Интерактивные доски прямой проекции
Интерактивная доска прямой проекции (рисунок 1) выглядит как обычная маркерная доска. Проектор помещается перед ней на подставке или на потолке. Перед началом работы доска подключается к компьютеру и проектору и на неё как на экран проецируется изображение. Интерактивность создается с помощью специального программного обеспечения. Доска позволяет контролировать все приложения одним прикосновением, писать и рисовать на ней электронными чернилами и сохранять все записи в одном файле или в приложениях Microsoft Office. Для отслеживания перемещений курсора по доске используется так называемая сенсорная резистивная технология - сетка из двух слоёв тончайших проводников, разделенных воздушным зазором. Её разрешение 2000х2000 точек, что превосходит разрешение любых современных мониторов и проекторов. Интерактивная доска прямой проекции удобна тем, что если у вас уже есть проектор, вам не нужно покупать новый. [2]
Интерактивные доски обратной проекции
У доски обратной проекции (рисунок 2) проектор располагается за экраном, что очень удобно: докладчик не отбрасывает тень на экран, а яркий свет проектора не попадает ему в глаза. Такую доску можно легко передвигать, при нет необходимости снова ее подключать и перенастраивать. Также можно менять высоту экрана, поворачивая ручку на корпусе. Доска довольно массивна - все основное и дополнительное оборудование (мультимедиа-проектор, системный блок, принтер, аудио- и видеотехника) может фиксироваться или размещаться во встроенном шкафу-футляре. По углам такой доски расположены миниатюрные цифровые видеокамеры-сенсоры, определяющие координаты курсора (фломастера или пальца). Эта технология, носящая название DViT (Digital Vision Touch), позволяет сделать интерактивным сколь угодно большой экран практически любой кривизны. [2]
Интерактивные насадки на плазменные и LCD дисплеи
Стоит заметить, что современные технологии дают возможность превратить в интерактивный экран любую плазменную панель или LCD-монитор, достаточно лишь прикрепить к дисплею специальную насадку. С ее помощью человек превращается из созерцателя в активного пользователя. Совместимые с моделями разных размеров и марок, насадки работают по DViT технологии, обеспечивая точность касания без потери качества изображения.
ЖК-интерактивные доски
Достоинства:
1. Высокое качество изображения по геометрии, яркости и контрастности. Например, интерактивная доска в ЖК-исполнении Samsung 650 TS имеет разрешение Full HD, равное 1920 х 1080 точек.
2. Значительный рабочий ресурс, без замены каких-либо компонентов могут работать десятки тысяч часов (в проекторах приходится заменять лампы через каждые 2÷5 тыс. часов).
3. Не требуют соблюдения каких-либо специальных процедур при включении/выключении.
4. Высочайший уровень надежности. Например, у интерактивной доски Samsung 650 TS среднее время на отказ (MTBF) составляет 50 тыс. часов (это более 30 лет при ежедневной эксплуатации по 6 часов).
Существенным недостатком ЖК-интерактивных досок является их значительная цена, недоступная для многих потенциальных пользователей. Кроме того, они уступают по площади рабочей поверхности интерактивным доскам прямой проекции.
ЭЛЕКТРОННЫЕ КНИГИ
Введение
В 1988 году американский писатель-фантаст Айзек Азимов в своем романе «Прелюдия к основанию» описал новое устройство, которое в настоящее время получило название электронной книги.
В январе 2010 года на выставке GES в США наблюдался глобальный взрыв интереса пользователей к электронным книгам (от англ. Electronic Book, сокр. E book или e-Book,другие названия: eBook device, eBook readers).
Электронной книгой будем называть узкоспециализированное компактное устройство, предназначенное для отображения текстовой информации, представленной в электронном виде. Основным отличием данной группы устройств от КПК, планшетных компьютеров, субноутбуков является существенно большее время автономной работы устройства и использование специальных энергосберегающих визуализаторов, называемых «электронная бумага», относительно невысокоя цена.
Электронные книги имеют следующие преимущества перед бумажными книгами:
1. В одной электронной книге могут храниться сотни и тысячи книг. Электронную книгу значительно проще транспортировать за счет меньшей массы по сравнению с бумажными книгами.
2. Начертание и размер шрифта пользователь может выбирать сам, не меняя книгу, чего нельзя сделать при использовании бумажной книги.
