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iPhone 6s的3D touch 與 In-cell 面板差異,看過來!

發(fā)布時(shí)間:2015-09-29 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】早期的手機(jī)屏幕只能用來“看”,觸摸技術(shù)的發(fā)明讓人可以和屏幕在 2D 的平面上進(jìn)行互動(dòng),而 Apple 公司日前推出的 iPhone 6s 結(jié)合了 In-cell 面板、應(yīng)變傳感器(Strain sensor)、觸覺引擎(Taptic engine)開啟了智能觸摸新時(shí)代,到底什么是 3D touch 技術(shù)?什么又是 In-cell 面板呢?
 
2D 觸摸:讓面板活了起來
 
LCD 面板原本只是用來顯示影像的,使用者只能單向接收影像訊息,觸摸面板的出現(xiàn),讓使用者可以與面板互動(dòng),讓面板活了起來。觸摸面板的種類很多,目前手機(jī)所使用的“多點(diǎn)觸摸(Multi touch)”面板大多使用“投射式電容觸摸(Projected capacitive touch)”技術(shù)。投射式電容觸摸的觸摸線路(Sensor pattern)主要有驅(qū)動(dòng)線路(Tx)與感測線路(Rx),分別有水平線與垂直線密密麻麻的分布在整個(gè)面板,如圖一(a)所示,我們可以想像驅(qū)動(dòng)線路(Tx)“投射(Projected)”出電力線,經(jīng)由絕緣體(液晶或空氣)到達(dá)感測線路(Rx)形成“電容(Capacitor)”,如圖一(b)所示,由于人體本身就是導(dǎo)體,當(dāng)我們的手指摸到觸摸面板時(shí),不需用力就會影響電力線改變電容的大小,經(jīng)由感測線路(Rx)所量測到電容大小的變化就可以計(jì)算出手指接觸的位置,如圖一(c)所示。
投射式電容觸摸示意圖。(a)驅(qū)動(dòng)線路與感測線路在上下不同的導(dǎo)電玻璃上;(b)與(c)驅(qū)動(dòng)線路與感測線路都在下方的導(dǎo)電玻璃上。(Source:Noun Project)
圖一:投射式電容觸摸示意圖。(a)驅(qū)動(dòng)線路與感測線路在上下不同的導(dǎo)電玻璃上;(b)與(c)驅(qū)動(dòng)線路與感測線路都在下方的導(dǎo)電玻璃上。(Source:Noun Project)
 
觸摸線路(Sensor pattern)的驅(qū)動(dòng)線路(Tx)與感測線路(Rx)到底要做在那里比較好呢?每一家公司各有自己的技術(shù)與專利,基本上各有優(yōu)缺點(diǎn),并沒有決對的好壞,簡單從圖一(c)的液晶面板構(gòu)造可以看出,能夠制作觸摸線路的地方不外乎前導(dǎo)電玻璃的上方或下方、后導(dǎo)電玻璃的上方三個(gè)位置。
 
一般而言,驅(qū)動(dòng)線路(Tx)都在后導(dǎo)電玻璃的上方,這樣電力線才會由下向上投射出來,而感測線路(Rx)每一家公司設(shè)計(jì)的位置則不相同,Sony與JDI的“Pixel Eyes”把Rx制作在前導(dǎo)電玻璃的上方,如圖二(a)所示;Samsung把Rx制作在前導(dǎo)電玻璃的下方,如圖二(b)所示;Apple把Rx制作在后導(dǎo)電玻璃的上方,也就是與Tx制作在同一個(gè)地方,因此制程最復(fù)雜成本最高,如圖二(c)所示。
觸摸線路的驅(qū)動(dòng)線路(Tx)與感測線路(Rx)位置示意圖。(Source:Noun Project)
圖二:觸摸線路的驅(qū)動(dòng)線路(Tx)與感測線路(Rx)位置示意圖。(Source:Noun Project)
 
