电子墨水屏显示原理
前言
显示作为 i.MX 系列芯片功能的重要组成部分，我们将在未来一段时间以i.MX系列芯片为基础，详细说明显示相关模块的工作原理，使能客制化屏幕的步骤及可能遇到的问题。本篇文章将聚焦i.MX系列上的另一种显示接口，EPDC，电子墨水屏控制接口。
显示原理解析
电子墨水屏（Electrophoretic Paper Display, EPD）是一种独特的反射式、双稳态的显示器。与我们日常生活中使用的液晶显示器通过不停的刷新及闪烁完成画面的显示不同，墨水屏的显示不依靠连续不断的刷新，使其与其他显示器相比具有护眼、省电等多重优势。同样，由于其使用体验更接近于传统纸张，墨水屏获得了很多用户的青睐。
1 黑白墨水屏显示原理
我们遵从墨水屏的发展历史，首先从结构简单的黑白电子墨水屏入手了解墨水屏显示原理。数百万个微容器，这些微容器有多种不同结构，如微胶囊、微杯、电浆围堰等，不同颜色不同极性的粒子悬浮于这些微容器中。
我们可以通过在微容器底端施加不同电压，以控制不同颜色粒子移动到微容器的顶部，进而进行显示颜色的改变，最终使得微容器显示成白色、黑色以及它们的混合色。以下为我们施加电压的几种不同情况：
l 正电压：白色粒子（带正电荷）向微容器顶端运动，黑色粒子向微容器底端移动
l 负电压：黑色粒子（带负电荷）向微容器顶端运动，白色粒子向微容器底端移动
l 电压不变时：粒子保持不动
我们之前提到墨水屏具有省电的优势，也就是在墨水屏不通电的情况下，画面将保持不变。这里大家可能就会有疑问，当不施加电压时，颜色粒子将不会受到排斥或者吸引的力，为什么显示画面依旧会保持不变。这是因为电子墨水具有双稳态效应，即使外部的电压消失，电子墨水颗粒仍然保持之前的磁化状态，即磁滞效应。
2 彩色墨水屏原理
与黑白电视机到彩色电视机的更迭逻辑相同，随着墨水屏技术的发展，彩色墨水屏成为一个发展趋势。许多传统黑白墨水屏用户希望可以看清屏幕上的颜色，从而更明显地标注并且增加丰富多彩的绘画体验。目前市面中有多种不同的技术实现彩色墨水屏，其中比较主流的两种技术是，彩色滤光矩阵（color-filter-array, CFA）和使用不同颜色墨水粒子混合。
2.1 彩色滤光矩阵(CFA) 彩色墨水屏
使用CFA技术的彩色墨水屏是在传统灰阶墨水屏的基础上，增加了一层彩色滤光矩阵(CFA)。与灰阶墨水屏相同，它需要调节像素产生黑，白，灰等不同的状态，实现像素点的亮度控制。以16阶灰度的墨水屏为例，每个像素都有16个状态，或者说能产生16种不同灰度。另外由于CFA的存在每个像素点对应R/G/B中的某一个通道，也就是RGB每个通道都有16个状态，那么它可以产生 16^3=4096 种不同颜色。
使用CFA的墨水屏控制方法和灰阶墨水屏像素，具有控制简单、刷新时间快的优势。但是，由于CFA的加入会带来严重的光衰减，对于反射式的墨水屏来讲，它的显示画面偏暗，亮度比较低。通常情况下，基于CFA的墨水屏使用时需要开启前光或者环境亮度较大的地方从而弥补其透光率问题。本篇文章里我们以 E Ink Kaleido 3 为例说明CFA彩色墨水屏显示原理。下图展示了使用显微镜观察的E Ink Kaleido 3墨水屏：
E Ink Kaleido 3墨水屏上分布着红、绿、蓝滤光片，它们按照一定顺序排列，这个排列顺序称为CFA Pattern。墨水屏上每个滤光片下都有一个像素点，也就是说每一个彩色像素点只表示RGB其中一个通道（并不像是彩色LCD，R/G/B三个子像素组成一个完整像素点）。因此，当显示彩色内容时，分辨率将有损失。这里基于Kaleido 3的 CFA Pattern，当显示彩色内容时，墨水屏分辨率将降低一半。
2.2 不同颜色粒子混合彩色墨水屏
另一种实现彩色的方式是使用彩色墨水粒子。现在我们在商场中常见的电子价签牌，许多电子价签墨水屏中会在黑色、白色粒子的基础上增加红色粒子，于是它们便显示黑色、白色和红色三种颜色（例如E Ink Spectra 3000），后来又增加了黄色粒子，于是它们便可以显示四种颜色（例如E Ink Spectra 3100）。为了产生更多彩色，E Ink调整了粒子的颜色，使用CMYW，即cyan(青色), magenta(品红), yellow(黄色) 和 white(白色) 的E Ink Gallery 或 RGBW 的E Ink Spectra 6 四色粒子，通过施加不同的电压来控制四色粒子的位置进行颜色的混合。
本篇文章里我们以E Ink Grallery 3 为例说明颜色粒子混合式彩色墨水屏显示原理。下图展示了E Ink Grallery墨水屏的工作原理。Grallery 墨水屏的工作原理类似于彩色喷墨打印机，不同的是彩色喷墨打印机是在白色纸张上打印所以它不需要白色墨盒，而是使用黑色墨盒代替。在 Grallery 墨水屏上每个像素点都可以产生黑，品红，红，绿，蓝，青，黄，白等八种基本颜色。
这种通过粒子混合的方式，相较于基于CFA的墨水屏，可以实现更高的分辨率和色彩饱和度。由于没有CFA的影响，它也没有严重的光衰减，开启前光的几率大大降低。它保持了电子墨水屏的超低功耗、类纸性以及护眼等特点。随之而来的，驱动粒子混合以产生不同颜色是一件相当复杂的事。目前来讲，Gallery/Spectra墨水屏的刷新速度（Gallery3:~2s）相比于基于CFA的墨水屏(~340ms)慢很多。