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详解电子墨水屏技术的原理和优缺点 [复制链接]

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离线天の川
 

— 本帖被 天の川 从 综合交流 移动到本区(2017-09-24) —
[导读]   电子墨水屏技术,因电子书阅读器而广为人知,之后又以手机和可穿戴设备上的应用引起大家的关注。这种显示技术的原理是什么?相较常见的显示技术有何优势又有何缺点?本文将一一道来。



YotaPhone 2背面为电子墨水屏



华为P8提供E-Ink电子墨水屏后壳


电子墨水技术的起源[1]

  20 世纪70年代,日本首先研究出电泳显示技术,然而最初研究出的普通电泳由于存在显示寿命短、不稳定、彩色化困难等诸多缺点,实验曾一度中断。20世纪末,美国E-Ink公司利用电泳技术发明了电泳油墨(又称电子墨水),极大地促进了该技术的发展。电子墨水通常会制成薄膜,用于电子显示屏,尤其用于电子书,如Sony Reader、iLiad、Cybook Gen3、Amazon Kindle、Logic的 eReader和Polymer Vision的Readius设备。近些年也逐渐在手机和穿戴设备上看到。



采用电子墨水屏的亚马逊Kindle电子书阅读器



搭载电子墨水屏的索尼SmartBand Talk

电子墨水屏的原理[2]

  电子墨水屏是由许多电子墨水组成,电子墨水可以看成一个个胶囊的样子。每一个胶囊(位置6)里面有液体电荷,其中正电荷染白色,负电荷染黑色。当我们在一侧(位置8)给予正负电压,带有电荷的液体就会被分别吸引和排斥。

  这样,每一个像素点就可以显示白色或者黑色了。




图注:1.表面层 2.透明电极(ITO) 3.胶囊 4.带正点的白色颜料 5.带负电的黑色颜料 6.透明分散媒 7.下部电极 8.支持层 9.外光 10.白色 11.黒色

  因为电子墨水的刷新是不连续的,每一次刷新完成就可以保持现在的图形,即使拔掉电池也依旧保存。可能会有人问到,拔了电池吸引电子墨水的电压就木有了,那么小球不就回复原状或者进入随机的混沌状态了吗?

  答案是因为电子墨水具有双稳态效应(磁滞效应)。下图中,横轴是设备提供的电压大小,纵轴灰度(假定正为最白,负为最黑)。电压加大的过程和减小的过程,给予同样的电压,电子墨水黑白程度是不同的。这样的效应就叫做双稳态效应(磁滞效应)。



利用这样的效应,我们就可以给一个正电压(从0到B点过程,走下面上升的路线),吸引负电荷,显示正电荷白色给读者,然后断电(从B减少到0,走上面那条回来的路线)。白色得以保持。

  于是,电子墨水的设备省电就在于如果不需要显示有所变化,屏幕部分消耗电量为0。

  注:不变化屏幕设备自己没电是由于电路板的待机消耗以及电池自己的内阻消耗

  注2:其他常见的显示器无论屏幕内容是否变化,屏幕部分的耗电量都是持续的,变化不大的。
电子墨水屏的优点与缺点

  电子墨水屏有易读性、省电、可弯曲等诸多优点,下面主要讲讲易读性和省电两个方面。

  阅读体验媲美实体书

  我们常常听说电子墨水屏不伤眼睛。理由是什么呢?

  首先,电子墨水技术依赖于反射而不是发射的光线。采用了电子墨水技术的显示屏能像普通纸一样反射光线,这可确保文字在任何光照条件下(不反光,强光下也可完美显示)看起来都很自然。

  电子纸显示屏与液晶显示屏对比:



