Тачскрин: посмотреть и потрогать

Сенсорный экран или тачскрин, позволивший в мобильных устройствах отказаться от кнопок и клавишей, в повседневный быт вошел сравнительно недавно. Он удобен, поскольку позволяет увеличить дисплей за счет совмещения функций управления и индикации. К тому же он позволяет максимально упростить интерфейс, сделав его понятным для любого человека, включая не научившихся грамоте детей и уже начавших ее забывать глубоких старцев.

Существует массовое заблуждение, что придумал это новшество Стив Джобс (Steven Paul Jobs), глава компании Apple, занимающий в хайтеке место, по значимости сопоставимое лишь с тем, что освободил вышедший на пенсию Билл Гейтс (Bill Gates). Действительно, впервые чудесные возможности тачскрина были явлены широким народным массам на помпезной презентации iPhone три года назад, после чего о них со знанием дела заговорили даже далекие от техники люди. И вот уже четвертый месяц столь же широко и громко на потребительский рынок внедряется планшетный компьютер iPad, якобы «первый и неповторимый».

Однако неопровержимые факты истории техники свидетельствуют о том, что первые тачскрины появились в начале 1970-х годов. И отнюдь не в Кремниевой долине , а в Университете штата Кентукки (University of Kentucky). Их изобретателем был Сэмюэль Херст (George Samuel Hurst, 1927–2010), получивший два патента. Заявка на первый была подана в марте 1970 совместно с Джеймсом Парксом, а получен патент в 1972-м. У второго патента был уже только один автор — Сэм Херст, получивший его в 1974 году. В обоих случаях речь шла об определении плоских координат при помощи электрографического сенсора.

Херст долгое время работал в знаменитой Окриджской лаборатории (Oak Ridge National Laboratory) и специализировался на медицинской физике. Ему приходилось вводить в компьютер данные со множества лент самописцев, что отнимало уйму времени и было не только нудным и непроизводительным занятием, но и требовало повышенного внимания, чтобы не ошибаться во вводимых координатах точек кривых. Вернувшись в 1960-е в свою Alma Mater в Кентукки, Херст стал работать над автоматизацией этого процесса при помощи сенсорного экрана, по которому движется самописец. Для того чтобы быстро и надежно оцифровывать получаемые данные, надо было точно определять координаты точки касания самописца и экрана.

Устройство, с помощью которого это делалось, получило название Elograph, а фирма, основанная Херстом и выпускавшая такие устройства, называлась первые 20 лет своего существования Elographics, а с 1994-го — Elo TouchSystems. В настоящее время она принадлежит одной из крупнейших и старейших компаний, производящих электронику, Tyco Electronics Ltd. Сэм Херст умер совсем недавно, 7 июля, и смог стать свидетелем бурного торжества по поводу технологического триумфа его изобретения, прошедшего, правда, без упоминания его имени.

Следующим этапом в развитии сенсорных устройств стало появление в 1984 году принципа мультитач (multi touch), который позволяет распознавать не одну пару координат на плоскости, а несколько, в простейшем случае — две. Так это происходит, например, в iPhone, где сдвигание двух пальцев означает уменьшение масштаба, а одновременное движение нескольких пальцев — прокрутку текста или веб-страницы. Мультитач, очевидно, придумали одновременно несколько человек, но запатентовал идею сотрудник лаборатории Белла (Bell Labs) Леонард Кэсдей (Leonard Kasday) в 1981 году.

Как это работает

За 40 лет конструкторы создали несколько технологий, реализующих сенсорный экран. Они различаются и по физическим эффектам, в них используемым, и по сфере применения, и по стоимости, и по ряду других важных параметров.

Наиболее популярна резистивная технология — именно она была реализована Херстом. Она обладает низкой себестоимостью производства тачскринов, которые имеют неплохие технические и эксплуатационные характеристики. В связи с этим, резистивные экраны были у 91% устройств, выпускаемых на рынок до 2008 года. Однако теперь ситуация кардинально изменилась. В частности, по другой технологии делаются экраны iPad.

