как устроен экран телефона
Как устроен экран телефона
Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.
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.
В качестве «жертвенного» телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.
Основные составные части дисплея
Каждая из «активных» составных частей имеет достаточно сложную структуру.
Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen).
Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).
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.
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.
Остается еще к этому добавить проблемы, возникающие при прохождении света под углом (когда пользователь смотрит не перпендикулярно), и в итоге можем получить не только паразитную засветку, но и другие цвето-яркостные искажения.
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 (MV A, PVA и т.п.).
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:
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:
Далее сверху на этот «бутерброд» укладывают еще один лист с особыми свойствами.
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:
Вот так устроена «простенькая» лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.
Структура дисплеев AMOLED
Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.
Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.
И, наконец, надо сказать, что дисплеи электронных книг (eink, e-ink) не относятся ни к одному из перечисленных типов, они рассмотрены в отдельной статье.
Встречается этот тип дисплея в прайс-листах во фразах вроде «Дисплей для телефона Gnusmas FSB-007 Or. «
Ваш Доктор.
12 мая 2017 г.
Другие статьи цикла «Как устроен смартфон» :
Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам
Как работает сенсорный экран смартфона?
Содержание
Содержание
Сенсорные экраны, без которых невозможно представить современный мир, впервые появились в мобильных устройствах в далеком 1994 году, когда в продажу вышел уникальный для своего времени телефон IBM Simon. Но сенсорные тачскрины далеко не сразу полюбились массовому пользователю, так как поначалу их отзывчивость и энергоэффективность оставляли желать лучшего. Устройства, оснащенные экранами, которые реагируют на нажатия, нельзя было назвать доступными по цене.
Но времена меняются. К 2020 году наблюдается следующая тенденция — некоторые кнопочные телефоны и смартфоны могут стоить даже дороже бюджетных аналогов с сенсорным экраном. Производство тачскринов стало максимально бюджетным, хотя многое зависит от типа используемой матрицы. Пользоваться экранами стало значительно удобнее. О том, как развивались сенсорные экраны, какие их виды существуют на сегодняшний день и что, предположительно, нас ждет в будущем, вы можете прочитать в нашей статье, а также посмотреть видео на эту тему.
Резистивные экраны
Именно экран с резистивным принципом определения координат стал первым в мире (если рассматривать коммерческие решения), с помощью которого стало возможно управлять техникой. Изобретено такое решение было ещё в 70 году прошлого века — во времена, когда смартфоны если и существовали, то только в виде идеи, реализация которой станет доступна спустя пару десятков лет.
Принцип работы резистивного экрана, изобретённый физиком Джорджом Сэмюэлем Херстом и его коллегами, заключается в наличии над матрицей двух электропроводящих резистивных слоев и находящихся между ними микроизоляторов, равномерно распределенных по всей области экрана. При нажатии на дисплей слои замыкаются, при этом меняется сопротивление, которое регистрируется аналогово-цифровым преобразователем, принимая вид координат прикосновения по осям X и Y. Это позволяет определить в каком месте было совершено нажатие. Главным плюсом резистивного тачскрина считается его всеядность — он реагирует на прикосновения любых предметов, но и недостатков у такого экрана хватает, из-за чего он давно не используется в смартфонах.
Минусы:
При этом в разное время были и примеры сравнительно хороших резистивных экранов с отличным позиционированием, а ещё такие экраны надежно работают на холоде и в жару.
Емкостные экраны
Это может показаться удивительным, но первые емкостные дисплеи, которые используются в современных смартфонах, появились раньше резистивного варианта, уже практически не встречающегося в мобильной технике. Принято считать, что емкостный экран был создан англичанином Эриком Джонсоном из Royal Radar Establishment. Разработанный экран реагировал именно на прикосновения пальцев или других токопроводящих предметов, но долгое время использовался в основном авиадиспетчерами. Недостатки технологии заключались в отсутствии поддержки более одного касания и в сложности использования в массовых устройствах.
