干擾測(cè)量調(diào)制(IMOD)技術(shù)探索數(shù)字家庭色彩魅力

　　任憑有著多么豐富的想象力，你也無法描繪出未來的家庭、未來的家電會(huì)帶給我們多么色彩斑斕的生活空間。絢麗的色彩可帶給我們鮮活生動(dòng)的感受。應(yīng)用干涉測(cè)量調(diào)制(Interferometric Modulator；IMOD)技術(shù)，高通公司(Qualcomm)基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system；MEMS)的mirasol顯示器，將對(duì)顯示器的探索提升到了一個(gè)新高度。

　　mirasol顯示器的IMOD技術(shù)概述

　　基于MEMS的顯示器技術(shù)已發(fā)展了十多年，但在最近才打開新的局面。其數(shù)字特性與快速響應(yīng)的能力非常適合顯示應(yīng)用。但是，它們僅限于針對(duì)固定角度光源的應(yīng)用，并未用于便攜式直視顯示器，因?yàn)槊撾x了角度固定的光源它們便失去了作用。

　　為克服上述不足而開發(fā)的mirasol顯示器基于干涉原理，將利用干涉作用決定反射光的顏色。IMOD像素的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)10μs左右，此外，利用IMOD技術(shù)的mirasol顯示器，經(jīng)驗(yàn)證反射率高于60%、對(duì)比度大于15:1且驅(qū)動(dòng)電壓低于5V。IMOD元件雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻可提供調(diào)制、色彩選擇及內(nèi)存功能，取代了有源矩陣、彩色濾光片和偏光片的作用。由此得到的高性能顯示器可以無源矩陣的成本實(shí)現(xiàn)有源矩陣類功能。

　　工作原理

　　色彩的生成
　　從根本上說，mirasol顯示器是一個(gè)光諧振空穴，類似法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。設(shè)備包含獨(dú)立的可變形反光膜與薄膜堆疊層(每層薄膜可充當(dāng)光諧振空穴的一個(gè)鏡面)，二者均裝于透明基板之上。 

　　環(huán)境光射入該結(jié)構(gòu)時(shí)，將受到薄膜堆疊最上面一層以及反光膜的反射。根據(jù)光穴的高度，反光膜所反射之特定波長的光線與薄膜結(jié)構(gòu)的反射光線存在微小相移?；谙辔徊?，某些波長將發(fā)生相長干涉，另一些則為相消干涉。利用干涉原理的色彩生成，對(duì)光線的使用效率相比傳統(tǒng)彩色濾光片和偏光片高出許多，因?yàn)楹髢烧呤歉鶕?jù)吸收的原理來工作的，浪費(fèi)了許多射入顯示器的光線。

　　通過改變反光膜狀態(tài)，mirasol顯示器的圖像可在彩色與黑色間轉(zhuǎn)換。這一改變通過向薄膜堆疊層施加電壓來實(shí)現(xiàn)，該層可導(dǎo)電并受絕緣層保護(hù)。施加電壓后，靜電力將使反光膜變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)光穴中的變化將導(dǎo)致在人眼不可見的紫外線波長處發(fā)生相長干涉，因此屏幕上的圖像顯示為黑色。全彩色顯示器由反射紅、綠及藍(lán)光波長的IMOD元件在空間有序排列組合而成。

　　灰度的生成
　　從本質(zhì)來看，IMOD元件是1位設(shè)備，也就是說，它可被驅(qū)動(dòng)至暗態(tài)(黑色)或亮態(tài)(彩色)。為顯示灰度圖像，可利用空間抖動(dòng)或瞬時(shí)抖動(dòng)。

　　空間抖動(dòng)將已有子像素分成若干更小的可尋址元件，然后分別驅(qū)動(dòng)單個(gè)元件以得到不同灰度。此種方案需要每個(gè)元件額外具有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器。

　　另一方式為瞬時(shí)抖動(dòng)，可用于獲得額外灰度等級(jí)。空間抖動(dòng)與瞬時(shí)抖動(dòng)各有利弊。空間抖動(dòng)功耗較小，因?yàn)轱@示器無需像瞬時(shí)抖動(dòng)那樣頻繁刷新。由于功耗與顯示器刷新頻率成正比，所以瞬時(shí)抖動(dòng)最好用于對(duì)功耗不太敏感的情形。但是，利用瞬時(shí)抖動(dòng)的顯示器成本較低，因?yàn)榕挪嫉腎MOD元件較少，并能提供更高的填充系數(shù)。因此，將瞬時(shí)抖動(dòng)與空間抖動(dòng)結(jié)合使用以增加灰度級(jí)別數(shù)目，此類方案可權(quán)衡光效率與功率進(jìn)行取舍。

