что такое сенсор обратной подсветки
СОДЕРЖАНИЕ
Описание
Другие преимущества датчика BSI включают более широкий угловой отклик (что дает большую гибкость при проектировании линз) и, возможно, более высокую скорость считывания. К недостаткам можно отнести худшую однородность отклика.
Наблюдатели в отрасли отметили, что датчик с задней подсветкой теоретически может стоить меньше, чем аналогичная версия с передней подсветкой. Способность собирать больше света означала, что матрица сенсоров аналогичного размера могла предложить более высокое разрешение без падения производительности при слабом освещении, иначе связанного с гонкой мегапикселей (MP). В качестве альтернативы, такое же разрешение и возможность работы в условиях низкой освещенности могут быть предложены на меньшем чипе, что снижает затраты. Ключом к достижению этих преимуществ мог бы стать улучшенный процесс, направленный на решение проблем текучести, в основном за счет улучшения однородности активного слоя на передней панели детекторов.
В апреле 2021 года Canon объявила, что их новая модель R3 будет оснащена 35-миллиметровым полнокадровым многослойным CMOS-датчиком с задней подсветкой и процессором изображения DIGIC X.
В мае 2021 года Sony анонсировала новый многослойный сенсор с задней подсветкой для формата Micro Four Thirds.
Меньше шумов с новыми CMOS-сенсорами
На Mobile World Congress 2011, который стартует в Барселоне в понедельник и продлится до 17 февраля, Samsung продемонстрирует два новых CMOS-сенсора (S5K3L1 и S5K3H2), которые ориентированы на применение в смартфонах.
Не смотря на распространенное (и вполне справедливое) убеждение «камера в телефоне баловство, фотоаппарат она не заменит», часто случаются ситуации, когда под рукой ничего лучшего, чем камера в телефоне не оказывается. И тут в качестве софтверного фильтра, улучшающего качество фотографии, часто применяется фраза «Сорри за качество, снимал телефоном». Samsung очень любит своих покупателей и совсем не хочет, чтобы они лишний раз извинялись за собственную технику. Поэтому наши инженеры не устают предлагать новые решения, которые позволят гордиться снимками, а не извиняться за них.
У модели S5K3L1 — 1/3,2-дюймовый 12-мегапиксельный сенсор. Она изготовлена с применением технологии задней подсветки BSI (Back Side Illuminated), что позволяет снимать с минимальными шумами при невысокой освещенности.
Разница между обычным сенсором (с передней подсветкой) и новым сенсором с технологией задней подсветки BSI состоит в том, что устройство BSI упрощает попадание света на фотодиоды сенсор. В обычном CMOS-сенсоре свет вынужден проходить по металлической проводке и элементам схемы, прежде чем он попадет на фотодиоды (т. н. «светополучающая поверхность» — light-receiving surface на схеме). В сенсоре же с задней подсветкой проводка спрятана за светополучающую поверхность, за счет чего сенсор становится более светочувствительным.
Также новинка оснащена опциональным фильтр RGB-white, который позволяет получить более яркие снимки (на 30% по сравнению с традиционными RGB-фильтрами). Некоторые дополнительные функции призванны устранить искажения на снимках.
Кроме фото сенсор способен снимать видео: в разрешении Full HD 1080p с частотой 60 кадров в секунду, в разрешении HD 720p — со скоростью 90 кадров в секунду, в разрешении VGA — 120 кадров в секунду.
CMOS-сенсор S5K3H2 также выполнен в форм-факторе 1/3,2 дюйма на базе технологии обратной подсветки, но его разрешение составляет 8 мегапикселей. Кстати, технология BSI отличается низким уровнем энергопотребления, так, сенсор S5K3H2 способен работать при напряжении всего 1,2 В — это позволяет продлить срок работы мобильного устройства.
Этот сенсор также способен осуществлять запись видео: в разрешении Full HD 1080p с частотой 30 кадров в секунду, в разрешении HD 720p — со скоростью 60 кадров в секунду, в разрешении VGA — 120 кадров в секунду. Поддерживается и возможность осуществления серийной съемки фотографий со скоростью до 15 кадров в секунду.
