С появлением сенсорных экранов произошла настоящая революция в облегчении использования компьютеров. Большинство смартфонов, устройств для чтения электронных книг и некоторых MP3-плееров уже работают с простым сенсорным управлением, и некоторые ноутбуки работают так же. Сенсорные экраны интуитивно просты в использовании, но как именно они работают?

Клавиатура и переключатели

Сенсорный экран немного похож на невидимую клавиатуру, приклеенную к передней части монитора компьютера. Чтобы понять, как это работает, сначала необходимо понять как работает обычная клавиатура. Вы можете узнать об этом в моей статье о компьютерных клавиатурах , но вот краткое напоминание. По сути, каждая клавиша на клавиатуре — это электрический выключатель. Когда вы нажимаете клавишу, вы замыкаете электрическую цепь, по которой течет ток. Ток меняется в зависимости от того, какую клавишу вы нажимаете, и именно так ваш компьютер определяет, что вы печатаете.

Фото: это чувствительный слой переключения внутри типичной клавиатуры ПК. Он покоится под клавишами и задействуется при нажатии на них. Здесь есть три отдельных слоя пластика. Два из них покрыты электропроводящими металлическими дорожками, и между ними есть изолирующий слой с отверстиями. Точки, которые вы видите, — это места, где клавиши сжимают два проводящих слоя вместе. Линии представляют собой электрические соединения, которые позволяют крошечным электрическим токам течь, когда слои плотно прижаты друг к другу.

Вот что происходит более подробно. Внутри клавиатуры вы обнаружите два слоя электропроводящего пластика, разделенных изолирующей пластиковой мембраной с отверстиями в ней. На самом деле, под каждой клавишей есть одно отверстие. Когда вы нажимаете клавишу, вы толкаете верхний слой проводника вниз по направлению к нижнему слою, так что два слоя встречаются и соприкасаются через отверстие. Между слоями течет ток, и компьютер знает, что вы нажали клавишу. Маленькие пружинящие кусочки резины под каждой клавишей заставляют их отскочить назад в исходное положение, разрывая цепь, когда вы отпускаете их.

Сенсорные экраны должны достигать чего-то подобного на поверхности экрана вашего компьютера. Очевидно, что они не могут использовать переключатели, мембраны и кусочки пластика, иначе они заблокировали бы вид экрана. Поэтому они должны использовать более хитрые приемы для ощущения вашего прикосновения — совершенно незаметно!

Как работают сенсорные экраны

Различные виды сенсорных экранов работают по-разному. Некоторые могут чувствовать только один палец за раз и очень запутываются, если вы пытаетесь нажать в двух местах одновременно. Другие могут легко обнаруживать и различать более одного нажатия клавиши одновременно. Вот некоторые из основных технологий:

Резистивный

Резистивные сенсорные экраны (в настоящее время самая популярная технология) работают как «прозрачные клавиатуры», накладываемые поверх экрана. Существует гибкий верхний слой из проводящего полиэфирного пластика, связанный с жестким нижним слоем из проводящего стекла и отделенный изолирующей мембраной. Когда вы нажимаете на экран, вы заставляете полиэстер касаться стекла и замыкаете контур, как нажатие клавиши на клавиатуре. Чип внутри экрана вычисляет координаты места, к которому вы прикоснулись.

Когда вы нажимаете резистивный сенсорный экран, вы соединяете два проводящих слоя, чтобы они соприкасались, как обычная компьютерная клавиатура.

Емкостный

Эти экраны сделаны из нескольких слоев стекла. Внутренний слой проводит электричество, как и внешний слой, поэтому экран ведет себя как два электрических проводника, разделенных изолятором, иными словами, конденсатором. Когда вы подносите палец к экрану, вы изменяете электрическое поле на определенную величину, которая зависит от того, где находится ваша рука. Емкостных экранов можно касаться более чем в одном месте одновременно. В отличие от большинства других типов сенсорных экранов, они не работают, если вы касаетесь их пластиковым стилусом (поскольку пластик является изолятором и не позволяет воздействовать на электрическое поле).

В емкостном сенсорном экране весь экран похож на конденсатор. Когда вы подносите палец близко, вы воздействуете на электрическое поле, которое существует между внутренним и внешним стеклом.

Новые технологии сенсорных экранов находятся в стадии разработки, но емкостное сенсорное управление пока остается отраслевым стандартом. Самая большая проблема с сенсорными экранами заключается в разработке их для больших поверхностей — электрические поля больших экранов часто мешают его способности воспринимать прикосновения.

