Тип сенсорного экрана емкостный экран. Инфракрасный сенсорный экран. Характеристики резистивных экранов

О том, у какого телефона экран лучше, ходят постоянные споры. Особенно между владельцами техники Apple и теми, кто предпочитает устройства на платформе Android.

Это простая инфографика красиво раскладывает по полочкам все преимущества того или иного типа сенсорного экрана. Надеюсь, при покупке очередного смартфона она поможет вам сделать правильный выбор и не переплачивать кругленькую сумму.

Итак, сущестует три типа сенсорных экранов: Резистивные (Resistive), Емкостные (Capacitive) и Инфракрасные (Infrared)

Резистивные (Resistive)

Телефоны с резистивными экранами: Samsung Messager Touch, Samsung Instinct, HTC Touch Diamond, LG Dare

Как они работают? Маленькие точки разделяют несколько слоев материала, который передает ток. Когда верхний гибкий слой надавливает на нижний слой, электрический ток меняется и рассчитывается место воздействия, то есть прикосновения.

Сколько стоит изготовление? Расходы на изготовление резистивных сенсорных экранов не очень велики — $ .

Материал экрана. Слой гибкого материала (обычно пленка из полиэстра) накладывается сверху на стекло.

Инструменты воздействия. Пальцы, пальцы в перчатках или стилус.

Видимость на улице. Плохая видимость в солнечную погоду.

Возможность мультижестов. Нет.

Долговечность. Для его стоимости экран служит достаточно долго. Легко царапается и подвержен другим мелким повреждениям. Довольно быстро изнашивается и требует замены.

Емкостные

Телефоны с емкостными сенсорными экранами: Huawei Ascend, Sanyo Zio, iPhone, HTC Hero, DROID Eris, Palm Pre, Blackberry Storm.

Как они работают? Ток транслируется из углов экрана. Когда палец касается экрана, он меняет направление тока и таким образом рассчитывается место касания.

Сколько стоит изготовление? Достаточно дорого — $$ .

Материал экрана. Стекло.

Инструменты воздействия. Только пальцы без перчаток.

Видимость на улице. Видимость в солнечный день хорошая.

Возможность мультижестов. Есть.

Долговечность.

Инфракрасные

Телефоны с инфракрасными сенсорными экранами: Samsung U600 (тепло), Neonode N2 (оптический).

Как они работают? Для того, чтобы среагировал тепло-чувствительный экран, к нему нужно прикоснуться теплым объектом. Оптический экран использует сетку невидимых датчиков прямо над экраном. Точка касания рассчитывается на основе той точки, где ось x-y была нарушена.

Сколько стоит изготовление? Очень дорого — $$$ .

Материал экрана. Стекло.

Инструменты воздействия. Оптический — пальцы, перчатки и стилус. Тепло-чувствительный — теплые пальцы без перчаток.

Видимость на улице. Видимость в солнечную погоду хорошая, но сильный солнечный свет влияет на продуктивность и точность.

Возможность мультижестов. Да.

Долговечность. Служит достаточно долго. Стекло разрушается только от серьезных повреждений.

В настоящее время уже никого не удивишь сенсорным экраном. Более того, уже странно видеть устройства без сенсора, особенно, когда речь идет о мобильных гаджетах. Это обусловлено стремлением увеличить площадь рабочей поверхности. Но часто ли мы задумываемся о том, какой тип дисплея используется в том или ином устройстве? Случалось ли такое, что, купив новый планшет или смартфон, мы пытаемся управлять им с помощью привычно цифрового пера, но вот незадача, устройство попросту не реагирует на его прикосновение. Видимо, экран выполнен по другой технологии, емкостной, которая постепенно начинает вытеснять своего предшественника, дисплей резистивного типа.

Можно встретить большое количество сенсорных дисплеев, отличающихся не только конструктивными особенностями, но и принципом работы. На сегодняшний день существуют следующие типы сенсорных экранов: резистивный, емкостной, проекционно-емкостной, матричный, сенсорный экран на поверхностно-акустических волнах, инфракрасный, тензометрический, индуктивный.