3. В электронной книге, в отличие от бумажной, может быть реализован поиск по ключевым словам, переходы по гиперссылкам, отображение временных выделений и примечаний.
4. Использование многоразовых электронных книг уменьшает вред окружающей среде, поскольку производстве электронных книг оказывается гораздо меньшее вредное воздействие на окружающую среду, чем при производстве обычной бумаги одноразового использования.
5. Распространение электронных книг имеет существенно меньшие издержки по сравнению с бумажными аналогами.
6. Встроенные программы – синтезаторы речи и специализированные интегральные схемы позволяют озвучивать тексты.
7. Электронная книга позволяет отображать анимацию работы механизмов, схем, анимированные картинки, мультимедийные клипы или проигрывать аудиокниги.
К сожалению, электронные книги не лишены недостатков, основные из которых:
1. Контрастность изображения на данный момент времени ниже, чем у обычной бумаги, что создает дискомфорт для пользователя.
2. Электронные книги имеют высокую стоимость, эквивалентную 10-20 печатным книгам.
3. Электронные книги более чувствительны к физическому воздействию, чем печатные.
4. Некоторые издатели не производят тексты для электронных книг одновременно с бумажными книгами, что приводит к значительной задержке появления лицензионных электронных вариантов книг.
5. В отличие от бумажных электронные устройства для чтения не могут работать без своевременной подзарядки.
6. Не исследовано влияние длительного использования электронных книг на здоровье детей и взрослых.
Первыми массовыми электронными книгами были устройства с монохромными LCD – экранами, выпущенные практически одновременно в 1998 году компаниями NuvoMedia и SoftBook Press. Впоследствии они были модифицированы, появились книги с полноцветными экранами и расширяемой функциональностью. Несмотря на весьма удачное техническое исполнение первых моделей, устройства не получили широкого распространения. То же можно сказать и об изделиях других компаний, варьирующихся от «чистых» электронных книг до КПК-подобных Hiebook и Franklin eBookMan.
Появившиеся позже электронные книги на основе холеристических жидкокристаллических экранов (ChlCD), несмотря на значительное повышение разрешения и времени автономной работы, оказались мало востребованными в связи с длительной прорисовкой экрана и отсутствием подсветки.
С 2007 года рынок электронных книг переживает подъем в связи с появлением экранов с технологией электронной бумаги. Это заметно как по росту числа производителей, так и по увеличению списка моделей.
В настоящее время для создания визуализаторов для различных устройств, в том числе и электронных книг, применяется большое количество новых энергосберегающих технологий.
Обзор основных технологий изготовления электронной бумаги приведен далее.
1.1. Требования к электронной бумаге
Целью развития технологий энергосберегающих визуализаторов является получение электронной бумаги со свойствами обычной бумаги, которая обладает следующими привлекательными свойствами:
1. Может отражать приблизительно 80% светового потока, попадающего на ее поверхность.
2. Отражает падающий свет равномерно во всех направлениях, что обеспечивает максимальный угол обзора без цветовых искажений.
3. Обеспечивает полноцветное изображение.
4. Сохраняет изображение в течении длительного временного периода без потребления дополнительной энергии.
5. Обеспечивает высокую контрастность (до 200:1)
1.2 Технология Gyricon
Технология Gyricon разработана в 70-х годах Ником Шеридоном (Nick Sheridon) в Исследовательском Центре компании в Пало-Альто (Palo Alto Research Center). Страница «бумаги» Gyricon представляет собой прозрачный лист запаянного со всех сторон пластика с массивом из миллионов круглых полостей внутри. Каждая полость заполнена жидкостью с консистенцией жидкого масла, в которой свободно плавает двухцветная бусинка диаметром от 20 мкм. Одна сторона бусинки тёмная (цвет не важен, главное – добиться контраста), вторая сторона – светлая. Каждая из сторон заряжена разнополярным зарядом. Управляя полярностью напряжения на электродах с тыльной и лицевой стороны листа, бусинку заставляют повернуться к зрителю светлой или тёмной стороной – на дисплее появится точка. Соответственно, сетка прозрачных электродов формирует из миллионов бусинок контрастную картинку на всей странице. 
