Инфракрасный сенсорный экран

Инфракрасный сенсорный экран — это тип сенсорного дисплея, в котором для регистрации прикосновений используется сетка инфракрасных (ИК) светодиодов и фотодетекторов, расположенных по периметру экрана. В отличие от резистивных или ёмкостных технологий, инфракрасные экраны не требуют нанесения на поверхность дисплея чувствительного покрытия, что обеспечивает высокую прозрачность, долговечность и устойчивость к внешним воздействиям. Принцип действия основан на прерывании лучей ИК-излучения пальцем, стилусом или любым другим непрозрачным объектом.

История развития

Первые коммерческие инфракрасные сенсорные экраны появились в начале 1980-х годов. Компания Hewlett-Packard в 1983 году выпустила компьютер HP-150, оснащённый ИК-сенсорным дисплеем. В этой модели использовались инфракрасные светодиоды и фотоприёмники, расположенные по краям 9-дюймового монитора. При прикосновении к экрану палец прерывал лучи, и система определяла координаты точки касания. Однако из-за высокой стоимости и ограниченной точности технология не получила массового распространения в потребительском секторе.

В 1990-х годах инфракрасные сенсорные экраны начали применяться в промышленности, банкоматах и киосках самообслуживания, где требовалась устойчивость к загрязнениям и механическим повреждениям. В 2000-х годах развитие оптических компонентов и снижение стоимости производства позволили использовать ИК-экраны в крупноформатных интерактивных досках, информационных табло и игровых автоматах. С 2010-х годов технология получила распространение в электронных книгах (например, Amazon Kindle Touch) и некоторых моделях планшетов.

Принцип работы

Инфракрасный сенсорный экран состоит из двух основных элементов: матрицы инфракрасных светодиодов (излучателей) и массива фотодетекторов (приёмников), расположенных по противоположным сторонам экрана. Излучатели и приёмники монтируются на печатные платы, которые крепятся к рамке вокруг дисплея. Светодиоды испускают инфракрасные лучи, которые проходят параллельно поверхности экрана в двух перпендикулярных направлениях (X и Y). Фотодетекторы непрерывно регистрируют интенсивность излучения.

При прикосновении к экрану палец или другой объект перекрывает часть лучей. Микроконтроллер фиксирует снижение сигнала на соответствующих приёмниках и вычисляет координаты точки касания по пересечению прерванных лучей. В современных системах используется сканирование: светодиоды включаются последовательно, что позволяет точно определить положение объекта. Для распознавания множественных касаний применяются алгоритмы, анализирующие несколько прерванных лучей одновременно.

Классификация

Инфракрасные сенсорные экраны классифицируются по нескольким признакам:

По типу оптической схемы

• Прямоугольная матрица — классическая конфигурация с излучателями и приёмниками по четырём сторонам экрана. Обеспечивает высокую точность, но требует ровной поверхности.
• Угловая (оптическая) схема — используются два или три ИК-излучателя и несколько камер (или фотодетекторов) по углам. Позволяет создавать тонкие рамки, но менее точна на краях.
• Волноводная схема — инфракрасное излучение подаётся через световоды, встроенные в стекло. Применяется в устройствах с защитным стеклом большой толщины.

По количеству одновременно распознаваемых касаний

• Одноточечные — регистрируют только одно касание. Используются в простых киосках и промышленных панелях.
• Мультитач — поддерживают два и более одновременных касаний. Реализуются за счёт быстрого сканирования и анализа пересечений лучей. Встречаются в интерактивных досках и планшетах.

По типу используемых компонентов

• С дискретными светодиодами — классические ИК-диоды, расположенные с шагом 5–10 мм. Обеспечивают низкую стоимость, но имеют ограниченное разрешение.
• С матричными фотоприёмниками — используются линейки фотодиодов или ПЗС-матрицы. Позволяют достичь разрешения до 1 мм.

