JP2007293360A - 表示装置および表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
反射型液晶では独自のフィールド単位での交流化処理によりフリッカが目立ちやすい。
【解決手段】
表示フィールド周波数Fvはフリッカを発生させない周波数（例えば１００Ｈｚ以上）とし、Fv／２は実用上十分なフリッカ感度の領域（５０〜６０Ｈｚ以上）とする。また滑らかな動きを実現するため、入力信号のフィールド周波数に対してFvを整数倍の周波数に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、映像信号の表示装置に係わり、反射型液晶表示素子などを画素単位で制御して入力信号に対応した映像を光学的に表示する表示装置に関する。

液晶などを画素単位で制御して入力信号に対応した映像を光学的に表示する表示装置の代表的なものに、液晶プロジェクタがある。液晶プロジェクタは、入力信号に応じて画素単位で透過率や反射率の制御可能な液晶パネルをＲ，Ｇ、Ｂそれぞれ独立に持ち、Ｒ、Ｇ、Ｂ光源に対して出射光量を画素単位で制御することによりスクリーン上にカラー画像を表示するものである。

光の出射量を画素単位で制御する素子（以下光学制御素子）としては、従来からの透過型液晶、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）に加え、反射型液晶などがそれぞれの用途により使い分けられている。

反射型液晶は高開口率化が容易であること、同一チップ上に周辺回路が組み込める、また通常の半導体プロセスと同様に作成できるため低コスト化可能などのメリットがあり注目されている。

これら液晶プロジェクタのカラー表示方法としては、Ｒ、Ｇ、Ｂの3つの独立した光源を持つ場合もあるが、白色光源からダイクロイックミラーなどにより分光して生成する構成が多く、さらにＲ，Ｇ，Ｂの独立した表示素子により画素単位で出射光量が制御された後、光学的に再合成され1系統の投射レンズでスクリーン上に表示する構成が多く用いられている。

また、これらの表示装置には表示部のスクリーン裏側から投影する背面投射型の表示装置や、表示装置には表示部を持たず表示装置の投射レンズから外部のスクリーンに映像信号を表示する前面投射型の表示装置などがある。いずれも表示部（スクリーン）において画素単位でＲ，Ｇ，Ｂ出射光を光学的に合成して表示を行う構成である。

反射型液晶を用いた表示装置では、後述するように、表示画像にフリッカーが出やすい問題があった。このフリッカーを解決するため従来の装置では現象のみを把握するのみで、単に表示デバイスの垂直走査（フィールド）周波数を９０Ｈｚ程度に変換して表示を行っていた。一方液晶などの画素数が固定した表示デバイスでは、用いる液晶の画素数に合致した映像信号のみしか表示できないため、これ以外の画素数の映像信号が入力された場合には、表示可能な液晶の画素数に変換して表示する必要がある。

たとえば表示素子に水平８００画素、垂直６００ラインの液晶素子を用いた場合には、水平８００×垂直６００のＳＶＧＡ信号は変換することなく表示可能であるが、これ以外の解像度たとえば水平６４０×垂直４００のＶＧＡ信号や水平１０２４×垂直７６８のＸＧＡ信号が入力された際には拡大縮小処理を行い画素数を表示可能な水平８００×垂直６００画素に変換する必要がある。

すなわち表示画素数変換のための拡大縮小処理とフィールド周波数変換の２つの処理を行う必要があった。両者を同時に行うことは非常に複雑な処理となり、このため従来の装置ではフィールド周波数変換の上限周波数は、ＳＸＧＡ（水平１２８０×垂直１０２４）などの高い解像度の信号では９０Ｈｚ程度に制限されていた。

このフィールド周波数変換の機能は反射型液晶を用いた場合のみに必要な機能であり、一般の透過型液晶やＤＭＤでは６０Ｈｚ〜７５Ｈｚのフィールド周波数でフリッカのない表示が可能である。しかし反射型液晶による表示装置では、後述する検討結果により、９０Ｈｚでも不十分でありこれ以上にフィールド周波数を上昇させることが望ましい。

本発明では、反射型液晶を用いて良好な画質が表示可能な表示装置を実現するため以下の手段を用いた。
１.入力映像信号の表示フィールド周波数を２倍以上の周波数に変換し、変換後の映像信号のフィールド周波数の1/2を５０Ｈｚ以上となるようにした。
２．拡大縮小処理を行う信号処理回路と、フィールド周波数を変換する信号処理回路の２つに機能を分割し、２つのステップで表示信号を処理する構成とした。
３．最初に拡大縮小処理回路により拡大縮小処理を行い、次にフィールド周波数回路によりフィールド周波数の変換を行う。
４．拡大縮小処理回路では、入力信号が50Ｈｚ、59.94Ｈｚ〜60Ｈｚである場合には入力映像信号と同一の周波数で出力し、これ以外の周波数である場合には所定の周波数（例えば60Ｈｚ）に変換して出力する。
５．フィールド周波数変換回路は、主にフィールド周波数の変換処理のみを行い、入力フィールド周波数の２倍などの整数倍のフィールド周波数に変換を行う。

