基于PC的电子纸屏幕测试系统的研究与设计[图]

随着信息交换技术的飞速发展，人们需要掌握的信息激增。一方面，传统的以纸张为媒介的图书出版的弊端越来越明显；另一方面，由于计算机时代的到来，电子显示设备的使用范围越来越广泛。虽然它们较传统纸张具有可重复擦除，环保等优点，但它们易使人产生视觉疲劳，需持续供电，并没有显着地改变人们的阅读习惯。电子纸兼顾了纸张和其它电子显示器的优点，是一种类纸的柔性电子显示设备。但是，电子纸刷新速度和显示质量不及其它电子显示设备，这方面也成为了研究的热点。

国内关于电子纸的研究起步较晚，且目前主要集中在显示技术的研究方面，对电子纸屏幕的测试研究得比较少，对其测试现在没有系统的方法，没有成型的测试标准。而驱动方式对电子纸屏幕的显示效果影响很大，由此，本文的主要研究工作是设计一个基于PC 的电子纸屏幕测试系统，动态配置屏幕驱动控制参数，对屏幕显示效果进行调节，达到测试的目的。

电子纸屏幕种类众多，本文研究的电子纸为有源矩阵驱动的电泳电子纸。

1 电泳粒子运动模型

关于电泳粒子的显示原理和有源矩阵的显示控制可在文献[5]中找到，本文主要对电泳粒子的运动模型进行进一步的讨论，得出极板间电压和通电时间对屏幕显示的重要影响，进而得出屏幕驱动控制参数。

根据Kubelka- Munk 颜色理论，光在均匀媒介内扩散，物体通过反射光谱决定其显示的颜色，光在上下两个方向被散射和吸收。电泳粒子的理论显示模型为：有色电泳粒子在电场中运动，通过粒子与极板的距离达到显示效果。由于电泳粒子被电泳液包围，所以粒子除了受到电场力作用外，还受到液体黏滞阻力的影响。黏滞阻力与粒子的瞬时速度有一定关系，当物体速度不太大时，黏滞阻力满足：

f=kv

其中，f 代表黏滞阻力，v 代表粒子的瞬时速度，k 为系数，根据STokes 定律，其符合：

k=6πrη

其中，r 为电泳粒子的半径，η 为电泳液的黏度。再考虑到粒子的重力和在液体中受到的浮力，根据牛顿第二定律，最终的运动模型为：

其中，q 代表粒子所带电荷，E 代表极板间电压，F' 为粒子受到的浮力，mg 为粒子重力。对于特定的粒子，重力和浮力都已经确定，主要是电场力和黏滞阻力影响粒子的速度，进而影响粒子移动的位移。

由于f 总与粒子的运动方向相反，随着粒子运动速度的增大而增大，因而存在一个极限速度vm。

当粒子达到这个速度之后，如果粒子受力不变，则它将做匀速直线运动。下式给出v 与vm 的关系：

由于负指数函数是一个衰减很快的函数，粒子的加速或减速过程比较短暂，因此粒子大部分时间将以vm 做匀速直线运动，vm 与电场力的关系如下式所示：

即vm 与电场力正相关，根据匀速运动时位移、速度和时间的关系可知，通过控制极板间的电压和通电时间，对电子纸屏幕显示的影响近似线性。

　　2 电子纸屏幕驱动控制参数

前一小节已经讨论了电泳粒子匀速直线运动的近似模型，通过改变极板间电压和通电时间可以影响电子纸的显示效果。有源矩阵驱动方式电子纸，可以控制屏幕上每个像素的显示，因此屏幕测试参数应该可以针对屏幕上的每个像素点。由于屏幕的刷新是一个由当前图案变化到希望显示图案的动态过程，对于每个像素，测试参数应给出由当前图案上的像素值变化到希望显示图案上的像素值极板间的电压和通电时间的变化。对于那些当前图案上的像素值与希望显示图案上的像素值都相同的像素，其变化规律是一样的，可统一处理。根据电子纸驱动控制方式，得到屏幕驱动控制参数为：下极板控制矩阵、上极板控制矩阵、测试图像数据。

（1）waveform（WF）矩阵（控制下极板的参数）。

由电子纸驱动方式，下级板可精确地控制到每个像素，因此，下极板控制矩阵主要负责每个像素上粒子的移动。由于实验中的电子纸可以显示16 阶灰度图像，即共有16 个不同的像素值。又因为通电时间需要用离散的值来代表，假设在时间T 内一定可以完成屏幕的刷新，则将T 分成N 段，每段时间为T/N,将其中的每段称为一帧。因此WF 矩阵的大小为N*16*16,其中对于WF 矩阵的每一个值WF[n][i][j]

的含义是：在第n 帧时，屏幕上像素值为i 的粒子要变成像素值为j 的粒子，在下极板所要加的电压值。