Впервые в смартфонах поддержка более одного нажатия, или мультитача, стала доступна в аппарате Iphone первого поколения, который начал продаваться в 2007 году. Многочисленные пользователи сразу оценили удобство и сравнительно хорошую отзывчивость дисплея. Не будет преувеличением написать, что именно Iphone стал убийцей кнопочных смартфонов, которые постепенно начали вымирать, даже противникам сенсорных экранов не оставалось ничего иного, как смириться с этим явлением.
Преимущества емкостного тачскрина вполне очевидны, если вам приходилось пользоваться его резистивным аналогом, до сих пор применяемым в некоторых банкоматах и различных автоматах для покупки билетов, еды, напитков и т. п. Прежде всего, для распознания нажатия не нужно слишком сильно давить на экран, хотя современные стекла в этом плане достаточно прочны. Также в последние годы почти во всех смартфонах отказались от использования экранов с воздушной прослойкой, хотя исключения есть не только в ультрабюджетном сегменте. К примеру, прослойка есть в девайсе Armor 3 WT, стоимость которого превышает 20000 рублей.
К тому же интерфейс мобильных устройств с емкостным тачскином, как правило, хорошо оптимизирован под управление только лишь пальцами, за исключением некоторых старых моделей смартфонов, уже снятых с производства и с продажи. Но в случае необходимости можно воспользоваться емкостным стилусом для рукописного ввода текста или работы и изображениями. Также в некоторых моделях, к примеру, в аппаратах Samsung Galaxy Note, применяется стилусы, передающие сигнал через Bluetooth, а не нажатия на экран, и, по слухам, в будущем будет использоваться Wi-Fi-соединение для еще большей дальности связи.
Современные емкостные дисплеи вовсе не такие хрупкие, какими их принято считать, и хотя почти все экраны не переносят или с трудом переносят падения с большой высоты, но даже трещины на стекле в большинстве случаях не приводят к поломке сенсорного слоя. Поэтому все еще остается возможность управляеть девайсом через экран.
Правда, есть проблемы с работой при низкой температуре окружающей среды и с попаданием воды на экран, приводящей к случайным нажатиям и проблемам с управлением, так как жидкость обладает токопроводящими качествами. Из-за попадания капелек воды сенсор нередко считает, что его коснулись пальцем — это происходит из-за похожего сигнала, который имеет достаточную силу и не отсекается устройством.
Проблема привела к тому, что даже в защищенных от воды смартфонах делают специальный режим подводной съемки, при котором любые нажатия на экран перестают распознаваться, а управление камерами переносится на различные кнопки. Чаще всего это качелька регулировки громкости.
В ближайшее время проблема может решиться: уже состоялись презентации смартфонов с сенсорами, которыми можно полноценно управлять даже под водой, но о повсеместном использовании пока говорить не приходится. О патенте, в котором описывается метод работы сенсора под водой, можно прочитать здесь, но работа над этой технологией прекращена.
О режиме работы в перчатках
В большинстве случаев емкостными экранами не получается пользоваться в перчатках или с любыми не проводящими ток предметами, но некоторые смартфоны имеют так называемый режим работы в перчатках. Реализован этот режим на уровне софта, путем многократного повышения чувствительности сенсорного слоя — он может встретиться и в бюджетных смартфонах, к примеру, в Ulefone Armor X7 или Neffos C9, поэтому не стоит считать его особенностью дорогих моделей.
При этом если перчатки тонкие, а нажатия сильные, и если в смартфоне не используется дополнительное защитное стекло, то чувствительности экрана может хватить, так как с развитием технологий дисплеи становятся всё более отзывчивыми.
Что еще влияет на чувствительность сенсора?
