователей, после чего начали производить аналогичные устройства с технологией тачскрин, но видоизмененные: интерактивные доски, панели, столы, планшеты и прочее. Сенсорные устройства предназначены для ускоренного процесса работы или обучения. Спектр возможностей шире, чем у кнопочных, что приводит к меньшему по объему затраченного времени на работу. Изобретение сенсорных экранов привело к ускорению рабочего процесса.

Где применяется технология тачскрин

Первоначально тачскрин применялся в конструкции карманных индивидуальных компьютеров (КПК, PDA) и не имел широкого спектра применения. Использование тачскрин на телефоне удобно, но непрактично, поэтому технология получила расширение. Появились усовершенствованные устройства с идентичным способом управления, т.е. при помощи касания подушечкой пальца или специального пера. Это интерактивные доски, столы, планшеты, киоски и прочее. Увеличение разнообразия цифровых аппаратов и их практичности повлекло к расширению области эксплуатации.

Сферы применения тачскрин:

• образовательная;
• рабочая;
• сфера обслуживания;
• медицинская;
• общественная;
• культурная;
• сфера продаж, коммерции и прочее.

Технология сенсорной системы позволяет начать работу с устройством без предварительной подготовки, что облегчает процесс взаимодействия с аппаратом. Из-за удобства эксплуатации программу тачскрин устанавливают на терминалы в общественных местах: магазинах, торговых центрах, выставочных залах. В роли носителей информации выступают сенсорные терминалы, киоски, цифровые трибуны и т.д.

Самые распространенные типы тачскринов

Работа touchscreen экрана поверхностно понятна, но с точки зрения физики — уже не очень. Существует множество типов сенсорных экранов, одни устарели и не применяются, а другие получили спрос. Ниже представлен список распространенных тачскрин экранов.

Поверхностно-емкостные

Устройства с поверхностно-емкостной технологией работают по принципу прерывания переменного тока. На поверхность экрана нанесен электропроводящий слой, а на каждый из четырех углов устройства за счет электродов проводится слабый переменный ток. Палец человека или стилус (специальное перо для работы с сенсорным экраном) выступает в роли проводника, и при прикосновении происходит утечка тока. После касания экрана значение силы тока изменяется. Электроды, расположенные на углах прибора, меняют свою характеристику, на основании чего контроллер высчитывает точку на дисплее, на которую подают команду, т.е. место прикосновения.

Проекционно-емкостные

Если в поверхностно-емкостной технологии электроды расположены на углах устройства, то в проекционно-емкостной по всей поверхности экрана растянута сеть из электродов. Касание дисплея пальцем или прибором задевает электрод и вызывает конденсат. В точке касания образуется заряд и энергия, вследствие чего напряжение между телом человека и электродом, на который пришлось прикосновение, увеличивается. Контролирующие датчики автоматически вычисляют, на какую область монитора подается команда.

Прибор, имеющий емкостный экран, может быть оснащен системой мультитач — восприятие от двух до десяти и более касаний одновременно. Также преимуществом технологии считается высокая прозрачность экрана, что позволяет устанавливать толстые стекла для прочности при использовании устройства в общественных местах.

Инфракрасные

Технология инфракрасного сенсорного экрана не так распространена как проекционно- и поверхностно-емкостная. Но за счет простоты устройства сохраняется высокая четкость информации, транслируемой с экрана. Поэтому инфракрасную технологию применяют в электронных книгах, где важно качество изображения.

По периметру устройства находятся светодиоды, которые испускают инфракрасное излучение. Одна линейка светодиодов расположена по вертикали, другая — по горизонтали. Конструкция образует сетку из инфракрасных лучей с незначительным углом рассеивания. Вертикальные полосы расположены на мембране, а горизонтальные — на стеклянной поверхности. В месте касания экрана сетка из лучей перекрывается, и контроллер высчитывает координаты точки касания.

К недостаткам технологии пользователи относят то, что сенсорный экран подвержен механическому загрязнению, в результате чего нарушается скорость работы устройства.