本発明によれば、フリッカー妨害の目立ちやすい反射型液晶を用いた表示装置において、フリッカのない、動きの不連続のない高画質の表示を行うことができる。

本願の発明者の検討により明らかにした、本願発明で用いる反射型液晶表示素子におけるフリッカ発生のメカニズムについて、図1、図２を用いて説明する。

図１（ａ）は入力映像信号の振幅波形を示しており、フィールド周波数Fv＝60Ｈｚの信号の全面白色信号を入力した場合を示している。図１（ｂ）は反射型液晶への駆動電圧を示している。図１（ｂ）に示すように反射型液晶では、印加電圧を基準電位に対しフィールド単位で反転させるよう構成されている。これは、同一パターンを長時間表示したとき残像が発生するいわゆる焼き付き現象を低減させるため、このような交流化処理を施し駆動する構成となっている。従来の透過型液晶ではこの交流化処理の周期がライン単位あるいは画素単位であったのに対し、反射型液晶ではフィールド単位での交流化処理が行われている点に大きな特徴がある。図１（ｂ）の駆動波形による発光量（反射型液晶の反射率）を図１（ｃ）に示す。なお図1（ｃ）は垂直走査によらず画面上の固定点での輝度変化を取ったものである。図１（ｃ）に示されるように、発光量の変化はフィールド毎に等しい波形とならず、フィールド単位での交流化処理の影響を受けることにより、フィールド毎交互に異なる２つの発光パタンを繰り返している。本来、フィールド毎に等しい発光パタンとなればフィールド周波数Fv＝60Ｈｚの整数倍の周波数成分のみが発生するが、この発光パターンの歪が交互に現れることによって、Fv＝60Ｈｚのフィールド周波数であっても、フィールド周波数の１/２の30Ｈｚ＝（Fv／２＝60／２）の周波数成分が現れる。

フリッカー妨害の影響は古くから臨界融合周波数として知られており、５０〜６０Ｈｚ程度で実用十分なレベルに妨害が低下し、80〜100Ｈｚ程度とすることで検知限以下にできることが知られている。従来の装置ではこのフリッカ感度特性に応じて、表示フィールド周波数を６０〜７０Ｈｚとすることによりフリッカ妨害を低減させていた。またフリッカ妨害の出にくい表示を実現するためには必要に応じてさらに表示フィールド周波数をあげて例えば７５Ｈｚあるいは８０Ｈｚで表示が行われていた。反射型液晶を用いた表示装置では、フィールド単位での交流化処理の影響によりフィールド周波数の１/２(Fv/2)の成分も考慮する必要がある。

図２にフリッカ感度特性と周波数成分のエネルギーの関係を示す。図２の横軸は周波数である。

図２（ａ）はフィールド周波数Fv=60Ｈｚで表示を行う場合の表示信号のスペクトル分布と、フリッカ感度特性を示したものである。表示フィールド周波数Fv=60Ｈｚ の成分はフリッカ感度の低い領域にあるため60Ｈｚ成分のフリッカは実用十分なレベルとなるが、反射型液晶固有の30Ｈｚ（＝Fv／2）のフリッカが、感度の高い領域にあり、全体としてフリッカ妨害の大きい表示画像となる。

図２（ｂ）はフィールド周波数をFv=90Ｈｚに上昇させて表示した場合を示したもので、45Ｈｚ（＝Fv/2）のフリッカがフリッカ感度に応じて検知されることがわかる。

図２（ｃ）はフィールド周波数をさらにFv=120Ｈｚに上昇させて表示した場合を示したもので、60Ｈｚ（＝Fv/2）のフリッカが存在するが、フリッカ感度の低い領域であり、全体として検知限以下にフリッカ妨害を低減させることができる。

フリッカの少ない高画質な表示を行うためには、図２から分かるように、フィールド周波数Fvのみでなく、Fv／２においてもフリッカを発生させない周波数であることが望ましい。しかしこの条件では、フィールド周波数Fvを２００Ｈｚ以上に変換しなければならず、現行のシステムの大幅な変更が必要となるため、実現困難である。そこで、フィールド周波数Fvはフリッカを発生させない周波数（例えば１００Ｈｚ以上）であり、Fv／２はエネルギーが少ないため実用上十分なフリッカ感度の領域（５０〜６０Ｈｚ以上）とすればよい。以上から反射型液晶の表示周波数は１００〜１８０Ｈｚ、すなわちフィールド周波数を２〜３倍に変換することが望ましい。

