Тачскрин – что это такое, и почему смартфон реагирует на прикосновение. Как работает сенсорный экран в телефоне – что это такое и чем отличается от дисплея

Сенсорные экраны получили широкое распространение благодаря своему удобству

Термин Touch Screen образован из двух английских слов. Первое обозначает «прикосновение», а второе − «экран». Это словосочетание полно передаёт принцип работы данного типа дисплеев, который заключается в реагировании на касание пальцев человека и выполнение определённых действий. Несмотря на то, что данный вид технологии нам кажется современным, датой изобретения первого сенсорного экрана считается 1970 год. Именно тогда преподаватель университета из Кентукки Семуэль Хёрст первым решил упростить процесс считывания информации с лент самописцев. Итогом разработки учёного стало появление первого в мире экрана, поддерживающего технологию сенсорного ввода.

К СВЕДЕНИЮ!

В новинке применялся самый примитивный тип работы: четырёхпроводной резистивный способ определения координаты точки касания.

Первыми устройствами, которые получили подобную систему ввода информации, стали компьютеры, и только в 1998 году на свет появился первый сотовый телефон, в котором применялся сенсорный набор. Им стало детище компании Alcatel. Следом свою версию тачскрина в мобильном устройстве предложила компания Ericsson. Но эти прообразы имели мало схожести с современными версиями сенсорных экранов.

Панель являлась монохромной, малого размера и давала пользователю возможность только набрать номер. Первой моделью, где сенсорный экран приобрёл современные очертания, стал коммуникатор от HTC Qtek 1010/02 XDA, выпущенный в 2002 году. А на качественно новый уровень идею применения тачскрина в мобильных устройствах вывела компания Apple, которая реализовала возможность Multitouch или реагирование на одновременное касание экрана двумя или более пальцами.

ВАЖНО !

Изобретение и массовое внедрение тачскринов принесло большое количество положительных сторон для пользователя и повысило удобство использования смартфона. Но это привело к одному значительному минусу – устройства стали более «нежными» и требовали бережного отношения, поскольку повреждение стекла могло вывести из строя весь сенсор.

Одной из областей применения тачскрина являются графические планшеты, использование которых упрощает процесс создания анимации

Что такое сенсор, и где он применяется

Современный человек уже не представляет своей жизни без устройств, имеющих сенсорный ввод, настолько прочно вошло в жизнь это изобретение. По статистике, более 90% всего населения Земли хотя бы раз сталкивались с тачскрином, который применяется в разнообразных электронных устройствах и гаджетах:

• смартфоны;
• планшеты и планшетные компьютеры;
• банковские или платёжные терминалы;
• устройства для приобретения электронных билетов;
• дисплеи (компьютерные, в холодильниках, бытовой технике).

Развитие технологии сенсорного ввода не ограничивается только мобильными устройствами. Существуют разработки, где тачскрин внедряется в значительные по площади поверхности.

К СВЕДЕНИЮ!

Не так давно был анонсирован смарт-стол, поверхность которого представляет собой один большой тачскрин. Подобную столешницу можно применять в качестве мультимедийного центра в «умном доме». Также несколько лет назад была представлена целая сенсорная стена, при нажатии на любую область которой можно вызвать различные функции.

Интерактивная стена – это технология будущего, в которой также задействован тачскрин

Некоторые люди, несведущие в технике, задаются вопросом, что такое тачскрин на планшете и чем он отличается от аналогичного устройства ввода на смартфоне. Ответ на этот вопрос прост – ничем, поскольку принцип работы сенсорного экрана аналогичен, вне зависимости от устройства, в котором он применяется.

В специальной публикации нашего портала мы подробно расскажем о сенсорных недорогих смартфонах. Вы узнаете может ли бюджетный смартфон быть хорошим: преимущества и недостатки, как выбрать смартфон по параметрам: дисплей, память, процессор.

Как работает сенсорный экран

Чтобы до конца понять, что такое тачскрин на телефоне, необходимо разобраться, из чего состоит экран смартфона и как работает сенсор. Основными элементами сенсорного экрана являются:

1. Матрица, состоящая из слоя жидких кристаллов. Аналогичная технология отображающей поверхности используется в телевизоре или мониторе компьютера.
2. Микродиоды, которые располагаются вторым слоем под матрицей и служат для подсвечивания рабочей поверхности.
3. Диоды, находящиеся на поверхности отображающего слоя, которые являются главным инструментом обработки касания.
4. Стекло, которое покрывает сам экран и предотвращает его от повреждений.
5. Антибликовое покрытие, предотвращающее появление бликов и позволяющее комфортно смотреть на экран в солнечную погоду.

Простейшая схема устройства тачскрина

Исходя из того, как работает тачскрин, можно выделить ряд преимуществ и недостатков подобной технологии диалога пользователя с электронным устройством, которые подразделяются на плюсы и минусы для стационарных устройств и мобильной техники.

К СВЕДЕНИЮ!

