كيف تستشعر الشاشة اللمس؟ الفهم الأساسي للوحات اللمس

لقراءة المقال باللغة الأنجليزية أنقر هنا

 to read this article in English click here

تُعدّ تقنيات لوحات اللمس سمة رئيسية في الأجهزة الرقمية الحالية، بما في ذلك الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية مثل iPad والشاشات في خلفيات الكاميرات الرقمية وأجهزة Nintendo DS والأجهزة بنظام تشغيل Windows 7. يشتمل مصطلح لوحة اللمس على التقنيات المختلفة لاستشعار لمس الإصبع أو قلم الكتابة على الشاشة. في هذه الجلسة، سنلقي نظرة على أساليب استشعار لوحة اللمس الأساسية كما سنعرض الخصائص والتطبيقات الأمثل لكل أسلوب.

ملاحظة: فيما يلي الترجمة من اللغة اليابانية لمقال ITmedia بعنوان “كيف تستشعر الشاشة اللمس؟ الفهم الأساسي للوحات اللمس”، والذي قد نُشر في 27 سبتمبر/أيلول 2010. حقوق التأليف والنشر لعام 2011 محفوظة لصالح ITmedia Inc. جميع الحقوق محفوظة.

لقد أصبحت لوحات اللمس جزءًا من الحياة اليومية

تُعدّ لوحة اللمس إحدى المعدات التي تُتيح للمستخدمين التعامل مع جهاز الكمبيوتر عن طريق لمس الشاشة مباشرة. وتمكّن المزايا المدمجة داخل الشاشة مثل المستشعرات التي تكتشف عمليات اللمس من إصدار توجيهات إلى جهاز الكمبيوتر بجعلها تشعر بوضعية الإصبع أو قلم الكتابة. وقد أصبحت بشكل أساسي جهازًا يجمع بين وظيفتي العرض والإدخال.

قد لا يكون هذا شيئًا اعتدنا التفكير به، لكن لوحات اللمس قد أقحمت نفسها في جميع نواحي حياتنا. يتعامل الأفراد الذين يتمتعون باستخدام الأجهزة الرقمية مثل الهواتف الذكية مع لوحات اللمس طوال الوقت في الحياة اليومية—وكذلك الأفراد الآخرون عند التعامل مع أجهزة مثل ماكينات الصراف الآلي البنكية وآلات بيع التذاكر في محطات السكك الحديدية والأكشاك الإلكترونية داخل المتاجر الصغيرة وطابعات الصور الرقمية في متاجر البيع الشاملة ومحطات معلومات المكتبات وآلات نسخ المستندات وأنظمة الملاحة بالسيارة.

يتمثّل العامل الأساسي في انتشار لوحات اللمس في المزايا التي تُقدمها بطريقة تشغيل تلقائية. وحيث إنه من الممكن استخدامها للإدخال من خلال التلامس المباشر مع الرموز والأزرار، فإنه من السهل فهمها وأيضًا استخدمها، حتى من جانب الأفراد غير المعتادين على استخدام أجهزة الكمبيوتر. كما تُساهم لوحات اللمس في تصغير الأجهزة وتبسيطها بإدماج شاشة عرض وإدخال في قطعة واحدة من المعدات. ونظرًا لأن أزرار لوحة اللمس تُعدّ جزءًا من البرمجيات وليست من الأجهزة المادية، فإن واجهاتها سهلة التغيير من خلال البرامج.

التطبيقات الأساسية لشاشات LCD المزودة بلوحات اللمس. تُستخدم تلك الأجهزة في مجالات متعددة على نطاق واسع.

بينما يلزم للوحة اللمس مجموعة كبيرة من الخصائص، بما في ذلك وضوح العرض في المقام الأول، بجانب توفير الدقة في استشعار الموضع والاستجابة السريعة للإدخال والمتانة وتكاليف التثبيت، فإن خصائصها تختلف بشكل كبير حسب الأساليب المستخدمة لاستشعار الإدخال باللمس. يُناقش فيما يلي بعض أساليب الاستشعار القياسية للوحة اللمس.