Обе модели сенсоров доступны для применения с модулями камер размера 8,5×8,5х6,0 мм с автофокусом. Таким образом, инженеры могут использовать ее в тонких мобильных устройствах.
Они уже доступны в виде отдельных образцов, а начало их массового производства состоится в третьем квартале этого года.
Sony выпустит шесть новых CMOS-матриц с обратной засветкой и глобальным затвором
Компания Sony продолжает совершенствовать технологию глобального затвора (Global Shutter). Главный вопрос, конечно же, состоит в том, когда эта дорогостоящая функция появился в камерах APS-C и FF потребительского уровня.
Официальный текст пресс-релиза Sony:
«Sony выпустит шесть типов CMOS-датчиков изображения с функцией глобального затвора с задней подсветкой пиксельной структуры. Компактные, с высокой точностью и скоростью распознавания и измерения для ускорения возможностей промышленного оборудования».
Новые матрицы будут одновременно и компактными, и способными считывать изображение не построчно, а сразу — без искажений движущихся объектов. Они будут использовать технологию датчика изображения Sony Pregius S, которая поставляется с глобальной функцией затвора. Это стало возможным благодаря собственной разработке Sony — пиксельной структуры с обратной засветкой, впервые анонсированной в марте 2019 года.
Новые типы матриц с глобальным затвором будут применяться в промышленности.
Ниже — таблица с указанными сенсорами.
фото: www.sonyalpharumors.com
В тексте релиза Sony отмечают, что эти новые матрицы позволяют улучшить эффективность ряда автоматизированных процессов, например, в сфере систем видеонаблюдения.
«Запатентованная структура пикселей с задней подсветкой допускает компактный размер исключительно 2,74 мкм, что составляет около 63% от обычной площади пикселей, но при этом сохраняет такие характеристики пикселей, как чувствительность и уровень сигнала насыщения», — пишет производитель.
На таблице ниже перечислены возможности новых матриц, в том числе, их размер, количество мегапикселей, глубину цвета (максимальный — 12 бит для всех новых матриц), количество кадров в секунду и другие характеристики.
www.sonyalpharumors.com
Матрица IMX532 позволяет записывать видео с глубиной цвета — 12bit со скоростью 109к/с. Это наилучший показатель среди всех шести новых матриц от Sony.
www.sonyalpharumors.com
Какие сенсорные технологии используются на больших экранах?
В последнее время стремительно дешевеют и набирают популярность устройства с большими сенсорными экранами (диагональю > 40”) – интерактивные столы, информационные и рекламные киоски, интерактивные дисплеи для бизнеса и образования. В этой статье я бы хотел сделать обзор сенсорных технологий, которые используются в таких устройствах, с их достоинствами и недостатками. Сразу скажу, что мир больших дисплеев в этом плане кардинально отличается от мира смартфонов и планшетов, в котором окончательно победила проекционно-емкостная (Projective-Capacitive Touch) технология. Все факты, приведенные в статье, основаны на реальном опыте работы с сенсорными экранами различных производителей.
Критерии
В первую очередь стоит сказать о критериях сравнения – иначе как мы сможем понять, какая технология лучше и в каких условиях? В этой статье я не буду говорить о методиках измерения этих параметров, так как это обширная и отдельная тема. Просто перечислю:
Разрешение
Разрешение сенсора в идеале не должно быть ниже графического разрешения дисплея. Для некоторых технологий (например, использующих триангуляцию) этот параметр рассчитать довольно сложно, да и зачастую бесполезно. На практике, сенсорное разрешение не так сильно влияет на удобство использования, как точность.
Точность
Точность сенсора определяется разницей между действительной точкой касания и точкой отображения касания на дисплее. На больших дисплеях такая ошибка может достигать нескольких сантиметров, в зависимости от технологии. Особенно важно то, что для некоторых технологий эта ошибка может очень сильно различаться в различных областях экрана. Очень редко имеет смысл добиваться от сенсора ошибки распознавания менее 2-3 мм, так как эту ошибку уже чаще всего поглощает следующий параметр – оптический параллакс.
