干扰测量调制(IMOD)技术探索数字家庭色彩魅力

　　任凭有着多么丰富的想象力，你也无法描绘出未来的家庭、未来的家电会带给我们多么色彩斑斓的生活空间。绚丽的色彩可带给我们鲜活生动的感受。应用干涉测量调制(Interferometric Modulator；IMOD)技术，高通公司(Qualcomm)基于微机电系统(micro-electro-mechanical system；MEMS)的mirasol显示器，将对显示器的探索提升到了一个新高度。

　　mirasol显示器的IMOD技术概述

　　基于MEMS的显示器技术已发展了十多年，但在最近才打开新的局面。其数字特性与快速响应的能力非常适合显示应用。但是，它们仅限于针对固定角度光源的应用，并未用于便携式直视显示器，因为脱离了角度固定的光源它们便失去了作用。

　　为克服上述不足而开发的mirasol显示器基于干涉原理，将利用干涉作用决定反射光的颜色。IMOD像素的转换速度可达10μs左右，此外，利用IMOD技术的mirasol显示器，经验证反射率高于60%、对比度大于15:1且驱动电压低于5V。IMOD元件虽然结构简单，却可提供调制、色彩选择及内存功能，取代了有源矩阵、彩色滤光片和偏光片的作用。由此得到的高性能显示器可以无源矩阵的成本实现有源矩阵类功能。

　　工作原理

　　色彩的生成
　　从根本上说，mirasol显示器是一个光谐振空穴，类似法布里-珀罗标准具。设备包含独立的可变形反光膜与薄膜堆叠层(每层薄膜可充当光谐振空穴的一个镜面)，二者均装于透明基板之上。

　　环境光射入该结构时，将受到薄膜堆叠最上面一层以及反光膜的反射。根据光穴的高度，反光膜所反射之特定波长的光线与薄膜结构的反射光线存在微小相移。基于相位差，某些波长将发生相长干涉，另一些则为相消干涉。利用干涉原理的色彩生成，对光线的使用效率相比传统彩色滤光片和偏光片高出许多，因为后两者是根据吸收的原理来工作的，浪费了许多射入显示器的光线。

　　通过改变反光膜状态，mirasol显示器的图像可在彩色与黑色间转换。这一改变通过向薄膜堆叠层施加电压来实现，该层可导电并受绝缘层保护。施加电压后，静电力将使反光膜变为关闭状态。此时光穴中的变化将导致在人眼不可见的紫外线波长处发生相长干涉，因此屏幕上的图像显示为黑色。全彩色显示器由反射红、绿及蓝光波长的IMOD元件在空间有序排列组合而成。

　　灰度的生成
　　从本质来看，IMOD元件是1位设备，也就是说，它可被驱动至暗态(黑色)或亮态(彩色)。为显示灰度图像，可利用空间抖动或瞬时抖动。

　　空间抖动将已有子像素分成若干更小的可寻址元件，然后分别驱动单个元件以得到不同灰度。此种方案需要每个元件额外具有一个行驱动器。

　　另一方式为瞬时抖动，可用于获得额外灰度等级。空间抖动与瞬时抖动各有利弊。空间抖动功耗较小，因为显示器无需像瞬时抖动那样频繁刷新。由于功耗与显示器刷新频率成正比，所以瞬时抖动最好用于对功耗不太敏感的情形。但是，利用瞬时抖动的显示器成本较低，因为排布的IMOD元件较少，并能提供更高的填充系数。因此，将瞬时抖动与空间抖动结合使用以增加灰度级别数目，此类方案可权衡光效率与功率进行取舍。

　　双稳态性
　　mirasol显示器设计的主要优势之一即其双稳态特性，对于显示图像未发生变化的情况几乎为零功耗。这意味着mirasol显示器将因大幅节能而占据优势，特别是相比LCD等需要不断刷新的显示器。mirasol显示器的双稳态性来自制造工艺的机电属性所固有的滞后效应。更具体地说，该特性源于反光膜的线性机械回复力与所施加电场的非线性力所固有的不平衡性。如图1所示，所得的光机电特性在本质上为滞后效应，并提供内置"存储器"的效果，类似于有源矩阵显示器中的薄膜晶体管(TFT)元件。

　　施加电压Vbias使反光膜保持在开放状态。施加短暂的写入电压脉冲，反光膜将转换为关闭状态并在电压恢复Vbias 时仍保持该状态。为了恢复开放状态，应施加短暂的非写入负脉冲(Vunwrite)，使反光膜迅速恢复开放状态。

