JP2005091454A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像の明るさを損なうことなく、応答速度の向上だけでなく、動きボケも改善できる表示装置を提供する。
【解決手段】液晶素子に電圧印加量を調整するオーバードライブ補正回路を用いて応答速度を改善した表示装置であって、メモリとフレームコンバータ回路によって１秒当たりのフレーム数を増加させる。具体的には動き予測回路にて、フレームＦｎ−１およびフレームＦｎのデータから動きベクトルを生成する。その動きベクトルおよび、フレームＦｎ−１およびフレームＦｎのデータから動き補償回路にて新たなフレームを生成する。
これにより、表示素子そのものの応答速度をさらに改善でき、高い動きぼけ改善効果も得られる表示装置。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶表示装置のようなホールド型の電気−光変換特性を有する表示装置に関する。

液晶表示素子の表示は、基板間にはさまれた液晶層の液晶分子に電界を加えることにより液晶分子の配向方向を変化させ、それにより生じる液晶層の光学特性の変化を利用している。

従来の液晶表示素子は、液晶層をはさむガラスなどの上下二枚の基板上の配向膜の基板面内配向（ラビング）方向をほぼ直交させ、液晶分子配列が電界無印加時にほぼ９０°捻れた状態とし、基板法線方向の電界を加えることによる液晶層の光旋光性の変化を利用して表示を行うツイステッドネマチック（ＴＮ）方式液晶表示素子に代表される。

特に画質と応答特性において優れた液晶表示素子として、上記のＴＮ方式液晶表示素子とＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とを組み合わせたＴＮ方式アクティブマトリクス型液晶表示素子が広く用いられている。このＴＮ方式アクティブマトリクス型液晶表示素子は、映像信号に対応した画像表示の輝度が、映像信号の１フレーム期間にわたりほぼ一定に保たれる典型的なホールド型表示特性を持つ表示素子である。

他には、ＯＣＢ方式、ＶＡ方式、ＩＰＳ方式などの液晶表示素子がある。この中でＶＡモードは、ＴＮ方式とは逆に電圧無印加時は電極や偏光板に対して垂直に整列しており、黒表示となる。電圧を印加することにより液晶分子が傾斜して白表示となる。特徴としては、黒の画質が非常によく、コントラスト比が高い。また、液晶素子の性質から応答速度が速い。

このＴＮ方式アクティブマトリクス液晶表示素子の応答速度（立ち上がりと立ち下がり応答時間の和）は、約４０ミリ秒と通常１／６０秒である表示書き換えのフレーム周期より遅い。

このため、従来のＴＮ方式液晶表示素子においては、例えば上下にスクロールする文章が読みにくかったり、ボールの画像が尾を引くように残像として見える場合がある。このことから、ＣＲＴ並の動画表示画質を実現するには液晶表示素子の応答速度の向上が必要とされてきた。

そこで、この問題点を解決する１つの手段として、過去には、映像信号の階調変化時（例えば階調Ａ→階調Ｂに変化するとき）、Ａ＜Ｂの場合は、次のフレームの階調Ｂより大きな階調に相当する電圧を液晶素子に印加し、またＡ＞Ｂの場合には次のフレームの階調Ｂより小さな階調に相当する電圧を液晶素子に印加することによって応答速度を改善する方法、いわゆるオーバードライブが報告されている。（特許文献１参照）
しかし、このオーバードライブを用いた液晶パネルや、ＯＣＢ液晶を用いた表示装置等の１／６０秒以下の高速応答表示素子において、上記の液晶応答の遅れが解消しても依然として特定の画像においてはＣＲＴ並みの動画表示画質が実現できないことが明らかになり、人間の視覚特性と表示方式のインターフェースの問題としてクローズアップされている。

このような高速応答表示素子の動画質がＣＲＴ並みにならない原因として、ＣＲＴの時間応答がインパルス型であるのに対して、液晶などの表示素子は表示光が１フレーム時間保持されて階段状となるホールド型であり、表示素子としては１／（フレーム周波数）秒以下にはなり得ないために、このような表示方式の違いに起因して生じる液晶表示素子などにおける特有の動きボケが挙げられる。

