尹　倩，白鵬飛，周國(guó)富，2，3

(1.華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院 彩色動(dòng)態(tài)電子紙顯示技術(shù)研究所，廣東 廣州 510006；2.深圳市國(guó)華光電研究院，廣東 深圳518110；3.深圳市國(guó)華光電科技有限公司，廣東 深圳518110）

電泳電子紙驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)化*

尹倩1，白鵬飛1，周國(guó)富1，2，3

(1.華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院 彩色動(dòng)態(tài)電子紙顯示技術(shù)研究所，廣東 廣州 510006；2.深圳市國(guó)華光電研究院，廣東 深圳518110；3.深圳市國(guó)華光電科技有限公司，廣東 深圳518110）

電子紙是手持閱讀設(shè)備智能應(yīng)用的必然趨勢(shì)。電泳電子紙驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電泳電子紙的顯示質(zhì)量以及圖像的更新速度起著決定性作用，驅(qū)動(dòng)波形驅(qū)動(dòng)分為三個(gè)階段：擦除階段，激活階段，到達(dá)目標(biāo)灰階。目前業(yè)內(nèi)亟需一種能有效減少驅(qū)動(dòng)時(shí)間和鬼影的電泳顯示器驅(qū)動(dòng)方法，由此考慮到粒子運(yùn)動(dòng)的特性，提出兩種新的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這兩種方式能夠有效地減少驅(qū)動(dòng)時(shí)間和顯示高質(zhì)量的圖像。

電泳電子紙；驅(qū)動(dòng)波形；鬼影

0　引言

電泳顯示器（EPD）通過(guò)加電壓的方式來(lái)呈現(xiàn)圖像，液晶顯示器（LCD）通過(guò)加一偏振器來(lái)改變光的透過(guò)率［3］，這與EPD有很大的區(qū)別。而相對(duì)于液晶顯示器，電子紙顯示具有下列優(yōu)勢(shì)：(1)重量輕，薄，高分辨率顯示；(2)雙穩(wěn)態(tài)顯示，續(xù)航能力強(qiáng)，當(dāng)去除外電壓時(shí)，顏料仍會(huì)留在電極上；(3)高對(duì)比度的反射，在陽(yáng)光直射下，也可閱讀，閱讀視角更廣；(4)它將傳統(tǒng)紙的屬性和電子顯示可重復(fù)擦寫的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，同時(shí)具有傳統(tǒng)紙的柔韌性和電子顯示屏靈活改變圖像和文字的特性，更加符合人類視覺(jué)生理習(xí)慣，閱讀舒適度更高 ；(5)對(duì)人身體輻射和眼睛的傷害大大減少。因此電子紙是手持閱讀設(shè)備智能應(yīng)用的必然趨勢(shì)［4］。

電泳電子紙的灰度級(jí)取決于黑白粒子的分布，而黑白粒子的分布卻取決于所施加的電壓，驅(qū)動(dòng)波形就是電壓時(shí)序，若從一灰階直接驅(qū)動(dòng)像素到另一灰階，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的錯(cuò)誤和非一致分布的累積，驅(qū)動(dòng)波形作為電子紙的核心部分，對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的優(yōu)化也顯得至關(guān)重要［1］。

1　電泳電子紙顯示原理

電泳電子紙是基于電泳顯示原理顯示圖像，電泳圖像顯示是利用膠體化學(xué)中的電泳原理，把帶電的顏料小球穩(wěn)定地分散在含染料的非水體系分散介質(zhì)中，使分散相與分散介質(zhì)呈強(qiáng)烈反差［5］。膠體懸液呈電中性，所述的帶電小球表面有靜電荷，帶電小球分為白色和黑色兩種，白色粒子帶正電，黑色粒子帶負(fù)電，在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下，白色和黑色顆粒在布朗運(yùn)動(dòng)的作用下隨機(jī)分布，此時(shí)呈現(xiàn)中間色，當(dāng)公共極板加正電時(shí)，黑色帶電粒子向公共極板運(yùn)動(dòng)，使得像素極板呈現(xiàn)白色狀態(tài)，當(dāng)公共極板帶負(fù)電時(shí)，白色粒子向公共極板運(yùn)動(dòng)，使得像素極板呈現(xiàn)黑色狀態(tài)［1］。原理圖如圖1所示。

