0 引言

    電泳顯示器（EPD）通過加電壓的方式來呈現圖像，液晶顯示器（LCD）通過加一偏振器來改變光的透過率^[3]，這與EPD有很大的區別。而相對于液晶顯示器，電子紙顯示具有下列優勢：(1)重量輕，薄，高分辨率顯示；(2)雙穩態顯示，續航能力強，當去除外電壓時，顏料仍會留在電極上；(3)高對比度的反射，在陽光直射下，也可閱讀，閱讀視角更廣；(4)它將傳統紙的屬性和電子顯示可重復擦寫的特點有機地結合在一起，同時具有傳統紙的柔韌性和電子顯示屏靈活改變圖像和文字的特性，更加符合人類視覺生理習慣，閱讀舒適度更高 ；(5)對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備智能應用的必然趨勢^[4]。

    電泳電子紙的灰度級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，驅動波形就是電壓時序，若從一灰階直接驅動像素到另一灰階，會導致運動狀態的錯誤和非一致分布的累積，驅動波形作為電子紙的核心部分，對驅動波形的優化也顯得至關重要^[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中的電泳原理，把帶電的顏料小球穩定地分散在含染料的非水體系分散介質中，使分散相與分散介質呈強烈反差^[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，黑色粒子帶負電，在沒有電場的情況下，白色和黑色顆粒在布朗運動的作用下隨機分布，此時呈現中間色，當公共極板加正電時，黑色帶電粒子向公共極板運動，使得像素極板呈現白色狀態，當公共極板帶負電時，白色粒子向公共極板運動，使得像素極板呈現黑色狀態^[1]。原理圖如圖1所示。

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動，負脈沖電壓使得白色粒子往公共電極運動，施加電壓的持續時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]。

    在微膠囊電泳電子紙中，傳統的驅動波形一般把白色作為參考灰階，其它灰階通過先驅動到白色灰階得到。通過優化驅動波形，可以有效增加灰階數量^[1]。目前，優化后的驅動波形可由4 級灰度提高到 16級灰度，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系圖。

3 傳統驅動方式

    驅動電壓的波形一般存儲在波形查詢表內，通過查詢波形查詢表的方式施加一驅動電壓，根據之前的灰度值和目標灰度值控制像素顯示相應的灰度值。然而由于電泳顯示器具有記憶性，因此在灰度控制過程中，需要像素點先回到極端光學狀態(即黑或白極端狀態)。另外，在施加電極電壓改變灰階時，需要遵循直流平衡原則。

    目前，傳統驅動波形的灰度控制過程包2個階段：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動電壓來擦除當前圖像，第二階段到達目標灰階。傳統的驅動方式第一階段全部到達黑色狀態，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的驅動電壓下都能到達同樣的位置（即使是施加相應的電壓，也會有部分帶電顆粒由于庫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有到達同一灰度值。第二階段激活粒子的作用是當灰階數過多時，需要到達一個確定的極端光學狀態，而傳統的驅動方式是以白色灰階作為參考灰階，會減少一些目標灰階。傳統驅動波形的驅動方式示意圖如圖4所示。因此，電泳顯示器在結束時會顯示鬼影圖像，因此寫入新的圖像時，由于受擦除階段的影響，新的圖像也會有鬼影，降低了閱讀舒適度。

4 新的驅動方式

    新的驅動波形的灰度控制過程包括3個階段：擦除原始灰階階段、激活粒子階段、寫入新的灰階階段。新的驅動方式充分考慮到原始灰階與目標灰階，適當減少刷新時間，以及縮短驅動時長。由于傳統的驅動方式在激活階段以白色作為參考灰階，導致灰階的丟失，從而產生鬼影。新的驅動方式以黑色作為參考灰階，減少鬼影。

    新的驅動方式的具體方法是：所述16階灰度由4階基礎灰度調解而成，所述4階基礎灰度包括黑、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范圍內的當前灰階擦除為最大黑色灰階；將灰階在4至7范圍內的當前灰階擦除為深灰色灰階；將灰階在8至11范圍內的當前灰階擦除為淺灰色灰階；將灰階在12至15范圍內的當前灰階擦除為最大白色灰階。

5 實驗結果

    按照新的驅動方式設計的驅動波形查找表，加載驅動波形查找表所得的結果如圖6所示。

6 結束語

    本設計提供了一種改進電泳顯示器16階灰度顯示效果的驅動方法。如果電泳顯示器直接進行16到16階的變換，那么其變換就有16×16=256種，此時每一種變換都需設計一個相應的波形，顯然會占用更多的內存，且設計起來也非常繁瑣。雖然在傳統方案的基礎上，已有人提出選擇先擦除到達黑色狀態，再以白色灰階作為參考灰階，最后到目標灰階的改進方案。這一方案雖然減少了更新時間，但是其并沒有縮短驅動波形的時間長度，也沒有減少鬼影的存在。

    本設計在傳統灰度控制過程的基礎上增加了激活帶電粒子階段，先讓粒子在擦除階段結束時回到黑色、白色、淺灰、深灰灰階，再在激活帶電粒子階段結束時達到黑色極端的狀態，最后從特定的狀態去往想要驅動的狀態，在擦除階段過程中，能就近選擇黑色、白色、淺灰、深灰灰階，縮短了顯示器的驅動時間，大大降低了波形設計的工作量，也提高了效率。由于16階灰度值由4階灰度值調制而成和電光效應的記憶性，前一灰階會影響目標灰階。考慮到懸浮液的黏性和響應延遲的特點，本設計在灰度控制中粒子在激活帶電粒子階段結束時達到黑色極端，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帶來的鬼影。

參考文獻

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[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．復相微納米膠囊與電子墨水[M]．西安：西北工業大學出版社，2007．