Се́нсорный экран (на англ. – Touchscreen) — устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему. Первый прозрачный сенсорный экран на резистивной технологии был разработан еще в 1974 году Сэмюэлем Херстом. В резистивных экранах имеется гибкая мембрана. Эта мембрана реагирует на нажатия. В месте нажатия она деформируется и замыкает контакты. Существует несколько подвидов резистивных экранов, имеющих некоторые технические различия. Рассмотрим самый простой из них – четырехпроводной экран:



Такой экран состоит из двух прозрачных резистивных покрытий и гибкой мембраны между ними. Каждое покрытие подсоединено к 2 контактам (проводам) по краям: “A” и “B” для верхнего, а также “C” и “D” для нижнего. Отсюда и название 4-проводной. Если надавить на экран (точка “E”), мембрана замкнет резистивные покрытия друг с другом.
Чтобы определить расстояние от контакта “A” до точки касания “E” специальный чип в телефоне замыкает контакты “C” и “D”, подключает напряжения 5 В между контактами “A” и “B”, и измеряет получаемое напряжение между контактами ”C”, “D” и “A”. Упрощенная схема выглядит так:


Чем дальше точка касания от контакта “A”, тем больше сопротивление R1, меньше – R2, и, как следствие, больше измеряемое напряжение. Чтобы измерить удаление точки касания от контакта “C”, чип переключает напряжение на контакты “C” и “D”. Дальше все по аналогии. Таким образом определяются координаты касания.
Достоинства резистивных экранов:
 Высокая точность определения места контакта.
 Простота технологии.
 Дешевизна технологии.
 Экран реагирует на надавливание любого твердого предмета.
 Экран прекрасно работает в мороз.
Недостатки резистивных экранов:
 Недолговечность. Экран легко царапается.
 Недостаточно легко прикоснутся к экрану – необходимо надавить.
 Резистивные экраны могут определять одновременно только одно касание (нет multitouch)
 Значительная часть света от экрана поглощается сенсорным покрытием.
Ввиду своих существенных недостатков, сегодня резистивные сенсорные экраны практически полностью вытеснены сенсорами, работающими на емкостных технологиях.

Технология AccuTouch разрабатывалась для использования в условиях агрессивной окружающей среды, поэтому сенсорные экраны AccuTouch превосходят другие экраны в надежности и долговечности. Резистивные экраны обладают максимальной стойкостью к загрязнению. Эта особенность позволяет AccuTouch не бояться попадания на рабочую поверхность жидкостей, конденсата, паров - и надежно работать, когда другие типы экранов выходят из строя. Экран выдерживает 35 миллионов прикосновений к одной точке.

Резистивные сенсорные экраны AccuTouch превосходно зарекомендовали себя в сфере обслуживания, в составе POS-терминалов, промышленности, медицине и транспорте. Прикоснитесь к экрану пальцем, рукой в перчатке, ногтем или кредитной картой, и Вы получите точный ответ на прикосновение.

В этой конструкции экран представляет собой стеклянную либо акриловую пластину, покрытую двумя токопроводящими слоями. Слои разделены незаметными глазу прокладками, которые предохраняют сеть вертикальных и горизонтальных проводников от соприкосновения. В момент нажатия слои контактируют и контроллер регистрирует электрический сигнал. Координаты нажатия определяются, исходя из того, на пересечении каких проводников было зарегистрировано воздействие.

Изготовленные по 4-проводной технологии экраны могут иметь диагональ 12-20 дюймов и разрешение 1024×1024 пикселей. Время реакции не превышает 10 мс, а для срабатывания нужно приложить усилие в 50-120 г/см². Погрешность определения координат может достигать 3 миллиметров. К недостаткам технологии можно отнести снижение на 75-80% мощности светового потока, излучаемого монитором. Но это компенсируется простотой устройства, низкой ценой и малой восприимчивостью к вредным внешним воздействиям.



Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экрана

5-проводной вариант резистивного экрана отличается большей надёжностью и повышенным разрешением. Если 4-проводные экраны выдерживают около 3 млн. нажатий в одну и ту же точку, то ресурс 5-проводных устройств — 35 миллионов. Разрешение же может достигать 4096×4096 точек. За это, правда, приходится платить пониженным светопропусканием — из всех разновидностей сенсоров 5-проводная панель заметнее всех «гасит» монитор. Эти панели применяются, в основном, в промышленности, медицине и торговле. А четырехпроводные резистивные экраны нашли себе место в таких устройствах, как КПК, устройства для чтения электронных книг и планшетные компьютеры: там, где важнее снизить стоимость устройства и обеспечить легкость восприятия информации.



Принцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Емкостный (электростатический) сенсорный экран

В работе емкостного экрана человек участвует не только механическим, но и электрическим образом. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом. Прикосновение пальца меняет картину заряженности, «оттягивая» часть заряда к точке нажатия. Датчики экрана, расположенные по всем четырем углам, следят за течением заряда в экране, определяя, таким образом, координаты «утечки» электронов.



Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана

Емкостные экраны также отличаются высокой надежностью (в них отсутствуют гибкие мембраны) и высокой степенью прозрачности. Правда они не годятся для работы стилусом или перчаткой — нажимать на экран необходимо «голым пальцем». Зато впечатляет надежность емкостного экрана — до миллиарда нажатий в одно и то же место. Емкостный принцип иногда используется и в «обычных» клавиатурах, причем эти клавиатуры отличаются от механических и мембранных большей надежностью и стойкостью к пыли и влаге.

Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны

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).

Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место — сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁЭ 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 применяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Реагирует на руку в перчатке. Невысокая точность дополняется параллаксом от толстого вандалоустойчивого стекла.



Принцип действия проекционно-ёмкостного сенсорного экрана

Отличают нажатие рукой от нажатия проводящим пером. В некоторых моделях поддерживается мультитач. Поэтому такая технология применяется в тачпадах и мультитач-экранах.

Акустические сенсорные экраны

Технология IntelliTouch

В основу сенсорных экранов IntelliTouch положена оригинальная технология, использующая принцип поверхностно-акустических волн. Экран представляет из себя стеклянную панель, что позволяет получить максимально качественное изображение на Вашем сенсорном мониторе. Поверхность экранов IntelliTouch способна противостоять механическим повреждениям. Прикоснитесь к экрану пальцем, рукой в перчатке или стило и Вы получите точный ответ на прикосновение. Сенсорные экраны IntelliTouch прекрасно себя зарекомендовали в торговле, сфере обучения, интеллектуальных зданиях.

Такие экраны построены с использованием миниатюрных пьезоэлектрических излучателей звука, не слышимого человеком. Стекло такого экрана постоянно незаметно вибрирует под воздействием излучателей, установленных в трех углах экрана. Специальные отражатели особым образом распространяют акустическую волну по всей поверхности экрана. Прикосновение к экрану меняет картину распространения акустических колебаний, что и регистрируется датчиками. По изменению характера колебаний можно вычислить координаты возмущений, внесенных нажатием на экран. Кроме этого, анализируя степень изменения колебаний, можно вычислить силу нажатия на экран. Это полезно при проектировании систем управления промышленным оборудованием, например, для плавного изменения скорости вращения двигателей и других параметров.



Среди плюсов акустических экранов — отсутствие покрытий, что повышает надежность и прозрачность экрана. Прохождение света ухудшается всего на 10%, а ресурс экрана оценивается в фантастические 50 млн. нажатий в одной точке. Разрешение акустических экранов может достигать 4096×4096 точек.

Технология Acoustic Pulse Recognition (APR)

Технология APR работает простым и элегантным способом – путем распознавания звука в момент касания экрана в определенной точке.

Сенсор генерирует уникальный звук в любой точке экрана. Четыре крошечных датчика, закрепленных по краям сенсорных экранов, принимает сигнал сенсора. Звук оцифровывается, затем передается контроллером и сравнивается со списком ранее записанных сигналов для каждой точки экрана. Курсор мгновенно перемещается в точку, соответствующую месту касания. APR игнорирует звуки окружающей среды и любые внешние звуки, если они не входят в ранее сохраненный список. APR отличается от предыдущих разработок методом звукового распознавания позиции касания с использованием микрофонов, потому что этот способ гораздо удобней и проще для настольных аппаратов, чем применение мощного и дорогого способа вычисления сигнала путем программного вычисления точки касания без каких-либо иных возможностей применения ссылок. Поэтому APR технология является более эффективной в соотношении цена-качество, и более экономична для больших экранов.