Множество производителей, особенно стационарных устройств, использующих в работе тачскрин, исходя из недостатков, пошли по пути дублирования возможности ввода механическими клавишами. Это нужно при выходе сенсорного экрана из строя.

Размеры современных тачскринов зависят от потребности производителя и устройства, в котором они будут применяться

Типы сенсорных экранов

Общая классификация тачскринов, которые представлены на рынке, подразумевает деление на разновидности по типу и особенностям конструкции. Наиболее используемыми остаются резистивный и ёмкостной виды, которые применяются в большинстве мобильных гаджетов. Также существуют:

• матричные;
• инфракрасные;
• проекционно-ёмкостные;
• оптические;
• сенсоры DST;
• волновые;
• индукционные.

Резистивный сенсор считается «прошлым веком» в силу несовершенства технологии

Резистивный сенсорный экран

Говоря о том, что такое Touch Screen, первым делом следует упомянуть резистивные экраны, которые стали первыми в массовом производстве. Подобные экраны состоят из двух прозрачных пластин, изготовленных из пластика, на которые нанесена тончайшая токопроводящая сетка. Между пластинками устанавливается диэлектрический слой, который требуется для улавливания нажатия на нужную область экрана пользователем.

При совершении действия владельцем смартфона (например, нажатие на нужную область экрана) происходит раздвижение диэлектрика в этом месте, что приводит к соприкосновению двух пластин между собой. Появляется ток, который регистрируется специальным контроллером, определяющим по сетке координат конкретную точку нажатия. Далее эти данные поступают в обрабатывающую программу, которая по заранее созданному алгоритму совершает необходимое действие.

За определение координат точки нажатия отвечают специальные электроды, расположенные по углам матрицы

Резистивные экраны имеют, в свою очередь, разделение на два подтипа:

1. Четырёхпроводной сенсор . Они изготавливаются всего из одной панели, выполненной из стекла и пластиковой мембраны, на которую нанесено резистивное обеспечение самого экрана. Всё свободное пространство между стеклом и пластиком заполнено изоляторами. При совершении нажатия происходит замыкание цепи, что приводит к появлению координат точки соприкосновения.
2. Пятипроводные . Отличительной особенностью данного типа является отсутствие резистивного обеспечения мембраны, наличие проводящего слоя. Это обеспечивает большую надёжность, поскольку даже после повреждения матрицы она продолжает работать. Отслеживание точки нажатия осуществляется по степени изменения напряжения мембраны.

К СВЕДЕНИЮ!

Существуют также восьмипроводные резистивные экраны, позволяющие повысить точность обработки нажатия, но не повышают надёжности данного типа сенсора.

Минусом резистивного сенсора является отсутствие поддержки мультитача

Говоря о резистивных сенсорных экранах, следует отметить их низкую стоимость, возможность совершения нажатия пальцем, стилусом и даже рукой в перчатке. Из недостатков можно выделить:

• низкую степень проводимости световых лучей;
• подверженность появления царапин и трещин вследствие удара;
• отсутствие мультитача;
• короткий срок службы, который составляет в среднем не более 34 млн нажатий;
• невозможность реализации функции скольжения по экрану, поскольку резистивная матрица реагирует только на нажатие.

Ёмкостный сенсорный экран

Современным типом матрицы является ёмкостный тип экрана. Что это такое? Суть работы данной разновидности заключается в следовании законам элементарной физики, а именно в свойстве предмета большей ёмкости проводить переменный ток.

В основе работы ёмкостного типа лежит правило разницы электрических потенциалов

По своему устройству данный тип матрицы представляет собой пластину из стекла, на поверхность которой нанесён слой резистивного материла.

К СВЕДЕНИЮ!

В качестве наилучших резисторов в данном случае используются сплавы оксида индия и оксида олова.

На углах экрана располагаются электроды, подающие небольшое напряжение на всю поверхность матрицы. При соприкосновении с пальцем человека происходит утечка, которая регистрируется датчиками и передаётся в обрабатывающий контроллер, вычисляющий координаты точки нажатия. Отличительными особенностями данного типа экранов является длительный срок службы, который составляет более 200 млн нажатий, повышенная прозрачность, способность не пропускать жидкость. Но поверхность данного сенсора всё равно остаётся уязвима для механического воздействия, поэтому подобные типы матрицы применяют в стационарных устройствах, располагающихся в защищённом от воздействия внешних факторов месте.

В большинстве современных мобильных устройств применяются проекционно-ёмкостные сенсоры

Проекционно-ёмкостные сенсоры

Говоря о том, что такое сенсорный экран, обязательно следует отметить тип матрицы, который применяется в большинстве современных смартфонов и планшетных компьютеров. Речь идёт о проекционно-ёмкостном сенсоре. Конструкция подобного типа представлена, кроме привычной панели, сеткой электродов, которые нанесены на обратную сторону матрицы. Имеющиеся электроды вкупе с телом человека образуют конденсатор, а встроенная электроника требуется для измерения ёмкости полученной системы.