　　雙穩(wěn)態(tài)性
　　mirasol顯示器設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)之一即其雙穩(wěn)態(tài)特性，對(duì)于顯示圖像未發(fā)生變化的情況幾乎為零功耗。這意味著mirasol顯示器將因大幅節(jié)能而占據(jù)優(yōu)勢(shì)，特別是相比LCD等需要不斷刷新的顯示器。mirasol顯示器的雙穩(wěn)態(tài)性來自制造工藝的機(jī)電屬性所固有的滯后效應(yīng)。更具體地說，該特性源于反光膜的線性機(jī)械回復(fù)力與所施加電場(chǎng)的非線性力所固有的不平衡性。如圖1所示，所得的光機(jī)電特性在本質(zhì)上為滯后效應(yīng)，并提供內(nèi)置"存儲(chǔ)器"的效果，類似于有源矩陣顯示器中的薄膜晶體管(TFT)元件。

　　施加電壓Vbias使反光膜保持在開放狀態(tài)。施加短暫的寫入電壓脈沖，反光膜將轉(zhuǎn)換為關(guān)閉狀態(tài)并在電壓恢復(fù)Vbias 時(shí)仍保持該狀態(tài)。為了恢復(fù)開放狀態(tài)，應(yīng)施加短暫的非寫入負(fù)脈沖(Vunwrite)，使反光膜迅速恢復(fù)開放狀態(tài)。
 

　　速度
　　由于可見光波長的有效范圍為納米級(jí)別(即380nm至780nm)，為在兩種顏色之間轉(zhuǎn)換，可變形IMOD反光膜只能移動(dòng)極短的距離--數(shù)百納米。這一轉(zhuǎn)換的發(fā)生速度很快，大約為幾十微秒。此轉(zhuǎn)換速度的直接效用是使顯示器可顯示視頻率，無任何動(dòng)態(tài)模糊現(xiàn)象。傳統(tǒng)的STN類或膽固醇類無源矩陣顯示器的轉(zhuǎn)換速度低至數(shù)十或數(shù)百毫秒。IMOD元件的轉(zhuǎn)換時(shí)間比傳統(tǒng)顯示器快1000倍。此外，mirasol顯示器的轉(zhuǎn)換速度在較寬溫度范圍內(nèi)保持不變，不同于有機(jī)液晶類顯示器，它們的轉(zhuǎn)換速度在溫度降至較低范圍時(shí)也隨之下降。

　　關(guān)鍵屬性 

　　易讀性
　　人類通過感知各種表面所反射的光來觀察周圍環(huán)境。因此，相比通過背光照明顯示的圖像，從報(bào)紙所反射光線呈現(xiàn)的圖像更能吸引人眼的注意且更易于觀看?；谌祟愔饔^感受，易讀性取決于兩大因素：亮度和對(duì)比度。

　　亮度指進(jìn)入人眼的光線量。對(duì)于反射型顯示器，亮度為從顯示器反射而非顯示器吸收的環(huán)境光線量。關(guān)鍵指標(biāo)即顯示器明態(tài)時(shí)的反射率，通過與標(biāo)準(zhǔn)白光光源的反射率進(jìn)行對(duì)比的方式來測(cè)量。對(duì)白紙所測(cè)得的反射率為70%-90%，報(bào)紙的反射率測(cè)量值約為60%。

　　對(duì)比度是顯示器明暗態(tài)反射率之比。這一指標(biāo)表示人眼能否感知顯示器上明暗區(qū)域間的過渡，也可以說是空間細(xì)節(jié)。如果對(duì)比度過低，顯示器的效果將模糊不清，用戶很難看清圖像細(xì)節(jié)。高對(duì)比度可使圖像看起來更清晰進(jìn)而提升易讀性。作為參考可知，報(bào)紙的對(duì)比度大約是4:1。