لوحات اللمس ذات الشريحة المقاومة Resistive film

اعتبارًا من عام 2010، مثّلت شريحة المقاومة وسيلة الاستشعار المستخدمة على أوسع نطاق في سوق لوحات اللمس. وأُطلق على لوحات اللمس القائمة على ذلك الأسلوب لوحات اللمس ذات الشريحة الحساسة للضغط أو الشريحة المقاومة التناظرية. وبالإضافة إلى شاشات LCD القائمة بذاتها، فقد استُخدمت تلك التقنية لمجموعة كبيرة من الأجهزة صغيرة ومتوسطة الحجم، بما في ذلك الهواتف الذكية والهواتف المحمولة وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي وأنظمة الملاحة بالسيارات وأجهزة Nintendo DS.

باستخدام ذلك الأسلوب، يُكتشف الموضع على الشاشة عند اللمس بالإصبع أو قلم الكتابة أو مادة أخرى عن طريق استخدام التغييرات في الضغط. تتميز الشاشة بتركيبة داخلية بسيطة: شاشة زجاجية وشاشة بشريحة منفصلة بفجوة ضيقة، ومرفق بكل شاشة شريحة قطب كهربي شفافة (طبقة قطب كهربي). يساعد الضغط على سطح الشاشة بالضغط على الأقطاب الكهربية الموجودة في الشريحة والطبقة الزجاجية ليحدث التلامس، مما يؤدي إلى تدفق التيار الكهربي. تُحدّد نقطة التلامس عن طريق اكتشاف هذا التغيير في الجهد الكهربي.

تتضمن مزايا هذا النظام التصنيع منخفض التكلفة، ويرجع الفضل في ذلك إلى التركيبة البسيطة. ويستخدم هذا النظام أيضًا كهرباء أقل من الأساليب الأخرى، كما أن التكوينات الناشئة مقاومة بصورة كبيرة للأتربة والماء نظرًا لأن السطح مُغطى بشريحة. ونظرًا لأن الإدخال يتضمن الضغط المُباشر على الشريحة، فيمكن استخدامه للإدخال ليس فقط بأصابع مكشوفة ولكن أيضًا مع ارتداء القفازات أو باستخدام قلم الكتابة. كما يمكن استخدام تلك الشاشات لإدخال نص بخط اليد.

لوحات لمس تكاثفية Capacitive

تُمثل لوحات اللمس التكاثفية ثاني وسيلة مستخدمة على أوسع نطاق بعد لوحات اللمس بالشريحة المقاومة. وبما يتوافق مع المصطلحات المستخدمة للوحات اللمس ذات المقاومة التناظرية المذكورة أعلاه، فيُطلق على تلك اللوحات أيضًا اسم لوحات اللمس ذات التكاثفية التناظرية. وبعيدًا عن شاشات LCD القائمة بذاتها، فغالبًا ما يُستخدم هذا الأسلوب في نفس الأجهزة التي بها لوحات اللمس ذات الشريحة المقاومة، مثل الهواتف الذكية والهواتف المحمولة.

باستخدام ذلك الأسلوب، يُحدد الموضع الذي يحدث فيه اللمس باستخدام المستشعرات لاستشعار التغييرات الضعيفة في التيار الكهربي الناشئ عن التلامس بالإصبع أو التغييرات في السعة الإلكتروستاتية (الحِمل). ونظرًا إلى أن المستشعرات تتفاعل مع سعة الكهرباء الثابتة لجسم الإنسان عندما يقترب الإصبع من الشاشة، فيُمكن أن تعمل أيضًا بطريقة مشابهة لتحريك المؤشر داخل منطقة ملموسة على الشاشة.

يستخدم نوعان من لوحات اللمس ذلك الأسلوب: لوحات اللمس التكاثفية السطحية ولوحات اللمس التكاثفية الإسقاطية. يختلف التركيب الداخلي لكلا النوعين.

لوحات اللمس التكاثفية السطحية غالبًا ما تُستخدم لوحات اللمس التكاثفية السطحية في اللوحات الكبيرة نسبيًا. وضعت شريحة قطب كهربي شفافة (طبقة قطب كهربي)، داخل تلك اللوحات، فوق طبقة زجاجية تحتية، ومغطاة بغطاء وقائي. يُطبق الجهد الكهربي على الأقطاب الكهربية الموضوعة في أربعة جوانب بالشريحة الزجاجية التحتية، بما يولد مجالاً كهربيًا بجهد منخفض موحد داخل اللوحة بالكامل. تُحدد تنسيقات الموضع حيث يلمس الإصبع الشاشة عن طريق قياس التغييرات الناشئة في السعة الإلكتروستاتية في الجوانب الأربعة باللوحة.