К СВЕДЕНИЮ!

Один из лидеров в производстве экранов, компания Samsung, сумела уместить чувствительные к нажатию электроды между субпискелями, что позволило упростить конструкцию и повысить прозрачность.

Повышенная прозрачность, возможность использования толстого стекла (вплоть до 19 мм) – всё это обеспечивает снижение риска повреждения проекционно-ёмкостных экранов, поэтому они устанавливаются в устройствах, находящихся на открытой территории.

В инфракрасном сенсоре принцип действия заключается в прерывании ИК лучей в месте касания

Матричные и инфракрасные сенсорные экраны

В числе разновидностей сенсоров можно упомянуть два не самых распространённых типа – матричные и инфракрасные экраны. Матричные работают по общим принципам резистивных конструкций, но их отличительной особенностью является простота. На поверхность мембраны наносятся вертикальные токопроводящие полосы, а на стеклянную поверхность – горизонтальные. При нажатии происходит соприкосновение полос, а контроллер вычисляет место контакта и определяет координаты точки. Существенным минусом является невозможность обеспечения высокой дискретности сенсора в силу простоты конструкции.

В инфракрасных типах применяется аналогичный принцип пересекающихся полос, которые представляют собой инфракрасные лучи. При касании экрана любым предметом сетка из лучей прерывается в этом месте. Подобный вид применяется на устройствах, где требуется высокая чёткость передачи изображения, например, электронные книги. Недостатком ИК сенсора является его подверженность загрязнению.

Интерактивные карты используют тензометрический тип сенсора

Оптические и тензометрические сенсорные экраны

Оптический тип отличается наличием инфракрасной подсветки, которая распределяется между стеклом и матрицей, и способной осуществлять до 100% отражения света внутри себя. При касании пальцем происходит рассеивание. Электронике только остаётся создать картину рассеивания для определения точки нажатия. Это осуществляется следующими способами:

• установкой камеры рядом с проектором;
• внедрением вспомогательного субпикселя.

Подобные типы экранов применяются в интерактивных школьных досках. Тензометрический сенсор чувствителен к деформации поверхности экрана. Подобный тип отличает повышенная устойчивость к повреждениям, поэтому данные матрицы применяются на устройствах по продаже билетов, банкоматах.

DST-технология работает по принципу регистрации пьезоэлектрических проявлений внутри панели стекла при нажатии пальцем

Сенсорные экраны DST

Основа работы данного типа заключается в фиксации пьезоэлектрического явления в панели стекла. Главной особенностью является возможность реагирования на прикосновения любым предметом и функционирования в любых условиях запылённости. Для качественного срабатывания палец должен постоянно находиться в движении.

Как сделать калибровку сенсорного экрана

Владельцы гаджетов, имеющих сенсорный экран, часто сталкиваются с проблемой, когда сенсор перестаёт «слушать» или правильно реагировать на нажатия. Это может случиться вследствие повреждения матрицы, попадания влаги внутрь устройства или замены дисплея.

После попадания влаги внутрь смартфона может потребоваться проведение калибровки тачскрина

Существует два основных способа, как можно провести калибровку сенсорного экрана:

• штатными средствами операционной системы;
• с применением стороннего софта.

Встроенная технология калибровки практически одинакова у всех производителей смартфонов. Для осуществления настройки штатными средствами требуется:

• перейти к настройкам телефона;
• найти пункт «Калибровка»;
• нажать не менее трёх раз в центр появившейся на экране мишени.

Устройство самостоятельно запоминает касания и осуществляет корректировку тачскрина.

Замену тачскрина лучше всего производить в специализированном сервисе

Тачскрин не работает – как это определить

В некоторых случаях сенсорный экран может выходить из строя. При механическом повреждении матрицы определять поломку не требуется, поскольку она видна невооружённым взглядом. Признаками, указывающими на выход тачскрина из строя при отсутствии внешних повреждений, являются:

• отсутствие реакции на касания;
• частичное реагирование экрана на нажатие, например, может работать только определённая область;
• искажения восприятия касаний.

Появление артефактов на экране может свидетельствовать о неполадках не только самого дисплея, но также сенсора

При выходе сенсора из строя потребуется ремонт устройства. Современные технологии подразумевают изготовление общего дисплейного модуля, в котором тачскрин и дисплей совмещены в единый узел. Поэтому для ремонта требуется полная замена блока при невозможности отделения тачскрина. Это можно сделать только в условиях сервиса.

Тачскрин и дисплей: в чём разница

Разница этих двух деталей заключается в выполняемых функциях. Дисплей – это часть смартфона, которая необходима для вывода изображения и информации.

Всё чаще производители совмещают тачскрин и дисплей в единый узел

Тачскрин – это сенсорное стекло, которое применяется для срабатывания аппарата на действия пользователя и реакцию на нажатия для вызова определённой функции. Современные производители всё чаще стали выпускать своеобразные «бутерброды», где применяется технология ламинирования, когда дисплей и тачскрин объединяются в монолитный узел, склеенный прозрачным герметиком. Это улучшает эксплуатационные характеристики, но требует полной замены детали при выходе из строя любого компонента.