3D 觸摸:讓面板變得更有智能
 
前面介紹的觸摸線路(Sensor pattern)分別有水平線與垂直線密密麻麻的分布在整個(gè)面板,所以是屬于 2D 平面的觸摸技術(shù),只能計(jì)算出使用者手指接觸面板的 X 與 Y 座標(biāo)位置,無法知道手指下壓的力道,3D 觸摸的出現(xiàn),讓使用者下壓的深度 Z 座標(biāo)也能夠傳達(dá)給手機(jī),讓面板變得更有智能。
 
iPhone 6s 所使用的“3D 觸摸(3D Touch)”目前公開的資料不多,根據(jù) Apple 公司官方網(wǎng)站上的影片介紹,可以看出有兩個(gè)重要的設(shè)計(jì):
 
1. 應(yīng)變傳感器(Strain sensor):在 LCD 面板下方另外安裝 8×12=96 個(gè)應(yīng)變傳感器(注),當(dāng)使用者的手指下壓保護(hù)玻璃,玻璃受力會向下產(chǎn)生微小的形變,如圖三(a)所示,而使保護(hù)玻璃與應(yīng)變傳感器之間的矩離變短,再配合加速度感測器(Accelerometer)量測到的訊號,經(jīng)由復(fù)雜的數(shù)學(xué)演算法可以快速且即時(shí)的計(jì)算出下壓的力量大小,由于是使用演算法間接估計(jì),因此精確度不高,基本上只分為“輕壓(Peek)”與“重壓(Pop)”。任何一個(gè)應(yīng)變傳感器偵測到的訊號可以和周圍其他應(yīng)變傳感器偵測到的訊號比較,就知道手指下壓的位置與力量大小。
 
2. 觸覺引擎(Taptic engine):是一個(gè)可以產(chǎn)生微小振動(dòng)的機(jī)械元件,如圖三(b)所示,提供使用者即時(shí)的觸覺反饋,當(dāng)使用者輕壓(Peek)時(shí)產(chǎn)生 10 毫秒的“微震(Mini tap)”,當(dāng)使用者重壓(Pop)時(shí)產(chǎn)生 15 毫秒產(chǎn)生“全震(Full tap)”,使用者會覺得就好像真的按下按鍵一樣,手機(jī)的觸覺反饋?zhàn)屖褂谜吒杏X手機(jī)好像是活的。
 
結(jié)合上面兩種元件,經(jīng)由應(yīng)變傳感器偵測使用者下壓的力量大小,再經(jīng)由觸覺引擎提供使用者即時(shí)的觸覺反饋,讓觸摸變得更有智能,也為使用者創(chuàng)造了更完美的觸摸新體驗(yàn)。
iPhone 6s 的 3D 觸摸(3D Touch)技術(shù)結(jié)合了 8×12=96 個(gè)應(yīng)變傳感器(Strain sensor)與觸覺引擎(
圖三:iPhone 6s 的 3D 觸摸(3D Touch)技術(shù)結(jié)合了 8×12=96 個(gè)應(yīng)變傳感器(Strain sensor)與觸覺引擎(Taptic engine)。
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LCD 面板的基本原理與構(gòu)造
 
手機(jī)由于體積小又由電池供電,因此顯示器必須符合輕薄省電的要求,目前主要是使用“液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)”。LCD 的構(gòu)造如圖四所示,由下而上順著光前進(jìn)的路徑依序有背光模組(Back light)、后偏光片(Polarizer)、后導(dǎo)電玻璃、薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)、液晶(Liquid crystal)、彩色濾光片(Color filter)、前導(dǎo)電玻璃、前偏光片(Analyzer)、保護(hù)玻璃(Cover glass)等,構(gòu)造與原理有些復(fù)雜,這里我們不詳細(xì)介紹(對 LCD 工作原理有興趣請參考這里)。
 