Оптический параллакс
Дистанция срабатывания
Дистанцией срабатывания называется расстояние до поверхности дисплея, на котором происходит срабатывание сенсора. В случае оптических сенсоров этот параметр может варьироваться в пределах 2-10 мм, причем, чем больше диагональ экрана, тем больше дистанция срабатывания. Для приложений, связанных с рисованием, этот параметр является крайне важным. Когда вы быстро пишете или рисуете, вы, как правило, часто отрываете маркер от стекла на очень небольшое расстояние. Если это расстояние меньше, чем дистанция срабатывания, то на экране появляются нежелательные линии. Также проблемы могут возникать с двойным кликом. Ниже на рисунке видно, как влияет дистанция срабатывания на появление лишних линий при быстром письме. На почерк не смотрите, сенсор тут ни при чем — он у меня просто корявый. 
Задержка
Задержкой называется временной интервал между собственно прикосновением объекта к дисплею и моментом, когда информация о нем будет доступна операционной системе. Один из наиболее трудных параметров для измерения. Для современных сенсоров задержка составляет от 10 до 30 мс, однако следует помнить, что реальная задержка отклика приложения на действия пользователя будет значительно больше из-за задержки в ОС, приложении и при отрисовке. О том, как задержка влияет на удобство использования, можно посмотреть прекрасное видео от Microsoft Research, которое уже было на хабре.
Частота обновления
Частоту обновления сенсора характеризует количество сообщений о координатах распознанных объектов в единицу времени. Следует помнить, что для некоторых технологий этот параметр может значительно деградировать в зависимости от количества одновременно распознаваемых объектов.
Чувствительность к освещению
Все сенсорные дисплеи, основанные на оптических технологиях, в той или иной степени боятся паразитной засветки в ИК диапазоне. На практике это означает, что для дисплеев уличного исполнения оптические сенсоры непригодны. Однако, многие современные оптические сенсоры более чем хорошо работают в помещениях (хотя и не все).
Количество одновременно распознаваемых касаний
Думаю, комментировать этот параметр не нужно. Скажу лишь, что, в общем случае, чем больше касаний распознает сенсорный дисплей, тем хуже прочие его характеристики.
Технологии
Итак, с критериями оценки сенсоров для дисплеев больших диагоналей мы разобрались, теперь перейдем к технологиям. Я буду описывать лишь те технологии, которые действительно используются сегодня в LCD дисплеях больших (>40”) диагоналей. Соответственно, будут опущены резистивная и ПАВ (ПАВ = поверхностно-акустические волны) технологии. Достоинства и недостатки, о которых я буду говорить, тоже характерны именно для больших диагоналей.
Проекционно-емкостная технология (Projective Capacitive Touch)
Принцип работы проекционно-емкостной технологии заключается в следующем. На экран наносится сетка из проводников, пересечения которых можно рассматривать как конденсаторы. На емкость этих конденсаторов влияют поднесенные объекты (например, палец). Специальный контроллер поочередно измеряет емкость на всех пересечениях и по ее изменению вычисляет координаты прикосновений. К сожалению, масштабировать эту прекрасную технологию на большие экраны не так просто. Это связано со следующими проблемами:
Все это вместе делает современные большие PCT дисплеи очень хорошим выбором для информационных киосков, в том числе уличных. Но рисовать на них вряд ли получится, и ожидать от них отзывчивости, как у планшета, явно не стоит. Немаловажным также является тот факт, что большой PCT сенсор недешев, так как технологией его производства владеют совсем немного компаний.
Оптическая технология (Optical Touch).
Данная технология использует камеры с ИК подсветкой для определения положения объекта. Здесь есть определенная проблема с терминологией. Несмотря на то, что другие технологии, о которых будет сказано ниже, тоже так или иначе используют оптические эффекты, среди производителей сенсорных дисплеев принято называть оптической (optical) именно технологию на основе камер в углах экрана.
Принцип работы довольно прост – в двух или четырех углах дисплея установлены камеры с ИК подсветкой. Подсветки камер поочередно зажигаются, и соответствующая камера фиксирует угловое положение объектов, касающихся дисплея. Далее контроллер триангулирует координаты объектов и передает их в компьютер. 