Во многом чувствительность сенсорного слоя зависит и от того, сколько одновременных нажатий поддерживает тачскрин, и проверить это может любой пользователь путем установки софта MultiTouch Tester или его аналогов. В бюджетных моделях, у которых мультатач воспринимает всего два касания, чаще всего возникают проблемы с точностью позиционирования. Также распространены более точные мультитачи на 5 и 10 касаний. А вот вариантов на 3 касания на самом деле не существует, хотя вы можете обнаружить подобный в своём устройстве или в некоторых обзорах смартфонов. Три касания отображаются из-за реализации таких функций, как снятие скриншота свайпом тремя пальцами и других возможностей, связанных с наэкранными жестами, но такое поведение встречается в единичных моделях. Не нужно считать, что мультитач на 10 касаний является избыточным — хотя использовать все 10 пальцев при реальных сценариях использования никогда не приходится, но отзывчивость экрана и точность нажатий от этого только увеличатся.
В последнее время в характеристиках некоторых смартфонов стало принято указывать частоту опроса сенсорного слоя, которое не стоит путать с частотой обновления экрана. Значение может составить и 270 Гц, как в смартфоне Xiaomi Black Shark 3, и нужно полагать, что это предел только на момент написания статьи. В теории, если это не маркетинговая уловка, более высокая частота опроса ускоряет реакцию смартфона на прикосновения, положительно влияя на отзывчивость.
Какие еще виды сенсорных дисплеев существуют?
Емкостные экраны благодаря своей универсальности стали самыми распространенными в смартфонах и планшетах, тогда как другие тачскрины не прижились именно в мобильной технике из-за своих недостатков. Долгое время считалось, что на смену емкостным тачскринам придут волновые (и до сих на эту тему появляется много статей), которые могут учитывать силу нажатия и пропускают больше света.
Но они не стали, и, вполне вероятно, не станут популярными, так как их пока нельзя использовать в моделях с загнутыми боками или с раскладными экранами. Поэтому интересно будет узнать о том, как разработчики пытаются дополнить возможности емкостной технологии.
Настоящее и будущее емкостных тачскринов
Один из самых интересных примеров переосмысления сенсора еще в 2012 году представила компания Sony, выпустившая на рынок смартфон Xperia Sola с технологией Floating touch, что в дословном переводе означает «парящее касание». Особенность Floating touch состоит в том, что пользователь может управлять экраном без прикосновения к нему, с расстояния примерно до 22 мм. Для этого использовался отдельный датчик, но работу функции нельзя было назвать идеальной, и, к тому же, изначально экран в воздухе реагировал только при работе с браузером и с живыми обоями. Возможно, именно поэтому Floating touch нельзя обнаружить в современных девайсах.
Проводятся эксперименты и по управлению с помощью слежения за лицом и за жестами в воздухе, которые фиксирует фронтальная камера, как это случилось в серии смартфонов HUAWEI Mate 30.
Такой способ управления может стать популярным в будущем, но пока камера не всегда фиксирует некоторые жесты, как было это выяснено автором статьи из личного опыта тестирования Mate 30 Pro.
Не стоит забывать и про голосовое управление, которое наверняка будет чаще использоваться, причем не только людьми с ограниченными возможностями.
Отсутствие тактильного отклика сенсора некоторые производители с различной степенью успешности пытаются заменить продвинутой системой вибрации, срабатывающей при прикосновениях к экрану, но пока нельзя сказать, что результаты впечатляют.
В заключение стоит упомянуть, что во многом самыми совершенными сенсорными экранами на 2020 год являются Super и Dymamic Amoled, у которых емкостный сенсорный слой расположен не за стеклом, как у многих моделей, а прямо внутри дисплейного модуля. Это позволяет не только уменьшить толщину экранов, а значит и смартфонов в целом, но и делает матрицу более яркой. Поэтому неудивительно, что Amoled-матрицы воспринимаются более яркими, чем IPS-аналоги при одинаковой максимальной яркости. Кроме того, у таких матриц наименьшее время отклика, что особенно важно для игр.