Рис. 1. Принцип работы дисплея Gyricon: (а) пиксель отражает; б) пиксель не отражает;
1 – падающий на плоскость дисплея естественный свет; 2 – отраженный от пикселя естественный свет; 3 – пластик или стекло; 4 – прозрачные проводники из пленки оксида индия и олова для управления пикселями; 5 – двухцветные шарики
Вскоре после изобретения Gyricon компания Xerox выделила соответствующее подразделение в самостоятельную компанию. В 2005 году, после ряда убытков и слабого спроса на экраны – упор на информационные табло и обновляемые по беспроводной сети ценники себя не оправдал – Xerox объявила о ликвидации компании Gyricon.
1.3.Технология с использованием электрофореза компании Sony (E-Ink)
Экран E-Ink представляет собой массив микрокапсул с прозрачной жидкостью, в которой находится двухцветная разнозаряженная взвесь — отрицательно заряженные чёрные и положительно заряженные белые частицы краски (рис.2).
Рис. 2. Конструкция и принцип действия устройства E Inc:
а) пиксель отражает; б) пиксель не отражает;
1 – падающий на плоскость дисплея естественный свет; 2 – отраженный естественный свет; 3 – прозрачные проводники для управления пикселем из пленки оксида индия и олова; 4 – микрокапсула с отражающими микрочастицами, перемещенными к наблюдателю (режим отражения света); 5 – микрокапсула с отражающими микрочастицами, перемещенными к тыльной стороне (режим поглощения света; 6 – пластик или стекло.
Управляя зарядами на подложке, можно заставить частицы нужного цвета всплыть к лицевой поверхности экрана или наоборот. Текст на таком экране выглядит как напечатанный обычной типографской краской, а белый пигмент отражает свет подобно бумажному листу, не создавая бликов. Экран обладает свойством бистабильности - если снять напряжение с ячейки, частицы краски останутся там же, где и были.
1.4. Технология с использованием электросмачивания компании Philips
Капля, управляемая с помошью эффекта электросмачивания, - это не только «жидкая линза», но и своего рода «переключатель», сочетающий миниатюрность и простоту устройства с высокой скоростью и эффективностью. Он может найти множество самых неожиданных применений – например, для нового вида дисплеев. В общем случае принцип электросмачивания иллюстрируют следующие фотографии (рис.3).
Рис. 3. Принцип электросмачивания
Благодаря силам поверхностного натяжения, на водоотталкивающей поверхности капля жидкости принимает форму, близкую к шарообразной (a). Если к электроду внутри капли и к электроду под водоотталкивающим изолятором приложить разность потенциалов, смачиваемость поверхности резко усилится, и капля растечётся (b). После снятия напряжения капля опять соберётся в шарик (a). Коэффициент смачивания поверхности не меняется, электрическое поле заставляет каплю исправить возникший в новом энергетическом состоянии дисбаланс — растечься под воздействием электростатики и одновременно подчиниться законам химии граничных сред. После снятия поля водоотталкивающая поверхность вернёт каплю в первоначальное округлое состояние.
Разработанные на основе технологии электросмачивания рефлективные дисплеи Liquavista построены немного иначе. Оптический элемент EW-дисплея состоит из прозрачного электрода, гидрофобного изолятора, слоя окрашенного масла и заполнен водой. В составе дисплея оптический элемент закрыт с лицевой стороны стеклом, с нижней стороны — полимерной подложкой (рис.4).
Рис. 4. Конструкция и принцип рефлективного дисплея Liquavista в закрытом состоянии: Слева направо-
water – вода; pixel wall – граница пиксела; white substrate – белая подложка; hydrophobic insulator – гиброфобное основание; transparent electrode– электрод; coloured oil – окрашенное масло
В таком состоянии баланс системы заключается в том, что вода отталкивается от гидрофобной поверхности изолятора, и масло равномерно растекается цветной плёнкой по всей поверхности пикселя от одной стенки до другой. Примерные размеры пикселя: ширина — 200 мкм, высота — 25 мкм, как у обычных ЖК-дисплеев. Силы поверхностного натяжения в ячейке пикселя намного превышают силу гравитации, что позволяет масляной плёнке оставаться стабильной при любой ориентации экрана. А достаточно большой зазор — 25 мкм — делает ячейку невосприимчивой к прогибам, что одновременно решает проблему выпуска гибких EW-дисплев.