Теперь вы по-новому посмотрите на свой смартфон или планшетный ПК. В любом случае делитесь в комментариях своим опытом разблокировки «уснувшего экрана» и задавайте вопросы автору статьи.

Нечасто мы задумываемся о том, как работает дисплей устройства лежащего у нас в руках. Но иногда бывают случаи, когда недавно купленный телефон или планшет отказывается реагировать на привычное цифровое перо от старого девайса. В этом случае, становится очевидным, что экран новинки собран по какой-то другой технологии. Тут уже вспоминается, что есть резистивные экраны и емкостные, последние из которых постепенно вытесняют первых.

Стоит заметить, что мало кто знает о различии между поверхностно- и проекционно-емкостными дисплеями. А ведь экраны почти всех современных планшетов, смартфонов с Android или iOS от Apple относятся именно к проекционно-емкостным, благодаря которым и возможна такая уже необходимая функция, как мультитач.

Поверхностно-емкостные экраны

Все емкостные скрины при работе используют тот факт, что все предметы, обладающие электрической емкостью, тело человека в том числе, хорошо проводят переменный ток.

Первые экземпляры емкостных тач-скринов работали на постоянном токе, что упрощало устройство электроники, аналого-цифрового преобразователя в частности, но загрязненность экрана или рук часто приводила к сбоям. Для постоянного тока даже ничтожное емкостное сопротивление является непреодолимой преградой.

Емкостные экраны так же, как и резистивные собраны в простейшем случае из LCD или AMOLED экрана, дающего изображение в самом низу и сенсорной активной панели поверху .

Активная часть поверхностно-емкостных экранов представляет собой кусок стекла, покрытый на одной стороне прозрачным, с высоким сопротивлением материалом. В качестве этого электропроводящего вещества применяется оксид индия или оксид олова.

По углам экрана расположены четыре электрода, через которые подается небольшое переменное напряжение, одинаковое со всех сторон. При касании поверхности экрана электропроводящим предметом или напрямую пальцем появляется утечка тока через тело человека. Протекание ничтожно малых токов регистрируется одновременно во всех четырех углах датчиками, а микропроцессор по разности величин токов определяет координаты места касания.

Поверхностно-емкостной экран всё ещё хрупок, так как его проводящее покрытие нанесено на внешнюю поверхность и ничем не защищено. Но не такой нежный, как резистивный, поскольку на его поверхности нет тонкой мягкой мембраны. Отсутствие мембраны улучшает прозрачность дисплея, и позволяет применять менее яркую и энергоэкономную подсветку.

Проекционно-ёмкостные экраны

Этот тип сенсорного экрана способен определять одновременно координаты двух и более точек прикосновения, то есть поддерживает функцию мультитач. Именно этого типа дисплеи устанавливаются на все современные мобильные устройства.

Работают они по схожему с поверхностно-емкостными экранами принципу, отличие заключается в том, что активный проводящий слой у них нанесен внутри, а не на внешней поверхности. Благодаря чему активная панель получается значительно более защищенной. Можно закрыть её стеклом толщиной вплоть до 18 мм, таким образом, сделав сенсорный экран крайне вандалоустойчивым.

При прикосновении к сенсорному экрану, между пальцем человека и одним из электродов за стеклом образуется небольшая ёмкость. Микроконтроллер прощупывает импульсным током, в каком именно месте на сетке электродов возросло напряжение из-за внезапно образовавшейся ёмкости. На стекающие капли воды экран не реагирует, так как такие проводящие помехи легко подавляются программным методом.

Общим недостатком для всех емкостных экранов является невозможность работать с ними любыми изолирующими предметами. Можно только специальным стилусом или голым пальцем. На удобное пластмассовое перо или руку в теплой перчатке они не среагируют.

Травление печатных плат Самодельный миниатюрный низковольтный паяльник Хитрый способ распайки плат

Для управления современными гаджетами уже нет необходимости нажимать на кнопки, достаточно просто коснуться экрана. Это стало возможным благодаря тачскрину (в среде специалистов называюты просто «тач» или «тач панель»), который стал неотъемлемой частью смартфонов и планшетов, в том числе Айфонов и Айпадов. Не удивительно, что из-за частого использования он нередко выходит из строя и становится головной болью для владельца аппарата. Если понимать, что из себя представляет этот компонент и по каким принципам работает, то можно быстро обнаружить неисправность и избежать неловких ситуаций при обращении в сервисный центр.

Что такое тачскрин

Этот термин образовался от двух английских слов - touch и screen, что буквально переводится как «сенсорный экран». История его появления продолжительная и происходила в несколько этапов. Первый в мире управляемый пальцем дисплей придумал и описал в своих научных работах американец Е. А. Джонсон в 1965 году. Пятью годами позже Доктор Сэмюэль Херст в ходе экспериментов разработал резистивный сенсорный экран , а само физическое производство продукта началось лишь в 1973 году.