Традиционными проблемами данной технологии изначально были большая дистанция срабатывания, а также плохая работа в режиме мультитач. Например, двухкамерный сенсор может работать максимум с двумя касаниями, и то на уровне пригодном только для жестов зума. Четырекамерные сенсоры значительно лучше работают в мультитач режиме, но все равно ошибки распознавания часты, и хотя в спецификации таких сенсоров часто указаны 4 или даже 6 касаний, назвать это настоящим мультитачем язык не поворачивается.
Вместе с тем, современные оптические сенсоры, избавленные от детских болезней, дают сейчас наилучшее сочетание цена-качество для indoor дисплеев. Особенно их отличает низкая задержка и высокая точность при условии хорошей калибровки. Причем задержка двухкамерных сенсоров ниже, чем четырехкамерных, потому что цикл опроса камер в два раза короче.
ИК матрица (IR Matrix Touch или просто IR Touch).
Принцип технологии IR Touch очень прост – на двух смежных сторонах рамки дисплея размещаются линейки ИК светодиодов, а на двух других – линейки фотоэлементов. Объекты, касающиеся экрана, перекрывают ИК лучи в образованной сетке, и по данным с фотоэлементов контроллер определяет их координаты. 
Технология, как и оптическая, очень неплохо применима на практике. Относительно невысокая цена и неплохой мультитач (значительно более четкое распознавание 4-6 объектов, чем у Optical Touch) делают эту технологию очень привлекательной для indoor дисплеев. До недавнего времени задержка ИК матриц была довольно высока, но в последних моделях она уже сравнима с задержкой оптического сенсора.
Недостатком ИК матрицы является невысокое разрешение – это легко можно обнаружить в режиме рисования, если провести линию, немного отклоняющуюся от вертикали или горизонтали. Однако и в этом направлении производители ИК матриц постоянно совершенствуются. 
Технология, основанная на FTIR эффекте (FTIR Touch).
Это, наверное, самая известная мультитач технология. Именно на ней был основан первый вариант Microsoft Surface (тогда еще интерактивного стола). Смысл заключается в том, что в торцах сенсорного стекла размещаются ИК светодиоды. Пока к стеклу не прикасается объект, ИК излучение остается внутри стекла за счет почти полного внутреннего переотражения. А как только объект приложен, излучение начинает в этой точке рассеиваться, и его может увидеть камера, расположенная за экраном.
Это единственная технология, обеспечивающая на дисплеях большой диагонали настоящий мультитач – более 30 касаний. Большим недостатком MS Surface (как и всех FTIR Touch дисплеев, основанных на обратной проекции) была большая глубина. В случае LCD дисплеев эта проблема решается за счет разнесения LCD модуля и подсветки, а также использования нескольких камер с ультракороткофокусными объективами и перекрывающимся полем зрения. 
Конечно, такие дисплеи нельзя сделать тоньше, чем 20-25 см, а сторонней засветки они боятся как огня. Однако эту цену приходится платить, если нужен настоящий мультитач.
Электромагнитная (EM Touch)
В этой технологии за LCD модулем располагается панель с проводниками – по сути, антенна-приемник, а в специальном активном стилусе размещается передатчик. По изменениям электромагнитного поля в антенне контроллер вычисляет положение стилуса. Именно эта технология используется в планшетах Wacom и Galaxy Note S-Pen. В случае с дисплеями больших диагоналей, использование этой технологии – дорогое удовольствие, так как для ее реализации необходимо изготавливать огромные печатные платы. При этом дисплеи, комбинирующие электромагнитную технологию (для стилуса) с IR Touch (для пальца), были бы, возможно, наилучшим выбором, если бы не их цена. Кстати, именно такие дисплеи производила компания Perceptive Pixel, которую не так давно купила Microsoft.
PixelSense
Еще одна технология, о которой я хочу рассказать, реализована только в одном дисплее – Samsung SUR40, он же бывший Microsoft Surface 2, он же нынешний Microsoft PixelSense. Идея настолько гениальна, насколько и сложна в производстве технологически. Суть в том, что фотоэлементы встраиваются непосредственно в LCD матрицу. Благодаря этому, мы получаем настоящий мультитач, а также ряд дополнительных возможностей.