Инфракрасный

Инфракрасный сенсорный экран использует сетку светодиодов и фотоэлементов детектора света, расположенных на противоположных сторонах экрана. Светодиоды излучают инфракрасный свет перед экраном — немного похоже на паутину невидимого паука. Если вы касаетесь экрана в определенной точке, вы прерываете два или более луча. Микрочип внутри экрана может вычислить, где вы коснулись, увидев, какие лучи вы прервали. Сенсорный экран в электронных книгах Sony Reader (как показано на картинке выше) работает таким образом. Поскольку вы прерываете луч, инфракрасные экраны работают независимо от того используете ли вы палец или стилус.

Инфракрасный сенсорный экран использует ту же технологию, что и Том Круз в фильме «Миссия невыполнима». Когда ваши пальцы приближаются, они ломают невидимые лучи, которые проходят по поверхности экрана между светодиодами с одной стороны и фотоэлементами с другой.

Поверхностная акустическая волна

Удивительно, но эта технология сенсорного экрана обнаруживает ваши пальцы, используя звук вместо света. Ультразвуковые волны (слишком высокие, чтобы люди могли их услышать) генерируются по краям экрана и отражаются назад и вперед по всей его поверхности. Когда вы касаетесь экрана, вы прерываете звуковые лучи и поглощаете часть их энергии. Контроллер микрочипа экрана выясняет, где именно вы прикоснулись к экрану.

Экран поверхностных акустических волн немного похож на инфракрасный экран, но ваш палец прерывает высокочастотные звуковые лучи, струящиеся по поверхности вместо невидимых световых лучей.

Электромагнитное поле

Заметили ли вы, как радио старого стиля может гудеть и свистеть, если вы подносите к нему руку? Это потому, что ваше тело влияет на электромагнитное поле, создаваемое радиоволнами внутри и вокруг антенны. Чем ближе, тем больше эффект. Сенсорные экраны электромагнитного поля (NFI) работают аналогичным образом. Когда вы подносите палец близко, вы меняете электромагнитное поле на стеклянном экране, которое мгновенно регистрирует ваше прикосновение. Экраны NFI, намного более надежные, чем некоторые другие технологии, подходят для тяжелых условий эксплуатации (например, в военных целях). В отличие от большинства других технологий, они также могут обнаруживать прикосновения от ручек, стилусов или рук в перчатках.

При использовании экрана электромагнитного поля по углам прикладывается небольшое напряжение, создавая электрическое поле на поверхности. Ваш палец меняет поле по мере приближения.

Световые ручки

Световые ручки были ранней формой технологии сенсорного экрана, но они работали совершенно иначе, чем современные сенсорные экраны. На старых компьютерных экранах изображение было нарисовано электронным лучом, который сканировал взад-вперед, как в телевизоре с электронно-лучевой трубкой. Ручка содержала фотоэлемент, который обнаруживал электронный луч, проходя мимо, посылая сигнал на компьютер по кабелю. Поскольку компьютер точно знал, где в любой момент находился пучок электронов, он мог определить, куда указывает ручка. Световые ручки можно использовать либо для выбора пунктов меню или текста на экране (аналогично мышке), либо, как показано на рисунке, для рисования компьютерной графики.

Рисование на экране световым пером в 1973 году. Хотя вы не можете увидеть его на этом фото, световое перо фактически подключено к компьютеру с помощью длинного электрического кабеля.

Преимущества сенсорных экранов

Сенсорные экраны широко используются в терминалах оплаты в банкоматах и т.д. В отличие от клавиатур, они не имеют движущихся частей, поэтому они прочные: безопасные, вандало-защищенные и атмосферостойкие.

Самое замечательное в технологии сенсорных экранов заключается в том, что ими невероятно легко пользоваться. Сенсорные экраны могут отображать столько информации (и столько же сенсорных кнопок), сколько требуется людям для выполнения определенной задачи, но не более, что позволяет людям выполнять довольно сложный процесс очень простым и систематическим образом. Вот почему технология сенсорных экранов оказалась идеальной для использования в общественных информационных киосках, билетных автоматах на железнодорожных станциях, машинах для электронного голосования, в продуктовых кассах самообслуживания, военных компьютерах и во многих аналогичных приложениях, где использование компьютеров с экранами и клавиатурой было бы слишком проблематичным.

У большинства из нас сейчас есть смартфоны Apple или Android, которые имеют мультитач-экраны. Большим преимуществом здесь является то, что дисплей может показать вам экран, предназначенный именно для того, что вы пытаетесь с ним сделать. Если вы хотите сделать телефонный звонок, он может отображать обычные цифры 0–9, чтобы вы могли набирать номер. Если вы хотите отправить текстовое SMS-сообщение, оно может отображать клавиатуру (в алфавитном порядке или в порядке QWERTY). Если вы хотите играть в игры, дисплей может измениться снова. Подобные сенсорные дисплеи невероятно универсальны: каждую минуту они меняются в соответствии с вашими ожиданиями.

