科學小講堂:一次看懂蘋果的3D touch

  早期的手機屏幕隻能用來“看”,觸摸技術的發明讓人可以和屏幕在2D的平面上進行互動,而Apple公司日前推出的iPhone6s結合瞭In-cell面板、形變感測器(Strain sensor)、觸覺引擎(Taptic engine)開啟瞭智能觸摸新時代,到底什麼是3D touch技術?什麼又是In-cell面板呢?

  2D觸摸:讓面板活瞭起來

  LCD面板原本隻是用來顯示影像的,使用者隻能單向接收影像訊息,觸摸面板的出現,讓使用者可以與面板互動,讓面板活瞭起來。觸摸面板的種類很多,目前手機所使用的“多點觸摸(Multi touch)”面板大多使用“投射式電容觸摸(Projected capacitive touch)”技術。投射式電容觸摸的觸摸線路(Sensor pattern)主要有驅動線路(Tx)與感測線路(Rx),分別有水平線與垂直線密密麻麻的分佈在整個面板,如圖一(a)所示,我們可以想像驅動線路(Tx)“投射(Projected)”出電力線,經由絕緣體(液晶或空氣)到達感測線路(Rx)形成“電容(Capacitor)”,如圖一(b)所示,由於人體本身就是導體,當我們的手指摸到觸摸面板時,不需用力就會影響電力線改變電容的大小,經由感測線路(Rx)所量測到電容大小的變化就可以計算出手指接觸的位置,如圖一(c)所示。

  ▲圖一:投射式電容觸摸示意圖。(a)驅動線路與感測線路在上下不同的導電玻璃上;(b)與(c)驅動線路與感測線路都在下方的導電玻璃上。

  觸摸線路(Sensor pattern)的驅動線路(Tx)與感測線路(Rx)到底要做在那裡比較好呢?每一傢公司各有自己的技術與專利,基本上各有優缺點,並沒有決對的好壞,簡單從圖一(c)的液晶面板構造可以看出,能夠制作觸摸線路的地方不外乎前導電玻璃的上方或下方、後導電玻璃的上方三個位置。

  一般而言,驅動線路(Tx)都在後導電玻璃的上方,這樣電力線才會由下向上投射出來,而感測線路(Rx)每一傢公司設計的位置則不相同,Sony與JDI的“Pixel Eyes”把Rx制作在前導電玻璃的上方,如圖二(a)所示;Samsung把Rx制作在前導電玻璃的下方,如圖二(b)所示;Apple把Rx制作在後導電玻璃的上方,也就是與Tx制作在同一個地方,因此制程最復雜成本最高,如圖二(c)所示。

  ▲圖二:觸摸線路的驅動線路(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佈在整個面板,所以是屬於2D平面的觸摸技術,隻能計算出使用者手指接觸面板的X與Y座標位置,無法知道手指下壓的力道,3D觸摸的出現,讓使用者下壓的深度Z座標也能夠傳達給手機,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Apple公司官方網站上的影片介紹,可以看出有兩個重要的設計:

  1.形變感測器(Strain sensor):在LCD面板下方另外安裝8×12=96個形變感測器(註),當使用者的手指下壓保護玻璃,玻璃受力會向下產生微小的形變,如圖三(a)所示,而使保護玻璃與形變感測器之間的矩離變短,再配合加速度感測器(Accelerometer)量測到的訊號,經由復雜的數學演算法可以快速且即時的計算出下壓的力量大小,由於是使用演算法間接估計,因此精確度不高,基本上隻分為“輕壓(Peek)”與“重壓(Pop)”。任何一個形變感測器偵測到的訊號可以和周圍其他形變感測器偵測到的訊號比較,就知道手指下壓的位置與力量大小。

  註:由於Apple公司公開的資料不足,這8×12=96個形變感測器在影片中隻含糊的以“Touch sensor”帶過,但是根據Apple公司的相關專利,是形變感測器的機會很高。