Характеристики

Основные технические характеристики инфракрасных сенсорных экранов:

• Разрешение — определяется шагом между светодиодами и точностью фотодетекторов. Обычно составляет от 2 до 10 мм, в дорогих моделях — до 0,5 мм.
• Время отклика — от 5 до 30 мс, зависит от скорости сканирования и алгоритмов обработки.
• Чувствительность — реагируют на прикосновение пальца, стилуса, руки в перчатке, а также на непрозрачные предметы (например, карточку или ручку).
• Рабочий диапазон температур — от -20 до +60 °C, что позволяет использовать экраны в неотапливаемых помещениях и на улице.
• Устойчивость к загрязнениям — нечувствительны к пыли, грязи, маслам, так как активные элементы находятся за пределами рабочей поверхности.
• Прозрачность — до 100%, так как оптическая система не закрывает дисплей.

Применение

Инфракрасные сенсорные экраны находят применение в различных областях, где требуется высокая надёжность и устойчивость к внешним факторам:

Промышленность

• Панели управления станками и оборудованием на заводах, где возможны загрязнения маслами, стружкой или пылью.
• Терминалы ввода данных в складских и логистических комплексах.

Общественные информационные системы

• Банкоматы, платёжные терминалы, киоски самообслуживания (например, для заказа билетов или справок).
• Интерактивные информационные табло в музеях, аэропортах, вокзалах.

Образование и бизнес

• Интерактивные доски для школ и конференц-залов, где требуется работа с маркерами или пальцами в перчатках.
• Планшеты для презентаций и обучения.

Медицина

• Устройства ввода в операционных и лабораториях, где важна стерильность (поверхность экрана легко дезинфицируется).
• Терминалы для регистрации пациентов.

Военная и авиационная техника

• Дисплеи в кабинах самолётов и вертолётов, где необходимо управление в перчатках.
• Приборы навигации и управления в условиях вибрации и перепадов температур.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая прозрачность — отсутствие дополнительного покрытия не снижает яркость и контрастность изображения.
• Долговечность — нет изнашиваемых чувствительных слоёв, срок службы ограничен только светодиодами (обычно 50–100 тысяч часов).
• Устойчивость к царапинам и ударам — поверхность экрана может быть защищена закалённым стеклом.
• Работа с любыми объектами — палец, стилус, перчатка, ручка, карточка.
• Возможность использования в условиях загрязнения — грязь и пыль не влияют на работу, так как оптическая система находится за пределами экрана.
• Устойчивость к перепадам температур — работают при морозе и жаре.

Недостатки

• Чувствительность к прямому солнечному свету — инфракрасное излучение солнца может вызывать ложные срабатывания или снижать точность.
• Ограниченное разрешение — шаг между светодиодами определяет минимальный размер объекта, который может быть распознан.
• Большая толщина рамки — для размещения светодиодов и фотодетекторов требуется рамка шириной 5–15 мм, что увеличивает габариты устройства.
• Высокая стоимость — по сравнению с ёмкостными экранами, особенно для больших диагоналей.
• Чувствительность к загрязнению оптических элементов — пыль или грязь на светодиодах или фотодетекторах могут нарушить работу.

Интересные факты

• Первый в мире коммерческий сенсорный компьютер HP-150 (1983) использовал именно инфракрасную технологию. Пользователи жаловались, что экран реагировал на случайные прикосновения, например, когда рука зависала над дисплеем.
• Инфракрасные экраны способны работать даже при разбитом защитном стекле, если не повреждены светодиоды и фотодетекторы.
• В некоторых моделях интерактивных досок используется до 200 инфракрасных светодиодов на каждую сторону экрана.
• Технология инфракрасных сенсорных экранов применяется в системах распознавания жестов (например, в устройствах Leap Motion), где камеры фиксируют отражённое ИК-излучение от рук пользователя.

Источники

• Б. Х. Шеин, «Сенсорные экраны: технологии и применение», 2015.
• Д. А. Паркер, «Оптические сенсорные системы», 2018.
• Техническая документация компании Elo Touch Solutions (2020).
• Обзор технологий сенсорных экранов, журнал «Электроника: наука, технология, бизнес», №3, 2019.
• Патент США US 4,346,376 (1982) — инфракрасный сенсорный экран.