Когда к гидрофобному изолятору прикладывается разность потенциалов, силы электростатики заставляют воду преодолевать силы поверхностного натяжения окрашенного масла, и она сдвигает масло в сторону, открывая взору рефлективную подложку под масляной плёнкой:
Рис. 5. Конструкция и принцип рефлективного дисплея Liquavista в открытом состоянии:
water – вода; pixel wall – граница пиксела; white substrate – белая подложка; hydrophobic insulator – гиброфобное основание; tansparent electrode – электрод; coloured oil– окрашенное масло
Для глаз цвет пикселя будет меняться от насыщенного цветного в состоянии «выключено» до прозрачного (белого) в состоянии «включено». И в обратном порядке, когда напряжение уменьшается. Уровень серого задаётся величиной управляющего напряжения и зависит от неё практически линейно.
Для унификации ячеек в левом нижнем углу каждого пикселя предусмотрена специальная мёртвая зона для управляемого «загона» в неё окрашенного масла — второй электрод. Из такой конструктивной особенности пикселя следует, что эффективная площадь отражения сокращается до 80 %, а рефлективность — до 70 %.Однако, равномерность чередования мёртвых зон и малые размеры пикселя делают эту особенность EW-экранов незаметной для глаз.
Поскольку EW-экран по своей сути — это переключаемая цветная ячейка, возможно несколько типов экранов с эффектом электросмачивания. В простейшем случае — это однослойный экран, наподобие ЖК-экранов, с обычными цветными RGB-фильтрами (рис.6).
Рис. 6. Конструкция однослойного дисплея.
Каждый субпиксель триады управляется своим пикселем с маслом чёрного цвета. Во включенном состоянии масло открывает зеркальную подложку или даёт выход свету от источника тыловой подсветки.
Другая архитектура EW-дисплея предполагает размещение трёх раздельно управляемых монохромных слоёв друг над другом, как в случае цветных ChLCD (электронная книга Fujitsu FLEPia). Только в отличие от задействованной в цветных ChLCD аддитивной схемы синтеза цвета, трёхслойные EW-дисплеи опираются на принятую в типографском процессе субтрактивную модель. Вместо RGB-фильтров используются жёлтый, пурпурный и голубой (CMY) (рис.7).
Рис. 7. Конструкция трехслойного дисплея.
По сравнению с однослойной структурой, трёхслойные EWD выигрывают по двум пунктам. Во-первых, площадь пикселя используется полностью, а не делится между триадами. Во-вторых, трёхслойному экрану не нужны накладные цветные фильтры. Оба фактора повышают общую яркость экрана и упрощают процесс его производства.
EWD экономичны по энергопотреблению даже в сравнении с экранами с памятью, хотя технология электросмачивания не подразумевает бистабильности. Тем не менее, современные прототипы экранов Liquavista демонстрируют очень низкое качество изображения, и пройдёт ещё много времени, пока они будут доведены до уровня, хотя бы, E Ink. Что касается отображения цвета, куда совершеннее сегодня выглядят экраны Mirasol.
1.5. Технология компании Qualcomm (Mirasol)
Впервые устройство на экране mirasol было представлено в мае 2008 года (MP3-плеер Freestyle). В отличие от бистабильных экранов E Ink, неспособных обновляться со скоростью видео и фактически не имеющих пригодной для широкого использования цветной версии, бистабильные экраны Mirasol были цветными, хорошо читались при любом внешнем освещении и легко обновлялись со скоростью, в 1000 раз превышающую скорость работы ЖК-панелей. По легенде, открытие технологии IMOD (Interferometric Modulator) обязано крыльям бабочки. Речь идёт об оптической, а не пигментной окраске. Проходя через прозрачные чешуйки на крыльях, лучи света отражаются как от внешней, так и от внутренней поверхности чешуек. Оба отражения накладываются и усиливают (или ослабляют) друг друга. Заявленные оптические характеристики экранов mirasol выглядят очень привлекательно. Непревзойдённая пока отражательная способность на уровне 50 % (у E Ink 40 %), контрастность — 8:1, тогда как заявленная на сайте E Ink контрастность экранов последнего поколения равна 7:1 (в устройствах встречается 9:1 и 10:1). Для сравнения, бумага имеет отражательную способность 60 % при контрасте 4:1. Скорости обновления и сравнивать стыдно: 0,7 секунды у E Ink с 16 градациями серого и 10 мкс у экранов mirasol — на пять порядков быстрее. Наконец, при всём прочем экраны mirasol цветные.