К сожалению, у меня не было возможности разобрать этот дисплей и подвергнуть полноценной серии тестов. Однако опыт работы с ним на выставках разбил все надежды на прекрасную технологию. Дисплей очень плохо распознавал маленькие объекты, показывал огромную задержку (хотя, возможно, это можно списать на ПО и плохой компьютер), а судя по затемнению света над стендами, с засветкой проблемы у него тоже есть. Ну и диагональ только 40”, и перспектив появления других диагоналей нет.
Panasonic TV Touch Pen
И последняя технология в этом обзоре – это технология, встроенная в новые серии плазменных телевизоров Panasonic. Интересным в этой технологии является то, что сам дисплей не имеет сенсора. Сенсор, а точнее фотоэлемент, расположен в специальном электронном стилусе. Идея заключается в том, что каждый пиксель на экране особенным образом модулирован. Когда стилус касается экрана (это определяется простым концевиком), фотоэлемент по параметрам модуляции (не знаю точно каким) вычисляет координаты и передает по радиоканалу в компьютер.
При всей оригинальности технического решения у этой технологии есть очень серьезные недостатки. Во-первых, используемая модуляция видна невооруженным глазом и очень сильно портит изображение, а во-вторых, проблема параллакса сильно осложняется тем, что распознанные координаты зависят еще и от угла наклона стилуса.
Выводы
Итак, с уверенностью можно сказать о сенсорных технологиях для больших дисплеев следующее – ни одна из них на сегодняшний день не обеспечивает того уровня удобства, к которому мы привыкли на смартфонах. Однако если подходить к выбору технологии с умом, можно добиться решения своих задач на достаточно высоком уровне.
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Demain n’existe pas!
В последней статье из серии «Взгляд изнутри» речь зашла о повседневных вещах, но, не смотря на обилие материала, полученного в этом направлении в течение прошедшего месяца, всё-таки давайте вернёмся к тематике, связанной с IT.
Специально ко Дню Защитника Отечества на препарационный стол легли LCD и E-Ink дисплеи, которые, так или иначе, достались мне в несколько побитом жизнью виде.
Как Антон кидал телефон об стену, а также о результатах скрупулёзного разбора дисплеев читайте под катом.
Предисловие
Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…
Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.
Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.
Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.
Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.
И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».
Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…
Часть теоретическая
Как устроен LCD дисплей?
Мы все так давно пользуемся плоскими телевизорами, мониторами, телефонами, смартфонами, что уже и забыли, что когда-то хороший монитор весил килограмм 10-15 (у нас один такой мастодонт ещё стоит и, главное, исправно работает!).
Всё это стало возможным, благодаря открытиям вековой давности (жидкие кристаллы открыты в 1888 году) и развитию технологий в последние 30-40 лет (1968 год – устройство для отображения информации, использовавшее ЖК, 1970-е – общедоступность жидких кристаллов). Многое о жидких кристаллах и ЖК-мониторах можно подчерпнуть на Wiki.
Итак, практически любой ЖК-монитор состоит из следующих основных частей: активной матрицы, представляющей собой набор транзисторов, с помощью которых и формируется изображение, слоя жидких кристаллов со светофильтрами, которые либо пропускают свет, либо нет, и системы подсветки, которую на сегодняшний день стараются полностью перевести на светодиоды. Хотя на моём «стареньком» Asus G2S дисплей великолепного качества подсвечивается именно люминесцентными лампами.
Как это всё работает? Свет, поступая от источника (LED или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей свой площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с заданной поляризацией. Затем проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на молекулу жидкого кристалла.
Эта молекула получает «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, задала интенсивность свечения отдельного субпиксела. А за окраску субпиксела отвечает слой светофильтров (красных, зелёных или синих). Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксел изображения заданного цвета и интенсивности.
а) Схематическое устройство LCD дисплея, б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях.
Очень наглядно, как мне кажется, это продемонстрировано в ролике компании Sharp:
Помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплёночные транзисторы) существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT, то есть AMOLED – active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов.
По сути, это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её более тонкой, а самое главное – гибкой!
Какие сенсорные панели бывают?
Так как сенсоры на данный момент больше применяют с LCD и OLED дисплеями, то думаю, будет разумно сразу про них и рассказать.