Резистивный экран состоит из двух прозрачных пластин, разделенных диэлектриком. Нижняя пластина жесткая, она накладывается на стекло дисплея. Верхняя — гибкая, являющаяся мембраной. Обе пластины покрыты резистивным слоем. Классический вариант резистивного тачскрина — четырехпроводной. В верхней и нижней диэлектрических прозрачных пластинах параллельно друг другу уложены нити проводника, причем нити в верхней пластине перпендикулярны нитям в нижней.

В момент касания экрана палец прижимает мембрану к нижней пластине, и резистивные слои замыкаются. В проводниках возникает электрический ток. Для определения двух координат точки касания достаточно значений электрического потенциала лишь в двух точках нижнего слоя. Однако для повышения точности в первой разработанной Херстом схеме значение потенциала мерилось в трех, а во второй — в четырех точках (в углах нижней пластины). В некоторых современных схемах измерения производятся в восьми точках.

При определении координаты Х напряжение подается на горизонтальную пару электродов, а величина, соответствующая ординате, снимается с закороченных вертикальных электродов. Для повышения точности определения координат нажатия чаще используют пять, а иногда и восемь электродов вместо четырех.

Тачскрины, работа которых основана на емкостном принципе, на первом этапе их существования были мало пригодны для работы. Поскольку в них использовалось постоянное напряжение, то оператора, на котором накапливался электростатический заряд, приходилось заземлять. При переходе на переменный ток ситуация выправилась.

Емкостный тачскрин представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным слоем. По углам расположены четыре электрода, через которые на резистор подается переменное напряжение небольшой величины. При касании экрана пальцем возникает ток утечки. Чем ближе палец расположен к какому-либо электроду, тем меньше между ними сопротивление и тем больше ток, фиксируемый для данного электрода.

Существует также и проекционно-емкостная технология, суть которой заключается в сканировании импульсами тока всей площади экрана и определения точки, в которой между пальцем и одним из электродов, разделенных стеклом, возникла емкость.

Большой популярностью у военных пользуются дешевые и надежные тачскрины, построенные на основе сетки инфракрасных лучей, расположенной поверх экрана и регистрируемой фотоэлементами.

Экраны на поверхностно-акустических волнах оснащены пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), излучающими ультразвуковую волну частотой 5 МГц. По периметру расположены принимающие и отражающие датчики. Волна, отражаясь от датчиков, обегает экран и возвращается на ПЭП, которые преобразуют ее в электрический сигнал. Палец, внесенный в зону циркуляции волны, поглощает ее, изменяя волновую картину холостого хода. Контроллер, анализируя возникшие искажения, определяет координаты прикосновения.

К настоящему времени создано довольно много способов применить электрические, механические, оптические и акустические эффекты для определения координат точки, в которой палец или специальный щуп касается плоского сенсора или экрана. Даже простое перечисление их всех вышло бы слишком долгим и утомительным: например, бывают тензометрические тачскрины, в которых анализируется распространение внутри экрана волны, возникшей в результате микродеформации при нажатии пальца; оптические тачскрины, в которых использован принцип преломления инфракрасных лучей на границе «стекло — воздух»; индуктивные тачскрины, в которых в качестве «пальца» используется стилус, представляющий собой резонансный контур. Когда такой стилус вносится в электромагнитное поле, формируемое катушками индуктивности, то возникают искажения, фиксируемые датчиками.

Создаются они для довольно узких специальных задач. Так, индуктивные экраны применяются преимущественно в планшетах для ввода графических изображений: чертежей, рисунков, рукописного текста.

Привлекательное лицо гаджетов

Идеальных тачскринов не существует. Каждый их тип обладает как определенными достоинствами, так и недостатками, что предопределяет область их применения. Так, резистивные экраны, несмотря на свою популярность, обладают невысокой светопроводностью, которая в лучших образцах достигает лишь 85%. Однако это не мешает их применению в медицине, в сфере обслуживания, в карманных компьютерах и управляющих производственными процессами терминалах.

Экраны на поверхностно-акустических волнах, во-первых, дороги, а во-вторых, неустойчиво работают при внешних шумах и вибрациях. Однако нашли применение и они, поскольку обладают уникальным для тачскринов свойством: они способны определять силу нажатия. Уникальной особенностью обладают и оптические экраны. При помощи этой технологии возможно создавать сколь угодно большие сенсорные панели, вплоть до демонстрационной классной доски.