Каждая ячейка IMOD-экрана — это отдельно изготовленная микроэлектромеханическая система (MEMS) с зазором строго определённой высоты. Её верхняя часть — это прозрачная плёнка, а нижняя — подвижная металлическая зеркальная мембрана. Для каждого базового «цвета» зазор соответствует своей длине волны: 780 нм для красного, 550 нм для зелёного и 380 нм для синего. Поскольку площадь ячейки очень мала, для достижения большей яркости отражённого света каждый «цветной» субпиксель представляет собой набор из нескольких однотипных ячеек. Например, из 14 для каждого субпикселя, как показано на схеме строения одного пикселя (рис.7).
Рис. 8. Строение пикселя в IMOD-визуализаторе
Ячеистая структура субпикселя также даёт возможность увеличить число градаций цвета, ибо каждая ячейка по своей природе не может иметь промежуточных состояний, а только два — включено и выключено. Для формирования цвета дисплею mirasol не нужны накладные цветные фильтры. Глубина каждой ячейки выбрана такой, что отражённый от зеркальной мембраны на её дне свет усиливает строго одну составляющую (определённой длины волны) в потоке света, отражённого от верхней прозрачной стороны ячейки. Наблюдается эффект «конструктивной» интерференции (усиление волнового движения, когда интерферирующие волны находятся в фазе).
Элементарная ячейка экрана mirasol состоит из верхней прозрачной плёнки и подвижной металлической зеркальной мембраны. По умолчанию мембрана опущена. В таком положении она находится в состоянии «включено» — заданный размерами ячейки цвет отражается в полном объёме, питание не требуется. Подав на ячейку короткий импульс, мы заставляем мембрану притянуться к верхней плёнке. Зазор сокращается настолько, что интерференция усиливает лишь ультрафиолетовое излучение, а видимый диапазон гасится — мы видим чёрную точку. После снятия с ячейки напряжения вступившие в дело электростатические силы продолжают удерживать мембрану в новом положении — «выключено». Для возврата зеркала в исходное состояние требуется подать импульс с отрицательным фронтом, тогда мембрана отлипает и опускается на дно ячейки, снова показывая цветную точку.
Принцип запоминания картинки в экранах mirasol, таким образом, не требует активно-матричной подложки и, как следствие, экраны обходятся дешевле в производстве и заметно надёжнее своих конкурентов на активных подложках.
Главный минус таких экранов заключается в сложностях с выводом полутонов и градаций серого. Поскольку элементарная ячейка IMOD-экрана не может иметь промежуточных состояний, чтобы отобразить полутона, используется пространственное или временное псевдосмешение (размывание) цветов, или комбинация обоих подходов. Наиболее прост пространственный метод псевдосмешения (рис.9).
Рис. 9. Пространственный метод псевдосмешения.
Для организации пространственного псевдосмешения цветов достаточно ввести для управления пикселя дополнительные строки (три, как на картинке выше). Теперь каждая из строк управления пикселем отвечает за свою зону субпикселя. Площади зон разные, поэтому в итоговой картинке каждая из них имеет уникальное весовое участие. Комбинация трёх зон даёт 8 градаций, что с учётом трёх базовых цветов приводит в итоге к 512 оттенкам.
Временное псевдосмешение цветов действует иначе. Дозируя за равные промежутки времени число «загораний» субпикселя, мы определяем его суммарное весовое значение в результирующей картинке. Поскольку частота переключений превышает 50 раз в секунду, глаза увидят не мерцание, а цвет определённого тона. На рис. 10 представлен прототип визуализатора IMOD.
Рис. 10 Прототип визуализатора IMOD
1.6.Технология компании SiPix Imaging
Как и E Ink, технология SiPix базируется на микрокапсулах с заряженной взвесью. Обе разработки стартовали в конце 90-х годов с разницей в два года: E Ink в 1997 году, SiPix в 1999 году. На финише, тем не менее, экраны SiPix отстали от своего конкурента на срок порядка шести лет: экраны на E Ink поступили в продажу в 2004 году, а массовая отгрузка экранов на SiPix начнётся лишь в текущем или в следующем месяце(уточнить по современным данным). И всё же, сильно запоздавший старт может оказаться мощным ответом E Ink — купившая в марте прошлого года компанию SiPix тайваньская AU Optronics является крупнейшим производителем ЖК-панелей. Если AUO развернётся, мало не покажется. Но это всё лирика. Посмотрим, что представляет собой технология SiPix на практике.