Индукционные

Внутреннее устройство схоже с инфракрасным. В основе лежит сетка чувствительных датчиков, воспринимающая прикосновения. Но проводящие лучи образованы катушкой индуктивности. Управлять таким экраном можно исключительно индуктивным пером, которое заряжается от электромагнитного резонанса, то есть при каждом соприкосновении с экраном. При касании пером стекла меняется напряженность магнитного поля, после чего специальные датчики фиксируют место резонанса и распознают подаваемую команду.

Благодаря точному распознаванию места нажатия устройство применяют в графическом дизайне. Появляется возможность создания точных тонких деталей или конструкций.  

Недостатком индукционных экранов является то, что технология воспринимает исключительно индукционное перо, остальные проводники не способны управлять устройством. Прибор уместно устанавливать в местах с работой, привязанной к одной локации: школах, офисах. Тогда условие наличия специализированного пера не создает неудобств. В повседневности индукционный сенсорный экран менее пригоден, т.к. требует постоянного наличия стилуса.

Преимущества технологии:

• способность различать силу нажатия на экран;
• точность определения места нажатия.

Недостатки:

• стоимость;
• условие работы исключительно с индукционным пером.

Резистивные

Резистивный сенсорный экран считается первопроходцем в мире тачскрин. Именно по аналогии резистивной технологии комплектовали последователей сенсорных аппаратов.

Резистивные экраны разделяются на четырехпроводные и пятипроводные.

Четырехпроводные: устройство представлено в виде одной панели, состоящей из стекла и мягкой мембраны, которая оснащена резистивным покрытием. На каждом из стекол нанесена тонкая токопроводящая стенка. Расстояние между двумя составляющими заполнено изоляторами. При нажатии происходит замыкание цепи и контроллер способен высчитать место нажатия и команду к действию. В роли «контроллера» выступают электроды, расположенные на углах матрицы.

Пятипроводные: отсутствие резистивной мембраны является отличительной особенностью от предыдущего типа. Восприятие сигнала ведется через отслеживание изменения напряжения мембраны. Преимуществом технологии является то, что при повреждении матрицы сенсор продолжает воспринимать сигналы.

Преимущества резистивной технологии:

• реакция даже на изолированный проводник (рука в перчатке);
• низкая стоимость.

Недостатки:

• не поддерживает мультитач;
• реакция резистивной матрицы исключительно на нажатия, следовательно отсутствует возможность восприятия команд в виде скольжения по экрану.

Менее актуальные типы сенсорных экранов

Разработчики тачскрин экранов стремятся сделать взаимодействие с телефоном или интерактивным оборудованием удобным и простым. История создания сенсора имеет множество ответвлений, среди которых находятся и менее удачливые разработки.

Оптические

В системе оптического сенсорного экрана заложены камеры с инфракрасной подсветкой. В двух или четырех углах дисплея расположены камеры, каждая из которых имеет ИК подсветку. Подсветки периодически и поочередно зажигаются. Если в поле лучевой сетки не попадает объект (палец или стилус), то свет не преломляется и устройство остается в положении покоя. При попадании объекта на сетку, границы ИК нарушаются, и контроллеры регистрируют на место изменения лучевой структуры.

Технология мультитач на оптическом устройстве узко применима. Сенсорный экран с двумя камерами воспринимает от одного до двух касаний. Четырехкамерный распознает 4-6 касаний, но при этом высока неточность восприятия команды. Разработка применяется в LCD —жидкокристаллических дисплеях (смарт часы, телевизор) и проекционных дисплеях.

Матричные

Матричный экран схож с технологией резистивного тачскрина. Основа также представлена в виде двух пластин — гибкой мембраны и стекла. Отличие заключается в дифференцировке проводников на вертикальные, которые крепятся на мягкую мембрану, и горизонтальные, расположенные на стекле.

Принцип работы аналогичен резистивной технологии: при соприкосновении объекта с монитором, гибкая мембрана прогибается и верхние и нижние проводники соприкасаются. Контроллер фиксирует место касания для обработки сигнала.

Также отличие матричных экранов от резистивных в сниженной цене и простоте.

Тензометрические

В отличие вышеперечисленных видов тачскринов, тензометрические сенсорные экраны работают на деформации дисплея.

