電泳電子紙驅動方式的優化*

尹　倩，白鵬飛，周國富，2，3

(1.華南師范大學華南先進光電子研究院 彩色動態電子紙顯示技術研究所，廣東 廣州 510006；2.深圳市國華光電研究院，廣東 深圳518110；3.深圳市國華光電科技有限公司，廣東 深圳518110）

電泳電子紙驅動方式的優化*

尹倩1，白鵬飛1，周國富1，2，3

(1.華南師范大學華南先進光電子研究院 彩色動態電子紙顯示技術研究所，廣東 廣州 510006；2.深圳市國華光電研究院，廣東 深圳518110；3.深圳市國華光電科技有限公司，廣東 深圳518110）

電子紙是手持閱讀設備智能應用的必然趨勢。電泳電子紙驅動方式對電泳電子紙的顯示質量以及圖像的更新速度起著決定性作用，驅動波形驅動分為三個階段：擦除階段，激活階段，到達目標灰階。目前業內亟需一種能有效減少驅動時間和鬼影的電泳顯示器驅動方法，由此考慮到粒子運動的特性，提出兩種新的驅動方式，實驗結果證明這兩種方式能夠有效地減少驅動時間和顯示高質量的圖像。

電泳電子紙；驅動波形；鬼影

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。

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］。

圖2　灰階形成圖

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。

圖3　線性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。

圖4　傳統驅動方式示意圖

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。

圖5　新的驅動方式示意圖

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。

圖6　傳統驅動方式與新的驅動方式效果對比圖

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?？紤]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。

［1］周國富，易子川，王利，等．電泳電子紙驅動波形研究現狀與前景［J］．華南師范大學學報，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．復相微納米膠囊與電子墨水［M］．西安：西北工業大學出版社，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“長江學者和創新團隊發展計劃”（IRT13064）；廣東省自然科學基金項目（2014A030308013）；廣東省科技計劃項目（2014A010103024）

2015-08-31)

尹倩（1993-），女，碩士研究生，主要研究方向：顯示技術。

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。

周國富(1964-)，男，國家“千人計劃”入選者，主要研究方向：新型顯示技術。

中文引用格式：尹倩，白鵬飛，周國富.電泳電子紙驅動方式的優化［J］.電子技術應用，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.