لدى هذا النوع من لوحة اللمس التكاثفية تركيبة أبسط من لوحة اللمس التكاثفية الإسقاطية ولهذا السبب يوفر تكلفة منخفضة، ولكن من الصعب اكتشاف التلامس في موضعين أو أكثر في نفس الوقت من الناحية التركيبية (اللمس المتعدد).

لوحات اللمس التكاثفية الإسقاطية غالبًا ما تُستخدم لوحات اللمس التكاثفية الإسقاطية لأحجام شاشات أصغر من المستخدمة للوحات اللمس التكاثفية السطحية. إنها تتمتع بمظهر جذاب للغاية في الأجهزة المحمولة. تستخدم الأجهزة مثل iPhone وiPod Touch وiPad ذلك الأسلوب لتحقيق وظيفة لمس بدقة عالية ولمس متعدد واستجابة عالية السرعة.

يتكون التركيب الداخلي للوحات اللمس هذه من طبقة تحتية مدمجة مع شريحة IC لمعالجة العمليات الحسابية، وبداخلها وضعت طبقة بها العديد من الأقطاب الكهربية الشفافة بأنماط محددة. يُغطى السطح بزجاج عازل أو غطاء بلاستيكي. عندما يقترب الإصبع من السطح، تتغير السعة الإلكتروستاتية داخل الأقطاب الكهربية المتعددة في وقت واحد، ويمكن تحديد الموضع حيث يحدث التلامس بدقة عن طريق قياس النسب بين تلك التيارات الكهربية.

تتميز لوحة اللمس التكاثفية الإسقاطية بخاصية فريدة وهي أن عددًا كبيرًا من الأقطاب يمكّن من الاكتشاف الدقيق للتلامس في عدة نقاط (اللمس متعدد النقاط). ولكن توجد في لوحات اللمس التكاثفية الإسقاطية خاصية أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) التي توجد في الهواتف الذكية والأجهزة المشابهة، ولا تتناسب للاستخدام في الشاشات الكبيرة، حيث يؤدي كبر حجم الشاشة إلى زيادة المقاومة (بمعنى بطء نقل التيار الكهربي)، مما يزيد من حجم الأخطاء في اكتشاف النقاط التي تم لمسها.

تستخدم لوحات اللمس ذات الحجم الكبير لوحات اللمس التكاثفية الإسقاطية مركزية التوصيل وفيها توضع أسلاك كهربية رفيعة جدًا في شبكة على هيئة طبقة أقطاب كهربية شفافة. وبما أن قلة المقاومة تجعل لوحات اللمس التكاثفية الإسقاطية مركزية التوصيل لوحات شديدة الحساسية، فهي غير مناسبة للإنتاج الكثيف مثل النقش على أكسيد القصدير الإنديوم.

وفيما سبق، لخصنا أوجه الاختلاف بين النوعين من لوحات اللمس التكاثفية. تتضمن السمات العامة لهذه اللوحات حقيقة أنها لا تشبه لوحات اللمس ذات الشريحة المقاومة، حيث إنها لا تستجيب للمس مع وجود عازل من القماش أو باستخدام أقلام الكتابة على الشاشة القياسية. إنها تتميز بمقاومة عالية للأتربة وقطرات الماء كما أنها عالية المتانة ومقاومة للخدوش. أضف إلى ذلك أن النفاذ الضوئي فيها أعلى مقارنة بلوحات اللمس ذات الشريحة المقاومة.

وعلى الجانب الآخر، تتطلب لوحات اللمس هذه إما الإصبع أو قلم كتابة خاصًا. فهي لا يمكن تشغيلها مع ارتداء القفازات، كما أنها سريعة التأثر بتأثيرات الهياكل المعدنية القريبة منها.