ホールド型の表示方式はＯＡ機器表示端末のような主に静止画表示用途のディスプレイとしては、ＣＲＴのインパルス型表示よりもちらつきが少なく目が疲れにくいという利点がある。

一方、ＴＶ等において主となる動画表示においては、例えば、人間の視覚特性として通常数１０ミリ秒以内の光刺激がほぼ完全に積分されて知覚される点と、４〜５度／秒以内の動きであれば眼球運動のみで追従できることの二点から、前記のホールド型の表示方式では、動画像が１フレーム中に動く画素数にわたって積分された画像として知覚され、この画像の動きによって生じる積分が画像のぼけを発生させることが報告されている。（特許文献２参照）
この問題を解決するため、例えばバックライトを高速で点滅させ、液晶表示素子の表示光のホールド時間を短くして、ＣＲＴのようなインパルス型発光に近づける方法が例えばＫ ．Ｓｕｅｏｋａらによって報告されており、（非特許文献１参照）また別の方法として表示のフレーム周波数を上げ（１ フレーム期間を短くし）、上記の動きぼけの原因となる積分をできるだけ小さくする方法の原理的な提案が例えば、石黒，栗田らによって報告されている。（非特許文献２参照）
その手段として、動きベクトルを検出し、フレームを新たに生成する方式が報告されている。（特許文献３参照）
特開昭６４−１０２９９号公報 特開平９−３２５７１５号公報 特開２００１−４２８３１号公報 Ｋ ．Ｓｕｅｏｋａ ，Ｈ ．Ｎａｋａｍｕｒａ ａｎｄ Ｙ ．Ｔａｉｒａ ，Ｉｎｆｏｒｍｅｔｉｏｎ ＤｉｓｐｌａｙＲｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９９７ ，ｐｐ２０３ −２０６ 石黒，栗田，電子情報通信学会技術報告ＥＩＤ９６ −４ ，ｐｐ１９ −２６ ，１９９６

しかしながら（特許文献３）において記載されている方法では、ホールド型素子特有の動きぼけは改善されるが、液晶素子そのものの応答速度は改善されず、応答速度の遅い液晶では動きボケの改善効果が不十分であった。

また、オーバードライブによる応答速度の改善は原理的に１／（フレーム周波数）秒が限界であり、フレーム周波数を上げることで応答速度はさらに改善が可能である。しかし、単純に同じフレームを挿入してフレーム周波数を上げると、動きボケが発生したり、動きがぎこちなくなるといった課題があった。

本発明の目的は、フレームコンバータによるフレーム周波数の増加とオーバードライブを、フレームメモリを共有することにより小さい回路規模でフレームコンバータおよびオーバードライブの機能を実現し、オーバードライブによる応答速度の改善に加え、フレームレート向上における動きボケの改善とよりいっそうの応答速度の改善を実現するディスプレイ表示装置を提供するところにある。

課題を解決するために、本願発明の表示装置の一実施態様は、映像信号を画像表示光に変換して表示部に表示する表示装置と、入力した複数の時系列映像信号を記憶するメモリと、前記メモリを用いて新たにフレームを生成し、フレーム周波数を増加させて出力するフレームコンバータ回路と、前記メモリを用いてオーバードライブを行うオーバードライブ補正回路とを有し、前記メモリを２つの回路で有効に利用しながら応答速度と動きボケの改善の相乗効果を実現するように構成したものである。

本発明によれば、液晶表示素子で課題とされている動画質のボケ、にじみにおいて、応答速度の大幅な改善に加え、視覚の積分作用による動きボケの改善によるはっきりとした鮮明な動画質表示が可能となる。さらに、フレームメモリに蓄えた画像情報を共有することにより、部品点数を節約することができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、入力された映像信号を画像表示光に変換して表示部に表示する表示装置であって、
前記入力された映像信号のフレーム周波数を増加させて出力するフレームコンバータ回路を有する表示装置であり、フレーム周波数の増加に比例して、ホールド型ディスプレイ特有の動きボケが改善されるという作用を有し、映像信号とメモリに記憶された１フレーム前の映像信号から適切なフレームを生成し、適切な時間に挿入することにより、フレーム周波数を増加させる作用と、
オーバードライブ補正回路を用いることにより、表示デバイスの立ち上がり時間の短縮する作用を有する前記入力された映像信号を画像表示光に変換して表示部に表示する表示装置であり、ホールド型ディスプレイ特有の動きボケが改善されるとともに、オーバードライブによる応答速度の改善効果が向上するという作用を有する。

