《电子技术应用》

电泳电子纸驱动方式的优化

2016年电子技术应用第4期 作者:尹 倩1,白鹏飞1,周国富1,2,3
2016/4/25 13:52:00

尹  倩1,白鹏飞1,周国富1,2,3

(1.华南师范大学华南先进光电子研究院 彩色动态电子纸显示技术研究所,广东 广州510006;

2.深圳市国华光电研究院,广东 深圳518110;3.深圳市国华光电科技有限公司,广东 深圳518110)


    摘  要: 电子纸是手持阅读设备智能应用的必然趋势。电泳电子纸驱动方式对电泳电子纸的显示质量以及图像的更新速度起着决定性作用,驱动波形驱动分为三个阶段:擦除阶段,激活阶段,到达目标灰阶。目前业内亟需一种能有效减少驱动时间和鬼影的电泳显示器驱动方法,由此考虑到粒子运动的特性,提出两种新的驱动方式,实验结果证明这两种方式能够有效地减少驱动时间和显示高质量的图像。

    关键词: 电泳电子纸;驱动波形;鬼影

    中图分类号: TN27

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.007


    中文引用格式: 尹倩,白鹏飞,周国富. 电泳电子纸驱动方式的优化[J].电子技术应用,2016,42(4):25-27.

    英文引用格式: Yin Qian,Bai Pengfei,Zhou Guofu. Driving waveform optimization based on electrophoretic displaysr[J].Application of Electronic Technique,2016,42(4):25-27.

0 引言

    电泳显示器(EPD)通过加电压的方式来呈现图像,液晶显示器(LCD)通过加一偏振器来改变光的透过率[3],这与EPD有很大的区别。而相对于液晶显示器,电子纸显示具有下列优势:(1)重量轻,薄,高分辨率显示;(2)双稳态显示,续航能力强,当去除外电压时,颜料仍会留在电极上;(3)高对比度的反射,在阳光直射下,也可阅读,阅读视角更广;(4)它将传统纸的属性和电子显示可重复擦写的特点有机地结合在一起,同时具有传统纸的柔韧性和电子显示屏灵活改变图像和文字的特性,更加符合人类视觉生理习惯,阅读舒适度更高 ;(5)对人身体辐射和眼睛的伤害大大减少。因此电子纸是手持阅读设备智能应用的必然趋势[4]

    电泳电子纸的灰度级取决于黑白粒子的分布,而黑白粒子的分布却取决于所施加的电压,驱动波形就是电压时序,若从一灰阶直接驱动像素到另一灰阶,会导致运动状态的错误和非一致分布的累积,驱动波形作为电子纸的核心部分,对驱动波形的优化也显得至关重要[1]

1 电泳电子纸显示原理

    电泳电子纸是基于电泳显示原理显示图像,电泳图像显示是利用胶体化学中的电泳原理,把带电的颜料小球稳定地分散在含染料的非水体系分散介质中,使分散相与分散介质呈强烈反差[5]。胶体悬液呈电中性,所述的带电小球表面有静电荷,带电小球分为白色和黑色两种,白色粒子带正电,黑色粒子带负电,在没有电场的情况下,白色和黑色颗粒在布朗运动的作用下随机分布,此时呈现中间色,当公共极板加正电时,黑色带电粒子向公共极板运动,使得像素极板呈现白色状态,当公共极板带负电时,白色粒子向公共极板运动,使得像素极板呈现黑色状态[1]。原理图如图1所示。

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2 灰阶 

    EPD微胶囊中灰阶图像是由像素中公共电极的+15 V(-15 V)直流电压决定。正脉冲电压使得白色粒子往像素电极运动,负脉冲电压使得白色粒子往公共电极运动,施加电压的持续时间决定了粒子的位置,从而决定图像的灰阶。示意图如图2所示[2]

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    在微胶囊电泳电子纸中,传统的驱动波形一般把白色作为参考灰阶,其它灰阶通过先驱动到白色灰阶得到。通过优化驱动波形,可以有效增加灰阶数量[1]。目前,优化后的驱动波形可由4 级灰度提高到 16级灰度,改善了图像的显示效果。如图3所示为线性的灰度与反射率线性关系图。

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3 传统驱动方式

    驱动电压的波形一般存储在波形查询表内,通过查询波形查询表的方式施加一驱动电压,根据之前的灰度值和目标灰度值控制像素显示相应的灰度值。然而由于电泳显示器具有记忆性,因此在灰度控制过程中,需要像素点先回到极端光学状态(即黑或白极端状态)。另外,在施加电极电压改变灰阶时,需要遵循直流平衡原则。