其次,无闪烁。传统液晶显示屏由于在不断刷新,所以会有闪烁,尽管肉眼可能无法察觉,但这一现象客观存在,这也是观看屏幕导致用眼疲劳的一大主因。

  而电子墨水屏不是靠不停刷新屏幕的方法来显示的,一旦屏幕刷新后就不再有变化,所以不存在传统液晶显示屏“闪烁”伤眼的问题。

  另外,电子墨水屏的阅读视角可接近180°。全视角阅读能带来了更好的阅读体验。

  功耗低,省电

  电子墨水屏只有在翻页等操作时才耗电,不刷新显示内容的时候不耗电。内容刷新以后,会长期停留在屏幕上,阅读的时候电池可以取掉。因此采用这种屏幕的设备将非常省电,像亚马逊的Kindle Paperwhite,续航可达8周。

  以上这些优点源于电子墨水屏工作原理的先天优势,当然,凡事有利有弊。这样的工作原理也使得它有很多应用缺陷。

  刷新率极低,不足以显示动态内容

  由于电子墨水屏的工作原理导致其刷新率极低,无法满足动态内容的展示。

  受限电子墨水屏刷新率低的特性,在切换页面时会有较明显的延迟。除了阅读,其他应用会非常受限。甚至上网游览都很鸡肋,更不要说刷视频了。

  全屏反色刷新在视觉上让人不爽

  不少打算购买Kindle的朋友,在体验店操作过后,会因无法忍受翻页时的“闪屏”问题而犹豫不绝。这里视觉上的“闪屏”是指屏幕的全屏反色刷新。为什么每一次变化(如:翻页),或者每隔一段时间就需要有一个全部清场的动作呢?这个问题也是由电子墨水屏幕自身原理造成的,我们再来看看刚刚那个图。

  电子墨水屏幕为什么经常要全屏反色刷新?[2]

我们刚假设电压从0加大然后再减少到0,但是电子墨水的灰度从位置A变到了位置C。那么如果下一次变化,如果我减少电压,也就是顺着上面那条返回路径继续行走,就没有问题。但是如果下一次刷新,我还需要这个像素显示白色,那么这个在C点情况的墨水所遵循的路线就不是这个图形了。电路所驱动的电压对应的灰度将会不准确。导致的结果就是黑色的墨水黑色程度不相同,白色的墨水有的没有完全白下去。就会出现我们所说的鬼影,或者残影。

  于是,为了避免残影的出现,就全部加到最大或者最小电压,把所有的墨水清零,从初始状态从新开始调整,这样所有的墨水小球就可以保持只有两种颜色的均匀显示了。
彩色电子墨水屏的前途如何?[3]

  彩色电子墨水屏是由3个电子墨水经过RBG的滤光片形成3原色的子像素,然后经过光的混合,成为1个像素。

  彩色电子墨水屏的前途如何?

  如图,3个电子墨水颗粒为一组,通过红绿蓝三原色不同比例的光混合,可以产生我们需要的特定颜色。这样的一组颗粒作为显示器的最小元素认为是一个像素点(如图右侧的点)。

  这样的技术与黑白电子墨水最大的差别在于亮度太低。因为现在需要3个才能组合成1个点,当需要显示为全红的时候,亮度只有1个像素的33%。而电子墨水又是借助环境光来显示的。如此,对环境光的光亮度要求更高。

  我们已经可以看到一些彩色电子墨水屏幕设备,比如汉王的电子书、此前高通发布的智能手表Toq、还有今年刚刚推出的新一代Pebble。

  E- Ink官方的资料显示,其璀璨彩色电子纸显示屏能够提供4096种色彩,适合需要显示图表、图形、地图、照片、漫画和广告等各种图像丰富的信息应用中。与 E-Ink 的黑白电子纸产品一样,E-Ink 璀璨彩色电子纸显示屏提供如纸张般的体验,可呈现清晰文本和精细彩色图形,即使阳光直射下也完全可视,更适合具低耗电需求的便携设备。



新一代的Pebble配备彩色E-Ink屏

  结语

  因为舒适的阅读性和低功耗特点,加上Kindle、YotaPhone等的影响力,电子墨水屏已经越来越受到大众的关注。除了电子阅读器、手机第二屏、智能手表这些应用外,你认为电子墨水屏还能在哪些领域获得应用呢?
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