本発明の請求項２に記載の発明は、前記フレームコンバータ回路と前記オーバードライブ補正回路とはフレームメモリを共有する請求項１に記載の表示装置であり、部品点数を節約しながらホールド型ディスプレイ特有の動きボケが改善されるとともに、オーバードライブによる応答速度の改善効果が向上するという作用を有する。

本発明の請求項３に記載の発明は、前記表示装置はＶＡ液晶を用いた液晶表示素子である請求項１、２のいずれかに記載の表示装置であり、ＶＡ液晶を用いた液晶表示素子において、請求項１、２のいずれかの作用を有する。

本発明の請求項４に記載の発明は、前記表示装置はＯＣＢ液晶を用いた液晶表示素子である請求項１、２のいずれかに記載の表示装置であり、ＯＣＢ液晶を用いた液晶表示素子において、請求項１、２のいずれかの作用を有する。

本発明の請求項５に記載の発明は、前記表示装置はＴＮ液晶を用いた液晶表示素子である請求項１、２のいずれかに記載の表示装置であり、ＴＮ液晶を用いた液晶表示素子において、請求項１、２のいずれかの作用を有する。

本発明の請求項６に記載の発明は、前記表示装置はＩＰＳ液晶を用いた液晶表示素子である請求項１、２のいずれかに記載の表示装置であり、ＩＰＳ液晶を用いた液晶表示素子において、請求項１、２のいずれかの作用を有する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態例について、図１で説明する。

図１は本発明の実施の形態である液晶表示装置の構成を示す図である。図１に示す液晶表示装置は、フレームメモリ１に蓄えられた入力表示画像と次に新たに入ってくる入力表示画像とを用いて、動く物体像の動きベクトルを生成し、新たにフレーム画像を生成することにより入力映像信号のフレーム周波数を増加させるフレームコンバータ回路２とフレームメモリ１に蓄えられた入力表示画像と次に新たに入ってくる入力表示画像とを用いて、オーバードライブ処理を行うオーバードライブ補正回路３と、得られた映像信号により液晶表示素子４を駆動するためのデジタルインターフェースによる駆動回路５を備える。

なお、この例では、メモリの書き込みの手間の効率化およびメモリの効率化のために、フレームメモリ１をフレームコンバータ回路２およびオーバードライブ補正回路３の両方で共有している。

本実施の形態では、前記液晶表示素子４は対角３２インチの有効画素数１２８０ｘ３（Ｒ，Ｇ，Ｂ）ｘ７６８のＶＡ式アクティブマトリクス型液晶表示素子を用いた。

本実施の形態に用いたＶＡ液晶は中間調の応答が遅く、白黒の変化の応答が速いためオーバードライブの効果が大きい。

フレームコンバータ回路の解説を図２に示す。この例ではフレーム周波数を入力映像信号であるインタレース６０Ｈｚから２倍の１２０Ｈｚプログレッシブにした。動き予測回路６にて、ＩＰ変換を施されメモリに格納されていたフレームＦｎ−１のデータおよび入力されたフレームＦｎのデータから動きベクトルを生成する。その動きベクトルおよび、フレームＦｎ−１のデータおよびフレームＦｎから動き補償回路７にて新たなフレームＰ１を生成する。

ここでは、フレーム周波数２倍の例を示したが、３つのフレームから新たな２つのフレームを生成し、元あった中間のフレームを使用せず、４つのフレームにすることにより、１．５倍にすることも同じ方法で可能である。２倍にまでせずとも動画ボケの改善効果は１．５倍でも十分に確認することができる。