Также в последнее время появляется все больше устройств со складными экранами, которые могут менять размеры и служить как смартфоном, так и планшетом.
Перспективной, на первый взгляд, выглядит технология управления нажатием на изображение, выводимое с проектора. Правда, пока ничего не указывает на то, что в скором времени нечто подобное появится в смартфонах. Изображению будет не хватать яркости, а у мобильного устройства значительно снизится время работы, не говоря уже о прочих проблемах, связанных с удобством.
Предугадать, какой вариант придёт в будущем на замену емкостному дисплею, сложно. И вовсе не факт, что в ближайшие десятилетия придумают что-то более удобное и функциональное. Скорее емкостные тачскрины просто будут совершенствоваться, дополнительно получая новые способы управления, перечисленные в статье.
Устройство дисплея смартфона
Экран смартфона является не только неотъемлемым элементом конструкции мобильного устройства, но и одним из наиболее важных его компонентов. Уже давно прошли времена, когда для того чтобы охарактеризовать телефон как крутой, достаточно было его цветного дисплея. На сегодняшний день огромное разнообразие экранов удовлетворяет абсолютно всех, даже исключительно требовательных пользователей. Обратная сторона медали изобилия и доступности – мудрёные технологии и термины едва ли доступны простому обывателю. Более того, при поверхностном осмотре может показаться, что все экраны примерно одинаковые и различаются только по размеру. При более тщательном изучении становиться ясно, что устройство дисплея смартфона, включая аппараты Хайскрин, включает такие важные факторы, как качество цветопередачи, комфортность использования при ярком освещении, углы обзора, быстрота реакции сенсора на прикосновение и многое другое.
КОМПОНЕНТЫ ДИСПЛЕЯ СМАРТФОНА
КОМПОНЕНТЫ ДИСПЛЕЯ СМАРТФОНАГлаза человека – это один из главнейших проводников информации для мозга, поэтому совершенно естественно, что экран смартфона является важнейшей частью устройства, т.к. с его помощью осуществляется не только управление, но и считывание информации.
Рассвет развития электронных технологий начинался с использования для экранов TV и ПК принципа электронно-лучевой трубки, семидесятые года ознаменованы появлением первого жидкокристаллического монохромного экрана, технология производства которого при появлении первых мобильных телефонов благополучно перекочевала в данную индустрию. Несколько позже применение технологии производства экранов на основе органических светодиодов ознаменовало появление сенсорных и гибких дисплеев.
Практически любое устройство дисплея смартфона включает такие компоненты:
О РАЗРЕШЕНИИ, ДИАГОНАЛИ, ПЛОТНОСТИ ПИКСЕЛЕЙ, ТИПАХ ТАЧСКРИНА И ВИДАХ ДИСПЛЕЯ СМАРТФОНА
Разрешение и диагональ
Параметры чрезвычайно значимые для получения качественной и четкой картинки. Важно, чтобы соотношение величины экрана и разрешения было адекватным, иначе можно получить откровенно зернистое некачественное изображение. Самые распространенные варианты на сегодня – это 540х960 рх/4,8″ в дешёвых моделях, 720х1280 рх/5-5,5″ (HD-картинка с хорошей детализацией), 1080х1920 рх/от 5″ и выше (Full HD-супер изображение отличного качества) в более функциональных телефонах.
Данный показатель влияет на резкость экрана, т.е. представляет собой показатель комфортной эксплуатации для интернет-серфинг, чтения книг и пр. Следует понимать, что на большом дисплее с низким разрешением плотность пикселей будет мала. Для того, чтобы избежать видимой погрешности картинки при эксплуатации лучше отдать свое предпочтение диапазону 200-300 ppi.
Сегодня самыми известными являются резистивные и емкостные дисплеи.