Конструкция пикселя является более простой версией пикселя E Ink. Если E Ink опирается на двухцветную взвесь — чёрную и белую — то каждый пиксель SiPix содержит только одну белую взвесь в жидкости чёрного цвета (рис.11).
Рис. 11. Конструкция пикселя по технологии SiPix.
Из-за особой конструкции и иного состава ингредиентов оптические характеристики экранов SiPix немного уступают оптическим характеристикам экранов E Ink. Компания SiPix не публикует данные о своих монохромных дисплеях. На стадии опытного производства белизна экранов SiPix была примерно на 10 % хуже белизны экранов E Ink, и немного медленнее работало обновление экрана. К началу массового производства экранов SiPix компания AU Optronix обещает заметно улучшить их оптические характеристики. К сожалению, попытки улучшить состав чернил вновь стали причиной очередного переноса массового выпуска экранов — теперь уже на конец марта. И гарантии, что это последний перенос, нет.
Уступая своему прямому конкуренту в режимах чёрно-белого изображения в режиме демонстрации цвета экраны SiPix обещают оказаться лучше цветных E Ink, причём как по цветовому охвату, так и по отражательной способности. Причина кроется в двухрежимном методе управления цветными субпикселями SiPix. Цветные экраны E Ink использую накладные цветные фильтры четырёх цветов — красный, зелёный, синий и белый (для повышения белизны). Цветные экраны SiPIx не используют цветные фильтры — вместо этого в каждый субпиксель залиты чернила своего цвета (рис.12).
Рис. 12. Конструкция пикселя по технологии SiPix.
Отсутствие накладных фильтров позволяет компании говорить об отражательной способности цветных экранов SiPix на уровне 40 %.
1.7. Электрожидкостные экраны Gamma Dynamics
Использовать в качестве элементов изображения настоящие пигментные красители решила и компания Gamma Dynamics. От такого не стоит ожидать прорыва уже завтра, однако потенциал в разработке, безусловно, имеется. И немалый. Вместо того чтобы использовать накладные цветные фильтры или зеркальную подложку, в компании решили заливать в пиксели цветные красители — те, что применяются в типографской печати. В принципе, технология Gamma Dynamics использует похожие механизмы, что и технология компании Liquavista, за одним исключением: единственная в пикселе капля краски не отгоняется в дальний край пикселя, а втягивается внутрь небольшого микрорезервуара (рис.13).
Рис. 13. Конструкция пикселя по технологии Gamma Dynamics.
Когда напряжение отсутствует, полярная жидкость с растворённым в ней пигментным красителем находится в резервуаре. Размеры горловины резервуара составляют 5—10 % от площади пикселя, что несильно уменьшает видимую область, тогда как EW-пиксель из-за мёртвой зоны теряет 20 % площади. Приложенное напряжение выталкивает краску и равномерно распределяет в ячейке пикселя, что разработчик представляет как каплю краски на листе бумаги. После снятия напряжения силы поверхностного натяжения вновь возвращают краску в резервуар. Необходимо отметить нехарактерное для традиционных экранов расположение и форму пикселей — шестигранник. Разработчик утверждает, что такое строение наиболее близко к типографской печати, а значит, электрожидкостные экраны будут самыми «бумагоподобными» среди конкурирующих технологий. К настоящему времени у Gamma Dynamics нет полностью рабочих прототипов электрожидкостных экранов. Работы ведутся одновременно в двух направлениях: во-первых, над повышением белизны экрана свыше 50 %, во-вторых, разрабатывается структура пикселя, предполагающая эффект памяти. Ожидаемая белизна коммерческих прототипов (до которых ещё довольно далеко) — 60—70%. Разрешение может варьироваться в пределах 75—300 точек на дюйм. Уровень контрастности — 10:1. Неограниченные углы обзора. Представление уровней градаций серого — 8—16 битное. Скорость перерисовки — не выше 30 мс. Управление — активно-матричное.
1.8. Технология P-Ink (Photonic Ink, фотонные чернила)
Строение фотонных кристаллов представляет собой частный случай периодической структуры — дифракционной решётки. При определённых условиях в среде распространения света (внутри кристалла) чередуются зоны, отражающие свет определённой длины волны (стоп-зоны) и зоны, пропускающие свет остальных длин волн. Иными словами, фотонный кристалл может являться оптическим фильтром. Искусственно меняя период структуры, мы можем заставить фотонный кристалл отражать свет строго заданного цвета. Примером фотонных кристаллов являются искусственные кристаллы опала.