В настоящий момент в электронной технике используются два основных типа сенсорных экранов: резистивный и емкостной. О них мы и поговорим подробней, а также попытаемся выделить сильные и слабые стороны каждого.

Вначале рассмотрим принцип работы резистивного сенсорного экрана. Он состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые в свою очередь надежно изолируют проводящие поверхности, равномерно распределившись по активной области экрана. При нажатии на дисплей, панель и мембрана замыкаются, а контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления, преобразовывая его в координаты касания. Именно по этой причине на такой экран можно нажимать любым твердым предметом, это может быть, как ноготь, так и специальный стилус, и даже обычный карандаш. Как следствие такого строения, резистивные экраны постепенно изнашиваются, из-за чего и возникает необходимость в периодической калибровке экрана, чтобы при нажатии на дисплей происходила правильная обработка координат точки касания.

Бывают четырех-, восьми-, пяти-, шести- или семиэлектродные экраны. Самыми простыми в изготовлении, следовательно, и самыми дешевыми, являются четырехэлектродные. Они выдерживают всего 3 миллиона нажатий в одну точку. Пятипроводные уже будут значительно надежнее - до 35 миллионов нажатий, в них четыре электрода расположены на панели, а пятый находится на мембране, которая покрыта токопроводящим составом. Стоит отметить, что пятипроводные и последующие версии шести- и семипроводные экраны продолжают работать даже при повреждении части мембраны.

Преимущества

К достоинствам резистивного экрана можно отнести невысокую стоимость его производства, а, следовательно, и устройства, в котором он используется. Кроме этого, стоит отметить, что отзыв сенсора здесь не зависит от состояния поверхности экрана, даже в случае загрязнения, тачскрин остается таким же чувствительным. Следует также выделить точность попадания в нужную точку, т.к. используется густая решетка резистивных элементов.

Недостатки

В качестве недостатков резистивных экранов выделим низкое светопропускание, не более 70% или 85%, поэтому требуется повышенная яркость подсветки. Также это низкая чувствительность, т.е. просто прикасаться пальцем не достаточно, требуется надавливание, так что без цифрового пера или длинных ногтей не обойтись. Данный тип в большинстве случаев не поддерживает мультитач, т. е. экран понимает лишь одно касание. При взаимодействии с экраном нужно прилагать определенные усилия, чтобы передать какую-либо команду, а переусердствовав можно не только поцарапать, но и повредить дисплей. Как уже было сказано выше, для правильного функционирования периодически необходимо производить калибровку экрана.

Емкостной сенсорный экран

Емкостной экран представляет собой стеклянную панель, которая покрыта прозрачным резистивным материалом, в котором, как правило, используется сплав оксида индия и оксида олова. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение, они следят за течением зарядов в экране, и передают данные в контроллер, определяя, таким образом, координаты точки касания. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом; при касании пальцем на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем потенциалы электрода, т. к. тело человека обладает способностью проводить электрический ток и имеет некоторую емкость. На экране нет никаких гибких мембран, что обеспечивает высокую надежность и позволяет снизить яркость подсветки. Данный тип экрана способен одновременно определять координаты двух и более точек касания, что и означает поддержку мультитач.

Подвидом емкостных стали проекционно-емкостные экраны. Работают они по схожему принципу. Отличие заключается в том, что базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, благодаря чему сенсор получается более защищенным. В основном дисплеи такого типа используются в современных мобильных устройствах.

Взаимодействие с емкостным экраном должно осуществляться только проводящим предметом, голым пальцем или специальным стилусом, который обладает электрической емкостью. Количество нажатий до выхода сенсорных элементов из строя достигает более 200 млн раз.