圖1　電泳顯示器的原理圖

2　灰階

EPD微膠囊中灰階圖像是由像素中公共電極的+15 V (-15 V)直流電壓決定。正脈沖電壓使得白色粒子往像素電極運(yùn)動(dòng)，負(fù)脈沖電壓使得白色粒子往公共電極運(yùn)動(dòng)，施加電壓的持續(xù)時(shí)間決定了粒子的位置，從而決定圖像的灰階。示意圖如圖2所示［2］。

圖2　灰階形成圖

在微膠囊電泳電子紙中，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)波形一般把白色作為參考灰階，其它灰階通過(guò)先驅(qū)動(dòng)到白色灰階得到。通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波形，可以有效增加灰階數(shù)量［1］。目前，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)波形可由4級(jí)灰度提高到 16級(jí)灰度，改善了圖像的顯示效果。如圖3所示為線性的灰度與反射率線性關(guān)系圖。

圖3　線性灰度與反射率線性關(guān)系圖

3　傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)電壓的波形一般存儲(chǔ)在波形查詢表內(nèi)，通過(guò)查詢波形查詢表的方式施加一驅(qū)動(dòng)電壓，根據(jù)之前的灰度值和目標(biāo)灰度值控制像素顯示相應(yīng)的灰度值。然而由于電泳顯示器具有記憶性，因此在灰度控制過(guò)程中，需要像素點(diǎn)先回到極端光學(xué)狀態(tài)(即黑或白極端狀態(tài))。另外，在施加電極電壓改變灰階時(shí)，需要遵循直流平衡原則。

目前，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)波形的灰度控制過(guò)程包2個(gè)階段：擦除原始灰階階段、寫入新的灰階階段。第一階段采用與寫入階段極性相反的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)擦除當(dāng)前圖像，第二階段到達(dá)目標(biāo)灰階。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式第一階段全部到達(dá)黑色狀態(tài)，但由于液體的黏度與遷移速度不相同，并非所有帶電微粒在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓下都能到達(dá)同樣的位置（即使是施加相應(yīng)的電壓，也會(huì)有部分帶電顆粒由于庫(kù)侖力的作用而再次沉降或浮起），不同灰階到同一灰階的反射率都沒(méi)有到達(dá)同一灰度值。第二階段激活粒子的作用是當(dāng)灰階數(shù)過(guò)多時(shí)，需要到達(dá)一個(gè)確定的極端光學(xué)狀態(tài)，而傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式是以白色灰階作為參考灰階，會(huì)減少一些目標(biāo)灰階。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)波形的驅(qū)動(dòng)方式示意圖如圖4所示。因此，電泳顯示器在結(jié)束時(shí)會(huì)顯示鬼影圖像，因此寫入新的圖像時(shí)，由于受擦除階段的影響，新的圖像也會(huì)有鬼影，降低了閱讀舒適度。

圖4　傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式示意圖

4　新的驅(qū)動(dòng)方式

新的驅(qū)動(dòng)波形的灰度控制過(guò)程包括3個(gè)階段：擦除原始灰階階段、激活粒子階段、寫入新的灰階階段。新的驅(qū)動(dòng)方式充分考慮到原始灰階與目標(biāo)灰階，適當(dāng)減少刷新時(shí)間，以及縮短驅(qū)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)。由于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式在激活階段以白色作為參考灰階，導(dǎo)致灰階的丟失，從而產(chǎn)生鬼影。新的驅(qū)動(dòng)方式以黑色作為參考灰階，減少鬼影。

新的驅(qū)動(dòng)方式的具體方法是：所述16階灰度由4階基礎(chǔ)灰度調(diào)解而成，所述4階基礎(chǔ)灰度包括黑、深灰、淺灰和白，所述 16階灰度分別為黑黑、黑深灰、黑淺灰、黑白、深灰黑、深灰深灰、深灰淺灰、深灰白、淺灰黑、淺灰深灰、淺灰淺灰、淺灰白、白黑、白深灰、白淺灰和白白，所述16階灰度依次用數(shù)字0-15表示，其中，0代表最大黑色，5代表深灰色，10代表淺灰色，15代表最大白色。