В настоящее время жители городов имеют дело с сенсорными панелями практически ежедневно: ими оборудованы не только смартфоны и планшеты, но и банкоматы, справочные терминалы и пункты приема платежей. Тачскрин соединяется с дисплеем и чутко реагирует на любые прикосновения. Его можно охарактеризовать как устройство ввода информации, которое служит для замены клавиатуры.

Важно знать, что тачскрин - это лишь часть общей конструкции, ответственная только за сенсор. Для передачи изображения используется дисплей, который представляется собой жидкокристаллическую матрицу. Единство этих двух элементов называется дисплейным модулем, который является практически главным компонентом любого высокотехнологичного устройства.

Принцип работы сенсорной панели

Принцип работы тачскрина прост - любые прикосновения к нему вызывают какую-либо функцию или влекут за собой определенные действия. Физические же особенности его работы напрямую зависят от вида сенсорной панели. Всего их семь, но самыми распространенными на сегодняшний день являются три из них.

Самый дешевый в производстве, устойчивый к загрязнениям и перепадам температур. Состоит из стеклянной панели и пластиковой мембраны , между которыми располагаются изоляторы. Любое нажатие приводит к тому, что стекло продавливает микро-изолятор, а мембрана с панелью замыкаются. После этого специальный контроллер считывает изменения и преобразует их в координаты соприкосновения. Слабые стороны этой модели - низкий показатель светопропускания, недолгий срок службы и высокий риск повреждения при падении.

Емкостный экран

Более надежный и долговечный, но уязвим для непогоды, воды и загрязнений. В нем используется специальное сенсорное стекло, покрытое резистивным материалом. Через него проходит переменный ток, который подается расположенными по углам экрана электродами. То есть, при прикосновении к тачскрину происходит утечка тока, фиксирующаяся специальными датчиками. Они регистрируют на эти изменения и передают в контроллер.

Сенсор на поверхностно-акустических волнах

Один из самых сложно устроенных экранов. Особенность его работы в том, что в толще стекла происходят ультразвуковые колебания . При нажатии на тачскрин волны поглощаются и преобразуются в электрический сигнал, который потом передается контроллеру. Преимуществом данной технологии является долгий срок службы, равный не менее 45 миллионам касаний. Главный же недостаток - экран крайне чувствителен к загрязнениям и электромагнитным помехам.

В дополнение к этому можно выделить еще несколько разновидностей сенсорных панелей. К ним относятся:

• Проекционно-емкостные . На внутренней стороне таких экранов есть сетка электродов, при нажатии образующая конденсатор, емкость которого измеряют датчики электроники.
• Инфракрасные . По их краям располагаются светоизлучатели и приемники в ИК-диапазоне, при касании экрана часть света перекрывается и тем самым определяется место нажатия.
• Танзометрические . Базируются на простой фиксации деформации экрана, устойчивы к повреждениям и часто устанавливаются на улице.
• Индукционные . Внутри них есть катушка индуктивности и провода, при касании такого экрана специальным инструментом происходит изменение напряжение существующего магнитного поля.

Как проверить тачскрин

Сенсорная панель может некорректно работать как при физическом повреждении мобильного устройства, так из без видимых на то причин. На то, что проблема именно в сенсоре указывают следующие факторы:

Причин подобной неисправности может быть несколько:

1. Загрязнение дисплея . Если своевременно не протирать сенсор специальными средствами, то в ходе эксплуатации он обильно покрывается отпечатками пальцев и жирными следами, что может снизить его чувствительность.
2. Нарушение температурного режима . Слишком высокие или низкие температуры, как и их сильный перепад - частая причина неисправности тачскрина.
3. Повреждение шлейфа . Он может отслоиться от стекла при механических повреждениях, нарушив тем самым соединение последнего с сенсорным покрытием.
4. Попадание влаги . Если внутри гаджета оказалась жидкость, то может произойти окисление контактов. Иногда проблему можно решить с помощью фена.
5. Сбой программного обеспечения. В этом случае необходимо перепрошить аппарат, для этого потребуется USB-провод и само ПО.

Как самому заменить тачскрин на телефоне

Перед демонтажем сенсорного экрана следует выключить смартфон , вынуть аккумулятор и сим-карту. Важно запомнить последовательность разборки, чтобы потом суметь собрать аппарат обратно и не повредить внутренние элементы. В некоторых моделях может потребоваться полный разбор корпуса, что требует специальных знаний. Чтобы сделать замену сенсорного экрана на телефоне своими руками необходимо заранее подготовить специальное оборудование, а именно:

Сам процесс замены тачскрина выглядит следующим образом:

1. Снять заднюю крышку телефона;
2. Отверткой вывернуть все болты по периметру корпуса;
3. Аккуратно вставить лопатку между креплением корпуса и поддеть;
4. Феном прогреть клей , соединяющий сенсор с матрицей до температуры максимум 80 °С;
5. Прикрепить на дисплей присоску , что позволит отделить тачскрин от матрицы;
6. Нанести тонкий слой клея и установить новую сенсорную панель;
7. Аккуратно прижать ее и удалить остатки клея;
8. Собрать устройство в обратном порядке.

