JP2005346045A

JP2005346045A - 表示装置および画像形成装置

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Publication number: JP2005346045A
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Inventors: Yasushi Asao; 恭史浅尾
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Abstract

【課題】より精細な中間色を得ることのできる表示装置および画像形成装置を提供する。
【解決手段】印加電圧に対して明度が変化する範囲と、印加電圧に対して色相が変化する範囲とを有する画素を含んで構成される表示パネルは、制御部に設けられた信号生成手段から出力される明度表示信号と色相表示信号の混合比を表す信号に基づいて、明度変化範囲内の表示を行う画素と色相変化範囲内の表示を行う画素との混在する複数の画素を表示することにより、その中間的明るさを持つ画像が形成できる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、多色表示化させるための表示装置および画像形成装置に関する。

現在、カラー表示技術は非常に多く存在しており、プリンタなどの印刷技術やディスプレイデバイスなどへと広く用いられている。これらカラー表示技術には大きく分けて、
１．不連続な階調色を表示できるデバイスを用いて、ディザ法などの疑似中間調表現を用いて階調を再現させる方式
２．実質的に連続な階調色を表示できるデバイスを用いて中間調を再現させる方式
の二つが存在する。

２については何の問題もなくフルカラー表示できる。例えばＲＧＢ三色のカラーフィルタを用いた液晶素子では、それぞれの表示色がアナログ階調性能を有しているために、空間的な加法混色原理によって完全なフルカラー表示が出来ている。また時分割カラー液晶表示方式では、ＲＧＢ三色の光源を高速で切り替え、それに同期して表示素子を高速でアナログ階調制御することによって時間的な加法混色原理によって完全なフルカラー表示が出来ている。

表示素子そのものに階調表示能がない場合でも、高速で表示をオン・オフさせることによって実質的に連続な階調色を表示できることも知られている。例えば、平面テレビとして広く普及しているプラズマ・ディスプレイ・パネル（ＰＤＰ）や、時分割で階調表示させる方式の有機ＥＬディスプレイ、半導体基板上に形成した鏡面を高速で切り替えることで表示状態を制御するデジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）、同様に強誘電性液晶（ＦＬＣ）を用いた方式などがそれにあたる。

ディスプレイ以外のカラー表示技術としては、レーザー書き込み方式のプリンタなどにおいて、レーザー強度変調法などの濃度階調法を用いた多値連続階調記録方式が知られている。

一方、１についてはインクジェットやレーザービームなどのプリンタ技術や双安定型ＦＬＣ表示素子などにて実用化されている。これらでは最小単位表示そのものには不連続な階調表示能しかないものの、複数の単位表示を組み合わせ、空間混色効果を用いることによって疑似的に中間色の表示をさせるものである。

これには表示媒体そのものは連続的に制御しうるものを用いていても、制御回路の制約で不連続階調表示となるものも含まれる。例えば安価な４ビット階調用のドライバＩＣを用い、それとディザ処理を組み合わせて疑似的にフルカラー表示させる液晶表示素子が実用化されている。

また前述のＰＤＰなどでは動画表示時に疑似輪郭と呼ばれる現象が視認されることがあるが、これをディザなどの空間混色効果によって解消する技術もある。これは静止画では実質的に連続表示である場合でも、動画表示時には視覚的な要因によって不連続階調表示となることを改善する技術である。つまり静止画では上述の２の場合、動画では上述の１の場合、と表示情報によって階調表示性能が異なる場合もある。

このように様々な表示デバイスがあり、カラー表示が広く普及しているが、現存する全ての表示方式は上述した２つに分類されることになる。つまり、アナログ階調表示能を有しているデバイスを用いてフルカラー表示をそのまま再現する方式、およびデジタル的（不連続）な階調表示能を有しているデバイスを用いて複数の単位画素を組み合わせ、空間混色原理を用いることで疑似的に中間調表示を行う方式、の二つのみである。

一方、例えば液晶における電界制御型複屈折（ＥＣＢ）効果による干渉色表示では、光路差が小さい場合には連続的な明度変調を行うことが出来、光路差が所定の値よりも大きくなった場合には、明度はほぼ維持しながら色相が変化するようなカラー表示方式となる。この場合、カラー表示時にはオン・オフの二つの表示状態しか取りえない。つまりアナログ階調表示とデジタル階調表示が単一画素内で混在する表示モードであるといえる。これは上記例で示した二つの例のいずれにも該当しない特殊な表示方式といえる。

このＥＣＢによるカラー表示を用いた多色化方法として、異なる表示状態とした複数の画素を組み合わせる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。ここではＥＣＢによるカラー表示素子において、ＥＣＢカラー表示できる単位画素を二つ以上に分割し、それぞれに印加する電圧を異ならせることによって多色表示化させる点が開示されている。

特許第０３０９８１１２号公報

しかしながら、ＥＣＢ効果を用いたカラー表示は、これまではほとんど実用化はされていない。階調表示能が他表示方式に対して劣っていたことがその理由である。単位画素を分割しそれぞれのＥＣＢカラーを組み合わせた多色化については上記文献で提案はされているものの、より精細な中間色を得る階調表示方法が求められていた。

そこで、本発明は、より精細な中間色を得ることのできる表示装置および画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明は印加電圧に対して明度が変化する範囲と、印加電圧に対して色相が変化する範囲とを有する画素を含んで構成される表示パネルと、カラー画像信号が入力され、前記表示パネルに表示信号を出力する制御部とを有する表示装置であって、前記制御部は、入力されたカラー画像信号から、前記明度変化範囲内の明度表示信号と、前記色相変化範囲内の色相表示信号と、該明度表示信号と該色相表示信号の混合比を表す信号とを生成し出力する信号生成手段を有し、前記表示パネルは、前記混合比を表す信号に基づいて、前記明度変化範囲内の表示を行う画素と前記色相変化範囲内の表示を行う画素との混在する複数の画素を表示することを特徴とする。

また本発明は、入力されたカラー画像信号から、明度表示信号と、色相表示信号と、該明度表示信号と該色相表示信号の混合比を表す信号とを生成し出力する信号生成手段と、
前記混合比を表す信号に基づいて、前記明度変化範囲内の表示を行う画素と前記色相変化範囲内の表示を行う画素とが混在する複数の画素によってカラー画像を形成する手段とを有することを特徴とする画像形成装置である。