Фото: сенсорные экраны ПК все еще относительно редки, но они очень полезны, когда наведение и перетаскивание имеет больше смысла, чем набор текста и нажатие. На этом снимке показана система под названием DSIMS (Deployable Ship Integration Multitouch System), используемая для обучения людей управлению движениями самолетов и другого оборудования на борту авианосцев. Вы просто щелкаете по самолету и перетаскиваете его туда, куда вы хотите переместиться, на полетной палубе. Но учтите, что на компьютере все еще есть и клавиатура, и мышь!

Все мы, имеющие смартфоны, устройства для чтения электронных книг и планшетные компьютеры, знакомы с технологией сенсорных экранов, но ПК и ноутбуки с сенсорным экраном все еще довольно редки. Еще в 2008 году Microsoft объявила, что сенсорные технологии будут широко представлены в будущих версиях операционной системы Windows, что может привести к устареванию компьютерных мышей и клавиатур. Четыре года спустя компания представила линейку ноутбуков Surface с интеллектуальными встроенными сенсорными экранами, но продажи постоянно разочаровывают. Несмотря на то, что большинство из нас каждый день пользуются своими смартфонами и планшетами, мы все еще в значительной степени привязаны к нашим настольным компьютерам и операционным системам старого стиля и старым способам их использования, а именно к клавиатурам и мышам. Может быть, сенсорные технологии просто имеют больше смысла для одних приложений, чем для других? Время покажет…

Кто изобрел сенсорные экраны?

Автомобили, самолеты, компьютеры и паровые двигатели — сенсорные экраны принадлежат к компании этих выдающихся изобретений, потому что у них нет уникального изобретателя и однозначного момента «создания»: другими словами, ни один мужчина или женщина не изобрели сенсорный экран.

Первое изобретение, которое имеет какое-либо сходство с использованием современного сенсорного экрана, было названо световым пером (изображено на фото выше), стилусом с фотоэлементом на одном конце и проводом, идущим в компьютер на другом конце, который может рисовать графику на экране. Он был разработан в начале 1950-х годов и стал частью одной из первых компьютерных систем с графической системой Project Whirlwind. Однако световые перья не работали, как современные сенсорные экраны, потому что в самом экране не было ничего особенного: все умные вещи происходили внутри ручки и компьютера, к которому она была подключена.

В 1960-х и начале 1970-х годов еще одним ключевым направлением в разработке сенсорных экранов стала работа ученых-компьютерщиков, специализирующихся в области, называемой взаимодействием человека с компьютером (HCI), которая стремилась преодолеть разрыв между людьми и компьютерами. Среди них были Дуглас Энгельбарт, изобретатель компьютерной мыши; Иван Сазерленд, пионер компьютерной графики и виртуальной реальности; и Алан Кей, коллега из Сазерленда, который помог создать графический пользовательский интерфейс (или GUI — рабочий стол на основе изображений, используемый практически на всех современных компьютерах).

Первый гаджет, который работал как современный сенсорный экран, назывался «Дискриминационный датчик контакта», и он был запатентован 7 октября 1975 года Джорджем С. Херстом и Уильямом С. Колвеллом из Elographics, Inc. Во многом как современный резистивный сенсорный экран, это было устройство с двумя электропроводящими контактными слоями, разделенными изолирующим слоем, который можно было нажимать вместе с ручкой. Важно то, что он был разработан для работы «с пишущим инструментом (на патентных чертежах изображена ручка), а не с какой-либо частью руки писателя». Так что это не было похоже на современное сенсорное устройство с сенсорным экраном.

Многие думают, что сенсорные экраны появились только тогда, когда Стив Джобс представил iPhone Apple в 2007 году, но к этому времени уже 20 лет как появились портативные компьютеры с сенсорным управлением. Одним из первых был Linus Write-Top, большой планшетный компьютер, выпущенный в 1987 году. Пять лет спустя Apple выпустила предка своего iPhone в форме Newton, портативного компьютера, изготовленного японской корпорацией Sharp. Управляемый стилусом, похожим на ручку, он отличался новаторским, но несколько беспорядочным распознаванием почерка, но никогда не имел коммерческого успеха. Сенсорный ввод и распознавание рукописного ввода также были представлены в серии КПК Palm (персональные цифровые помощники), которые были чрезвычайно популярны в середине 1990-х годов.

Все современные гаджеты с сенсорным экраном, от айфонов и айпадов до планшетов, обязаны этим изобретателям-новаторам и их машинам для рисования!