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一次看懂 iPhone 6s的3D touch 与 In-cell 面板

Dr. J?? 2015年09月24日 ?? 收藏1
早期的手机屏幕只能用来“看”,触摸技术的发明让人可以和屏幕在 2D 的平面上进行互动,而 Apple 公司日前推出的 iPhone 6s 结合了 In-cell 面板、应变传感器(Strain sensor)、触觉引擎(Taptic engine)开启了智能触摸新时代,到底什么是 3D touch 技术?什么又是 In-cell 面板呢?

2D 触摸:让面板活了起来

LCD 面板原本只是用来显示影像的,使用者只能单向接收影像讯息,触摸面板的出现,让使用者可以与面板互动,让面板活了起来。触摸面板的种类很多,目前手机所使用的“多点触摸(Multi touch)”面板大多使用“投射式电容触摸(Projected capacitive touch)”技术。投射式电容触摸的触摸线路(Sensor pattern)主要有驱动线路(Tx)与感测线路(Rx),分别有水平线与垂直线密密麻麻的分布在整个面板,如图一(a)所示,我们可以想像驱动线路(Tx)“投射(Projected)”出电力线,经由绝缘体(液晶或空气)到达感测线路(Rx)形成“电容(Capacitor)”,如图一(b)所示,由于人体本身就是导体,当我们的手指摸到触摸面板时,不需用力就会影响电力线改变电容的大小,经由感测线路(Rx)所量测到电容大小的变化就可以计算出手指接触的位置,如图一(c)所示。

图一:投射式电容触摸示意图。(a)驱动线路与感测线路在上下不同的导电玻璃上;(b)与(c)驱动线路与感测线路都在下方的导电玻璃上。(Source:Noun Project)
图一:投射式电容触摸示意图。(a)驱动线路与感测线路在上下不同的导电玻璃上;(b)与(c)驱动线路与感测线路都在下方的导电玻璃上。(Source:Noun Project)

触摸线路(Sensor pattern)的驱动线路(Tx)与感测线路(Rx)到底要做在那里比较好呢?每一家公司各有自己的技术与专利,基本上各有优缺点,并没有决对的好坏,简单从图一(c)的液晶面板构造可以看出,能够制作触摸线路的地方不外乎前导电玻璃的上方或下方、后导电玻璃的上方三个位置。

一般而言,驱动线路(Tx)都在后导电玻璃的上方,这样电力线才会由下向上投射出来,而感测线路(Rx)每一家公司设计的位置则不相同,Sony与JDI的“Pixel Eyes”把Rx制作在前导电玻璃的上方,如图二(a)所示;Samsung把Rx制作在前导电玻璃的下方,如图二(b)所示;Apple把Rx制作在后导电玻璃的上方,也就是与Tx制作在同一个地方,因此制程最复杂成本最高,如图二(c)所示。

图二:触摸线路的驱动线路(Tx)与感测线路(Rx)位置示意图。(Source:Noun Project)
图二:触摸线路的驱动线路(Tx)与感测线路(Rx)位置示意图。(Source:Noun Project)

3D 触摸:让面板变得更有智能

前面介绍的触摸线路(Sensor pattern)分别有水平线与垂直线密密麻麻的分布在整个面板,所以是属于 2D 平面的触摸技术,只能计算出使用者手指接触面板的 X 与 Y 座标位置,无法知道手指下压的力道,3D 触摸的出现,让使用者下压的深度 Z 座标也能够传达给手机,让面板变得更有智能。

iPhone 6s 所使用的“3D 触摸(3D Touch)”目前公开的资料不多,根据 Apple 公司官方网站上的影片介绍,可以看出有两个重要的设计:

1. 应变传感器(Strain sensor):在 LCD 面板下方另外安装 8×12=96 个应变传感器(注),当使用者的手指下压保护玻璃,玻璃受力会向下产生微小的形变,如图三(a)所示,而使保护玻璃与应变传感器之间的矩离变短,再配合加速度感测器(Accelerometer)量测到的讯号,经由复杂的数学演算法可以快速且即时的计算出下压的力量大小,由于是使用演算法间接估计,因此精确度不高,基本上只分为“轻压(Peek)”与“重压(Pop)”。任何一个应变传感器侦测到的讯号可以和周围其他应变传感器侦测到的讯号比较,就知道手指下压的位置与力量大小。

2. 触觉引擎(Taptic engine):是一个可以产生微小振动的机械元件,如图三(b)所示,提供使用者即时的触觉反馈,当使用者轻压(Peek)时产生 10 毫秒的“微震(Mini tap)”,当使用者重压(Pop)时产生 15 毫秒产生“全震(Full tap)”,使用者会觉得就好像真的按下按键一样,手机的触觉反馈让使用者感觉手机好像是活的。

结合上面两种元件,经由应变传感器侦测使用者下压的力量大小,再经由触觉引擎提供使用者即时的触觉反馈,让触摸变得更有智能,也为使用者创造了更完美的触摸新体验。

图三:iPhone 6s 的 3D 触摸(3D Touch)技术结合了 8×12=96 个应变传感器(Strain sensor)与触觉引擎(Taptic engine)。(Source:Noun Project、苹果)
图三:iPhone 6s 的 3D 触摸(3D Touch)技术结合了 8×12=96 个应变传感器(Strain sensor)与触觉引擎(Taptic engine)。(Source:Noun Project、苹果)

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