本発明のように、明度表示信号と色相表示信号の混合比を表す信号に基づいて、表示パネルの明度変化範囲内の表示を行う画素と色相変化範囲内の表示を行う画素との混在する複数の画素を表示することにより、より精細な中間色を得ることができる。

（基本形態）
本発明は、表示素子としてさまざまな形態に適用できるが、まずその表示原理について、ＥＣＢ効果を有する液晶を一例に挙げて図２を参照して説明する。

カラーフィルタを用いないカラー液晶表示装置として、ＥＣＢ型（電界制御複屈折効果型）の液晶表示装置が知られている。ＥＣＢ型液晶表示装置は、一対の基板間に液晶を挟持した液晶セルを挟んで、透過型の場合その表面側と裏面側とにそれぞれ偏光板を配置したものであり、反射型の場合には一方の基板にのみ偏光板を配置した一枚偏光板タイプ、もしくは両方の基板に偏光板を配置し偏光板の外側に反射板を設けた二枚偏光板タイプのものがある。

透過型のＥＣＢ型液晶表示装置の場合、一方の偏光板を透過して入射した直線偏光が、液晶セルを透過する過程で液晶層の複屈折作用により、各波長光がそれぞれ偏光状態の異なる楕円偏光となった光となり、その光が他方の偏光板に入射して、この他方の偏光板を透過した光が、その光を構成する各波長光の光強度の比に応じた色の着色光になる。

ＥＣＢ型液晶表示素子は液晶の複屈折作用と偏光板の偏光作用とを利用して光を着色するものであり、カラーフィルタによる光の吸収がないから、光の透過率を高くして明るいカラー表示を得ることができる。しかも、電圧に応じて液晶層の複屈折性が変化するため、液晶セルへの印加電圧を制御することによって透過光や反射光の色を変化させることができる。これを利用すれば同じ画素で複数の色を表示することもできる。

図１は、ＥＣＢ型表示素子の複屈折量（リタデーションＲと呼ばれる）と色度図上での座標の関係を示す。Ｒが０から２５０ｎｍ附近まではほぼ色度図の中央にあって無彩色であるが、それ以上になると複屈折量に応じて色が変化していく様子がわかる。

液晶として、誘電率異方性（Δεと表す）が負の材料を使用し、電圧無印加時に基板に対して垂直配向させると、電圧とともに液晶分子が傾斜していき、それにつれて液晶の複屈折量（リタデーションと呼ばれる）が増加していく。

このとき、クロスニコル下では図１の曲線に沿って色度が変化する。電圧無印加時にはＲがほぼ０であるから光は透過せず、暗状態（黒状態）となっているが、電圧の増加に応じて、黒→グレー→白と明るさが増していく。さらに電圧を上げると色がついて、黄色→赤→マゼンタ→青→シアン→薄緑→・・・→緑といったように色が変化する。

このようにＥＣＢ型表示素子は、低電圧側の変調領域では最大明度と最小明度との間を電圧によって明度変化させることができ、より高い電圧領域で、複数の色相を電圧によって変化させることができる。

こうしたＥＣＢ型表示素子の基本原理は１９７０年代から広く知られており、特定のマルチカラー用途には実用化されたことがあるが、自然画表示時の好適な画像処理方法については知られていない。

本発明は、このＥＣＢ型液晶表示素子のような印加電圧に対して明度が変化する範囲と、印加電圧に対して色相が変化する範囲とを有する画素を含んで構成される表示パネルを用いた表示装置を提供する。

本発明の表示装置は、入力カラー画像信号から、明度変化範囲内の明度表示信号と、色相変化範囲内の色相表示信号と、該明度表示信号と該色相表示信号の混合比を表す信号とを生成し出力する信号生成手段を有する。

この混合比を表す信号に基づいて、明度変化範囲内の表示を行う画素と色相変化範囲内の表示を行う画素とを混在させ、ディザ法などのデジタル階調手法によって階調表示を行う。

以下、色立体を用いて本発明を説明する。

ここでいう色立体とは、ＲＧＢ三原色を独立ベクトルとして立方体に近似してあらわしたものであって、加法混色系では全ての表示色はこの立体中に存在するものとして考えることができる。

図２はＲＧＢ加法混色系において表示できる表示色を表しており、立法体中の任意の点はその座標値に対応した赤・青・緑の混色状態、Ｂｋで示した頂点は明度が最小の状態を示している。ここで赤・緑・青の画像情報信号が与えられたときには、Ｂｋ点から延びるＲ・Ｇ・Ｂ独立ベクトルの和の位置に対応する表示色を表示することとなる。

図中のＲ・Ｇ・Ｂはそれぞれ赤・緑・青の最大明度の状態を示しており、Ｗは最大明度の白色表示状態である。なお一辺の長さは２５５とした。

ここで例えばＲＧＢ三色のカラーフィルタを有する一般の液晶表示素子では、それぞれの色は独立に連続階調制御が可能となっている。これは色立体においては、この立体を構成する三つの独立ベクトルそれぞれの大きさを、ゼロから最大値まで任意の大きさで独立に制御可能であることを意味している。これにより、色立体中の全ての点を自由に制御することができるため、あらゆる入力画像信号に対してＲＧＢ独立ベクトルのそれぞれの大きさが一義的に決まるため、フルカラー出力が自在にできることとなる。

この色立体を用いて、前記ＥＣＢ型表示素子が取り得る表示色の軌跡を図３に示す。この図には黒と白とその中間色を結ぶ直線Ｌと、連続的に変化する有彩色が色立体中にて示す軌跡Ｍとが示されている。これらＬとＭはつながっている一つの曲線ではあるが、無彩色での明度変化と有彩色での色相変化とを区別するためにここでは分けて記載している。このようにＥＣＢ型表示素子では色立体中における線上の点しか表現することが出来ないために、このままでは自然画表示は困難である。したがって、ディザ法や誤差拡散法など、複数の画素を用いる空間混色効果によって中間色を表示する画像処理を用いることが必要となる。