以上からフィールド周波数を１００Ｈｚ以上とすることで、表示フィールド周波数成分Fvにおいて発生するフリッカは検知限以下とすることができ、反射型固有の交流化処理に伴う表示フィールド周波数の１/２(Fv/2)の成分も実用上十分なフリッカ感度の領域とすることができ極端な回路規模システムの変更・増大なく、高画質の表示装置を実現することができる。

またフィールド周波数の変換は、入力信号のフィールド周波数に対して１、２、３、・・・倍のように倍数になっていることが好ましく、整数倍に設定することで、同一フレームの映像内容を、倍率に応じて１回、２回、あるいは３回繰り返して出力することによりフィールド周波数の変換が容易に可能となる。しかしながら、ｎ/ｍ倍（ｎ、ｍは整数）としても、例えば３/２倍の場合には、入力の第一フィールドを２回出力し、入力第２フィールドを３回出力し、入力第３フィールドを２回出力するといったように、同一フレーム内容が２回、３回、２回、３回、２回、・・・・と繰り返される。この結果表示画像は滑らかな動きが多少損なわれるものの、実用上問題の無い動画像を得ることが出来る。

以下本発明の具体的な実施の形態につき、主として８００×６００（ＳＶＧＡ相当）画素の反射型液晶を光学制御素子として用いた表示装置を実現する構成につき図を用いて説明する。

図３は本発明の実施形態を示す背面投射型表示装置の構成図である。

図３において、１０１、１０２、１０３は映像信号の入力端子、１０４は同期信号の入力端子、２０１、２０２、２０３はＡ／Ｄ変換回路、３は入力信号の形態を変更したり拡大縮小処理により画素数を変換する拡大縮小処理回路、３０１は拡大縮小処理回路３内部に設けられたメモリ、４はフィールド周波数変換回路、４０１はフィールド周波数変換回路４内部に設けられたメモリ、７は制御回路、５０１、５０２、５０３は液晶パネルを駆動するための駆動回路、６は光学合成部、１１、１２、１３、は光学合成部６の内部に設けられた液晶パネル、８は表示スクリーン、９は本発明の表示装置である。

入力端子１０１、１０２、１０３からはＲ、Ｇ、ＢあるいはＹ、Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙなどのカラー映像信号が入力される。入力端子１０４には水平垂直の同期信号が入力される。制御回路７では入力端子１０４から入力された同期信号に基づいて基本クロックや各部への制御信号が生成される。Ａ／Ｄ変換回路２０１、２０２、２０３は入力端子１０１、１０２、１０３から入力された映像信号をディジタル信号に変換する。拡大縮小処理回路３はＡ／Ｄ変換回路２０１、２０２、２０３でディジタル信号に変換された映像信号の信号形態および解像度を内部に設けられたメモリ３０１を用いて変換するいわゆるスキャンコンバータである。端子１０１、１０２、 １０３から入力された種々の形態の映像信号は拡大縮小処理回路３により、ＲＧＢ形式の水平８００画素、垂直６００ライン、フィールド周波数６０Ｈｚの信号ＲＩ、ＧＩ，ＢＩに変換される。フィールド周波数変換回路４は内部に設けられたメモリ４０１を用いてフィールド周波数をＲＩ、ＧＩ，ＢＩの２倍の１２０Ｈｚに変換しＲ，Ｇ，Ｂの光学制御素子を制御するための表示信号Ｒo、Ｇo、Ｂoを生成する。駆動回路５０１〜５０３は反射型液晶パネル１１、１２、１３を駆動するために必要な電圧やタイミングに信号を変換する。液晶パネル１１、１２、１３はいずれも水平８００画素、垂直６００ラインの反射型液晶パネルである。光学合成部６は液晶パネル１１、１２、１３によりＲ，Ｇ，Ｂの光源を制御し、スクリーン８に光学的に合成し入力信号の表示を行う。

以上のような構成により、水平８００画素、垂直６００ラインの反射型液晶パネル垂直走査周波数１２０Ｈｚで駆動し入力信号を表示することができる。

次に本発明による前面投射型表示装置の構成につき図４を用いて説明する。

図４において、１０は光学合成部６に設けられた出射レンズ、８は表示装置外部に設けられた表示スクリーン、９は本発明の表示装置である。その他は図３と同一である。

図３に示した構成例は、表示装置と表示スクリーンが一体となった背面投射型の表示装置であるのに対し、図４の構成は光学合成部６に設けられた出射レンズ１０より、外部に設けられた表示スクリーン８に投影する前面投射型の表示装置である点が異なっており、他の構成は同じである。