Представляет собой двухслойное покрытие с нанесением прозрачных дорожек проводников. Определение координат касания выполняется в результате изменения сопротивления тока в точке прикосновения. Такой тип сейчас почти не используется. Плюс таких экранов в небольшой цене и возможности нажатия точечно любым предметом, минус в недолговечности, подверженности к повреждениям, постепенное уменьшение яркости.
Представляет собой однослойное покрытие с нанесением на внутреннюю сторону токопроводящей прослойки, также, может быть представлен в виде стекла и сенсорной пленочки. Отклик сенсора осуществляется за счет определения координат утечки тока от точки прикосновения. Преимущество таких экранов в повышенной яркости и сочности цветов, устойчивости к повреждениям, недостатком является непростое производство и возможность управления только при помощи пальцев. Устойчивость к повреждениям повышают путем использования защитных стекол, загрязнения предотвращают при помощи нанесения олеофобного напыления. Ёмкостной тип используется в подавляющем большинстве случаев, включая марку смартфонов Хайскрин
В создании дисплеев чаще всего используют технологии жидкокристаллических матриц – LCD и органических светодиодов – OLED. Более востребован LCD, подразделяемый на TN (отличается низкой стоимостью и быстрым откликом с плохими углами обзора и цветопередачей), IPS (отличная цветопередача, отличные углы обзора, повышенная контрастность и сочность картинки) и PLS (модернизированная версия TN). Что касается OLED и AMOLED, эти дисплеи не нуждаются в подсветке по периметру, как LCD. Их преимущество в сочной цветовой гамме, яркости и отличных углах обзора, недостаток – хрупкость и высокое энергопотребление.
НЕКОТОРЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКРАНОВ СМАРТФОНОВ
Конечно, устройство дисплея смартфона на технологиях формирования картинки не ограничивается. Так, не менее важным в образовании экрана является наличие воздушной прослойки между сенсором и дисплеем, у данной технологии есть название – OGS, что значит объединение сенсора и матрицы в единое целое. Ее использование значительно улучшило качественные характеристики изображения и положительным образом отразилось на уменьшении толщины смартфона. Вместе с тем есть у технологии и неприятный минус – при повреждении стекла поменять его отдельно вряд ли удастся. Тем не менее, достоинства OGS привели к тому, что другие экраны встретить можно только в очень дешевых моделях. На этом производители современных смартфонов не остановились – в последние несколько лет просматривается четкая тенденция на еще большее уменьшение толщины экрана, изменение формы преимущественно на изгиб, причем не только стекла и экрана, но и мобильного устройства в целом.
Для объективной оценки необходимости замены поврежденного того или иного элемента необходимо подробнее остановиться на следующих определениях:
Дисплей. Элемент мобильного устройства, который выводит на экран смартфона графические (изображение) и текстовые данные.
Тачскрин или сенсор. Внешний слой дисплея, реагирующий на прикосновения, показывая затребованную информацию.
Дисплейный модуль. Представляет собой дисплей и сенсор, склеенные специальным клеем. Если судить по потребительскому спросу, один из важнейших критериев, по которому пользователь выбирает для себя смартфон – это размер и качественные характеристики экрана, что автоматически делает его самым уязвимым местом телефона, несмотря на то, что разработчики применяют для их создания самые качественные материалы.
Очень часто пользователи сталкиваются с такими проблемами, как механические повреждения экрана – это могут быть падения, трещины, удары, повреждения от ношения в сумке или кармане от ключей и других твердых и острых предметов. Первый признак того, что дисплей не исправен, сенсор перестает реагировать на прикосновения. И здесь кроется самая главная проблема: зачастую замена сенсора или защитного стекла или в принципе невозможна, так как представляет собой единый с дисплеем модуль или же попросту не рентабельна. Поэтому в большинстве случаев специалисты предложат заменить дисплейный модуль как единое целое. Этот фактор является и рекомендацией к бережному отношению к смартфону, с крайне желательным использованием аксессуаров – плёнок, стёкол.