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。

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]。

    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。

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。

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。

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。

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．