Надо сказать, искусственные кристаллы опала — далеко не редкость. Сегодня с ними экспериментируют многие исследователи. Целью разработок ставится создание материалов и технологий для оптоэлектроники — низкопороговых лазеров, волноводов, оптических переключателей и так далее. Канадская компания Opalux нашла искусственным кристаллам иное применение — в качестве управляемой среды для создания малопотребляющих цветных рефлективных экранов.
В терминах компании Opalux технология называется P-Ink (Photonic Ink, фотонные чернила). Слой таких «чернил» представляет собой высокоупорядоченную структуру активного полимера, «решётка» которого может растягиваться или сжиматься под воздействием электрического тока. Обычно искусственный опал получают путём самоупорядочивания плотноупакованных частиц (шаров) субмикронного уровня (рис.14).
Рис. 14. Конструкция пикселя по технологии PInk.
Прикладывая к такой среде напряжение, мы заставляем полимер растягиваться. «Шары» деформируются, и это пространственное изменение приводит к тому, что длина волны отражённого света постепенно меняется от синего к красному и, наконец, возникает ситуация, когда структура перестаёт отражать свет видимого спектра — мы видим чёрный экран.
Несмотря на свою кажущуюся простоту, технология компании Opalux всё ещё находится на стадии опытной разработки. Насколько можно судить, за последние три года компания так и не достигла заметного прогресса в деле создания экранов на P-Ink. Между тем, полимерные кристаллы управляются чрезвычайно слабым сигналом — порядка полутора вольт при силе тока в несколько мкА — это позволяет говорить о сверхэкономичных экранах. Кроме того, компания обещает настолько усовершенствовать технологию, что экраны P-Ink смогут удерживать заданный цвет без подачи питания — приобретут эффект памяти.
Простота конструкции экранов P-Ink — залог дешевизны и абсолютной гибкости. Плёнки из опалоподобных полимерных структур, например, могут стать второй «кожей» для электронных устройств, меняющей цвет по заданному сценарию или под воздействием внешних температур. В качестве дисплеев технология Opalux сулит высокую яркость и эффективность, ведь каждый пиксель P-Ink способен изменять цвет равномерно на всей своей площади безо всяких накладных цветных фильтров. Единственный серьёзный минус технологии Opalux, не считая её явной незрелости, заключается в очень медленной реакции экрана.
1.9. Электрохромные экраны
В общем случае электрохромный дисплей опирается на так называемые окислительно-восстановительные реакции и состоит из пары управляющих электродов: светомодулирующего электрода и противоэлектрода. Электроды могут располагаться, как в виде бутерброда, так и горизонтально, как показано на примере строения пикселя согласно технологии компании Acreo (рис.15).
Рис. 15. Технология компании Acreo.
Прозрачный электрод на схеме — светомодулирующий с покрытием электрохромной плёнкой, непрозрачный — противоэлектрод, обычный проводник. К обоим подводится напряжение. Весьма малое, надо отметить — порядка 1 В с силой тока чуть более сотни микроампер. Обязательным условием для электрохромных дисплеев является наличие электролита между электродами: жидкого, полимерного или твёрдого. Во время подачи питания электролит снабжает светомодулирующий слой протонами, а подложка — электронами, или, наоборот, выводит их из слоя при смене полярности питания. В процессе насыщения частицами светомодулирующий слой принимает тем более тёмную окраску, чем дольше процесс или его интенсивность (приложенное напряжение). При смене полярности управляющего питания электроны и протоны выводятся из светомодулирующего слоя, и он снова становится прозрачным.
Сняв питание с электродов, мы оставляем светомодулирующий слой с окраской такой интенсивности, которая наблюдалась на момент снятия напряжения — в этом проявляется эффект памяти. Отметим, что современные электрохромные дисплеи имеют синюю окраску. Это связано с тем, что в качестве светомодулирующего материала используются плёнки триоксида вольфрама (WO3) или комбинация виологена в соединении с диоксидом титана (TiO2). Оба материала дают контрастное тёмно-синее изображение на светло-сером фоне.