Очень подробное описание танчскринов или сенсорных панелей дано тут (источник когда-то жил здесь, но почему-то исчез), поэтому я не буду описывать все типы сенсорных панелей, остановлюсь лишь на двух основных: резистивном и ёмкостном.
Начнём с резистивного сенсора. Состоит он из 4 основных компонент: стеклянной панели (1), как носителя всей сенсорной панели, двух прозрачных полимерных мембран с резистивным покрытием (2, 4), слоя микроизоляторов (3), разделяющих эти мембраны, и 4, 5 или 8 проводков, которые и отвечают за «считывание» касания.
Схема устройства резистивного сенсора
Когда мы нажимаем на такой сенсор с определённой силой, то происходит соприкосновение мембран, электрическая цепь замыкается, как показано на рисунке ниже, измеряется сопротивление, которое впоследствии пересчитывается в координаты:
Принцип расчёта координат для 4-х проводного резистивного дисплея (Источник)
Всё предельно просто.
Важно помнить две вещи: а) резистивные сенсоры на многих китайских телефонах не отличаются высоким качеством, это может быть связано как раз с неравномерностью расстояния между мембранами или некачественными микроизоляторами, то есть «мозг» телефона не может адекватно пересчитать измеренные сопротивления в координаты; б) такой сенсор требует именно нажатия, продавливания одной мембраны до другой.
Ёмкостные сенсоры несколько отличаются от резистивных. Стоит сразу оговориться, что речь будет идти лишь о проекционно-ёмкостных сенсорах, которые сейчас применяется в iPhone и прочих портативных устройствах.
Принцип работы такого тачскрина довольно прост. На внутренней стороне экрана наносится сетка электродов, а внешняя покрывается, например, ITO – сложным оксидом индия-олова. Когда мы касаемся стекла, наш палец образует с таким электродом маленький конденсатор, а обрабатывающая электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).
Соответственно, ёмкостной сенсор реагирует только на плотное прикосновение и только проводящими предметами, то есть от касания гвоздём такой экран работать будет через раз, равно как и от руки, вымоченной в ацетоне или обезвоженной. Пожалуй, основным преимуществом данного тачскрина перед резистивным является возможность сделать достаточно прочную основу – особо прочное стекло, как, например, Gorilla Glass.
Схема работы поверхностно-ёмкостного сенсора(Источник)
Как устроен E-Ink дисплей?
Пожалуй, E-Ink по сравнению с LCD устроен гораздо проще. Вновь мы имеем дело с активной матрицей, ответственной за формирование изображения, однако ЖК-кристаллов и ламп подсветки здесь нет и в помине, вместо них – колбочки с двумя типами частиц: отрицательно заряженными чёрными и положительно заряженными белыми. Изображение формируется подачей определённой разности потенциалов и перераспределения частиц внутри таких микроколбочек, на рисунке ниже это наглядно продемонстрировано:
Сверху схема работы E-Ink дисплея, снизу реальные микрофотографии такого работающего дисплея (Источник)
Если кому-то этого недостаточно, то принцип работы электронной бумаги продемонстрирован в этом видео:
Помимо технологии E-Ink существует технологи SiPix, в которой есть только один вид частиц, а сама «заливка» чёрная:
Схема работы SiPix дисплея (Источник)
Тем же, кто серьёзно хочет ознакомиться с «магнитной» электронной бумагой, прошу сюда, в Персте когда-то была отличная статья.
Часть практическая
Китаефон vs корейский смартфон (резистивный сенсор)
После «аккуратной» отвёрточной разборки оставшейся от китаефона платы и дисплея, я с превеликим удивлением обнаружил упоминание одного известного корейского производителя на материнской плате телефона:
Самсунг и китаефон едины!
Экран разбирал бережно и аккуратно – так, что все поляризаторы остались целыми, поэтому просто не мог не поиграться с ними и с работающим большим братом препарируемого объекта и вспомнить практикум по оптике:
Так работают 2 поляризационных фильтра: в одном положении световой поток практически не проходит через них, при повороте на 90 градусов – полностью проходит
Обратите внимание, что вся подсветка зиждется всего-навсего на четырёх крохотных светодиодах (я думаю, их суммарная мощность не более 1 Вт).