　　速度
　　由于可见光波长的有效范围为纳米级别(即380nm至780nm)，为在两种颜色之间转换，可变形IMOD反光膜只能移动极短的距离--数百纳米。这一转换的发生速度很快，大约为几十微秒。此转换速度的直接效用是使显示器可显示视频率，无任何动态模糊现象。传统的STN类或胆固醇类无源矩阵显示器的转换速度低至数十或数百毫秒。IMOD元件的转换时间比传统显示器快1000倍。此外，mirasol显示器的转换速度在较宽温度范围内保持不变，不同于有机液晶类显示器，它们的转换速度在温度降至较低范围时也随之下降。

　　关键属性

　　易读性
　　人类通过感知各种表面所反射的光来观察周围环境。因此，相比通过背光照明显示的图像，从报纸所反射光线呈现的图像更能吸引人眼的注意且更易于观看。基于人类主观感受，易读性取决于两大因素：亮度和对比度。

　　亮度指进入人眼的光线量。对于反射型显示器，亮度为从显示器反射而非显示器吸收的环境光线量。关键指标即显示器明态时的反射率，通过与标准白光光源的反射率进行对比的方式来测量。对白纸所测得的反射率为70%-90%，报纸的反射率测量值约为60%。

　　对比度是显示器明暗态反射率之比。这一指标表示人眼能否感知显示器上明暗区域间的过渡，也可以说是空间细节。如果对比度过低，显示器的效果将模糊不清，用户很难看清图像细节。高对比度可使图像看起来更清晰进而提升易读性。作为参考可知，报纸的对比度大约是4:1。

　　对比反射型显示器与发光型显示器的易读性，显然后者在低环境光亮度级时的效果较好。但是，上述显示器的问题在于，如果环境光亮度级从室内照明增加到晴朗户外的同等水平，用户便很难看清空间细节，如图2所示。事实也确实如此，用户在户外明亮的阳光下通常必须对便携式设备的屏幕加以遮挡。两个因素可对此做出解释：首先，处于暗态的设备像素所反射的光线增强；其次，环境光超过了显示器发光的亮度级。上述两个因素都会降低显示器的对比度。

　　对于反射型显示器，在其暗态时面临与发光型显示器相同的问题--黑电平亮度随环境光亮度级的增加而增加。但是，显示器在明态时的可视性非常好。当环境光亮度级增加时，mirasol显示器的明态反射率也随之增加。因此，mirasol显示器在明亮的光照环境中也可提供出色的对比度。在较暗的环境中，低功耗的前光源将提供辅助照明。

　　mirasol显示器的另一优势是宽视角。从偏离法线(正面直视显示器)的角度观看时，LCD显示器会发生灰度反转现象，mirasol显示器与此不同，它可显示无灰度反转的图像。mirasol显示器上所示图像即使从法线两侧的视角处观看也无损品质，再次表明了与LCD类显示器的不同之处。就此方面来说，IMOD元件将提供发光型显示器的优点--对称的宽视角。

　　高通的mirasol显示器具有50%左右的分辨率及大于8:1的对比度。比较而言，普通报纸的反射率为60%，对比度约为4:1。

　　可靠耐用性
　　LCD使用寿命的最大瓶颈在于所用的有机材料。液晶材料与配向材料均为有机物质，因此曝露于高温及光照(人造光线或阳光)条件下久而久之便会分解。通过采用非有机材料，mirasol显示器能在较宽温度范围内工作，同时可防止高强度的可见光与紫外线辐射。即使在恶劣的温度环境中，mirasol显示器的响应时间也不受影响，而且对驱动电压和图像内容的影响也降到了较低的范围。

　　从机械角度来看，IMOD元件非常坚固耐用。mirasol显示器经验证能够可靠开关120亿次。

　　其他性能
　　高通mirasol显示器的设计符合业内标准，使得mirasol模块可通过"即插即用"连接标准移动系统。同时，mirasol显示器最突出的制造优势在于，其生产工艺从设计角度利用了FPD(平板显示器)生产线中已有的基础设施。用于制造mirasol显示器的所有材料在目前的FPD料单中均有涉及，而且在大多数情况下可利用代替材料。灵活且完备的生产流程，使得许多FPD生产线仅需极少改动即可转换为mirasol显示器所用，在很大程度上缩短了IMOD技术走向市场所需的时间。

　　总结

　　随着计算机技术及多媒体与智能便携设备的技术融合，过去总是分别带着相机、手机、MP3和PDA的日子已不复存在--智能便携设备已将所有这些功能集成到一个多功能设备中。随着功能的增加，消费者将对显示效果提出更多期望。mirasol显示器采用高机械强度机壳，它拥有行业标准接口兼容性、利用已有平板显示器(FPD)生产线的易制性、具有快速响应速度以及广泛的使用范围等特性，将成为未来数字家庭的最佳显示器解决方案之一。