一方前述したように、デジタル的（不連続）な階調表示能を有しているデバイスを用いて複数の単位画素を組み合わせ、空間混色原理を用いることで疑似的に中間調表示を行う方式については、広く実用化されているのであるが、アナログ階調を含む方式について疑似的に中間調表示を行う方式については存在しないために新規に考案することが必要となる。

ところで、前記ディザ法や誤差拡散法では、任意のアナログ信号を複数の画素を用いる空間混色効果によってあらわすために、異なる複数の離散的な出力情報を選択しなければならない。従来の画像処理法ではこの複数の離散的な出力情報はいずれも不連続なデジタル階調情報の中から選択しなければならなかった。例えば通常の二値ディザでは明・暗のいずれか、多値ディザでは、入力アナログ階調情報がｉ階調目と（ｉ＋１）階調目の中間の値のとき、ｉ階調目と（ｉ＋１）階調目のいずれかの離散的な階調情報を選択することになる。

一方、本発明の画像処理法では、複数の離散的な出力情報のうち少なくともいずれか一方の出力情報は連続（アナログ）階調情報の中から選択されるために、従来の多値ディザと比較しても自然画再現性が向上することになる。

この具体的な手法について下記に詳述する。

（第１の実施形態）
任意のアナログ入力画像信号が与えられたときに、その情報がＲＧＢそれぞれが独立ベクトルとなる色立体中における点をｐとする。これを図４に示す。

ＥＣＢ型表示素子では、白、黒およびそれらの中間色を実質的に連続的な明度変化によって制御し、表示可能となっている。この明度変化領域は図４において直線Ｌとして記述されており、その直線上は任意の点を表示することができる。これらｐおよびＬからなる色立体中の平面を仮想的に定め、その平面をＳ１とする。

一方、前述の通りＥＣＢ型表示素子では高いリタデーション領域において色相が変化するような変調領域となる。これを図３の色立体中における曲線Ｍとしてあらわしている。この曲線Ｍと前記平面Ｓ１との交点を定めることができる場合、その交点をｑとする。このｑが前記画像処理に用いる離散的なデジタル出力情報のうちの一つとなる。

次に、ｑとｐとからなる直線と、前記白黒間を結ぶ直線Ｌとの交点をｒとする。このｒが前記画像処理に用いる離散的なデジタル出力情報のうちの残り一つとなる。

ｐはｑとｒを結ぶ直線上にある。ｐがｑとｒの内分点のとき、内分比をｍ：ｎとすると、
ｐ＝（ｍｒ＋ｎｑ）／（ｍ＋ｎ）
と表される。ｐがｑとｒの外分点になることもあり得るが、そのような場合は、平面Ｓ１と曲線ｍの別の交点が存在するので、そちらを選択し、ｐが内分点となるようにｑとｒを選ぶ。ｐは色立体の内部にあり、さらにｐが曲線Ｍで決まる領域、具体的にはＭ上の点ＱがＷからＧまで動いたときに、ＱとＢｋとＷとが作る３角形が通過する領域、の内部にあるなら、ｐが内分点となるようにｑとｒを選ぶことは常に可能である。

このように、ｑとｒはｐに代わる画像情報の組である。ｐに代わって、ｑとｒの２つの表示を使って、通常の２値表示におけるディザ法と類似の方法で、ｐに対応する中間調を表示することができる。ディザ法の詳細は後で説明する。

本発明は、ｑとｒという離散的な値を、色立体の連続情報ｐの中から選択し、このｑとｒの値のいずれかを、ある閾値マトリクスを参照しながら複数の画素にわたり適宜選択することによって、空間混色による中間色を再現しようとするものである。

（第２の実施形態）
画素が複数の副画素に分割されている場合には、前記ＬとＭが複数描けることとなる。これについても同様の考え方であって、図５〜図８を用いて説明する。

図５ではひとつの画素を同じ面積を有する二つの副画素に分割した場合に、ＲＧＢ色立体中にてとりうる表示色の一例をあらわしている。このなかで、直線Ｌ（１）と曲線Ｍ（１）は二つの副画素を同じ状態で駆動させたときにとりうる線を示しており、直線Ｌ（２）と曲線Ｍ（２）は二つの副画素のうちいずれか一方のみ駆動させたときにとりうる線Ｘを示している。実際にはそれぞれ独立に駆動できるので、直線Ｌ（２）もしくは曲線Ｍ（２）上の任意の点から、同じ形状の線Ｘを描くことができる。ここでは簡単のため、Ｌ（１），Ｍ（１），Ｌ（２），Ｍ（２）のみを用いて、図６にて説明を行う。

図４の場合と同様に、入力信号ｐと直線Ｌ（１）との平面を求め、複数ある曲線Ｍのいずれかとの交点ｑ１を求める。ここではまず曲線Ｍ（１）の場合を考える。直線ｐｑ１とＬ（１）との交点ｒ１を求めた後に、ｒ１とｑ１という表示情報を用いて空間混色効果による中間色表示を行えばよい。

曲線Ｍ（２）を用いる場合について、図７にて説明を行う。同じ入力画像信号ｐが与えられたとき、入力信号ｐと直線Ｌ（２）との平面Ｓ２を求め、曲線Ｍ（２）との交点ｑ２を求める。直線ｐｑ２とＬ（２）との交点ｒ２を求めた後に、ｒ２とｑ２という表示情報を用いて空間混色効果による中間色表示を行えばよい。

またこのとき直線ｐｑとＬではなく、直線ｐｑと他のＭとの交点があればそれを用いて空間混色効果による中間色表示を行ってもかまわない。例えば、図８に示すように、入力信号ｐ３に対してｑ３とｒ３という表示情報を用いて空間混色効果による中間色表示を行えってもよい。