В чем разница между тачскрином и дисплеем

Дисплей - это та часть смартфона, на которую выводится изображение. Именно он является проводником визуальной информации и делает ее доступной для человеческого глаза. Тачскрин же представляет собой сенсорное стекло, главное предназначение которого - вызывать ту или иную функцию. То есть, он является лишь средством ввода информации , но никак не вывода.

Если телефон разбился и на нем появилась паутинка, но экран продолжает свою работу и можно отчетливо видеть картинку - то необходимо заменить только сенсор. Когда же аппарат искажает изображение и показывает кляксы, то придется менять дисплей, что является более затратной по времени и денежным средствам процедурой.

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.

Человечество всегда любило делиться на группы: католики и протестанты, вегетарианцы и мясоеды, поклонники сенсорных экранов и те, кто не испытывает к ним особой тяги. К счастью, техно-гики вряд ли развяжут войну или крестовый поход против тех, кто не разделяет их точку зрения, несмотря на то, что армия приверженцев «пальцеориентированных» интерфейсов растет со скоростью развития самой технологии. Как же это все устроено?

Смартфоны и планшеты: как работает экран?

Первый сенсорный экран появился 40 лет назад в США. Сетка ИК-лучей, состоявшая из 16х16 блоков, была установлена в компьютерную систему Plato IV. Первый телевизор с сенсорным экраном показали на всемирной ярмарке 1982 года, спустя год презентовали первый персональный компьютер HP-150. В телефонах сенсорные экраны появились гораздо позже: в 2004 году на 3GSM Congress (так в то время называли выставку Mobile World Congress) компания Philips представила на суд журналистов три модели (Philips 550, 755 и 759). В то время операторы сотовой связи возлагали большие надежды на сервис MMS, поэтому основные функции сенсорного экрана сводились к развлекательным: для того чтобы сделать MMS более эмоциональными, разработчики предлагали пользователям обрабатывать фото с помощью стилуса – подписывать, пририсовывать детали – и только потом отправлять адресату.

Тогда же появилась возможность пользоваться виртуальной клавиатурой, но так как все модели обладали цифровой, а сенсорный экран значительно увеличивал стоимость устройств, про них на время забыли. Через год появился Fly X7 – полностью сенсорный бесклавиатурный моноблок, к сожалению, с рядом аппаратных недоработок, которые вкупе с тогдашней безызвестностью брэнда похоронили его среди ничем не примечательных моделей. И это были не единственные попытки создать что-то новое, однако несмотря на ряд предшественников, первыми полноценными «пальцеориентированными» моделями можно назвать лишь Apple iPhone, LG KE850 PRADA и линейку HTC Touch, появившуюся на рынке в 2007 году. Именно они положили начало эре сенсорных телефонов.

Строго говоря, сенсорный элемент экраном не является – это проводящая поверхность, которая работает в паре с экраном и позволяет вводить данные с помощью пальца или иного предмета.

Как экран распознает касание?

Существует множество типов сенсорных экранов, но мы остановимся только на тех, которые широко используются в мобильных устройствах: смартфонах и планшетах.

Резистивный дисплей состоит из гибкой пластиковой мембраны и стеклянной панели, пространство между которыми заполнено микроизоляторами, которые изолируют токопроводящую поверхность. Когда вы нажимаете на экран пальцем или стилусом, панель и мембрана замыкаются, а контроллер регистрирует изменение сопротивления, ориентируясь на которое умная электроника определяет координаты нажатия. Основные плюсы – дешевизна и простота изготовления, что позволяет снизить рыночную стоимость конечного устройства.

Также к несомненным преимуществам можно отнести то, что экран реагирует на любое нажатие – при работе с ним не обязательно использовать специальный токопроводящий стилус или палец, для этого вполне подойдет авторучка или любой другой предмет, которым вы сможете надавить на определенную точку экрана. Резистивный экран устойчив к загрязнениям. Ряд операций можно провести даже рукой в перчатке – например, ответить на звонок в холодное время года. Однако не обошлось и без недостатков. Резистивный экран легко царапается, поэтому его желательно закрывать специальной защитной пленкой, что в свою очередь не лучшим образом сказывается на качестве изображения. Более того, эти царапины имеют свойство увеличиваться в размерах.

Экран обладает невысокой прозрачностью – пропускает всего 85% света, исходящего от дисплея. При низких температурах экран «подмерзает» и хуже реагирует на нажатия, не очень долговечен (35 млн нажатий в одну точку). Предтечей резистивных экранов были матричные сенсорные, основу которых составляла сенсорная сетка: на стекло наносились горизонтальные проводники, на мембрану – вертикальные. При прикосновении к экрану направляющие замыкались и указывали координаты точки. Эта технология используется до сих пор, но в смартфонах ее уже практически не встретишь.