Преимущества

Из плюсов емкостных экранов выделим, что даже на ярком солнце видимость остается достаточно хорошей, чего нельзя сказать о резистивном экране, т. к. он отражает много окружающего света. Преимуществом также стала возможность быстрого и точного распознавания касания без использования дополнительных аксессуаров. Несомненным достоинством экранов этого типа является более длительное время службы сенсора, по сравнению с предыдущим типом. Также появился «многопальцевый» интерфейс или мультитач, хотя далеко не во всех устройствах с экраном такого типа он реализован в полной мере.

Недостатки

К негативным сторонам использования емкостного сенсорного экрана можем отнести более высокую стоимость по причине сложности производства. Взаимодействие с дисплеем возможно только при касании с материалом, который является проводником. По этой причине для работы с ним приобретаются специальные емкостные стилусы или перчатки, особенно это становится актуальным в холодную погоду, а это еще одна статья расходов.

Подводя итог, напомним, что резистивные экраны чувствительны к нажатию, а емкостные реагируют на касание. Точность емкостных дисплеев сравнима с точностью резистивных, но емкостной тип отличается более высокой надежностью за счет отсутствия гибкой мембраны, а меньшее количество слоев делает их более прозрачными.

Бытует мнение, что резистивные дисплеи уже отжили свое, а будущее - за емкостными. Действительно, переход от механико-электрического ввода к электрическому уже много значит, т. к. возросла точность определения координат, и появился мультитач.

Тем не менее, сегодня на рынке электронной техники еще остается большое количество устройств с резистивными экранами, но они потихоньку начинают вытесняться гаджетами с емкостными сенсорами. Наблюдая эту тенденцию, можно предположить, что первые в скором времени и вовсе исчезнут.

Применение

Сенсорные экраны используются в платёжных терминалах , информационных киосках , оборудовании для автоматизации торговли, карманных компьютерах , мобильных телефонах , игровых консолях, операторских панелях в промышленности.

Достоинства и недостатки в карманных устройствах

Достоинства

Простота интерфейса.
В аппарате могут сочетаться небольшие размеры и крупный экран.
Быстрый набор в спокойной обстановке.
Серьёзно расширяются мультимедийные возможности аппарата.

Недостатки

Достоинства и недостатки в стационарных устройствах

Достоинства

В информационных и торговых автоматах, операторских панелях и прочих устройствах, в которых нет активного ввода, сенсорные экраны зарекомендовали себя как очень удобный способ взаимодействия человека с машиной. Достоинства:

Повышенная надёжность.
Устойчивость к жёстким внешним воздействиям (включая вандализм), пыле- и влагозащищённость.

Недостатки

Эти недостатки не позволяют использовать только сенсорный экран в устройствах, с которыми человек работает часами. Впрочем, в грамотно спроектированном устройстве сенсорный экран может быть не единственным устройством ввода - например, на рабочем месте кассира сенсорный экран может применяться для быстрого выбора товара, а клавиатура - для ввода цифр.

Принципы работы сенсорных экранов

Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах.

Резистивные сенсорные экраны

Четырёхпроводной экран

Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экрана

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:

На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко, и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надёжности.

Пятипроводной экран

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем . Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.

Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Особенности

Резистивные сенсорные экраны дёшевы и стойки к загрязнению. Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым гладким твёрдым предметом: рукой (голой или в перчатке), пером, кредитной картой, медиатором. Их используют везде, где вандализм и низкие температуры не исключены: для автоматизации промышленных процессов, в медицине, в сфере обслуживания (POS-терминалы), в персональной электронике (КПК). Лучшие образцы обеспечивают точность в 4096×4096 пикселей.

Недостатками резистивных экранов являются низкое светопропускание (не более 85% для 5-проводных моделей и ещё более низкое для 4-проводных), низкая долговечность (не более 35 млн нажатий в одну точку) и недостаточная вандалоустойчивость (плёнку легко разрезать).

Матричные сенсорные экраны

Конструкция и принцип работы

Конструкция аналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану - вертикальные.

При прикосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет, какие проводники замкнулись, и передаёт в микропроцессор соответствующие координаты.