    目前,传统驱动波形的灰度控制过程包2个阶段:擦除原始灰阶阶段、写入新的灰阶阶段。第一阶段采用与写入阶段极性相反的驱动电压来擦除当前图像,第二阶段到达目标灰阶。传统的驱动方式第一阶段全部到达黑色状态,但由于液体的黏度与迁移速度不相同,并非所有带电微粒在相应的驱动电压下都能到达同样的位置(即使是施加相应的电压,也会有部分带电颗粒由于库仑力的作用而再次沉降或浮起),不同灰阶到同一灰阶的反射率都没有到达同一灰度值。第二阶段激活粒子的作用是当灰阶数过多时,需要到达一个确定的极端光学状态,而传统的驱动方式是以白色灰阶作为参考灰阶,会减少一些目标灰阶。传统驱动波形的驱动方式示意图如图4所示。因此,电泳显示器在结束时会显示鬼影图像,因此写入新的图像时,由于受擦除阶段的影响,新的图像也会有鬼影,降低了阅读舒适度。

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4 新的驱动方式

    新的驱动波形的灰度控制过程包括3个阶段:擦除原始灰阶阶段、激活粒子阶段、写入新的灰阶阶段。新的驱动方式充分考虑到原始灰阶与目标灰阶,适当减少刷新时间,以及缩短驱动时长。由于传统的驱动方式在激活阶段以白色作为参考灰阶,导致灰阶的丢失,从而产生鬼影。新的驱动方式以黑色作为参考灰阶,减少鬼影。

    新的驱动方式的具体方法是:所述16阶灰度由4阶基础灰度调解而成,所述4阶基础灰度包括黑、深灰、浅灰和白,所述16阶灰度分别为黑黑、黑深灰、黑浅灰、黑白、深灰黑、深灰深灰、深灰浅灰、深灰白、浅灰黑、浅灰深灰、浅灰浅灰、浅灰白、白黑、白深灰、白浅灰和白白,所述16阶灰度依次用数字0-15表示,其中,0代表最大黑色,5代表深灰色,10代表浅灰色,15代表最大白色。

    擦除阶段包括:将灰阶在0至3范围内的当前灰阶擦除为最大黑色灰阶;将灰阶在4至7范围内的当前灰阶擦除为深灰色灰阶;将灰阶在8至11范围内的当前灰阶擦除为浅灰色灰阶;将灰阶在12至15范围内的当前灰阶擦除为最大白色灰阶。

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5 实验结果

    按照新的驱动方式设计的驱动波形查找表,加载驱动波形查找表所得的结果如图6所示。

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6 结束语

    本设计提供了一种改进电泳显示器16阶灰度显示效果的驱动方法。如果电泳显示器直接进行16到16阶的变换,那么其变换就有16×16=256种,此时每一种变换都需设计一个相应的波形,显然会占用更多的内存,且设计起来也非常繁琐。虽然在传统方案的基础上,已有人提出选择先擦除到达黑色状态,再以白色灰阶作为参考灰阶,最后到目标灰阶的改进方案。这一方案虽然减少了更新时间,但是其并没有缩短驱动波形的时间长度,也没有减少鬼影的存在。

    本设计在传统灰度控制过程的基础上增加了激活带电粒子阶段,先让粒子在擦除阶段结束时回到黑色、白色、浅灰、深灰灰阶,再在激活带电粒子阶段结束时达到黑色极端的状态,最后从特定的状态去往想要驱动的状态,在擦除阶段过程中,能就近选择黑色、白色、浅灰、深灰灰阶,缩短了显示器的驱动时间,大大降低了波形设计的工作量,也提高了效率。由于16阶灰度值由4阶灰度值调制而成和电光效应的记忆性,前一灰阶会影响目标灰阶。考虑到悬浮液的黏性和响应延迟的特点,本设计在灰度控制中粒子在激活带电粒子阶段结束时达到黑色极端,即以黑色灰阶作为参考灰阶,减少了白色灰阶作为参考灰阶时带来的鬼影。

参考文献

[1] 周国富,易子川,王利,等.电泳电子纸驱动波形研究现状与前景[J].华南师范大学学报,2013,45(6):57-61.

[2] KAO W C,CHANG W T,YE J A,et al.Driving waveform design based on response latency analysis of electrophoretic displays[J].IEEE Journal of Display Technology,2012,8(10):596-601.

[3] Wang Zhenxing,Liu Zhongyuan.The key technology of eReader based on electrophoretic display[J].2010 2nd International Conference on Software Technology and Engineering,V1:333-336.

[4] LU C M,WEY C L.A controller design for micro-capsule active matrix electrophoretic displays[J].IEEE Journal of Display Technology,2011,8(7):434-442.

[5] 赵晓鹏,郭慧林,王建平.复相微纳米胶囊与电子墨水[M].西安:西北工业大学出版社,2007.

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