Схема резистивного экрана

Технология емкостных экранов основана на том, что человек обладает большой электрической емкостью и способен проводить ток. Для того чтобы все работало, на экран наносится тонкий токопроводящий слой, а к каждому из четырех углов подводится слабый переменный ток небольшой величины. При прикосновении к экрану происходит утечка точка, которая зависит от того, насколько далеко от угла дисплея произошло касание. По этой величине и определяются координаты точки. Такие экраны более устойчивы к царапинам, не пропускают жидкость, более долговечны (около 200 млн нажатий) и прозрачны по сравнению с резистивными, к тому же, реагируют на легчайшие прикосновения. Однако у этого есть и свои минусы – во время разговора можно неловко задеть телефоном ухом и запросто запустить какое-нибудь приложение, рукой в перчатке на звонок не ответишь – электропроводимость не та. Более высокая стоимость экрана, разумеется, сказывается на цене устройства.

Схема емкостного экрана

Как работает мой "айфон"?

К более продвинутым разновидностям емкостных экранов относятся проекционно-емкостные. На внутреннюю поверхность стекла наносится электрод, в качестве второго электрода выступает человек. При прикосновении к экрану образуется конденсатор, измеряя емкость которого можно определить координаты нажатия. Так как электрод нанесен на внутреннюю поверхность экрана, тот весьма устойчив к загрязнениям; слой стекла может достигать 18 мм, что позволяет значительно повысить срок жизни дисплея и устойчивость к механическим повреждениям.

Одна из самых интересных фишек проекционно-емкостных экранов – поддержка технологии мультитач. Также они обладают большой чувствительностью и имеют относительно широкий температурный диапазон работы, но с рукой в перчатке взаимодействуют по-прежнему не очень. Казалось бы, это может смутить потенциальных покупателей, однако несколько лет назад кто-то из предприимчивых корейских фанатов iPhone догадался использовать в качестве стилуса обыкновенную сосиску, электропроводимость которой позволяла ответить на звонок. Неоднозначный тренд вызвал бурю восторга на форумах и привлек внимание производителей аксессуаров, которые запустили в продажу специальный стилус-сосиску. Перед обычной сосиской у него есть как минимум один плюс – он не оставляет жирных следов на экране девайса.

Схема проекционно-емкостного экрана

Вне зависимости от технологии работы экрана, у него есть ряд типичных характеристик. Помимо разрешения, к основным характеристикам экрана можно отнести угол обзора и цветопередачу, которая зависит от типа дисплея. Понятие цветопередачи неразрывно связано с «глубиной цвета» - термином, обозначающим объем памяти в количестве бит, используемых для хранения и передачи цвета. Чем больше бит, тем глубже цвета. Современные LCD-дисплеи в смартфонах и планшетах отображают 18-битный цвет (более 262 тысяч оттенков). Максимально возможным на данный момент является 24-битный TrueColor, который способен воспроизвести более 16 млн оттенков в AMOLED и IPS-матрицах.

Угол обзора, как и любой угол, измеряется в градусах и характеризует величину, при которой яркость и читаемость экрана падает не больше, чем в два раза, если смотреть на него прямо перпендикулярно. Этой характеристикой обладают LCD-дисплеи, но не OLED.

Сравнение медиаплееров: плюсы и минусы

ZOOM.CNews

Типы экранов смартфонов и планшетов

На данный момент при производстве смартфонов и планшетов, как правило, используются либо LCD, либо OLED-дисплеи.

В основе LCD-экранов лежат жидкие кристаллы, которые не обладают собственным свечением, поэтому в ультимативном порядке требуют лампу задней подсветки. Под внешним воздействием (температурным или электрическим) кристаллы могут изменять структуру и становиться непрозрачными. Управляя током, на дисплее можно создавать надписи или картинки.

Схема ЖК-пикселя

Дисплеи на жидких кристаллах, используемые в смартфонах и планшетах, в большинстве своем имеют активную матрицу (TFT). В TFT-матрицах используются прозрачные тонкопленочные транзисторы, которые располагаются прямо под поверхностью экрана. За каждую точку изображения отвечает отдельный транзистор, поэтому картинка обновляется быстро и непринужденно.

С появлением LCD TFT-матриц время отклика дисплея значительно повысилось, но остались проблемы с цветопередачей, углами обзора и битыми пикселями.

Схема ЖК-пикселя

Самые распространенные TFT-матрицы - TN+film и IPS. TN+film – самая простая технология. Film – это дополнительный слой, который применяют для увеличения угла обзора. Из плюсов таких матриц – маленькое время отклика и невысокая себестоимость, минусы – плохая цветопередача и, увы, углы обзора (120-140 градусов). В IPS-матрицах (In-Plane-Switchin) удалось увеличить угол обзора до 178 градусов, повысить контрастность и цветопередачу до 24 бит и добиться глубокого черного цвета: в этой матрице второй фильтр всегда перпендикулярен первому, поэтому свет через него не проходит. Но время отклика по-прежнему осталось на низком уровне. Super-IPS является прямым наследником IPS с уменьшенным временем отклика.