Теперь APR технология включает комбинацию самых лучших характеристик технологий AccuTouch и IntelliTouch. Ранее такого не достигалось в ни одной сенсорной разработке.

Хотя APR- новая технология - местами она весьма похожа на очень популярную 20 лет назад IntelliTouch. Обе разработки используют поверхность из настоящего стекла с закрепленным датчиком. Однако, если в IntelliTouch применяются датчики, преобразующие и принимающие сигналы, то в APR они лишь "слушающие".

Отличное качество изображения и износостойкость стекла

Сенсорные технологии всегда требуют, чтобы поверхность LCD монитора либо распознала прикосновение или же наоборот - защитила от касания.Изготовители экранов упорно трудятся, чтобы представить яркие и истинные цветные изображения. Таким образом, сенсорные мониторы должны искажать качество отображения картинки как можно меньше. К сожалению, поверхность экрана может потенциально уменьшить качество изображения четырьмя способами: сокращение светопередачи, добавление отражений, сокращение четкости, и изменением цветов. Стекло - основной материал для поверхности экранов по оптическим характеристикам, а так же по его твердости и длительности в использовании. Настоящее стекло имеет приблизительно 92%-ую световую передачу.Сохраняя яркость, это позволяет использовать LCD мониторы меньшей стоимости. Слои и покрытия, используемые в резистивной и емкостной технологиях, не только уменьшают светопередачу, они также изменяют оригинальные цвета экрана. Для многих сенсорных решений, типа медицинских приборов или цифровых фото киосков, приемлемо только стекло. Стекло также минимизирует отражения, поскольку не имеет слоев или металлических покрытий. Отражения могут быть утомляющими для глаз постоянных пользователей, например кассиров или игроков в казино; так же это касается киосков, на экраны которых попадает внешнее освещение. Поскольку отражения минимизированы при использовании стекла - в агрессивных антирефлексивных покрытиях или матовых технологиях рассеивания изображение таким образом сохраняет максимальную четкость. Стекло очень трудно поцарапать, (сопротивление- 7H), по сравнению с экранами, имеющими сопротивление с 3H или 4H. Стекло также является стойким к большинству химикатов и не стирается как пластмасса. Также оно устойчиво к искажениям, искажение в размерах или к сжиманию вследствие температурных изменений. Специальное антивандальное стекло также дает дополнительную возможность для использования в жестких окружающих средах. Более толстое стекло, устойчивое к высокой температуре и химикатам, или даже слоистое, могут использоваться вместо обычного стекла. По этим причинам, технология ПАВ стала основной технологией, которую устанавливают в сенсорных киосках и терминалах самообслуживания, и предпочтена многими другими для применений в игровых автоматах и медицине. Но, технология APR обладает лучшими оптическими качествами, следовательно, имеет преимущество перед технологией ПАВ. И к тому же, APR имеет более длительный срок эксплуатации.

Выбор указующего предмета

Если бы оптическое качество и прочность были единственными проблемами, то IntelliTouch экраны могли бы использоваться везде. Но иногда выбор предмета для касания перевешивает визуальное качество. Пример, при использовании в ресторане кассиром или официантом, когда абсолютно качественное изображение и чистота цвета не столь необходимы, если на экране всего лишь отображается меню, а действия служащего вряд ли повредят оборудование. То, что более важно – возможность коснуться экрана ручкой, кредитной карточкой, или картой как удостоверения личности; рабочие могут держать блюда в другой руке, а другой коснуться экрана любым указующим предметом . По этим причинам, до настоящего времени, сенсорные мониторы, с технологией AccuTouch, были самой популярной технологией, используемой в розничной продаже, ресторанах и в гостиницах в виде POS терминалов, даже несмотря на наличие внешнего пластмассового покрытия, которое ухудшает оптику и может стереться. Технология следующего поколения APR в самом ближайшем будущем получит свою долю на рынке POS- терминалов, поскольку позволяет работать с любым указующим предметом, износостойкая , и обладает лучшим качеством изображения, чем резистивный экран.