手機(jī)由于尺寸要小又要省電,因此使用發(fā)光二極體(Light Emitting Diode, LED)做為光源,導(dǎo)電玻璃是在玻璃基板上成長薄薄的一層“氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)”形成可以導(dǎo)電的玻璃,ITO 是一種陶瓷(金屬氧化物),幾乎所有的陶瓷都是絕緣體,但是 ITO 不但可以導(dǎo)電,而且在厚度很薄的時(shí)候還是透明的,能夠讓可見光穿透,因此大量應(yīng)用在各種光電元件上。
 
此外,必須在后導(dǎo)電玻璃上方使用半導(dǎo)體制程技術(shù)成長“開關(guān)元件”,最簡單的開關(guān)元件就是“MOS”,但是 MOS 具有金屬、氧化物、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu),必須成長在矽晶圓上才行,要在導(dǎo)電玻璃上成長開關(guān)元件不能使用 MOS,必須另外設(shè)計(jì)一種開關(guān)元件,它的工作原理和 MOS 很像,我們稱為“薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)”。
 
在后導(dǎo)電玻璃上有 TFT 開關(guān)元件的面板稱為“主動(dòng)矩陣式(Active matrix)”,開關(guān)在像素旁邊所以反應(yīng)比較快;沒有 TFT 開關(guān)元件的面板稱為“被動(dòng)矩陣式(Passive matrix)”,這種面板的開關(guān)元件做在面板外的印刷電路板(PCB)上,開關(guān)距離像素比較遠(yuǎn)所以反應(yīng)比較慢,那大家猜猜什么是 AMOLED?有機(jī)發(fā)光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)也有后導(dǎo)電玻璃,所以 AMOLED 就是指后導(dǎo)電玻璃上有 TFT 開關(guān)元件。
LCD 面板的基本原理與構(gòu)造。
圖四:LCD 面板的基本原理與構(gòu)造。(Source:Flickr/Jakub Vacek CC BY 2.0、Flickr/Osman Kalkavan CC BY 2.0、Noun Project)
 
什么是 Cell?什么又是 Out-cell、On-cell、In-cell?
 
LCD 的制作流程是先在“前導(dǎo)電玻璃”下方的 ITO 側(cè)制作開關(guān)線路與彩色濾光片;在“后導(dǎo)電玻璃”上方的 ITO 側(cè)制作開關(guān)線路與 TFT;再將前后兩片導(dǎo)電玻璃的 ITO 側(cè)面對面夾起來,并將液態(tài)的液晶注入兩片導(dǎo)電玻璃之間,形成圖四(b)的構(gòu)造,這個(gè)流程通稱為“面板工程(Cell engineering)”,因此兩片導(dǎo)電玻璃與之間的區(qū)域就通稱為“面板(Cell)”,其實(shí)面板工程的步驟還蠻復(fù)雜的。
 
觸摸面板需要“觸摸線路(Sensor pattern)”來確定使用者手指點(diǎn)選的位置,觸摸線路如果先制作在保護(hù)玻璃(Cover glass)上再以黏著劑貼合在面板(Cell)的前導(dǎo)電玻璃上方(也就是在 Cell 外面),則稱為“Out-cell”,如圖五(a)所示。
 
觸摸線路如果直接制作在面板(Cell)的前導(dǎo)電玻璃上方(也就是在 Cell 上面),則稱為“On-cell”,如圖五(b)所示;觸摸線路如果直接制作在面板(Cell)的前后導(dǎo)電玻璃之間(也就是在Cell里面),則稱為“In-cell”,如圖五(c)所示。由圖中可以看出 In-cell 最大的優(yōu)點(diǎn)就是厚度薄,因此目前已經(jīng)成為智能手機(jī)面板的主流,但是也有價(jià)格高與觸摸線路易受 TFT 與開關(guān)線路干擾的問題,因此 Out-cell 與 On-cell 仍然有存在價(jià)值,可以應(yīng)用在其他大尺寸或?qū)穸纫蟊容^不計(jì)較的產(chǎn)品上。
觸摸線路的位置示意圖(圖中省略彩色濾光片)
圖五:觸摸線路的位置示意圖(圖中省略彩色濾光片)。
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