  2.觸覺引擎(Taptic engine):是一個可以產生微小振動的機械元件,如圖三(b)所示,提供使用者即時的觸覺反饋,當使用者輕壓(Peek)時產生10毫秒的“微震(Mini tap)”,當使用者重壓(Pop)時產生15毫秒產生“全震(Full tap)”,使用者會覺得就好像真的按下按鍵一樣,手機的觸覺反饋讓使用者感覺手機好像是活的。

  結合上面兩種元件,經由形變感測器偵測使用者下壓的力量大小,再經由觸覺引擎提供使用者即時的觸覺反饋,讓觸摸變得更有智能,也為使用者創造瞭更完美的觸摸新體驗。

  ▲圖三:iPhone 6s的3D觸摸(3D Touch)技術結合瞭8×12=96個形變感測器(Strain sensor)與觸覺引擎(Taptic engine)。(Source:Noun Project、蘋果)

  LCD面板的基本原理與構造

  手機由於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的構造如圖四所示,由下而上順著光前進的路徑依序有背光模組(Back light)、後偏光片(Polarizer)、後導電玻璃、薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)、液晶(Liquid crystal)、彩色濾光片(Color filter)、前導電玻璃、前偏光片(Analyzer)、保護玻璃(Cover glass)等,構造與原理有些復雜,這裡我們不詳細介紹。

  手機由於尺寸要小又要省電,因此使用發光二極體(Light Emitting Diode, LED)做為光源,導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不但可以導電,而且在厚度很薄的時候還是透明的,能夠讓可見光穿透,因此大量應用在各種光電元件上。

  此外,必須在後導電玻璃上方使用半導體制程技術成長“開關元件”,最簡單的開關元件就是“MOS”,但是MOS具有金屬、氧化物、半導體的結構,必須成長在矽晶圓上才行,要在導電玻璃上成長開關元件不能使用MOS,必須另外設計一種開關元件,它的工作原理和MOS很像,我們稱為“薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)”。

  在後導電玻璃上有TFT開關元件的面板稱為“主動矩陣式(Active matrix)”,開關在像素旁邊所以反應比較快;沒有TFT開關元件的面板稱為“被動矩陣式(Passive matrix)”,這種面板的開關元件做在面板外的印刷電路板(PCB)上,開關距離像素比較遠所以反應比較慢,那大傢猜猜什麼是AMOLED?有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)也有後導電玻璃,所以AMOLED就是指後導電玻璃上有TFT開關元件。

  ▲圖四:LCD面板的基本原理與構造。(Source:Flickr/Jakub Vacek CC BY 2.0、Flickr/Osman Kalkavan CC BY 2.0、Noun Project)

  什麼是Cell?什麼又是Out-cell、On-cell、In-cell?

  LCD的制作流程是先在“前導電玻璃”下方的ITO側制作開關線路與彩色濾光片;在“後導電玻璃”上方的ITO側制作開關線路與TFT;再將前後兩片導電玻璃的ITO側面對面夾起來,並將液態的液晶註入兩片導電玻璃之間,形成圖四(b)的構造,這個流程通稱為“面板工程(Cell engineering)”,因此兩片導電玻璃與之間的區域就通稱為“面板(Cell)”。

  觸摸面板需要“觸摸線路(Sensor pattern)”來確定使用者手指點選的位置,觸摸線路如果先制作在保護玻璃(Cover glass)上再以黏著劑貼合在面板(Cell)的前導電玻璃上方(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)的前後導電玻璃之間(也就是在Cell裡面),則稱為“In-cell”,如圖五(c)所示。由圖中可以看出In-cell最大的優點就是厚度薄,因此目前已經成為智能手機面板的主流,但是也有價格高與觸摸線路易受TFT與開關線路幹擾的問題,因此Out-cell與On-cell仍然有存在價值,可以應用在其他大尺寸或對厚度要求比較不計較的產品上。

  ▲圖五:觸摸線路的位置示意圖(圖中省略彩色濾光片)。

  名詞解釋:

  液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)

  背光模組(Back light)

  偏光片(Polarizer)

  液晶(Liquid crystal)

  有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)

       新鮮資訊,深度好文,請繼續關註蘋果資訊站>>>點擊進入

Comments are closed.