擦除階段包括：將灰階在0至3范圍內(nèi)的當(dāng)前灰階擦除為最大黑色灰階；將灰階在4至7范圍內(nèi)的當(dāng)前灰階擦除為深灰色灰階；將灰階在8至11范圍內(nèi)的當(dāng)前灰階擦除為淺灰色灰階；將灰階在12至15范圍內(nèi)的當(dāng)前灰階擦除為最大白色灰階。

圖5　新的驅(qū)動(dòng)方式示意圖

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照新的驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)波形查找表，加載驅(qū)動(dòng)波形查找表所得的結(jié)果如圖6所示。

圖6　傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式與新的驅(qū)動(dòng)方式效果對(duì)比圖

6　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)提供了一種改進(jìn)電泳顯示器16階灰度顯示效果的驅(qū)動(dòng)方法。如果電泳顯示器直接進(jìn)行16到16階的變換，那么其變換就有 16×16=256種，此時(shí)每一種變換都需設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的波形，顯然會(huì)占用更多的內(nèi)存，且設(shè)計(jì)起來(lái)也非常繁瑣。雖然在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，已有人提出選擇先擦除到達(dá)黑色狀態(tài)，再以白色灰階作為參考灰階，最后到目標(biāo)灰階的改進(jìn)方案。這一方案雖然減少了更新時(shí)間，但是其并沒(méi)有縮短驅(qū)動(dòng)波形的時(shí)間長(zhǎng)度，也沒(méi)有減少鬼影的存在。

本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)灰度控制過(guò)程的基礎(chǔ)上增加了激活帶電粒子階段，先讓粒子在擦除階段結(jié)束時(shí)回到黑色、白色、淺灰、深灰灰階，再在激活帶電粒子階段結(jié)束時(shí)達(dá)到黑色極端的狀態(tài)，最后從特定的狀態(tài)去往想要驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，在擦除階段過(guò)程中，能就近選擇黑色、白色、淺灰、深灰灰階，縮短了顯示器的驅(qū)動(dòng)時(shí)間，大大降低了波形設(shè)計(jì)的工作量，也提高了效率。由于16階灰度值由4階灰度值調(diào)制而成和電光效應(yīng)的記憶性，前一灰階會(huì)影響目標(biāo)灰階?？紤]到懸浮液的黏性和響應(yīng)延遲的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在灰度控制中粒子在激活帶電粒子階段結(jié)束時(shí)達(dá)到黑色極端，即以黑色灰階作為參考灰階，減少了白色灰階作為參考灰階時(shí)帶來(lái)的鬼影。

［1］周國(guó)富，易子川，王利，等．電泳電子紙驅(qū)動(dòng)波形研究現(xiàn)狀與前景［J］．華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，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］趙曉鵬，郭慧林，王建平．復(fù)相微納米膠囊與電子墨水［M］．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007．

Driving waveform optimization based on electrophoretic displays

Yin Qian1，Bai Pengfei1，Zhou Guofu1，2，3
(1.Institute of Electronic Paper Displays，South China Academy of Advanced Optoelectronics，South China Normal University，Guangzhou 510006，China；2.Academy of Shenzhen Guohua Optoelectronics，Shenzhen 518110，China；3.Shenzhen Guohua Optoelectronic Tech.Co.，Ltd.，Shenzhen 518110，China)

E-paper is the inevitable trend of handheld reading device of intelligence applications.The driven approach of EPD plays a decisive role in quality and speed of image update.A typical driving waveform is divided into three phases:the erase phase,active phase,reach the target gray.The industry's urgent need an effective method of an electrophoretic displays driving reduce the driving time and ghosting.Thereby taking into account the characteristics of particle motion,propose new drive method.The experimental results show that these two methods can reduce the driving time effectively and display while still maintaining high quality images.

electronic paper；driving waveform；ghosting

TN27

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.007

教育部“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”（IRT13064）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014A030308013）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014A010103024）

2015-08-31)

尹倩（1993-），女，碩士研究生，主要研究方向：顯示技術(shù)。

白鵬飛（1977-），通訊作者，男，博士，副研究員，主要研究方向：信息電子、平板顯示，E-mail：baipf@scnu.edu.cn。

周國(guó)富(1964-)，男，國(guó)家“千人計(jì)劃”入選者，主要研究方向：新型顯示技術(shù)。

中文引用格式：尹倩，白鵬飛，周國(guó)富.電泳電子紙驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)化［J］.電子技術(shù)應(yīng)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.