لوحات لمس تعمل بالموجات الصوتية السطحية (SAW)

تم تطوير لوحات اللمس التي تعمل بالموجات الصوتية السطحية (SAW) في المقام الأول من أجل علاج عيوب انخفاض النفاذ الضوئي في لوحات اللمس ذات الشريحة المقاومة – أي الوصول إلى لوحات لمس ذات شاشة ساطعة ومستويات الوضوح بها عالية. ويطلَق على هذه الشاشات اسم شاشات اللمس التي تعمل بالموجات السطحية أو الموجات الصوتية. وبعيدًا عن شاشات LCD القائمة بذاتها، تستخدم هذه الشاشات على نطاق واسع في الأماكن العامة وفي أجهزة مثل نقاط البيع النهائية وماكينات الصراف الآلي والأكشاك الإلكترونية.

تكشف هذه اللوحات الموضع الذي يحدث فيه التلامس على الشاشة بالإصبع أو جسم آخر باستخدام التخفيف في الموجات فوق الصوتية المرنة الموجودة على السطح. صُمّم الهيكل الداخلي لهذه اللوحات بحيث تنقل المحولات الكهروضغطية المتعددة الموجودة في زوايا الطبقة الزجاجية التحتية الموجات المرنة السطحية فوق الصوتية في صورة اهتزازات في سطح اللوحة، والتي تتلقاها المحولات المثبتة في مواجهة المحولات الناقلة. وعندما تُلمس الشاشة، فالإصبع أو الجسم الآخر يمتص الموجات فوق الصوتية ويخففها. ويتم تحديد الموقع باكتشاف هذه التغيرات. ومن الطبيعي ألا يشعر المستخدم بهذه الاهتزازات عند لمس الشاشة. توفر هذه الشاشات سهولة بالغة في الاستخدام.

نقاط القوة في هذا النوع من لوحات اللمس تتضمن ارتفاع النفاذ الضوئي والوضوح الرائع، حيث لا يتطلب الهيكل شريحة أو أقطابًا كهربية شفافة على الشاشة. إضافة إلى ذلك، يعطي الزجاج السطحي متانة ومقاومة للخدش أفضل من لوحات اللمس التكاثفية. وميزة أخرى هي أنه حتى إذا تم خدش السطح قليلاً، تبقى اللوحة حساسة تجاه اللمس. (في لوحة اللمس التكاثفية، يمكن لخدوش السطح في بعض الأحيان أن تعيق الإشارات). ومن الناحية الهيكلية، يضمن هذا النوع من اللوحات قدرًا عاليًا من الاستقرار وطول الخدمة، وعدم التغير بمرور الوقت أو الانحرافات في الموضع.

تتضمن نقاط الضعف عدم التوافق مع غير الأصابع والأجسام الناعمة (مثل القفازات) التي تمتص الموجات المرنة السطحية فوق الصوتية. تتطلب هذه اللوحات أقلام كتابة مصنوعة لغرض مخصوص ويمكن أن تتفاعل مع مواد مثل قطرات الماء أو الحشرات الصغيرة على اللوحة.

ولكن بوجه عام، عيوب هذه اللوحات قليلة نسبيًا. التطورات الحديثة مثل التطورات في صناعة التكنولوجيا تعمل على تحسين أداء تكلفتها.

لوحات اللمس الضوئية (لوحات لمس تعمل بالتصوير الضوئي بالأشعة تحت الحمراء) IR / Infrared optical imaging

تتضمن فئة لوحات اللمس الضوئية عدة طرق للاستشعار. في الآونة الأخيرة، ارتفع عدد المنتجات التي تشغل لوحات اللمس التي تعمل بالتصوير الضوئي بالأشعة تحت الحمراء بالاعتماد على مستشعرات التصوير بالأشعة تحت الحمراء من أجل استشعار الموضع من خلال التثليث، خاصة في اللوحات كبيرة الحجم.

يوجد في لوحة اللمس في هذه الفئة مصباح LED بالأشعة تحت الحمراء في الأطراف جهة اليسار واليمين في الجزء العلوي من اللوحة، ومزودة بمستشعر تصوير (كاميرا). شريط الانعكاس الخلفي الذي يعكس ضوء الحدث بطول محور الحدث مثبت بطول الجزء المتبقي من الجوانب جهة اليمين واليسار والأسفل. وعندما يلمس الشاشةَ إصبع أو جسم آخر، يلتقط مستشعر الصور الظلال التي يتم تكوينها عند حجب ضوء الأشعة تحت الحمراء. ويتم اشتقاق إحداثيات موقع التلامس عن طريق التثليث.