PLS-матрица (Plain-to-Line Switchin) появилась в недрах компании Samsung как альтернатива IPS. К ее достоинствам можно отнести более высокую плотность пикселей, чем у IPS, высокую яркость и хорошую цветопередачу, низкое энергопотребление, большие углы обзора. Время отклика сравнимо с Super-IPS. Среди недостатков – неравномерная подсветка. Следующее поколение, Super-PLS, обскакало IPS в углах обзора на 100% и на 10% по показателям контрастности. Также эти матрицы оказались дешевле в производстве на целых 15%.

При производстве OLED-дисплеев используют органические светодиоды, которые под воздействием электричества испускают собственное свечение. По сравнению с LCD-дисплеями, у OLED – множество плюсов. Во-первых, они не используют дополнительную подсветку, а значит, аккумулятор смартфона разряжается не так быстро, как в случае с LCD. Во-вторых, OLED-дисплеи тоньше. От этой характеристики напрямую зависит толщина и дизайн девайса. К тому же, OLED-дисплеи могут быть гибкими, что предвещает отличные перспективы развития. У OLED отсутствует такой параметр как «угол обзора» - изображение хорошо просматривается с любого угла. По яркости и контрастности (1000000:1) OLED также лидирует.

Его хвалят за живые и насыщенные цвета и отдельно – за глубокий черный. Но есть, конечно, и минусы. Одним из основных можно назвать недолговечность: органические соединения неустойчивы к окружающей среде и имеют обыкновение выгорать, причем, одни цвета спектра страдают больше, чем другие. Хотя если вы меняете телефон раз в три года, вряд ли это станет аргументов против покупки. К тому же, до сих пор изготовление OLED обходится дороже, чем LCD.

Схема OLED

OLED-экраны второго поколения тоже в большинстве своем имеют активную матрицу TFT. Называются они AMOLED. Главное преимущество – еще более низкое энергопотребление, недостатки – нечитаемость картинки при ярком солнечном свете.

Схема AMOLED

Следующим шагов в развитии технологии стали SuperAMOLED-экраны, которые впервые начала использовать Samsung. Принципиальное их отличие от AMOLED состоит в том, что пленки с активными транзисторами (TFT) интегрированы в пленку из полупроводников. Это дает прирост яркости на 20%, снижение электропотребления на 20% и повышение читаемости на солнечном свете на целых 80%!

Схема SUPERAMOLED

Не стоит путать экраны, произведенные по технологии OLED, с экранами с LED-подсветкой – это совсем разные вещи. В последнем случае обычный ЖК-дисплей получает заднюю или боковую светодиодную подсветку, которая, конечно, улучшает качество изображения, но до AMOLED или SuperAMOLED все равно не дотягивает.

Что нас ждет в будущем?

На данный момент самые ясные и предсказуемые перспективы ожидают OLED-экраны. Уже сейчас в Сети можно найти информацию о технологии ближайшего будущего QLED – светодиодах на основе квантовых точек (полупроводниковый нанокристалл, который светится, когда подвергается воздействию тока или света). Сильными сторонами этой технологии являются высокая яркость, невысокая стоимость производства, широкий диапазон цветов, низкое энергопотребление. Квантовые точки, которые лежат в основе новой технологии, имеют еще одно важное свойство – они способны излучать спектрально чистые цвета. Уже сейчас этой технологии предрекают блестящее будущее. В Samsung уже разработали полноцветный 4-дюймовый QLED-дисплей, но в серийное производство новинку запускать пока не торопятся.

Прототип QLED-дисплея

Зато в Samsung подтвердили, что уже в этом году начнется серийное производство гибких OLED-дисплеев. Вероятно, первыми устройствами станут смартфоны и планшеты. Малая толщина экрана и физические свойства панели позволят существенно увеличить полезную площадь экрана и развяжут руки техно-дизайнерам.

В качестве другой перспективной технологии можно назвать IGZO, которой занимается компания Sharp. В ее основе лежат исследования профессора Хидео Хосоно, который решил присмотреться к альтернативным полупроводникам и в результате разработал технологию TAOS (Transparent Amorphous Oxide Semiconductors) - прозрачные аморфные оксидные полупроводники, которые содержат окислы индия, галлия и цинка (InGaZnO), сокращенно - IGZO. Отличия смеси от аморфного кремния, который использовался при производстве TFT, позволяет существенно снизить время отклика, значительно повысить разрешение экрана, сделать его ярче и контрастнее. Компания Apple весьма заинтересовалась перспективами этой технологии и вложила в производство дисплеев IGZO миллиард долларов.