フレームコンバータ回路のフレーム周波数の増加による効果を図３に示す。通常液晶表示素子は、電圧を印加するにつれ液晶のサンドイッチ型セルの容量が減少するという特性を持つため、目標の階調に到達する前に飽和状態になってしまう。そのため、書き込む回数が多いほど早く目標の階調に到達するという特徴がある。そのため、フレーム周波数を増加させると単位時間あたりの書き込み回数が増加するので、複数フレームにわたって同じ信号を書き込む場合の応答速度が向上する。（応答時間は図のＢからＡへ減少する）さらに、図４のように動きベクトルによるフレーム補間により、人間の視覚の積分作用による動きぼけが軽減されより動く物体がくっきり見えるようになる。

このフレームコンバータとオーバードライブを組み合わせたときの効果を図５に示す。オーバードライブにより応答速度が改善され応答時間が１／ｆｖとなるが、このｆｖを例えば２倍にすると、応答速度もさらに改善され、応答時間を１／２ｆｖにまで高めることができる。

つまり、フレームコンバータとオーバードライブの組み合わせにより、フレーム周波数増加による動きボケの改善とオーバードライブによる応答速度の改善に加え、オーバードライブとフレーム周波数の増加の相乗効果による応答速度のさらなる改善が得られる。そのため、応答が高速な液晶素子を用いた表示素子に前記フレームコンバート技術を用いる場合とオーバードライブで実現された同レベルの高速応答可能な液晶表示素子に用いる場合とでは、オーバードライブを用いた液晶表示素子にフレームコンバート技術を用いた場合のほうが、より動きボケが改善される。

上記のような構成による本実施の形態の液晶表示素子による動画表示を本実施の形態と同じ構成で、フレームコンバートを行わない液晶表示装置およびオーバードライブを行わない液晶表示装置の動画表示と比較したところ、動きボケの低減によるあきらかな動画質の改善が見られた。

本発明は上記の実施の形態に限定されず、種々の実施形態をとることができる。

例えば、本実施の形態では入力映像信号のフレーム周波数を２倍にしたが、１．５倍においても程度に差があるが同様の同画質改善効果が見込める。

さらに、実施の形態ではＶＡ液晶を用いたが、ＯＣＢ液晶やＴＮ、ＩＰＳの液晶表示モードでも同様の効果が得られる。

本発明の表示装置は、液晶表示素子で課題とされている動画質のボケ、にじみにおいて、応答速度の大幅な改善と視覚の積分作用による動きボケの改善を有し、液晶表示装置のようなホールド型の電気−光変換特性を有する表示装置として有用である。

本発明の実施の形態の液晶表示装置の構成図 実施の形態のフレームコンバータ回路の動作を示した図 フレームコンバータ回路の応答速度の改善の様子を示した図 フレームコンバータ回路の人間の視覚の積分作用の改善の様子を示した図 オーバードライブ補正回路およびフレームコンバータ回路＋オーバードライブ補正回路での応答速度の改善の様子を示した図

符号の説明

１ フレームコンバータ回路
２ フレームメモリ
３ オーバードライブ補正回路
４ 表示素子、
５ 駆動回路
６ 動き予測回路
７ 動き補償回路

Claims (6)

1. 入力された映像信号を画像表示光に変換して表示素子に表示する表示装置であって、
   前記入力された映像信号のフレーム周波数を増加させて出力するフレームコンバータ回路を有し、
   前記フレームコンバータ回路は、フレームメモリに映像信号を一旦記憶することによって、
   前記映像信号に含まれる物体像の動きを補償するフレームを作り出し、フレーム周波数を増加させて出力するものであるとともに、
   映像信号の階調変化時において、立ち上がり時には映像信号の階調より大きな階調に相当する電圧を、立ち下がり時には映像信号の階調より小さな階調に相当する電圧を一時的に液晶素子に印加することにより応答速度を改善する補正回路を有する表示装置。
2. 前記フレームコンバータ回路と前記補正回路とでフレームメモリを共有している請求項１に記載の表示装置。
3. 前記表示素子としてＶＡ液晶を用いた請求項１〜２のいずれかに記載の表示装置。
4. 前記表示素子としてＯＣＢ液晶を用いた請求項１〜２のいずれかに記載の表示装置。
5. 前記表示素子としてＴＮ液晶を用いた請求項１〜２のいずれかに記載の表示装置。
6. 前記表示素子としてＩＰＳ液晶を用いた請求項１〜２のいずれかに記載の表示装置。

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