いずれにしても、上述のように空間混色効果による中間色表示時の再現能は、そこで用いる離散的な値が連続情報の中から選択されることによって飛躍的に高まることになる。なお前記点ｑが複数個存在する場合もありえる。この場合、線分ｐｑをｐ側に延長した線が直線ＬのＢｋとＷの範囲内にて交わるように点ｑを選択しなければならない。例えば図９の場合には、平面Ｓ１は曲線Ｍに対してｑ４とｑ５という二点にて交わっているが、ｑ５とそれから得られるｒ５は、ｐが線分ｑ５ｒ５を内分していないので、ｒ５とｑ５を用いて入力信号であるｐを近似することが出来ない。したがってこの場合はｑ４とそれから得られるｒ４を用いなければならない。また、点ｑが複数個存在し、いずれもが直線ｐｑを外挿した線が直線ＬのＢｋとＷの範囲内にて交わり、点ｒを定めることができる場合には、いずれの点ｑを用いてもよい。

逆に入力信号によっては点ｑを定めることが出来ない場合が存在するが、その場合は正確な表示色を再現することが出来ないのはやむを得ないので、もっとも近傍の点にて近似することで、入力信号に近い表示を行うことが可能となる。

図４の場合について具体的な数式を用いて説明する。

ＲＧＢ色立体中にてＢｋ点からＷ点に至る直線Ｌは、
Ｒ＝Ｇ＝Ｂ
なる数式にてあらわすことができる。一方、入力信号ｐがＲＧＢ色立体中にて位置する座標を
（Ｐ_Ｒ，Ｐ_Ｇ，Ｐ_Ｂ）
とし、前記平面Ｓ１を
ａＲ＋ｂＧ＋ｃＢ＋ｄ＝０
と仮定する。平面Ｓ１は原点を通るために、
ｄ＝０
である。また
Ｒ＝Ｇ＝Ｂ
なる関係より、
ａ＋ｂ＋ｃ＝０
が成り立つ。

（Ｐ_Ｒ，Ｐ_Ｇ，Ｐ_Ｂ）
を通る平面なので、これらを代入して整理すると、平面Ｓ１の法線ベクトルは、
（（Ｐ_Ｂ−Ｐ_Ｇ），（Ｐ_Ｂ−Ｐ_Ｒ），（Ｐ_Ｒ＋Ｐ_Ｇ−２Ｐ_Ｂ））と一義的に決まることになる。この平面Ｓ１と曲線Ｍとの交点ｑ
（ｑ_Ｒ，ｑ_Ｇ、ｑ_Ｂ）
は曲線Ｍがあらわす関数が求まっていれば容易に求めることができる。この点ｑと点ｐの２点を通る直線は

とあらわされ、これが
Ｒ＝Ｇ＝Ｂ
なる直線Ｌと交わる交点ｒ
（ｒ_Ｒ，ｒ_Ｇ，ｒ_Ｂ）
は、

とあらわすことが出来る。この点ｑと点ｒが出力情報である。これらを用いてディザ処理などを行えばよい。

（ディザ処理）
次いでこのディザ処理について、詳述する。その一例として、４×４マトリクスを用いたＢａｙｅｒ型組織的ディザ法について説明する。

ｐがｑとｒの内分点であるとする。ｑとｒを結ぶ線分を１６分割し、ｐに最も近い内分点を求める。その点の内分比をｍ：ｎとすると、

とかける。ＲＧＢの各成分で書くと、

である。ここでｍとｎは整数で、
ｍ＋ｎ＝１６
を満たす。

この手順を図１０に示す。図１０の線分ｑｒは１６分割されており、ｐはそのうちｑから４、ｒから１２のところに近い。このときはｍ＝４、ｎ＝１２と定める。

ディザ法では、複数画素を含む１つのエリア（今の例では４×４＝１６の画素ブロック）に対して与えられた中間調のレベルを、エリア内の各画素の２値表示（場合によっては３値以上の離散階調表示）で再現する。エリア内の画素にはあらかじめ順番が定められていて、レベルが０のときは全画素が一方の状態（黒）にあり、階調レベルが高くなるにつれてその順番に従って画素が白に置き換わる。今の場合は、上のようにして決められたｍまたはｎに応じて、点ｑを選択するか点ｒを選択するかを決定すればよい。例えば、
ｍ＝４，ｎ＝１２なら、１２画素をｑの状態（有彩色表示）にし、４画素をｒの状態（無彩色表示）にする。

どのように２値を割り振るかは、Ｂａｙｅｒ型ディザマトリクス

などを利用する。ブロック内それぞれの画素の閾値情報と、ｍまたはｎの値とを比較して、ｍが閾値より小さければ、すなわちｎが閾値以上ならば、その画素をｑに表示し、でないときはｒに表示する。図１１はｍとｎの１７通りの値に対するブロックの表示を表している。図で白い画素はｑの有彩色表示状態を表し、灰色の画素はｒの無彩色表示状態を表している。

階調度が高くなるとブロックを大きくし、２５６階調では１６×１６画素にするが、その時のｍ、ｎの決め方は上の場合と同様である。なおここではディザ法について述べたが、誤差拡散法などでも同様である。

（応用形態）
ＥＣＢ型表示素子による干渉色表示と、カラーフィルタとを組み合わせることによって表示できる色が大幅に増加する。これについて下記に詳述する。

本発明に用いる液晶表示素子では図１３に示すように、１画素５０を複数の副画素５１，５２に分割し、そのうちの１つの副画素５１にはＲＧＢいずれかの色のカラーフィルタを重ねる。残る副画素５２は、５１に用いたカラーフィルタと補色の関係にあるカラーフィルタを重ねる。

液晶層はリタデーションを調節して、黒から白に至る無彩色の輝度変化と、赤からマゼンタを経て青などの様々な表示色にいたる有彩色での色相変化を示すが、５１、５２のいずれの画素にもカラーフィルタが重ねられているので、表示される色は液晶層のリタデーションによって得られる色とカラーフィルタとの減法混色原理によって得られる表示色である。

以下ではその一例として、５１に用いるカラーフィルタとして緑色、５２に用いるカラーフィルタとしてマゼンタ色を用いる場合を考える。このとき５１では緑色のカラーフィルタを有し、電圧によって明度変化する範囲でリタデーションを変化させて該カラーフィルタの緑色を表示することになるために、緑色表示において独立に連続的な明度変化を示すことができる。一方、５２ではマゼンタ色のカラーフィルタを有しており、電圧によって明度変化する範囲でリタデーションを変化させて該カラーフィルタのマゼンタ色を表示することになるために、マゼンタ色表示において連続的な明度変化を示すことができる。