Особенности

Имеют очень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специально располагать с учётом клеток матричного экрана . Единственное достоинство - простота, дешевизна и неприхотливость. Обычно матричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрице кнопок); это позволяет наладить мультитач . Постепенно заменяются резистивными.

Ёмкостные сенсорные экраны

Конструкция и принцип работы

Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток .

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток - это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят не токопроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90%. Впрочем, проводящее покрытие, расположенное прямо на внешней поверхности, всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, лишь установленных в защищённом от непогоды помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран, например, iPhone является проекционно-ёмкостным , а не ёмкостным .

Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны

Конструкция и принцип работы

На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор ; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Особенности

Прозрачность таких экранов до 90%, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁCЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм , что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны широко применяются и в персональной электронике, и в автоматах, в том числе установленных на улице.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран iPhone (основоположник «бума технологии», примерно 2007 год) является проекционно-ёмкостным.

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах

Конструкция и принцип работы

Экран представляет собой стеклянную панель с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), находящимися по углам. По краям панели находятся отражающие и принимающие датчики. Принцип действия такого экрана заключается в следующем. Специальный контроллер формирует высокочастотный электрический сигнал и посылает его на ПЭП. ПЭП преобразует этот сигнал в ПАВ, а отражающие датчики его соответственно отражают. Эти отражённые волны принимаются соответствующими датчиками и посылаются на ПЭП. ПЭП, в свою очередь, принимают отражённые волны и преобразовывают их в электрический сигнал, который затем анализируется с помощью контроллера. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, а микроконтроллер вычисляет положение точки касания. Реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористая резина).

Особенности

Главным достоинством экрана на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является возможность отслеживать не только координаты точки, но и силу нажатия (здесь, скорее, способность точно определять радиус или область нажатия), благодаря тому, что степень поглощения акустических волн зависит от величины давления в точке касания (экран не прогибается под нажатием пальца и не деформируется, поэтому сила нажатия не влечет за собой качественных изменений в обработке контроллером данных о координатах воздействия, который фиксирует только область, перекрывающую путь акустических импульсов). Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как свет от отображающего прибора проходит через стекло, не содержащее резистивных или проводящих покрытий. В некоторых случаях для борьбы с бликами стекло вообще не используется, а излучатели, приёмники и отражатели крепятся непосредственно к экрану отображающего устройства. Несмотря на сложность конструкции, эти экраны довольно долговечны. По заявлению, например, американской компании Tyco Electronics и тайваньской фирмы GeneralTouch, они выдерживают до 50 млн касаний в одной точке, что превышает ресурс 5-проводного резистивного экрана. Экраны на ПАВ применяются, в основном, в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Как правило, экраны ПАВ различают на обычные - толщиной 3 мм, и вандалостойкие - 6 мм. Последние выдерживают удар кулаком среднего мужчины или падение металлического шара весом 0.5 кг с высоты 1.3 метра (по данным Elo Touch Systems). На рынке предлагаются варианты подключения к компьютеру как через интерфейс RS232, так и через интерфейс USB. На данный момент большей популярностью пользуются контроллеры к сенсорным экранам ПАВ, поддерживающие и тот, и другой тип подключения - combo (данные Elo Touch Systems).

Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбои в работе при наличии вибрации или при воздействии акустическими шумами, а также при загрязнении экрана. Любой посторонний предмет, размещённый на экране (например, жевательная резинка), полностью блокирует его работу. Кроме того, данная технология требует касания предметом, который обязательно поглощает акустические волны, - то есть, например, пластиковая банковская карточка в данном случае неприменима.

Точность этих экранов выше, чем матричных, но ниже, чем традиционных ёмкостных. Для рисования и ввода текста они, как правило, не используются.

Инфракрасные сенсорные экраны

Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост - сетка, сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами, прерывается при касании к монитору любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.

Особенности

Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения, например, в электронных книгах . Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Часто на таком принципе делают клавиатуры домофонов . Данный тип экрана применяется в мобильных телефонах компании Neonode.