1.10. Технология реверсивно-эмульисонного электрофоретического дисплея
Технологию реверсивно эмульсионного электрофоретического дисплея предложила американская компания Zikon (REED, расшифровывается как reverse emulsion electrophoretic display). Дисплеи на основе обратимых эмульсионных сред компания Zikon начала разрабатывать в 1998 году, практически параллельно разработкам E Ink. Только к настоящему моменту технология находится примерно на том же уровне, что и 12 лет назад. На рис. 16 приведен прототип «пикселя» и одновременно дисплея REED.
Рис. 16. Единственный прототип «пикселя» и одновременно дисплея REED
Синие электронные чернила (Blue Electronic Ink), разработанные Zikon, — это капли полярной жидкости (воды), равномерно распределённые в неполярной жидкости (масле). Получившаяся эмульсия заливается в герметичное пространство между двумя прозрачными подложками, на внутренней стороне которых нанесены прозрачные токопроводящие электроды. Капли воды содержат синий краситель. В таком состоянии капельки рассеяны, и жидкость кажется прозрачной. Если через электроды пропустить электрический ток, водяные шарики с краской самоупорядочатся в жидкости и станут видны как синяя заливка пикселя. При снятии напряжения капли с краской опять равномерно распределятся в жидкости — и пиксель станет прозрачным.
Другая конструкция пикселя Zikon предполагает несколько иное строение электродов. Один из них делается по размерам пикселя, тогда как противоположный — в виде тонких токопроводящих полосок. При одной полярности питания заряженные частички жидкости с краской собираются у «широкого» электрода — пиксель синеет, при смене полярности питания частички с краской группируются возле узких электродов на противоположной стороне пикселя, и он становится прозрачным. Как ещё одна альтернатива управления пикселя с эмульсией предложено механическое воздействие на среду. В таком случае высокочастотные колебания равномерно распределяют шарики с краской внутри системы — жидкость прозрачна, а низкочастотные колебания помогают «краске» самособираться в однородно окрашенную среду.
1.11.Технология QR-LPD
Технология QR-LPD японской компании Bridgestone — Quick Response Liquid Powder Display — с жидкостями не имеет ничего общего. Речь идёт о таком свойстве порошка, как текучесть: идеально круглые наногранулы имеют настольно низкое сцепление друг с другом, что они ведут себя подобно жидкости — легко смешиваются и перетекают из одного положения в другое. Высокая текучесть двухцветного разнозаряженного порошка позволила отказаться от жидкостного наполнителя микрокапсул. В остальном технология Bridgestone QR-LPD работает точно так же, как и технология E Ink (рис. 17).
Рис. 17. Конструкция пикселя по технологии QR-LPD.
В каждой ячейке экрана QR-LPD содержится положительно заряженный чёрный порошок и отрицательно заряженный белый. Сверху пиксель закрыт прозрачным экраном, снизу — непрозрачной подложкой. Положительный потенциал на стороне экрана притягивает к нему белый порошок, тогда как чёрный отталкивает — пиксель становится белым. Смена полярности приводит к обратному результату — от притянутого к экрану чёрного порошка пиксель чернеет. Повышенное сцепление в месте контакта порошка с верхней и нижней плоскостями позволяет удержать порошок на месте даже без подачи питания. Иными словами — проявляется эффект памяти.
Отсутствие жидкости как инертного наполнителя даёт такое преимущество технологии Bridgestone, как ускоренная скорость переключения экрана из одного состояния в другое, что в перспективе сулит ровное, без рывков, воспроизведение видео. Скорости переключения E Ink, напомним, 0,74 секунды для 16 градаций серого и 0,26 секунды в однобитном режиме. Теоретическая скорость переключения QR-LPD на четыре порядка меньше — 0,2 мс. Тем не менее, в прототипах экранов QR-LPD скорость обновления всё ещё оставляет желать лучшего. Экраны образца 2008 года обновлялись 8 секунд. Образцы 2009 года ускорились до 0,8 секунды. Наконец, в текущем году обещают появиться экраны QR-LPD со скоростью обновления 0,2 секунды. Новый рывок придётся ждать год, а то и больше.
Активная разработка технологии QR-LPD началась в 2006 году. Кроме компании Bridgestone, в проекте приняла участие компания Hitachi.
Как уже было сказано, разработкой электронной бумаги занимается множество компаний, которые ставят перед собой задачи – создание подходящей оболочки, соответствующего чернила или другой субстанции для ее заполнения, разработка электроники для активации электронных чернил. В заключение приведем сводную таблицу характеристик различных технологий производства электронной бумаги (табл. 1)
Видеоадаптеры