それに加えて、ＥＣＢ型表示素子では高いリタデーション領域における色相変調領域において、赤表示と青表示ができることから、マゼンタ色との減法混色表示の際にも同様に赤表示と青表示ができることになる。むしろマゼンタ色の効果によって、赤表示と青表示の色度図上での色再現範囲が拡大する効果が期待できる。

本実施形態におけるＥＣＢ型表示素子は、印加電圧に対して連続的に明度が変化する範囲を有するが、色相変化範囲では、色相の連続な変化の中から離散的ないくつかを選び出して表示に用いる。

入力されたカラー画像信号からは、明度変化範囲内の連続階調表示信号と、色相変化範囲内の不連続な離散的色相表示信号とを生成する。

画素は、カラーフィルタを備えていてもよい。このとき、画素は、印加電圧に対してカラーフィルタの色の明度が連続的に変化する範囲と、印加電圧に対して色相が不連続に変化する範囲とを有することになる。

図１４はマゼンタカラーフィルタを用いない色相変化の様子、図１５は４８０〜５８０ｎｍの光を全て遮光し、それ以外の光は１００％透過する理想的なマゼンタカラーフィルタを用いた色相変化の様子を示している。このように赤表示と青表示の色度図上での色再現範囲が拡大することがわかる。

次いで、このときの基本的な表色原理を簡単に示す。

例えば、緑カラーフィルタのある緑（Ｇ）画素および、マゼンタカラーフィルタのある画素（Ｍ）を最大輝度状態にすることにより、画素全体として白を表示することが出来る。

Ｇ単色にするには、Ｇ画素を最大透過状態にし、Ｍ画素を暗状態にする。Ｒ単色（Ｂ単色）にするには、Ｇ画素を暗状態にし、Ｍ画素のリタデーション値を４５０ｎｍ（６００ｎｍ）にする。組み合わせることでＲとＧ、ＢとＧの混色も得られる。

Ｇ画素とＭ画素をともにリタデーションを０にして暗状態とすれば黒表示が得られことはいうまでもない。

本発明に用いる液晶素子の構成では、Ｇ画素はリタデーションを０から２５０ｎｍの範囲で変化させ、マゼンタ画素はリタデーションを０から２５０ｎｍの範囲と４５０ｎｍから６００ｎｍの範囲で変化させる。通常は液晶材料は両副画素で共通にするので、駆動電圧範囲を異なるように設定する。

ここでは液晶素子の例を示しているが、上記のようにＧ画素をカラーフィルタで表示し、その他の原色を媒体（上の場合は液晶）自身が発生させる色で表示するもので、液晶以外にも適用できる。すなわち、一般に、外部から加えられる変調手段によって光学的性質を変化させる媒体を用い、その媒体が、変調手段によって明度を変化させる変調領域と、色相を変化させる変調領域とを有するものであれば本発明が適用できる。上述したような表示素子を用いたときの色立体上での表示色に関して下記に詳述する。

前述の色立体において、ここで述べる応用形態においては、緑色に関してはカラーフィルタを用いた連続階調表示することが可能であるために、緑方向には独立に任意の点を取ることができる。したがって、これ以降で表示色を議論するときには、赤・青ベクトルで構成される平面（以下ＲＢ平面と記載）上にて議論する。

まず、ＥＣＢ効果に基づく着色現象を利用する画素が一つの場合（画素分割していない場合）について図１６を用いて説明する。

図１６はＲＢ平面を表している。ここで、赤表示および青表示時はＥＣＢ効果に基づく着色現象を利用しており、明暗の表示状態として取り得るのはオンとオフの２値となる。したがって、Ｒ、Ｂそれぞれの軸上で取り得るのは最大値（Ｒ，Ｂ）と最小値（Ｂｋ）の２点である。

一方、緑色と補色の関係にあるマゼンタカラーフィルタが設けられている場合は、マゼンタ画素のリタデーションを０−２５０ｎｍの範囲で変化させることによりマゼンタ色の明るさを変化させることが出来る。この範囲の表示色はＲＢ平面上では図８中で矢印で示したＲとＢの合成ベクトル方向の軸上にあり、連続的な明度変化を示すことに対応している。つまり図１６の中ではＢｋ点（原点）、Ｒ点、Ｂ点、および矢印上の任意の点が表示色として使用できることになる。

今の場合は、画素が、マゼンタのカラーフィルタを備た第１の副画素と、マゼンタと補色の関係をもつカラーフィルタを備えた第２の副画素とで構成される。

第１の副画素は、カラーフィルタの色の明度が連続的に変化し、色相変化範囲においては青と赤の離散値とをとる。これに対して第２の画素は、緑単色なので、印加電圧に対してそのカラーフィルタの色の明度が変化する範囲で変調されれば十分である。

信号生成回路は、第１の副画素には、明度表示信号と、青、赤いずれかの色相表示信号と、その混合比を示す信号とを出力し、前記第２の副画素には、緑の明度表示信号を出力する。

このときに任意の入力画像信号が与えられたときの画像処理について述べる。

今回示している例では緑色については独立に連続的な値を取り得るために、緑色に関しては特に画像処理することなくアナログ階調情報を表現することが可能である。上述した通り、従来の二値ディザもしくは多値ディザなど、広く知られている画像処理方法では、いずれの表示色も不連続な階調表示であったのに対して、本発明の画像処理では、ある特定の表示色については連続的な明度変調を用いているために空間混色効果による中間色表示を用いなくてもよい。これによって階調表示能が飛躍的に高まっている。

次いで、残る赤・青表示に関する画像処理方法について述べることにする。

入力画像情報のＲＢ平面への正射影をｔとする。

ＲＢ平面内において、マゼンタ方向には連続的な明度変化を示すことができる。つまりＲとＢの二原色の加法混色した表示色がとる軌跡Ｎと、前記不連続な明度変化を示す二原色が取り得る表示色を示す点ｖとし、前記点ｖと前記点ｔとを結ぶ直線の延長線上にて軌跡Ｎと交わる点ｗとする。この選択した点ｖとｗを用いて空間混色効果による中間色表示させることによって、中間調再現能が飛躍的に高まることになる。特に本方式の場合、基本形態とは異なり、再現できない色空間位置は存在しないために、入力アナログ信号を極めて再現性よく表示することが可能となる。

