Как устроен дисплей смартфона. Сенсорные телефоны. Что такое дисплей
Дисплей – это основное устройство ввода/вывода информации в современном смартфоне или планшете, проще говоря, основной посредник между человеком и железкой в его руках. Сегодня я расскажу о дисплеях: каких типов они бывают, что такое PPI, от чего зависит энергопотребление и других вещах.
На выставке MacWorld 9 января 2007 года был представлен оригинальный iPhone. Тогда никто не мог предположить, какую революцию на рынке мобильных телефонов произведет это устройство. В iPhone были заложены идеи, которые стали трендовыми на следующие несколько лет. Основная идея заключалась в том, чтобы совместить в дисплее мобильного телефона устройства ввода и вывода информации, плюс сделать дисплей не только сенсорным, но и удобным в эксплуатации. Конечно, сенсорные дисплеи появились задолго до выхода iPhone, но именно благодаря последнему сегодня подавляющее большинство смартфонов, планшетов и простых телефонов не имеют физической клавиатуры.
Один из немногих противотоковых данных: 6% говорят, что он будет чувствовать себя «освобожденным». Сотовый телефон используется номофобом более или менее неосознанно как «защитная оболочка, щит и как средство избежать социальной коммуникации». Недавно два ученых из Генуэзского университета предложили официально включить Номофобию в патологию психических расстройств. Это во всех отношениях болезнь, и как таковая представляет собой типичные симптомы абстиненции. В наиболее серьезных случаях были панические атаки, последовательный почти маниакальный контроль над телефоном на каждом минимальном кольце, сообщение или уведомление.
Типы сенсорных панелей
Дисплей современного смартфона представляет из себя “сендвич”, состоящий из самого дисплея и сенсорной панели. Существует около дюжины разновидностей сенсорных панелей. При этом в подавляющем большинстве мобильных устройств применяются лишь две разновидности: резистивный сенсорный экран и проекционно-емкостный сенсорный экран. В середине нулевых почти все смартфоны с сенсорным дисплеем имели резистивную панель. Принцип работы резистивной панели довольно прост (рисунок 1). Поверх стеклянной панели (1) наклеены резистивный (2) и проводящий (4) слои, которые разделены между собой слоем микроизоляторов (3), резистиный слой подключен к четырем электродам по углам панели. В состоянии покоя четыре электрода по углам заземлены, на проводящий слой (далее мембрана) подается напряжение 5В, а микроконтроллер с заданной частотой замеряет уровень напряжения. Как только палец (или любой другой твердый предмет) касается поверхности экрана, мембрана, продавливая слой микроизоляторов, замыкает схему, уровень напряжения отклоняется от значения 5В. Микроконтроллер, реагируя на изменение уровня напряжения, начинает опрашивать экран: сначала на два правых электрода подается напряжение, а два левых заземляются – уровень напряжения соответствует координате по горизонтали; затем напряжение подается на два верхних электрода, а два нижних заземляются – уровень напряжения соответствует координате по вертикали.
Тревожное, но чертовски реальное. Постарайтесь подумать: вам неловко проводить день без вашего мобильного телефона? Вместо этого убедитесь, что вы не сталкиваетесь с этим. Исходная точка идентична: «наркомания» с мобильного. Но в этом случае мы фокусируемся на последствиях социальной жизни. Кризис телефона и оскорбление, пренебрежение - это неспособность обратить внимание на внешний мир и на окружающих нас людей, даже во время социальных ситуаций, таких как обеды и вечеринки.
Смартфоны склонны фильтровать каждый другой стимул, отделяя нас от физического мира в целом. Мы можем говорить о реальном цифровом социальном бедствии: согласно кампании, в среднем в каждом австралийском ресторане каждый вечер случалось 36 случаев пения. Держу пари, что, выйдя на ужин, вы тоже заметили это. Пока вы не слишком забрали свой смартфон, чтобы это выяснить.
Рисунок 1
1) стеклянная панель
2) резистивный слой
3) слой микроизоляторов
4) проводящий слой
К преимуществам данной технологии можно отнести относительно высокую точность определения координат прикосновения и возможность использовать для работы с дисплеем любой твердый предмет. К недостаткам можно отнести: недолговечность, низкую износостойкость оболочки мембраны и невозможность распознавания дисплеем одновременно более одного касания.