Оптические сенсорные экраны

Стеклянная панель снабжена инфракрасной подсветкой. На границе «стекло-воздух» получается полное внутреннее отражение , на границе «стекло - посторонний предмет» свет рассеивается. Остаётся заснять картину рассеяния, для этого существуют две технологии:

Особенности

Позволяют отличить нажатия рукой от нажатий какими-либо предметами, есть мультитач . Возможны большие сенсорные поверхности, вплоть до классной доски .

Тензометрические сенсорные экраны

Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Применение аналогично проекционно-ёмкостным: банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.

Сенсорные экраны DST

Основная статья: Dispersive Signal Technology

Сенсорный экран DST (Dispersiv́e Signal Technology) реагирует на деформацию стекла. Возможно нажатие на экран рукой или любым предметом. Отличительной особенностью является высокая скорость реакции и возможность работы в условиях сильного загрязнения экрана.

Индукционные сенсорные экраны

Индукционный сенсорный экран - это графический планшет со встроенным экраном. Такие экраны реагируют только на специальное перо.

Применяются, когда требуется реакция именно на нажатия пером (а не рукой): художественные планшеты класса high-end, некоторые модели планшетных ПК .

Сводная таблица

	Матр	4-пров	5-пров	Ёмк	Пр-ёмк	ПАВ	ИК-сетка	Опт	Тензо	DST	Индукц
Функциональность
Рука в перчатке	Да	Да	Да		Да	Да	Да	Да	Да	Да
Твёрдый проводящий предмет	Да	Да	Да	Да	Да		Да	Да	Да	Да
Твёрдый непроводящий предмет	Да	Да	Да				Да	Да	Да	Да
Мультитач	Да 1		Да 7	Да	Да		Да 1	Да
Измерение силы нажатия					Да	Да		Да	Да		Да
Предельная прозрачность, % 2	85	75	85	90	90	100	100	100	95		90
Точность 3	Низ	Выс	Выс	Выс	Выс	Сред	Низ	Сред	Низ	Выс	Выс
Надёжность
Срок жизни, млн. нажатий	35	10	35	200	∞ 4	50	∞ 5	∞ 4	???	∞ 4	∞ 4
Защита от грязи и жидкостей	Да	Да	Да	Да	Да			Да	Да	Да	Да
Устойчивость к вандализму					Да			Да	Да
Применение 6	Огран	Огран	Огран	Помещ	Улица	Помещ	Помещ	Помещ	Улица	Помещ	Огран

1 Поддерживается с ограничениями.
2 Если нужна только стеклянная панель, без каких-либо прозрачных проводящих плёнок - условно 95%. Если не нужна даже она (можно применить штатное покрытие экрана) - условно 100%
3 Высокая - до пикселя (точно отслеживает острое перо). Средняя - до нескольких пикселей (достаточная для нажатий пальцем). Низкая - крупными блоками экрана (невозможно рисование, требуются очень крупные элементы интерфейса).
4 Ограничивается надёжностью электроники
5 Ограничивается загрязнением датчика
6 Огран - аппаратура ограниченного доступа (персональная электроника, промышленная аппаратура). Помещ - общий доступ в охраняемом помещении. Улица - общий доступ на улице.
7 Программная эмуляция, обрабатывает максимум 2 нажатия.

См. также

Тачфон

В кинофильме «Крепкий орешек» герой Брюса Уиллиса с большим интересом рассматривает техническую новинку того времени - сенсорную панель для посетителей в Накатоми Плаза.

Ссылки

Замена тачскрина Инструкции по замене тачскринов

Примечания

Touch Screen - History of the Touch Screen Computer Interface (англ.)
Company history from Elographics to Elo TouchSystems, 1971 - present - Elo TouchSystems - Tyco Electronics
HP History: 1980s (англ.)
В резистивных экранах существует отдача при нажатии - это делает работу руками более комфортной. Кроме того, в некоторых телефонах удачное нажатие подтверждается вибрацией. Но такой отдачи, конечно же, недостаточно для того, чтобы на ощупь отличить один элемент интерфейса от другого.
Мухин И. А.