Устройство тензометрического монитора устойчиво перед колебанием температур, подходит для массового пользования в общественных местах, в целом оснащен крепким устойчивым каркасом.

Преимущества:

• прочное покрытие устройства (низкая вероятность разбить экран);
• различает силу касания;
• защита от внешних факторов — пыли, грязи, влаги;
• непредельная прозрачность: 95%.

Недостатки:

• низкая точность распознавания касания.

Преимущества и недостатки сенсорных экранов

Перед покупкой сенсорного устройства или принятия решения, оснастить уже имеющееся устройство тачскрин-системой, логично ознакомиться с ее преимуществами и недостатками.

Преимущества:

• простота в использовании;
• широкий спектр применения;
• интерактивность;
• простой графический интерфейс;
• оперативный доступ к настройкам;
• вариативность размеров экрана;
• антивандальное покрытие.

Недостатки:

• недостаточность управления сенсером, потребность в установке кнопочной клавиатуры (случай с компьютером, ноутбуком);
• расход большего количества энергии;
• повышенная цена;
• сенсорный экран требует большего ухода, т.к. высока вероятность загрязнения от работы пальцами;
• физическое повреждение экрана приводит к нарушению функционала тачскрина.

Виды поломок тачскрина

Если емкостный тачскрин вышел из строя, вам сразу станет об этом известно. Ряд характерных изменений в поведении устройства скажут о поломке.

Визуально заметные поломки:

• зеркальное реагирование команды;
• частичное восприятие касания;
• чужеродные элементы на экране;
• искажение восприятия.

Вышеперечисленные поломки подлежат исправлению в зависимости от степени повреждения. В некоторых случаях возможен ручной ремонт в домашних условиях —  калибровка. Доступность функции зависит от возможности гаджета. Нужно зайти в настройки и найти опцию «Калибровка». После запуска программы устройство выполнит корректировку по работе с тачскрином.

Уязвимым к повреждениям устройство делает стеклянный экран, который страдает от неправильной эксплуатации аппарата. В результате появляется трещина или глубокая царапина, способная нарушить систему тачскрин. Решением проблемы служит полная замена touchscreen. Ранее изготавливались смартфоны с разделением между сенсорной технологией и экраном, что при повреждении позволяло заменить только одну деталь. Такой метод финансово экономнее. Сейчас выпускают устройства с общим тачскрин дисплеем, где стекло неотделимо от сенсорной системы, что делает ремонт дороже.

Чтобы предотвратить повреждение, производители рекомендуют оснащать устройство защитным стеклом, которое при креплении на смартфон обезопасит его от механической поломки.

Чем отличается тачскрин от дисплея

Отличие двух составляющих заключается в функционале.

Тачскрин — это система, встроенная в цифровой аппарат для выполнения функций через прикосновения пальца или стилуса. В переводе с английского «touch» — прикосновение, «screen» — экран. Из названия исходит принцип применения технологии.

Дисплей — это верхняя часть экрана устройства, на которой отображается информация или иллюстрация для восприятия.

Совмещая тачскрин и дисплей при помощи технологии ламинирования, получают сенсорный дисплей, склеенный прозрачным герметиком. Такие конструкции распространены на цифровом рынке, несмотря на то, что при повреждении одного из двух составляющих система целиком выходит из строя.

Что такое multi touch

Создание сенсорных экранов получило положительный отклик среди пользователей, после чего технология продолжила развиваться. Следующим шагом цифровой эволюции стала система мультитач. Это вариант усовершенствованного сенсорного дисплея, который воспринимает не одно касание, а от двух и более одновременно.

Сам термин «multi» в переводе с английского обозначает «много, несколько», а «touch» — «прикосновения», из чего получаем соответствие названия устройства с его основной функцией.

Аппараты с функцией мультитач распространены в профессиональной и образовательной сферах, представлены в виде интерактивов: досок, планшетов, столов, экранов и прочее. При работе с аудиторией технология нескольких касаний ускоряет процесс обучения или проектирования, позволяет одновременно работать на одной доске от двух до десяти человек.