Короче говоря, мобильная зависимость - очень актуальная тема, настолько, что даже икона нашего времени, король уличных художников Бэнкси, поставила ее в центр недавней работы. Мобильные телефоны развиваются головокружительно. Смартфоны с собственной операционной системой, с большим количеством памяти и многими расширенными функциями становятся все более распространенными. И, конечно, даже дисплеи не остались позади. Красочные экраны большого экрана со многими тысячами цветов больше не привлекают особого внимания.
Можно сказать, что мобильные телефоны с их конструкцией и оборудованием приближаются к своим карманным компьютерам. Итак, давайте посмотрим, на какие сенсорные экраны мы можем столкнуться и как работают эти дисплеи. Первым из дизайнерских решений для сенсорных экранов является так называемая резистивная технология. Система состоит из гибкой мембраны, которая находится на поверхности дисплея. Диафрагма покрыта очень тонким прозрачным металлическим слоем изнутри. Между диафрагмой имеется также проводящий прозрачный слой, но он твердый.
На смену резистивной пришла проекционно-емкостная (часто в обиходе просто “емкостная”) технология, которая имеет еще более примитивную конструкцию. На внутреннюю сторону защиты экрана наносят сетку электродов. Электрод, защита экрана и палец человека образуют конденсатор, контроллер замеряет емкость такого конденсатора и определяет координаты нажатия (рисунок 2).
Между слоями имеется очень тонкий воздушный зазор с растром изоляционных опор, которые изолируют проводящие слои. Оба уровня подключены к модулю управления и оценки. При касании верхний лист сгибается и в определенном месте соединяется проводящим образом с нижним слоем. Затем электрический ток пропускается через слои, и контроллер затем вычисляет положение точки касания в зависимости от размера отдельных токов. Принцип технологии проиллюстрирован на следующем рисунке.
Принцип резистивного сенсорного экрана
Преимущество этого решения для дисплеев состоит в том, что почти все может быть применено к прикосновению. Это может быть кончик пальца и даже перчатка, карандаш или любой другой предмет. Это в основном только развитое давление на верхний проводящий слой. Резистивные сенсорные экраны очень долговечны и поэтому используются, в частности, в промышленных приложениях.
Рисунок 2
Емкостные сенсорные панели могут распознавать два и более касания одновременно, что позволило реализовать мультитач – систему жестов, облегчающую взаимодействие с элементами пользовательского интерфейса. В качестве защиты экрана стало возможным использование более прочных материалов, например, стекла. Конструкция емкостных экранов более долговечна. К минусам емкостных сенсорных панелей можно отнести меньшую, чем в резистивных панелях, точность определения координат прикосновения, и тот факт, что панель реагирует только на прикосновение пальцем.
Функции этих дисплеев основаны на проводимости человеческого тела. Поверхность емкостного сенсорного экрана покрыта проводящим слоем. При касании экрана пальцем руки емкость, через которую замыкается электрическая цепь, образуется между краями дисплея и проводящей рукой. Контроллер затем анализирует результирующие емкости точно, чтобы определить положение пальца.
Предпочтительной особенностью этой системы является высокая механическая стойкость, а также очень низкая восприимчивость к повреждению почвы из-за загрязнения. Основным недостатком и ограничением является то, что сенсорный дисплей работает только тогда, когда экран коснулся электропроводящего объекта. Рукой в кожаной перчатке или пластиковой палочке мы не останавливаемся на этом типе дисплея.
Типы дисплеев
Дисплеи могут быть построены на жидких кристаллах или органических светодиодах. Жидкокристаллические дисплеи могут быть изготовлены по одной из трех технологий: TN+film, IPS и MVA, но принцип построения у все трех технологий один и тот же. Каждый субпиксель (рисунок 3) жидкокристаллического дисплея состоит из двух прозрачных электродов, вертикального и горизонтального фильтров, жидкокристаллического слоя и цветового фильтра. В дисплеях с подсветкой за этими слоями устанавливается лампа подсветки.
Особым случаем емкостного дисплея является так называемый проекционный емкостный дисплей. Он использует принцип емкостного дисплея, но с той разницей, что он излучает электрическое поле в соседнюю область. Если такой дисплей размещен, например, под непроводящим тонким слоем стекла или плексигласа, эта система будет работать и будет очень механически устойчивой.