マゼンタ画素を、例えば１：２の面積比に分割している場合は前記軌跡Ｎは複数本存在することになる。それと同時に不連続な明度変化を示す二原色が取り得る表示色を示す点ｖも複数個存在する。なおこのときのＲＢ平面の様子を図１７に示す。

１：２：４の面積比に分割している場合を図１８に示す。

これらをＮ_ｉ、ｖ_ｉとすると、前記点群ｖ_ｉのいずれか１点と前記点ｔとを結ぶ直線の延長線上にて軌跡Ｎ_ｉのいずれかと交わる点ｗとする。この選択した点群ｖ_ｉのいずれか１点とｗを用いて空間混色効果による中間色表示させることによって、中間調再現能が飛躍的に高まることになる。特に本方式の場合、基本形態とは異なり、再現できない色空間範囲は存在しないために、入力アナログ信号を極めて再現性よく表示することが可能となる。

なおディザ法の適用法については基本形態で述べた方法と同様である。

（液晶表示素子以外への適用）
以上の記述では液晶のＥＣＢ効果を中心に詳述してきた。しかしながら本発明の画像処理に用いることができる表示素子は、連続的な明度変化が出来る表示色と不連続な明度変化を示す表示色とが混在する表示素子であれば、上述のＥＣＢ効果を用いた構成に限らずあらゆる表示モードを適用することが可能となる。

その例として、（１）機械的な変調によって干渉層の空隙距離を変化させるモード、（２）着色粒子を移動させることによって表示・非表示を切り替えるモードについて、以下で説明する。

（１）は例えばＳＩＤ９７Ｄｉｇｅｓｔｐ．７１に記載のような構成であって、基板との空隙の距離を変化させることによって干渉色の表示・非表示の切り替えを行っている。ここでは変形可能なアルミ薄膜が外部からの電圧制御によって基板に接近したり離れたりすることでオン・オフの切り替えを行っている。またこのときの発色原理は干渉を利用したものであるために、上述した液晶のＥＣＢを利用した干渉による発色とまったく同じ議論が成立する。

したがって、この空隙距離変調素子においても、電圧などの外部制御可能な変調手段によって光学的性質を変化させることができ、かつ該素子がとりうる最大明度と最小明度との間を前記変調手段によって明度変化させることができる変調領域と、該素子がとりうる複数の色相を前記変調手段によって変化させることができる変調領域とを有していることになる。したがって本発明の画像処理方法を適用することが可能となる。

（２）は例えば、特開平１１−２０２８０４号公報などに記載の粒子移動型表示素子が好適に利用される。この例は電気泳動特性を利用して、コレクト電極及び表示電極間での電圧印加によって透明な絶縁性液体中で着色帯電泳動粒子を基板面と水平に移動させることによって表示・非表示の切り替えを行うものである。

またこれを応用し、２種類のカラー粒子を用いる構成としてもよい。つまり、観察者から見て互いにほぼ重畳する位置に配置される２つの表示電極と、２つのコレクト電極と、互いに異なる帯電極性および呈色を示し、少なくとも何れか一方が透光性である２種類の粒子とを備え、該２種類の帯電粒子が全てコレクト電極に集合した状態、又は全て表示電極に配置された状態、又は何れか１方の粒子が表示電極に配置され他方の粒子がコレクト電極に集合した状態、又はこれらの中間状態、を形成可能な駆動手段とを含む単位セルとなるような構成にすることもできる。

該単位セル中における２種類の泳動粒子色の組み合わせが例えば青と赤である構成を考える。この場合において白表示とする場合には、２種類とも粒子全てがコレクト電極に集合した状態となるよう駆動し、表示電極が全て露出した状態とすればよい。また赤もしくは青の単色表示の場合には、該単位セルにおいて所望の単色粒子のみを表示電極に配置することによって単色を表示すればよい。

例えば青表示の場合は、青粒子を表示電極に配置し光吸収層を形成し、赤の粒子をコレクタ電極に集めればよい。一方黒表示の場合は、全ての粒子を表示電極に配置し光吸収層を形成することによって、第１電極、第２電極に形成された赤粒子、青粒子のそれぞれの吸収層を通過するため減法混色によって黒色となる。中間調表示の場合は、黒表示時の一部分の粒子だけを表示電極に配置すればよい。これによって、該単位セルは赤・青の有彩色間での色相の変調、および白・黒・中間調の表示による明度の変調を行うことができる。こうした素子でも本発明のを適用することができる。

本発明は、表示装置とそれに与える信号を形成する方法を提供するが、本発明の信号形成の方法は、プリンタなどディスプレイ以外の画像形成に際しても適用できることは明らかである。

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

（共通素子構成）
実施例に用いる共通の素子構造として下記のものを用いた。

液晶層の構造として、基本的な構成は図３に示す構成と同様なものとし、垂直配向処理を施した２枚のガラス基板を重ね合わせセル化し、液晶材料として誘電率異方性Δεが負である液晶材料（メルク社製、型名ＭＬＣ−６６０８）を注入した。なおこのとき実施例に応じてリタデーションが最適となるようにセル厚を変化させた。

用いる基板構造として、一方の基板にＴＦＴが配置されたアクティブマトリクス基板を用い、もう一方の基板には実施例に応じて適宜カラーフィルタが配置した基板を用いた。このときの画素形状やカラーフィルタ構成は実施例に応じて変化させた。

ＴＦＴ側の画素電極にはアルミ電極を用い、反射型の構成とした。

また上基板（カラーフィルタ基板）と偏光板との間には位相補償板として広帯域λ／４板（可視光領域で１／４波長条件をほぼ満たすことができる位相補償板）を配置した。これにより反射型での表示の際に電圧無印加時には暗状態となり、電圧印加時には明状態となるようなノーマリブラック構成とした。

