干擾測量調制(IMOD)技術探索數(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的感受。應用干涉測量調制(Interferometric Modulator；IMOD)技術，高通公司(Qualcomm)基于微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system；MEMS)的mirasol顯示器，將對顯示器的探索提升到了一個新高度。

　　mirasol顯示器的IMOD技術概述

　　基于MEMS的顯示器技術已發(fā)展了十多年，但在最近才打開新的局面。其數(shù)字特性與快速響應的能力非常適合顯示應用。但是，它們僅限于針對固定角度光源的應用，并未用于便攜式直視顯示器，因為脫離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像素的轉換速度可達10μs左右，此外，利用IMOD技術的mirasol顯示器，經(jīng)驗證反射率高于60%、對比度大于15:1且驅動電壓低于5V。IMOD元件雖然結構簡單，卻可提供調制、色彩選擇及內存功能，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顯示器是一個光諧振空穴，類似法布里-珀羅標準具。設備包含獨立的可變形反光膜與薄膜堆疊層(每層薄膜可充當光諧振空穴的一個鏡面)，二者均裝于透明基板之上。 

　　環(huán)境光射入該結構時，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構的反射光線存在微小相移。基于相位差，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，因為后兩者是根據(jù)吸收的原理來工作的，浪費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換。這一改變通過向薄膜堆疊層施加電壓來實現(xiàn)，該層可導電并受絕緣層保護。施加電壓后，靜電力將使反光膜變?yōu)殛P閉狀態(tài)。此時光穴中的變化將導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
　　從本質來看，IMOD元件是1位設備，也就是說，它可被驅動至暗態(tài)(黑色)或亮態(tài)(彩色)。為顯示灰度圖像，可利用空間抖動或瞬時抖動。

　　空間抖動將已有子像素分成若干更小的可尋址元件，然后分別驅動單個元件以得到不同灰度。此種方案需要每個元件額外具有一個行驅動器。

　　另一方式為瞬時抖動，可用于獲得額外灰度等級?？臻g抖動與瞬時抖動各有利弊?？臻g抖動功耗較小，因為顯示器無需像瞬時抖動那樣頻繁刷新。由于功耗與顯示器刷新頻率成正比，所以瞬時抖動最好用于對功耗不太敏感的情形。但是，利用瞬時抖動的顯示器成本較低，因為排布的IMOD元件較少，并能提供更高的填充系數(shù)。因此，將瞬時抖動與空間抖動結合使用以增加灰度級別數(shù)目，此類方案可權衡光效率與功率進行取舍。

　　雙穩(wěn)態(tài)性
　　mirasol顯示器設計的主要優(yōu)勢之一即其雙穩(wěn)態(tài)特性，對于顯示圖像未發(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，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電屬性所固有的滯后效應。更具體地說，該特性源于反光膜的線性機械回復力與所施加電場的非線性力所固有的不平衡性。如圖1所示，所得的光機電特性在本質上為滯后效應，并提供內置"存儲器"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，反光膜將轉換為關閉狀態(tài)并在電壓恢復Vbias 時仍保持該狀態(tài)。為了恢復開放狀態(tài)，應施加短暫的非寫入負脈沖(Vunwrite)，使反光膜迅速恢復開放狀態(tài)。
 

　　速度
　　由于可見光波長的有效范圍為納米級別(即380nm至780nm)，為在兩種顏色之間轉換，可變形IMOD反光膜只能移動極短的距離--數(shù)百納米。這一轉換的發(fā)生速度很快，大約為幾十微秒。此轉換速度的直接效用是使顯示器可顯示視頻率，無任何動態(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換速度低至數(shù)十或數(shù)百毫秒。IMOD元件的轉換時間比傳統(tǒng)顯示器快1000倍。此外，mirasol顯示器的轉換速度在較寬溫度范圍內保持不變，不同于有機液晶類顯示器，它們的轉換速度在溫度降至較低范圍時也隨之下降。

　　關鍵屬性 

　　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。基于人類主觀感受，易讀性取決于兩大因素：亮度和對比度。

　　亮度指進入人眼的光線量。對于反射型顯示器，亮度為從顯示器反射而非顯示器吸收的環(huán)境光線量。關鍵指標即顯示器明態(tài)時的反射率，通過與標準白光光源的反射率進行對比的方式來測量。對白紙所測得的反射率為70%-90%，報紙的反射率測量值約為60%。

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

　　對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)境光亮度級時的效果較好。但是，上述顯示器的問題在于，如果環(huán)境光亮度級從室內照明增加到晴朗戶外的同等水平，用戶便很難看清空間細節(jié)，如圖2所示。事實也確實如此，用戶在戶外明亮的陽光下通常必須對便攜式設備的屏幕加以遮擋。兩個因素可對此做出解釋：首先，處于暗態(tài)的設備像素所反射的光線增強；其次，環(huán)境光超過了顯示器發(fā)光的亮度級。上述兩個因素都會降低顯示器的對比度。

　　對于反射型顯示器，在其暗態(tài)時面臨與發(fā)光型顯示器相同的問題--黑電平亮度隨環(huán)境光亮度級的增加而增加。但是，顯示器在明態(tài)時的可視性非常好。當環(huán)境光亮度級增加時，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)勢是寬視角。從偏離法線(正面直視顯示器)的角度觀看時，LCD顯示器會發(fā)生灰度反轉現(xiàn)象，mirasol顯示器與此不同，它可顯示無灰度反轉的圖像。mirasol顯示器上所示圖像即使從法線兩側的視角處觀看也無損品質，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--對稱的寬視角。

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

　　可靠耐用性
　　LCD使用壽命的最大瓶頸在于所用的有機材料。液晶材料與配向材料均為有機物質，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分解。通過采用非有機材料，mirasol顯示器能在較寬溫度范圍內工作，同時可防止高強度的可見光與紫外線輻射。即使在惡劣的溫度環(huán)境中，mirasol顯示器的響應時間也不受影響，而且對驅動電壓和圖像內容的影響也降到了較低的范圍。

　　從機械角度來看，IMOD元件非常堅固耐用。mirasol顯示器經(jīng)驗證能夠可靠開關120億次。

　　其他性能
　　高通mirasol顯示器的設計符合業(yè)內標準，使得mirasol模塊可通過"即插即用"連接標準移動系統(tǒng)。同時，mirasol顯示器最突出的制造優(yōu)勢在于，其生產(chǎn)工藝從設計角度利用了FPD(平板顯示器)生產(chǎn)線中已有的基礎設施。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)線僅需極少改動即可轉換為mirasol顯示器所用，在很大程度上縮短了IMOD技術走向市場所需的時間。

　　總結

　　隨著計算機技術及多媒體與智能便攜設備的技術融合，過去總是分別帶著相機、手機、MP3和PDA的日子已不復存在--智能便攜設備已將所有這些功能集成到一個多功能設備中。隨著功能的增加，消費者將對顯示效果提出更多期望。mirasol顯示器采用高機械強度機殼，它擁有行業(yè)標準接口兼容性、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。