Проекционно-емкостные экраны совмещают в себе такие качества, которые необходимы и для антивандальных терминалов, установленных на улице, и для миниатюрных мобильных устройств, созданных по последнему слову цифровой техники. Уличные терминалы могут быть «несокрушимыми» благодаря тому, что проекционно-емкостная технология позволяет использовать в таких тачскринах стекло толщиной до 18 мм.

Что же касается «последнего слова», то его «произнесению» в гаджетах во многом способствует возможность реализовать на проекционно-емкостных экранах функцию мультитач. То есть отработку одновременного прикосновения двух и более пальцев или же более сложных жестов. Именно такой тип экрана компания Apple применила в смартфоне iPhone, а теперь и в планшетнике iPad.

Последняя разработка «яблочников» вызывает немало критики. Так, например, Билл Гейтс назвал iPad «хорошей читалкой и не более того». На то есть немало оснований: отсутствие в устройстве, занимающем промежуточное положение между смартфоном и ноутбуком, камеры, параллельной работы нескольких приложений, поддержки Adobe Flash , USB-разъема… Ну, а в младших моделях планшетника нет возможности работать в сетях 3G и пользоваться GPS-навигацией …

Однако не следует забывать о столь важном параметре как соотношение цена/набор предлагаемых функций. А цена у iPad невелика: модель с объемом памяти в 16 Гбайт стоит $ 499. Максимальная цена планшетника с 64 Гбайтами памяти и выходом в 3G-сети — $829.

Так что эти деньги вполне окупаются возможностью слушать с помощью iPad музыку, смотреть фильмы, бродить по сети, читать книги и газеты, играть в игры, общаться с друзьями и даже набирать текст с виртуальной клавиатуры. Причем Apple наполняет iPad отменным контентом, что предопределено партнерскими отношениями с ведущими издательскими и массмедийными компаниями.

К еще одному несомненному достоинству «яблочного» планшетника следует отнести простоту и внятность его интерфейса, который не требует от пользователя не только специальных знаний, но даже и какой бы то ни было технической сноровки. Сенсорный экран с функцией мультитач изготовлен по проекционно-емкостной технологии немецкой компанией Balda AG. К нему даже у самых яростных критиков iPad никаких претензий не существует.

Однако на конец года компания НР запланировала выпуск планшетника HP Hurricane, работающего под управлением ОС Palm webOS. Наблюдатели уже сейчас называют его убийцей «яблочного» конкурента. Он не только будет лишен недостатков iPad (например, в нем будут даже две камеры — обычная и веб), но в нем появятся и новые функции. И важнейшая из них предопределена лучшим сенсорным экраном, который не только имеет функцию мультитач, но и позволяет вводить рукописный текст при помощи стилуса (а не только пальцем, что не всегда и не в любом возрасте удобно). Текст может либо сохраняться в графических файлах, либо расшифровываться и трансформироваться в формат txt. Впрочем, количество «убийц» у iPhone исчисляется уже десятками, но это отнюдь не мешает ему процветать и приобретать все новых и новых поклонников по всему миру.

На чем сердце успокоится…

Сейчас всё говорит за то, что за сенсорными экранами будущее. Развитию этой технологии конструкторами и идеологами электронной аппаратуры придается сейчас особое значение. Тачскрин неожиданным образом превращается из «лишь» одного из множества полезных «девайсов» в лицо поставляемой на рынок продукции. А лицо должно быть привлекательным, что в полной мере осознает не один только Стив Джобс.

Судя по сведениям, которые поступают из исследовательских центров электронных корпораций, в обозримом будущем можно ожидать увеличения функциональности тачскринов. Например, они смогут считывать информацию с пластиковых карт, радиочастотных меток или с приложенной к экрану страницы с текстом. Перспективным представляется и оснащение сенсорных экранов «глазами», то есть камерами. Сейчас это направление развивается с целью распознавания пальцевых жестов при отсутствии контакта с экраном. В будущем такие экраны можно будет использовать, скажем, для дистанционного управления аппаратурой для людей, не обладающих даром речи. Или же для создания «умных» помещений , в которых стены будут играть роль экранов, откликающихся на любое мановение руки . В общем, у человечества существует масса потребностей и причуд, и все они со временем будут удовлетворены. И немалую роль в этом деле будут играть тачскрины.