Сенсорные экраны с инфракрасным излучением
Разумеется, интересным решением является использование инфракрасного излучения. Принцип прост в своем ядре, но его многие гении скрыты по-разному. Система состоит из плотной сети инфракрасных лучей, которая прерывает вставку любого объекта в определенном месте. Большим преимуществом является то, что такая система может быть выполнена в виде рамки, которая затем может быть прикреплена к любому монитору. Пример такой привязки приведен на следующем рисунке.
Рисунок 3
Подавая напряжение на молекулы жидких кристаллов через электроды, контроллер дисплея меняет прозрачность этих молекул, а значит и уровень светимости каждого из трех субпикселей – зеленого, синего или красного. Основной расход энергии в жидкокристаллических дисплеях приходится на работу лампы подсветки. Поэтому энергопотребление ЖК-дисплеев практически не зависит от отображаемой им картинки.
Сенсорный дисплей
Другим преимуществом этих дисплеев является то, что нет необходимости касаться подложки непосредственно, чтобы активировать любую из точек отображения.
Поверхностная акустическая волна
Самый сложный метод решения сенсорного экрана - технология поверхностной акустической волны. Принцип заключается в том, что передатчики и приемники сигналов расположены в углах сплошного прозрачного слоя над дисплеем. Он распространяется по лицу дисплея. Вставляя объект в волновое поле, изменяется распространение волны, и блок управления оценивает положение препятствия в соответствии с переданными и принятыми сигналами.Долгое время на рынке дисплеев господствовала технология TN+film (Twisted Nematic + film). Это самая простая и самая дешевая в изготовлении технология. Из трех технологий TN+film имеет худшую цветопередачу и небольшие углы обзора. Но при этом у TN-дисплеев относительно быстрый отклик.
Все чаще в топовых смартфонах встречаются дисплеи изготовленные по IPS (In-Plane Switching) технологии. Разрабатывалась IPS с прицелом на то, чтобы нивелировать недостатки TN-матриц. IPS-дисплеи обладают лучшей в классе цветопередачей и углами обзора до 178 градусов. Недостатком IPS является худший отклик. IPS-дисплеи тратят больше энергии в сравнении с TN-дисплеями.
Проблема с этой технологией заключается в ее высокой чувствительности к загрязнению, потому что даже небольшая грязь может поглощать акустические волны, а дисплей оглушает. Трудно решить, какая из них лучшая. Они настолько разнообразны, что такая оценка может даже не иметь смысла. Каждая из этих технологий подходит для других целей. Некоторые из них подходят для суровых условий промышленного производства и поэтому используются для управления и программирования производственных роботов, другие менее надежны, но более точны в позиционировании.
MVA (Multi-domain Vertical Alignment) технология занимает срединное (по характеристикам) значение между TN- и IPS-технологиями.
Конструкция дисплеев на органических светодиодах (OLED – Organic Light-Emitting Diode) принципиально отличается от конструкции жидкокристаллических дисплеев. OLED-матрицы состоят из нескольких слоев полимеров, если на них подать напряжение, один из слоев (эмиссионный) излучает свет. Очевидно, что OLED-матрицы не нуждаются в подсветке. Кроме того, энергопотребление такой матрицы зависит от того, какой цвет она отображает. Больше всего энергии потребляет белый цвет, а черный цвет имеет практически нулевое потребление. БОльшее распространение получили активные матрицы на органических светодиодах (AMOLED – Active Matrix Organic Light-Emitting Diode). Сегодня эту технологию сильно пиарит Samsung. Многие идеализируют AMOLED, и все же данная технология имеет ряд существенных недостатков. Технология изготовления AMOLED имеет ограничение по плотности пикселей на дюйм (PPI). На светлых тонах энергопотребление AMOLED-дисплеев выше, чем в жидкокристаллических дисплеях. Матрица AMOLED-дисплея со временем выгорает (синий субпиксель быстрее, чем красный и зеленый). При этом преимуществами AMOLED-дисплеев являются: бесконечная контрастность, абсолютные углы обзора, значительно меньшее, чем в ЖК-дисплеях энергопотребление на темных цветовых схемах. Говоря об AMOLED, нельзя пройти мимо темы Pentile. Это особая компоновка субпикселей в некоторых AMOLED дисплеях, когда на четыре пикселя приходится всего два синих и два красных субпикселя, при этом зеленых пикселей, как положено, четыре (рисунок 4).