Затем долго искал сенсор, искренне полагая, что это будет довольно толстая панелька. Оказалось совершенно наоборот. Как в китайском, так и в корейском телефоне сенсор представляет из себя несколько листов пластика, которые очень качественно и плотно приклеены к стеклу внешней панели:
Слева сенсор китаефона, справа – корейского телефона
Резистивный сенсор китайского телефона выполнен по схеме «чем проще, тем лучше», в отличие от своего более дорогого собрата из Южной Кореи. Если я не прав, то поправьте меня в комментариях, но слева на картинке – типичный 4-х контактный, а справа – 8-ми контактный сенсор.
LCD-дисплей китаефона
Так как дисплей китайского телефона всё равно был разбит, а корейского – всего лишь незначительно повреждён, то на примере первого я и постараюсь рассказать о LCD. Но пока не будем его ломать окончательно, а посмотрим под оптическим микроскопом:
Оптическая микрофотография горизонтальных линий LCD-дисплея китайского телефона. Левой верхней фотографии присущ некоторый обман нашего зрения из-за «неправильных» цветов: белая тонкая полоска и есть контакт.
Один провод питает сразу две линии пикселов, а развязка между ними устроена с помощью совершенно необычного «электрического жука» (правая нижняя фотография). За всей это электрической схемой находятся дорожки-светофильтры, выкрашенные в соответствующие цвета: красный ( R), зелёный (G) и синий (B).
С противоположного конца матрицы по отношению к месту крепления шлейфа можно найти аналогичную цветовую разбивку, номера дорожек и всё те же переключатели (если бы кто-нибудь просветил в комментариях, как это работает, то было бы очень здорово!):
Номера-номера-номера…
Так вживую выглядит работающий LCD дисплей под микроскопом:
Вот и всё, теперь этой красоты мы уже не увидим, я раскрошил в буквальном смысле этого слова, а немножко помучавшись одну такую кроху «расщепил» на два отдельных кусочка стекла, из которых и состоит основная часть дисплея…
Теперь можно посмотреть на отдельные дорожки светофильтров. О тёмных «пятнах» на них я расскажу чуть позже:
Оптическая микрофотография светофильтров с загадочными пятнами…
А теперь небольшой методический аспект, касающийся электронной микроскопии. Те же самые цветные полосы, но уже под пучком электронного микроскопа: цвет исчез! Как я и говорил ранее (например, в самой первой статье) электронному пучку совершенно «чёрно-бело» взаимодействует ли он с цветным веществом или нет.
Вроде бы те же полоски, но уже без цвета…
Заглянем и на обратную сторону. На ней расположены транзисторы:
В оптический микроскоп – в цвете…
И электронный микроскоп – черно-белое изображение!
В оптический микроскоп это видно чуть хуже, но СЭМ позволяет разглядеть окантовку каждого субпикселя – это довольно важно для нижеследующего вывода.
Итак, что это за странные тёмные области?! Долго думал, ломал себе голову, прочитал много источников (пожалуй, самым доступным оказалась Wiki) и, кстати, по этой причине задержал выпуск статьи в четверг 23 февраля. И вот к какому выводу я пришёл (возможно, я не прав – поправьте!).
В VA- или MVA-технологии – одна из самых простых, и не думаю, что китайцы придумали что-то новое: каждый субпиксел должен быть чёрный. То есть через него не проходит свет (здесь приведён пример работающего и неработающего дисплея), принимая во внимание то, что в «обычном» состоянии (без приложения внешнего воздействия) жидкий кристалл разориентирован и не даёт «нужной» поляризации, то логично предположить, что каждый отдельный субпиксел имеет свою плёнку с ЖК.
Таким образом, вся панель собрана из единичных микро-ЖК-дисплеев. Сюда органично вписывается и замечание об окантовке каждого отдельного субпиксела. Для меня это стало, своего рода, неожиданным открытием прямо по ходу подготовки статьи!
Дисплей корейского телефона ломать я пожалел: надо ведь что-то показывать детям и тем, кто приходит к нам на факультет на экскурсию. Не думаю, что можно было бы увидеть ещё что-то интересное.