　　對(duì)比反射型顯示器與發(fā)光型顯示器的易讀性，顯然后者在低環(huán)境光亮度級(jí)時(shí)的效果較好。但是，上述顯示器的問題在于，如果環(huán)境光亮度級(jí)從室內(nèi)照明增加到晴朗戶外的同等水平，用戶便很難看清空間細(xì)節(jié)，如圖2所示。事實(shí)也確實(shí)如此，用戶在戶外明亮的陽光下通常必須對(duì)便攜式設(shè)備的屏幕加以遮擋。兩個(gè)因素可對(duì)此做出解釋：首先，處于暗態(tài)的設(shè)備像素所反射的光線增強(qiáng)；其次，環(huán)境光超過了顯示器發(fā)光的亮度級(jí)。上述兩個(gè)因素都會(huì)降低顯示器的對(duì)比度。

　　對(duì)于反射型顯示器，在其暗態(tài)時(shí)面臨與發(fā)光型顯示器相同的問題--黑電平亮度隨環(huán)境光亮度級(jí)的增加而增加。但是，顯示器在明態(tài)時(shí)的可視性非常好。當(dāng)環(huán)境光亮度級(jí)增加時(shí)，mirasol顯示器的明態(tài)反射率也隨之增加。因此，mirasol顯示器在明亮的光照環(huán)境中也可提供出色的對(duì)比度。在較暗的環(huán)境中，低功耗的前光源將提供輔助照明。

　　mirasol顯示器的另一優(yōu)勢(shì)是寬視角。從偏離法線(正面直視顯示器)的角度觀看時(shí)，LCD顯示器會(huì)發(fā)生灰度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，mirasol顯示器與此不同，它可顯示無灰度反轉(zhuǎn)的圖像。mirasol顯示器上所示圖像即使從法線兩側(cè)的視角處觀看也無損品質(zhì)，再次表明了與LCD類顯示器的不同之處。就此方面來說，IMOD元件將提供發(fā)光型顯示器的優(yōu)點(diǎn)--對(duì)稱的寬視角。

　　高通的mirasol顯示器具有50%左右的分辨率及大于8:1的對(duì)比度。比較而言，普通報(bào)紙的反射率為60%，對(duì)比度約為4:1。

　　可靠耐用性
　　LCD使用壽命的最大瓶頸在于所用的有機(jī)材料。液晶材料與配向材料均為有機(jī)物質(zhì)，因此曝露于高溫及光照(人造光線或陽光)條件下久而久之便會(huì)分解。通過采用非有機(jī)材料，mirasol顯示器能在較寬溫度范圍內(nèi)工作，同時(shí)可防止高強(qiáng)度的可見光與紫外線輻射。即使在惡劣的溫度環(huán)境中，mirasol顯示器的響應(yīng)時(shí)間也不受影響，而且對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓和圖像內(nèi)容的影響也降到了較低的范圍。

　　從機(jī)械角度來看，IMOD元件非常堅(jiān)固耐用。mirasol顯示器經(jīng)驗(yàn)證能夠可靠開關(guān)120億次。

　　其他性能
　　高通mirasol顯示器的設(shè)計(jì)符合業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，使得mirasol模塊可通過"即插即用"連接標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，mirasol顯示器最突出的制造優(yōu)勢(shì)在于，其生產(chǎn)工藝從設(shè)計(jì)角度利用了FPD(平板顯示器)生產(chǎn)線中已有的基礎(chǔ)設(shè)施。用于制造mirasol顯示器的所有材料在目前的FPD料單中均有涉及，而且在大多數(shù)情況下可利用代替材料。靈活且完備的生產(chǎn)流程，使得許多FPD生產(chǎn)線僅需極少改動(dòng)即可轉(zhuǎn)換為mirasol顯示器所用，在很大程度上縮短了IMOD技術(shù)走向市場(chǎng)所需的時(shí)間。

　　總結(jié)

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及多媒體與智能便攜設(shè)備的技術(shù)融合，過去總是分別帶著相機(jī)、手機(jī)、MP3和PDA的日子已不復(fù)存在--智能便攜設(shè)備已將所有這些功能集成到一個(gè)多功能設(shè)備中。隨著功能的增加，消費(fèi)者將對(duì)顯示效果提出更多期望。mirasol顯示器采用高機(jī)械強(qiáng)度機(jī)殼，它擁有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口兼容性、利用已有平板顯示器(FPD)生產(chǎn)線的易制性、具有快速響應(yīng)速度以及廣泛的使用范圍等特性，將成為未來數(shù)字家庭的最佳顯示器解決方案之一。