Несомненно, сенсорные экраны - очень хороший выбор, где отдельное устройство управления, такое как клавиатура или джойстик, просто беспорядок. Рассмотрим, например, различные торговые автоматы или интерактивные счетчики информации. Особенно выгодно использовать сенсорные экраны на портативных устройствах, таких как карманные компьютеры или мобильные телефоны, потому что всегда есть проблема с специальной клавиатурой.
Для многих пользователей самым важным параметром отображения является его цвет. Простейшие дисплеи могут показывать только один цвет плюс «нет», более продвинутые модели имеют больше оттенков одного цвета. Оба эти типа дисплеев обычно называются черно-белыми, здесь и там вы также найдете монохромный термин.
Рисунок 4
Многие пользователи утверждают, что не видят Pentile, другие же наоборот, уверены в том, что Pentile серьезно портит качество картинки на дисплее. Но факт остается фактом: Pentile виден, и более всего он заметен на светлых тонах (изображение как будто в крапинку).
Если дисплей может обрабатывать несколько цветов, мы говорим об этом как о цвете. Ряд других параметров отображения связаны с измерениями, которые всегда задаются для так называемой активной области. Если на дисплее есть неактивные ребра, где текст не отображается, размеры не учитываются.
Не менее важным параметром является разрешение дисплея. Его единица - пиксели, и иногда вы можете встретить концепцию пикселя, что означает точно то же самое. В резолюции вы узнаете, сколько очков вы можете увидеть на дисплее, прямо в обоих направлениях: вы узнаете, сколько очков бок о бок и сколько на дисплее.
Основные параметры дисплеев
Год от года увеличиваются разрешение и диагональ дисплеев, и, так как первый параметр зачастую растет быстрее второго, увеличивается плотность пикселей на дюйм – PPI (pixels per inch). Последние пару лет наблюдается маркетинговая гонка значений PPI. Долгое время рекорд (326PPI) принадлежал Retina дисплею в iPhone 4/4S. Сегодня же встречаются с дисплеями плотностью до 469PPI.
Третий параметр очень тесно связан с разрешением, вы узнаете, насколько большой шрифт. Помимо описанных точных параметров, некоторые другие функции дисплеев мобильных телефонов можно судить более или менее субъективно. Такие функции включают контраст или разницу между отображаемым текстом или графикой и фоном. Если контраст низкий, данные на дисплее не ясны.
На некоторых дисплеях есть грубая сетка, где есть слишком большие и видимые промежутки между точками, что снижает качество изображения. Когда наклон более выражен, цвет меняется, или шрифт полностью теряется. Мы отступим от перспективы пользователя и попытаемся изучить дисплей на технологической стороне.
Основные параметры дисплеев:
Контрастность – параметр, определяющий насколько самая светлая точка на дисплее ярче самой темной точки при одном и том же уровне подсветки.
Яркость – количество света, излучаемое дисплеем, в расчете на заданную единицу площади (обычно кандел на м²).
Время отклика – время необходимое пикселю для изменения своей яркости.
Отдельные точки отображения расположены в обычной сетке. Цепи управления телефона активируют выбранные точки, подводя электрическое напряжение к одному столбцу и строке дисплея. Загорается только точка, расположенная точно на пересечении активированных проводов. Ничто, однако, не является полностью идеальным, электромагнитные силы являются мощными и непредсказуемыми, и все это приводит к частичному освещению второстепенных точек во всех четырех направлениях.
Дисплеи, которые функционируют таким образом, называются пассивными, и в дополнение к неточностям, вызывающим размытый прожектор, у них все еще есть несколько других недостатков. Первый - относительно небольшое разрешение, вызванное устранением трудности, а второе - небольшой частотой обновления. Дисплеи медленные и могут отображать до нескольких изображений в секунду, что неприятно, например, в анимации. Однако для нормального использования на мобильных телефонах этих дисплеев достаточно.
Угол обзора – угол, при котором контраст падает до заданного минимального значения.
Для начала, хочу отметить, что дисплеи iphone отличаются по конструкции и технологии формирования изображения от большинства смартфонов, но не кардинально. Принципы, которые работают во всех ЖК-дисплеях, такие же:
Как следует из названия, это тонкий слой, на котором миниатюрные электронные компоненты - транзисторы - создаются соответствующей технологией. Основная функция транзистора на дисплее - электронное разделение отдельных пикселей, тем самым устраняя неточность адресации. Отдельные электроды больше не соединены с колоннами и рядами. Кроме того, транзистор может включать и выключать точку быстрее, дисплей может предложить гораздо более высокое разрешение и более высокую частоту обновления.