В дополнение к оптическим качествам и прочности стекла, технология APR может быть активизирована пальцем, ногтем, ручкой, стилусом, или кредитной карточкой, как и в резистивных экранах.

Стойкость к загрязнению

Для некоторых решений первичная проблема - не качество изображения, износоустойчивость, или выбор указующего предмета, а стойкость к загрязнению. Экран с технологией APR функционирует при попадании на него жидкости, грязи, кетчупа, жира, геля , а также, продолжает работать при наличии царапин. Т.е, монитор с экраном APR герметизирован в соответствии с промышленными стандартами, и при этом имеет отличное качество изображения.

Отсутствие необходимости в повторной калибровке

Сенсорные экраны обладают системой координат, независимой от основного дисплея. Картография касаний к дисплею требует конверсионного алгоритма от одной системы координат до другой. Точность этого преобразования зависит от устойчивости системы координат точки касания и видеокоординат. LCD-мониторы, в отличие от электронно-лучевых трубок, имеют изначально заложенное неподвижное положение дисплея. Немногие сенсорные технологии, например, ПАВ , также имеют неподвижную систему координат. Другие, как например, емкостные и некоторые дешевые резистивные технологии, требуют калибровки - даже периодической рекалибровки - по необходимости из-за так называемого "дрейфа". В любом случае, предпочтительно иметь сенсорную технологию, которая никогда не нуждается в калибровке. APR обладает неподвижной системой координат, которая никогда не изменяется во времени, положении, или из-за экологических изменений. С APR традиционная калибровка сенсорных экранов может быть устранена как обязательная необходимость, если размер экрана и положение установлены один раз.

Инфракрасные сенсорные экраны

В ряде случаев к качеству изображения, воспроизводимого отображающим устройством, предъявляются строгие требования. Это касается дисплеев, предназначенных главным образом для просмотра телевизионных передач, видеофильмов или для отображения иллюстративного материала (слайдов и фотографий), например, в художественном кружке или фото-студии. При необходимости оснащения такого устройства сенсорным экраном лучшим решением будет применение инфракрасной технологии. Для определения точки касания используются две линейки светодиодов, расположенные по вертикали и горизонтали, и две линейки фотодиодов, расположенные на противоположных сторонах экрана.



Каждому светодиоду соответствует свой фотодиод. Работает такая оптическая пара следующим образом. При подаче напряжения на светодиод он излучает невидимый для человека инфракрасный свет в пределах очень небольшого телесного угла, чтобы попасть на "свой" фотодиод и "не задеть" соседние. Любое препятствие (например, касающийся экрана палец руки), частично или полностью перекрывающее световой луч, приводит к уменьшению или прекращению электрического тока через соответствующий фотодиод. Это изменение фиксируется микроконтроллером, позволяя вычислить координаты касания с высокой точностью. Обычно светодиод (и соответственно фотодиод) в линейке имеет размеры порядка 2,5 мм, то есть на каждый квадратный сантиметр панели приходится четыре горизонтальных и четыре вертикальных сканирующих луча. Однако механизмы интерполяции, используемые микроконтроллером, позволяют вычислять положение препятствия с большей точностью. Инфракрасный сенсорный экран выполнен в виде рамки, которая не имеет никаких стекол или прозрачных пленок. Поэтому изменение яркости, контраста и цветопередачи изображения, а также появление дополнительных бликов исключено, что является несомненным достоинством экрана.

Инфракрасная технология не лишена ряда недостатков. Применение в качестве отображающего устройства жидкокристаллических панелей нежелательно, так как касание их поверхности может привести к повреждению TFT-транзисторов и появлению "мертвых" точек (которые всегда либо включены, либо выключены). Рамка сенсорного экрана зачастую не прилегает к экрану дисплея вплотную, а находится на некотором расстоянии, при этом вследствие параллакса становятся заметными ошибки определения координат по углам. Устройство имеет невысокую надежность, что связано, во-первых, с небольшим сроком службы ИК-свето-диодов, а во-вторых, с особенностями конструкции — оптопары боятся пыли, загрязнений и конденсата. Попадание прямого солнечного света вызывает сбои в работе. Кроме того, такие экраны имеют самую высокую стоимость. Применяются ИК-экраны обычно в образовательных учреждениях (в качестве интерактивных панелей большого размера) и в игровых автоматах.