لوحات لمس تعمل بالحث الكهرومغناطيسي Electromagnetic induction

بما أن هذا النوع يختلف نوعًا ما عن لوحات اللمس المذكورة سابقًا، فلنتعرف على موضوع لوحات اللمس التي تعمل بالحث الكهرومغناطيسي. تستخدم هذه الطريقة في الأجهزة مثل ألواح الرسم LCD وأجهزة الكمبيوتر اللوحية وأكشاك ملصقات صور بوريكورا.

تحقق طريقة الإدخال لألواح الرسم، التي لا يوجد لها شاشات في الأساس، لوحات لمس عالية الدقة، وذلك بفضل الجمع بين المستشعر ولوحة LCD. وعندما يلمس المستخدم الشاشة باستخدام قلم كتابة ذي غرض مخصوص يولد مجالاً مغناطيسيًا، تتلقى المستشعرات على اللوحة طاقة كهرومغناطيسية وتستخدمها لاستشعار موضع القلم.

بما أنه يتم استخدام قلم الكتابة ذي الغرض المخصوص للإدخال، فإنه لا يمكن استخدام الإصبع أو قلم كتابة ذي غرض عام، والطريقة لها تطبيقات محدودة. ولا يزال هذا النوع له نقاط جيدة وسيئة. فهي تزيل أخطاء الإدخال نتيجة للبيئة المحيطة أو التلاعب غير المقصود في الشاشة. بما أن التكنولوجيا كانت مقصودة للاستخدام في ألواح الرسم، فهي توفر دقة استشعار ممتازة – مما يتيح، على سبيل المثال، تغيير عرض الخط بسهولة عن طريق دقة استشعار ضغط القلم الذي يتم الضغط به على الشاشة (التكاثف مستقر الكهربائية). وكذلك تعطي طريقة التصميم تلك نفاذًا ضوئيًا ومتانة عالية للشاشة.

ملخص التوجهات في طرق الاستشعار في ألواح اللمس

يلخص الجدول التالي خصائص لوحات اللمس التي تعرفنا عليها. وتذكر أنه حتى الأجهزة التي تعتمد على طريقة الاستشعار ذاتها، فقد يتفاوت الأداء والوظائف تفاوتًا كبيرًا في المنتجات الفعلية. ولا تستخدم هذه المعلومات إلا باعتبارها مقدمة عن الخصائص العامة للمنتجات. إضافة إلى ذلك، نظرًا للتطورات اليومية في الابتكارات التكنولوجية للوحات اللمس وتقليل التكلفة، فالمعلومات التالية ليست سوى لقطة من التوجهات الحالية اعتبارًا من سبتمبر 2010.

أوجه الاختلاف وخصائص طرق الاستشعار الأساسية في لوحات اللمس

طريقة الاستشعار Resistive film

الشريحة المقاومة

Capacitive

التكاثفية

SAW

الموجات الصوتية السطحية

Infrared optical imaging

التصوير الضوئي بالأشعة تحت الحمراء

Electromagnetic induction

الحث الكهرومغناطيسي

النفاذ الضوئي ليست جيدة جدًا جيد جيد ممتاز ممتاز
اللمس بالإصبع ممتاز ممتاز ممتاز ممتاز لا
اللمس بالقفازات ممتاز لا جيد ممتاز لا
اللمس بقلم الكتابة ممتاز ليست جيدة جدًا (القلم ذو الغرض المخصوص) جيد (اعتمادًا على المادة) جيد (اعتمادًا على المادة) ممتاز (القلم ذو الغرض المخصوص)
المتانة ليست جيدة جدًا ممتاز ممتاز ممتاز ممتاز
مقاومة قطرات الماء ممتاز ممتاز ليست جيدة جدًا جيد ممتاز
التكلفة معقولة ليست معقولة بالقدر الكافي معقولة ليست معقولة بالقدر الكافي ليست معقولة بالقدر الكافي

 

لقراءة المقال باللغة الأنجليزية أنقر هنا

 for reading this article in English click here