Статья:

Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.

Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - one glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.

Экран

Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

Немного детальнее об этом процессе.

Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).

В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:

Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) .

Структура дисплеев AMOLED

Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).

Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.

В данной статье мы рассмотрим различные виды сенсорных экранов, их особенности, плюсы и минусы технологии.

«Мультитач»

Данная технология позволяет распознавать одновременно несколько нажатий в разных точках экрана. Это открывает новые возможности в управлении устройством. Примером технологии «мультитач» является Apple iPhone .

Емкостные сенсорные экраны

Например: HTC Wildfire

Чувствительный элемент емкостного сенсорного экрана представляет собой стекло, покрытое прозрачным проводящим составом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). По углам панели размещены четыре электрода, которые подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение.

При прикосновении пальцем (или иным проводящим предметом) к такому экрану, образуется емкостная связь между пальцем и экраном (утечка тока), что вызывает импульс тока в точку контакта. Контроллер экрана замеряет силу образующегося при этом тока по всем четырем электродам. Электрический ток из каждого угла экрана пропорционален расстоянию до точки касания, таким образом контроллеру достаточно просто сравнить эти токи для определения места касания.

Плюсы: надежный прозрачный экран с малым временем отклика, обладающий высокой прочностью и долговечностью.

Минусы такого экрана заключаются в том, что управлять им можно только пальцами или специальным стилусом, обладающим электрической ёмкостью. Потому зимой можете забыть об использовании такого экрана в перчатках. И к тому же при низких температурах электрические характеристики сенсора изменяются, и порой он может работать некорректно (от неправильного определения координат нажатия до полной неработоспособности).

Проекционно-емкостные экраны

Например: Apple iPhone

Существует еще одна разновидность емкостного сенсора – проекционно-емкостный экран. На его тыльную сторону нанесена сетка электродов, на которые подаётся слабый ток, а место касания определяется по точкам с повышенной ёмкостью.

Такие экраны, кроме высокой прозрачности и долговечности, имеют еще два важных преимущества – стекло-подложка может быть сделана сколь угодно прочной (и довольно толстой), к тому же они позволяют использовать технологию «мультитач», которую не могли себе позволить обычные ёмкостные экраны.

Минусом может являть немного более низкая точность определения координат нажатия.

Резистивные сенсорные экраны

Например: HTC Touch Diamond

Резистивный экран реагирует только на давление. Экран представляет собой стеклянный жидкокристаллический дисплей, на который наложена гибкая мембрана. На соприкасающиеся стороны нанесён резистивный состав, а пространство между плоскостями разделено диэлектриком.

При нажатии на экран пальцем (или любым другим предметом), он соприкасается с мембраной, и в точке касания начинает протекать ток. Чтобы определить место касания, контроллер экрана попарно замеряет напряжение между электродами, размещенными по краям панели. Такой экран называется 4-проводным (существуют также 5-6-7-проводные, имеющие некоторые отличия).

Особенность резистивного экрана состоит в том, что для его срабатывания требуется физическое усилие, причем нажатия ногтем он распознает лучше, чем подушечкой, реагирует на любые прикасающиеся к поверхности предметы. Устройства с резистивными экранами часто комплектуются стилусами. Такой дисплей обеспечивает более высокую точность управления (стилусом реально попасть буквально в пиксел, тогда как пальцем на емкостном экране – только в достаточно большую по площади область), но из-за постоянного контакта с твердыми предметами гибкая мембрана быстро покрывается царапинами. Именно резистивными экранами оснащено большинство мобильных устройств.

К недостаткам резистивных экранов относится также низкое светопропускание - не более 70-85%, из-за чего требуется повышенная яркость подсветки.

Зато эти экраны предельно дёшевы в производстве, чем и объясняется их широкое распространение.