Далее, баловства ради приведу пример «организации» пикселов у двух ведущих производителей коммуникаторов: HTC и Apple. iPhone 3 был пожертвован на безболезненную операцию одним добрым человеком, а HTC Desire HD собственно мой:
Микрофотографии дисплея HTC Desire HD
Небольшое замечание по поводу дисплея HTC: специально не искал, но не может ли быть вот эта полоса посреди верхних двух микрофотографий тем частью того самого ёмкостного сенсора?!
Микрофотографии дисплея iPhone 3
Если мне не изменяет память, то у HTC дисплей – superLCD, а у iPhone 3 – обычный LCD. Так называемый Retina Display, то есть LCD, у которого оба контакта для переключения жидкого кристалла лежат в одной плоскости, In-Plane Switching – IPS, устанавливается уже в iPhone 4.
Надеюсь, что скоро на тему сравнения различных технологий дисплеев выйдет статья при поддержке 3DNews. А пока хочу просто отметить тот факт, что дисплей HTC действительно необычен: контакты на отдельные субпикселы заведены нестандартным образом – как-то сверху, в отличие от iPhone 3.
И напоследок в этом разделе добавлю, что размеры одного субпиксела у китаефона – 50 на 200 микрометров, HTC – 25 на 100 микрометров, а iPhone – 15-20 на 70 микрометров.
E-Ink известного украинского производителя
Начнём, пожалуй, с банальных вещей – «пикселов», а точнее ячеек, которые ответственны за формирование изображения:
Оптическая микрофотография активной матрицы E-Ink дисплея
Размер такой ячейки около 125 микрометров. Так как смотрим мы на матрицу через стекло, на которое она нанесена, то прошу обратить внимание на жёлтый слой на «заднем» плане – это золотое напыление, от которого нам впоследствии предстоит избавиться.
Далее токоподводящие контакты. Это фото меня особенно впечатлило:
Вперёд на амбразуру!
Сравнение горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) «вводов»
Кроме всего прочего, на стеклянной подложке обнаружилось много интересных вещей. Например, позиционных меток и контактов, которые, по всей видимости, предназначены для тестирования дисплея на производстве:
Оптические микрофотографии меток и тестовых контактных площадок
Конечно, такое происходит не часто и обычно является несчастным случаем, но дисплеи иногда ломаются. Например, эта едва заметная трещина толщиной меньше человеческого волоса способна навсегда лишить радости читать любимую книгу о туманном Альбионе в душном московском метро:
Если дисплеи ломают, значит это кому-нибудь нужно… Мне, например!
Кстати, вот оно, то золото, о котором я упоминал – гладкая площадка «снизу» ячейки для качественного контакта с чернилами (о них чуть ниже). Золото удаляем механически и вот результат:
You’ve got a lot of guts. Let’s see what they look like! (с)
Под тонкой золотой плёнкой скрываются управляющие компоненты активной матрицы, если можно её так именовать.
Но самое интересно, конечно же, это сами «чернила»:
СЭМ-микрофотография чернил на поверхности активной матрицы.
Конечно, трудно найти хотя бы один разрушенную микрокапсулу, чтобы заглянуть внутрь и увидеть «белые» и «чёрные» пигментные частицы:
СЭМ-микрофотография поверхности электронных «чернил»
Оптическая микрофотография «чернил»
Или всё-таки внутри что-то есть?!
То ли разрушенная сфера, то ли выдранная из несущего полимера
Размер отдельных шариков, то есть некоторого аналога субпиксела в E-Ink, может составлять всего 20-30 мкм, что значительно ниже геометрических размеров субпикселов в LCD-дисплеях. При условии, что такая капсула может работать в половину своего размера, то и изображение получается на хороших, качественных E-Ink дисплеях гораздо более приятным, чем на LCD.
И на десерт – видео о том, как работают E-Ink дисплеи под микроскопом:
Заключение
В конце моего повествования, я хотел бы поблагодарить тех, кто помогал мне при написании этой статьи: Антона (разбитый китаефон его рук дела), Алексея (пострадавший E-Ink, вовремя вырванный из цепких лап сервиса), Василия (за корейский телефон, камера которого станет героем одной из следующих публикаций), Машу (не побоялась-таки дать мне свой iPhone), Катерину (за оправдание своей фамилии).
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»