（参考例１）
参考のために、対角１２インチ、画素数６００×８００のアクティブマトリクス液晶表示パネルを用いた。この画素ピッチは約３００μｍである。各画素は３分割されて、それぞれに赤・緑・青のカラーフィルタが配置されている。液晶層は、±５Ｖ電圧印加時の反射分光特性の中心波長が５５０ｎｍ、及びリタデーション量が１３８ｎｍとなるよう、厚さを２．３ミクロンに調整した。

セル断面構造を図１２に示す。表示素子１００は、偏光板１、位相差版２、液晶パネル９０の積層構造となっている。液晶パネル９０は、上下２枚の基板３，７の上に電極４、６が形成されており、その間に液晶５が挟まれている。電極４，６の表面に垂直配向膜（不図示）を塗布し、垂直配向膜には基板法線から１度程度のプレチルト角を付与した。プレチルトの方向は、電圧印加時の液晶分子の傾斜方向が偏光板１の吸収軸に対して４５度となるよう設定した。上下の基板３と７を張り合わせてセルを作り、液晶材料として誘電率異方性Δεが負である液晶材料（メルク社製、型名ＭＬＣ−６６０８）を注入したところ、電圧を印加しないときは液晶５が基板表面にほぼ垂直に配向した。

このような液晶表示素子について、電圧を様々に変化させることによって画像を表示させたところ、ＲＧＢそれぞれの画素について印加電圧に応じた連続階調色が得られ、それによってまったく画像処理を施さなくても完全なフルカラー表示が可能であり、滑らかな自然画表示が可能であった。

（参考例２）
比較のために、対角１２インチ、画素数６００×８００のＥＣＢ型アクティブマトリクス液晶表示パネルを用いた。この画素ピッチは約３００μｍである。各画素は分割されておらず、カラーフィルタは用いられていない。液晶層は、±５Ｖ電圧印加時に緑色表示となるように、厚さを１１ミクロンに調整した。

セル構造は図１２に示されたものと同じである。電極４，６の表面に垂直配向膜（不図示）を塗布し、電圧印加時の液晶分子の傾斜方向が偏光板１の吸収軸に対して４５度となるように、垂直配向膜には基板法線から１度程度のプレチルト角をその方向に付与した。上下の基板３と７を張り合わせてセルを作り、液晶材料として誘電率異方性Δεが負である液晶材料（メルク社製、型名ＭＬＣ−６６０８）を注入したところ、電圧を印加しないときは液晶５が基板表面に垂直に配向した。

このような液晶表示素子について、電圧を様々に変化させることによって画像を表示させたところ、０Ｖから２Ｖまでは電圧に対して応答せず、２Ｖを超えた電圧値によって液晶が応答しはじめ、２．５Ｖまでは黒から徐々に明るくなるような明度だけが変化する応答であった。２．５Ｖを超えると色相が変化していく様子が観測された。２．６５Ｖにて黄色表示、２．７７Ｖにて赤色表示、２．８５Ｖにて紫色表示、２．９５Ｖにて青色表示、３．２５Ｖにて薄緑色表示、５Ｖにて緑色表示が得られた。

このようにモノクロ領域における明度変化によって白黒のアナログ階調と、高電圧領域における連続的な色相変化によってマルチカラー表示が可能であることが確認できた。

（実施例１）
参考例２と同じアクティブマトリクス素子を用いて表示を行った。このとき自然画表示を行うために明細書中の基本形態にて記載の画像処理法を用いてディザ処理を行った。これによって粒状感の少ない自然画が表示できていることが確認できた。

（実施例２）
対角１２インチ、画素数６００×８００のアクティブマトリクス液晶表示パネルを用いた。この画素ピッチは約３００μｍである。各画素は２分割されて、それぞれに緑・マゼンタのカラーフィルタが配置されている。液晶層は、±５Ｖ電圧印加時にマゼンタカラーフィルタ画素が青色表示となるように、厚さを５ミクロンに調整した。

セル構造は図１２に示されたものと同じである。電極４，６の表面に垂直配向膜（不図示）を塗布し、電圧印加時の液晶分子の傾斜方向が偏光板１の吸収軸に対して４５度となるように、垂直配向膜には基板法線から１度程度のプレチルト角をその方向に付与した。上下の基板３と７を張り合わせてセルを作り、液晶材料として誘電率異方性Δεが負である液晶材料（メルク社製、型名ＭＬＣ−６６０８）を注入したところ、電圧を印加しないときは液晶５が基板表面にほぼ垂直に配向した。

このような液晶表示素子について、電圧を様々に変化させることによって画像を表示させたところ、緑とマゼンタおよびそれらの混色であるモノクロ表示については連続階調が得られたものの、赤と青は二値の表示しか得られないために、自然画表示が出来なかった。

それに対して、本発明の明細書中にて説明した画像処理法を用いたディザ処理を用いて表示させたところ、粒状感の少ない自然画が表示でき、参考例１と比較しても遜色のない表示を得ることが出来た。

（実施例３）
対角１２インチ、画素数６００×８００のアクティブマトリクス液晶表示パネルを用いた。この画素ピッチは約３００μｍである。各画素は３分割されて、それぞれに緑・マゼンタのカラーフィルタが配置されている。マゼンタカラーフィルタ付きの画素は１：２の面積比に分割されている。液晶層は、±５Ｖ電圧印加時にマゼンタカラーフィルタ画素が青色表示となるように、厚さを５ミクロンに調整した。

セル構造は図１２に示されたものと同じである。電極４、６の表面に垂直配向膜（不図示）を塗布し、電圧印加時の液晶分子の傾斜方向が偏光板１の吸収軸に対して４５度となるように、垂直配向膜には基板法線から１度程度のプレチルト角をその方向に付与した。上下の基板３と７を張り合わせてセルを作り、液晶材料として誘電率異方性Δεが負である液晶材料（メルク社製、型名ＭＬＣ−６６０８）を注入したところ、電圧を印加しないときは液晶５が基板表面にほぼ垂直に配向した。

このような液晶表示素子について、電圧を様々に変化させることによって画像を表示させたところ、緑とマゼンタおよびそれらの混色であるモノクロ表示については連続階調が得られたものの、赤と青は４階調の表示しか得られないために、自然画表示が出来なかった。