Их основным недостатком является более высокая цена, вызванная в основном за счет требуемого производства транзисторного слоя. Свет по существу представляет собой поток фотонов, которые вибрируют во всех возможных направлениях. Если, однако, луч света стоять на пути стеклянной пластины с очень тонкими канавками фотонов несколько дисциплинами и передает только те, которые вибрируют в правильном направлении. Момент напряженности, и вы догадываетесь правильно: с другой стороны, ни один фотон не упал, вся наша структура черная непрозрачна.
- Матрица, состоящая из ЖК-кристаллов подсвечивается при помощи источника света (подсветки)
- Изображение от матрицы проходит через поляризационный фильтр, в результате чего получается изображение, которое воспринимается человеческим зрением.
Если есть желание, прочитайте подробнее о том, из чего состоит экран ноутбука и как происходит его замена, . В телефонных дисплеях тоже самое, только гораздо меньшего размера (размер пикселя — меньше, матрица и подсветка — тоньше).
Теперь я опишу составные части дисплея в порядки их нахождения от поверхности (там где пользователь касается экрана).
Модуль дисплея iphone состоит из следующих элементов :
1. Защитное стекло iphone .
Именно по нему вы водите пальцем когда пользуетесь iphon’ом. Оно служит для того, чтобы сенсорная панель и матрица не изнашивались и не могли повредиться в результате удара или падения. Ведь лучше разбить стекло чем более дорогие элементы дисплея.
Стекло в iphone , начиная (если я не ошибаюсь) с 4й версии имеет олеофобное покрытие (лат. олео — масло/жир и фобос — боязнь). Переводя на русский — покрытие на котором не задерживается жир. Иногда говорят, что олеофобное покрытие «отталкивает» жир, но буквально это не совсем так. Жир никуда не улетает от такого покрытия, а просто не въедается и его можно легко удалить обычной безворсовой салфеткой.
2. Тонкий слой прозрачного клея.
В большинстве сенсорных телефонов внешнее стекло (или сенсорный экран) клеятся не к корпусу устройства, а непосредственно к матрице (экрану). Это позволяет убрать воздушный зазор между сенсорной панелью и матрицей, плюс , уменьшает толщину устройства в целом.
3. Сенсорное стекло (сенсорная панель, она же тачскрин, она же сенсор)
Именно по средствам сенсорной панели , процессор телефона получает информацию о том, в каком месте вы прикоснулись к стеклу, затем через видеоподсистему выполняемые действия отображаются на матрице.
4. Поляризационная пленка (поляризационный фильтр)
Для чего нужен- видно из картинки. Описывать принцип его действия не буду, слишком много.
5. ЖК-дисплей (матрица)
В ноутбуках и многих других устройствах матрица представляет собой устройство в корпусе которого объединена и подсветка и кристаллы и поляризационный фильтр. В iphone — это все отдельные части, которые крепятся друг у другу.
Технология, по которой изготавливается ЖК дисплеи iphone использует технологию IPS. С той лишь разницей, что это не стандартная IPS, а улучшенная и в apple ей дали название Retina . Многие производители ЖК-экранов развивают свои технологии на основе IPS и называют их по-своему, добавляя некоторые нововведения.
6. Подсветка.
Источник света. Служит для того чтобы изображение, выводимое ЖК-экраном было видно человеческому глазу т.к. сами по себе ЖК кристаллы не излучают света.
7. Рамка дисплея
Упомяну про эту часть в самом конце, т.к. она полностью обрамляет защитное стекло и весь дисплей. Ниже представлена рамка iphone 5 черного цвета.
Как вы видите, дисплей iphone весьма непрост. И далеко не монолит как представляют вам на многих сайтах. При наличии навыков и оборудования все эти части можно заменить по отдельности, что гораздо дешевле для клиента и выгоднее для сервисного центра .
Например, модуль в сборе для iphone 6 plus стоит в районе 20 тыс. руб. (на момент написания статьи) без учета стоимости работ:) Хотя, при падении телефона разбивается, как правило, только защитное стекло и его замена на iphone 6 plus обойдется в несколько раз дешевле чем замена всего дисплея .
Аналогичная ситуация, например, с samsung galaxy S3, s4 и т.д. где стоимость модуля достигает 10 тыс руб., и смотря на курс доллара, мы понимаем, что ситуация вряд ли изменится.