基于PC的電子紙屏幕測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[圖]

隨著信息交換技術(shù)的飛速發(fā)展，人們需要掌握的信息激增。一方面，傳統(tǒng)的以紙張為媒介的圖書出版的弊端越來(lái)越明顯；另一方面，由于計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)，電子顯示設(shè)備的使用范圍越來(lái)越廣泛。雖然它們較傳統(tǒng)紙張具有可重復(fù)擦除，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但它們易使人產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，需持續(xù)供電，并沒(méi)有顯著地改變?nèi)藗兊拈喿x習(xí)慣。電子紙兼顧了紙張和其它電子顯示器的優(yōu)點(diǎn)，是一種類紙的柔性電子顯示設(shè)備。但是，電子紙刷新速度和顯示質(zhì)量不及其它電子顯示設(shè)備，這方面也成為了研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)關(guān)于電子紙的研究起步較晚，且目前主要集中在顯示技術(shù)的研究方面，對(duì)電子紙屏幕的測(cè)試研究得比較少，對(duì)其測(cè)試現(xiàn)在沒(méi)有系統(tǒng)的方法，沒(méi)有成型的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。而驅(qū)動(dòng)方式對(duì)電子紙屏幕的顯示效果影響很大，由此，本文的主要研究工作是設(shè)計(jì)一個(gè)基于PC 的電子紙屏幕測(cè)試系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)配置屏幕驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)，對(duì)屏幕顯示效果進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到測(cè)試的目的。

電子紙屏幕種類眾多，本文研究的電子紙為有源矩陣驅(qū)動(dòng)的電泳電子紙。

1 電泳粒子運(yùn)動(dòng)模型

關(guān)于電泳粒子的顯示原理和有源矩陣的顯示控制可在文獻(xiàn)[5]中找到，本文主要對(duì)電泳粒子的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行進(jìn)一步的討論，得出極板間電壓和通電時(shí)間對(duì)屏幕顯示的重要影響，進(jìn)而得出屏幕驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)。

根據(jù)Kubelka- Munk 顏色理論，光在均勻媒介內(nèi)擴(kuò)散，物體通過(guò)反射光譜決定其顯示的顏色，光在上下兩個(gè)方向被散射和吸收。電泳粒子的理論顯示模型為：有色電泳粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，通過(guò)粒子與極板的距離達(dá)到顯示效果。由于電泳粒子被電泳液包圍，所以粒子除了受到電場(chǎng)力作用外，還受到液體黏滯阻力的影響。黏滯阻力與粒子的瞬時(shí)速度有一定關(guān)系，當(dāng)物體速度不太大時(shí)，黏滯阻力滿足：

f=kv

其中，f 代表黏滯阻力，v 代表粒子的瞬時(shí)速度，k 為系數(shù)，根據(jù)STokes 定律，其符合：

k=6πrη

其中，r 為電泳粒子的半徑，η 為電泳液的黏度。再考慮到粒子的重力和在液體中受到的浮力，根據(jù)牛頓第二定律，最終的運(yùn)動(dòng)模型為：

其中，q 代表粒子所帶電荷，E 代表極板間電壓，F(xiàn)' 為粒子受到的浮力，mg 為粒子重力。對(duì)于特定的粒子，重力和浮力都已經(jīng)確定，主要是電場(chǎng)力和黏滯阻力影響粒子的速度，進(jìn)而影響粒子移動(dòng)的位移。

由于f 總與粒子的運(yùn)動(dòng)方向相反，隨著粒子運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大，因而存在一個(gè)極限速度vm。

當(dāng)粒子達(dá)到這個(gè)速度之后，如果粒子受力不變，則它將做勻速直線運(yùn)動(dòng)。下式給出v 與vm 的關(guān)系：

由于負(fù)指數(shù)函數(shù)是一個(gè)衰減很快的函數(shù)，粒子的加速或減速過(guò)程比較短暫，因此粒子大部分時(shí)間將以vm 做勻速直線運(yùn)動(dòng)，vm 與電場(chǎng)力的關(guān)系如下式所示：

即vm 與電場(chǎng)力正相關(guān)，根據(jù)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)位移、速度和時(shí)間的關(guān)系可知，通過(guò)控制極板間的電壓和通電時(shí)間，對(duì)電子紙屏幕顯示的影響近似線性。

前一小節(jié)已經(jīng)討論了電泳粒子勻速直線運(yùn)動(dòng)的近似模型，通過(guò)改變極板間電壓和通電時(shí)間可以影響電子紙的顯示效果。有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式電子紙，可以控制屏幕上每個(gè)像素的顯示，因此屏幕測(cè)試參數(shù)應(yīng)該可以針對(duì)屏幕上的每個(gè)像素點(diǎn)。由于屏幕的刷新是一個(gè)由當(dāng)前圖案變化到希望顯示圖案的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)于每個(gè)像素，測(cè)試參數(shù)應(yīng)給出由當(dāng)前圖案上的像素值變化到希望顯示圖案上的像素值極板間的電壓和通電時(shí)間的變化。對(duì)于那些當(dāng)前圖案上的像素值與希望顯示圖案上的像素值都相同的像素，其變化規(guī)律是一樣的，可統(tǒng)一處理。根據(jù)電子紙驅(qū)動(dòng)控制方式，得到屏幕驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)為：下極板控制矩陣、上極板控制矩陣、測(cè)試圖像數(shù)據(jù)。

（1）waveform（WF）矩陣（控制下極板的參數(shù)）。

由電子紙驅(qū)動(dòng)方式，下級(jí)板可精確地控制到每個(gè)像素，因此，下極板控制矩陣主要負(fù)責(zé)每個(gè)像素上粒子的移動(dòng)。由于實(shí)驗(yàn)中的電子紙可以顯示16 階灰度圖像，即共有16 個(gè)不同的像素值。又因?yàn)橥姇r(shí)間需要用離散的值來(lái)代表，假設(shè)在時(shí)間T 內(nèi)一定可以完成屏幕的刷新，則將T 分成N 段，每段時(shí)間為T/N,將其中的每段稱為一幀。因此WF 矩陣的大小為N*16*16,其中對(duì)于WF 矩陣的每一個(gè)值WF[n][i][j]

的含義是：在第n 幀時(shí)，屏幕上像素值為i 的粒子要變成像素值為j 的粒子，在下極板所要加的電壓值。