それに対して、本発明の明細書中にて説明した画像処理法を用いたディザ法を用いて表示させたところ、粒状感の非常に少ない自然画が表示でき、参考例１と比較しても遜色のない表示を得ることが出来た。

以上述べたように、ディザ処理に用いる離散的な出力情報の少なくともいずれか一つをアナログ階調から選択することによって、粒状感の少ない自然画表示を実現することが可能となる。なお、本実施例中ではディザ法、特にＢａｙｅｒ型の組織的ディザ法についてのみ述べたが、誤差拡散法やブルーノイズマスク法など他の画像処理法にも適用できることは言うまでもない。

また本実施例では垂直配向モードの液晶表示素子を中心に述べたが、平行配向モード、ＨＡＮ型モード、ＯＣＢモードなど電圧印加によるリタデーション変化を利用するモードであればいずれのモードにも適用することが可能である。またＳＴＮモードなどのねじれ配向状態となっている液晶モードにも適用することが可能である。

また、ＥＣＢ効果を有する液晶素子の代わりに機械的な変調によって干渉層の媒体としての空気の厚さである空隙距離を変化させるモードを用いる場合でも本実施例と同様の効果が得られる。また、表示装置として、実施の形態中で述べた構成に基づく媒体である複数の粒子を電圧印加によって移動させる粒子移動型表示素子を用いる場合でも本実施例と同様の効果が得られる。

また本実施例ではカラーフィルタとして緑とマゼンタとの組み合わせについて述べたが、赤とシアン、青と黄色の組み合わせについても適用可能である。

リタデーション量が変化したときの色度図上の変化を表す図。色立体を表す図。色立体中での軌跡を示す図。本発明の第１の実施形態の説明図。本発明の第２の実施形態の説明図。本発明の第２の実施形態の説明図。本発明の第２の実施形態の説明図。本発明の第２の実施形態の説明図。本発明の第１の実施形態の説明図。本発明の第１の実施形態の信号形成の説明図。本発明の階調表示の例。本発明に用いる液晶表示素子の断面図。本発明に用いる液晶表示素子の画素構成を示す図。本発明の液晶表示素子においてリタデーション量が変化したときの色度図上の変化を表す図。本発明の液晶表示素子において、緑色と補色関係にあるカラーフィルタを設けた場合におけるリタデーション量が変化したときの色度図上の変化を表す図。本発明の液晶表示素子において表現できる赤・青平面上での表示色を説明する図。本発明の液晶表示素子の他の構成において表現できる赤・青平面上での表示色を説明する図。本発明の液晶表示素子の他の構成において表現できる赤・青平面上での表示色を説明する図。

符号の説明

１偏光板
２位相補償フィルム
３，７ガラス
４透明電極
５液晶
６反射板
５０画素
５１副画素１
５２副画素２

Claims

印加電圧に対して明度が変化する範囲と、印加電圧に対して色相が変化する範囲とを有する画素を含んで構成される表示パネルと、カラー画像信号が入力され、前記表示パネルに表示信号を出力する制御部とを有する表示装置であって、
前記制御部は、入力されたカラー画像信号から、前記明度変化範囲内の明度表示信号と、前記色相変化範囲内の色相表示信号と、該明度表示信号と該色相表示信号の混合比を表す信号とを生成し出力する信号生成手段を有し、
前記表示パネルは、前記混合比を表す信号に基づいて、前記明度変化範囲内の表示を行う画素と前記色相変化範囲内の表示を行う画素との混在する複数の画素を表示することを特徴とする表示装置。
前記画素が、印加電圧に対して連続的に明度が変化する範囲と、印加電圧に対して連続的に色相が変化する範囲とを有し、
前記制御部の信号生成手段が、入力されたカラー画像信号から、前記明度変化範囲内の連続階調表示信号と、前記色相変化範囲内の連続階調表示信号と、該２信号の混合比を表す離散的信号とを生成する手段である請求項１に記載の表示装置。
前記画素が、印加電圧に対して連続的に明度が変化する範囲と、印加電圧に対して不連続に色相が変化する範囲とを有し、
前記制御部の信号生成手段が、入力されたカラー画像信号から、前記明度変化範囲内の連続階調表示信号と、前記色相変化範囲内の不連続の色表示信号と、該２信号の混合比を表す離散的信号とを生成する手段である請求項１に記載の表示装置。
前記画素が、カラーフィルタを備え、印加電圧に対して該カラーフィルタの色の明度が連続的に変化する範囲と、印加電圧に対して色相が不連続に変化する範囲とを有し、
前記制御部が、前記連続的な明度表示信号と、前記不連続な色相変化範囲のいずれかの色相表示信号と、該明度表示信号と色相表示信号の混合比を示す信号とを出力する請求項１に記載の表示装置。
前記画素が、カラーフィルタを備え、印加電圧に対して該カラーフィルタの色の明度が連続的に変化する範囲と、印加電圧に対して色相が不連続に変化する範囲とを有する第１の副画素と、第１の副画素のカラーフィルタと補色の関係をもつカラーフィルタを備え、印加電圧に対して該カラーフィルタの色の明度が変化する範囲を有する第２の副画素とを含んで構成され、
前記制御部が、前記第１の副画素に、前記明度表示信号と、前記不連続な色相変化範囲のいずれかの色相表示信号と、該明度表示信号と色相表示信号の混合比を示す信号とを出力し、前記第２の副画素に、マゼンタ色と補色の関係にある色の明度表示信号を出力する請求項１に記載の表示装置。
前記第１の副画素のカラーフィルタがマゼンタ色であり、第１の副画素の前記色相変化範囲が、青色と赤色とを含む不連続な変化範囲である請求項３に記載の表示装置。
入力されたカラー画像信号から、明度表示信号と、色相表示信号と、該明度表示信号と該色相表示信号の混合比を表す信号とを生成し出力する信号生成手段と、
前記混合比を表す信号に基づいて、前記明度変化範囲内の表示を行う画素と前記色相変化範囲内の表示を行う画素とが混在する複数の画素によってカラー画像を形成する手段とを有することを特徴とする画像形成装置。