以上のように光学合成部の構成により、背面投射あるいは前面投射の表示装置いずれへも本発明を適用することができる。なお、光学合成部の必要に応じて、表示映像信号の左右、上下反転などの処理は、駆動回路５０１〜５０３あるいは拡大縮小回路３において所望の反転処理を行う構成とすればよい。

図３あるいは図４に示した構成とすることで、拡大縮小処理回路３は、拡大縮小のみを行い、フィールド周波数変換回路４は、フィールド周波数の変換のみを行うことになり、それぞれの機能が単純化することになり、両者を1ステップで行う場合に比較して回路を小型化できる。また従来の1ステップで変換を行う場合に比較してより高いフィールド周波数への変換が可能となる。これまで若干フリッカが検知されていた９０Ｈｚより高い例えば１２０Ｈｚへフィールド周波数を変換させることにより、フリッカをほとんど感じない程度に高画質化させることができる。

また、使用する光学制御素子が、反射型液晶の場合には拡大縮小処理回路３とフィールド周波数変換回路４とを組み合わせて用い、フィールド周波数を高くする必要のない透過型液晶やＤＭＤを光学制御素子として用いる場合には拡大縮小処理回路３を単独で用いればよく拡大縮小処理回路３の汎用性を高めることができる。汎用性が高い回路が実現されることにより類似の表示装置などでも拡大縮小処理回路３を使用することができるようになり、使用数量増大により開発コストを低減させる経済的効果がある。

また、拡大縮小処理回路が、入力映像信号が50Ｈｚあるいは59.94〜60Ｈｚである場合には入力映像信号と同一の周波数でＲＩ，ＧＩ，ＢＩを出力することにより、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ、ＮＴＳＣなどのＴＶ放送に基づく動画像信号である場合にはフィールドの欠落や重複などの不連続のない映像信号の表示が可能である。これ以外の入力信号のフィールド周波数は、コンピュータからの静止画像が主な信号と判断し、予め定められた60Ｈｚのフィールド周波数で出力する構成となっている。このフィールド周波数による周波数変換切換部の具体的な構成を図５を用いて説明する。

図５において、７０１は図３、図４に示す端子１０４から入力される映像信号の垂直同期信号の周期を計測しこの周期が50Ｈｚあるいは59.94〜60Ｈｚである場合を判定する検出判定回路、７０２は端子１０４から入力される映像信号の水平同期信号に基づきクロックを生成するＰＬＬ回路、７０３は予め定められた固定周波数で発振する発振回路、７０４は切換え回路である。これら７０１〜７０４はすべて図３、図４に示す制御回路７内部に設けられている。

検出判定回路７０１において、端子１０４から入力される映像信号の垂直同期信号の周期を計測しており、この周期が50Ｈｚあるいは59.94〜60Ｈｚである場合には切換え回路７０４を切換え、ＰＬＬ回路７０２からのクロック信号を拡大縮小処理回路３のメモリ読み出しクロックＲckとして出力する。これにより出力ＲＩ，ＧＩ，ＢＩのフィールド周波数を入力映像信号のフィールド周波数と一致させることができる。また、検出判定回路７０１が垂直同期信号の周期が50Ｈｚあるいは59.94〜60Ｈｚ以外であると判定した場合には固定周波数の発振回路７０３からのクロックを切換え回路７０４を介してＲckとして出力する。これによりＲＩ，ＧＩ，ＢＩは60Ｈｚのフィールド周波数として出力される。

この後フィールド周波数変換回路４において、ＲＩ，ＧＩ，ＢＩの１フィールドの画像を時間軸を１/２に短縮して２回ずつ出力させることによりフィールド周波数を２倍に変換することで、動画像の滑らかな動きを崩すことなく高画質の表示が可能となる。また入力信号が50ＨｚのＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ方式に基づく動画像の場合には、入力フィールド周波数の３倍の周波数１５０（＝50×3）Ｈｚに変換して表示するものであってもよい。

反射型液晶の発光量の時間的変化を説明する説明図である。 反射型液晶の表示画像の周波数スペクトルとフリッカの関係を説明する説明図である。 本発明の背面投射型表示装置の実施形態を示すブロック図である。 本発明の前面投射型表示装置の実施形態を示すブロック図である。 本発明の制御回路７の一部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１、１０２、１０３、１０４…入力端子
２０１、２０２、２０３…Ａ／Ｄ変換回路
３…拡大縮小処理回路
４…フィールド周波数変換回路
５０１、５０２、５０３…駆動回路
６…光学合成部
７…制御回路
７０１…検出判定回路
７０２…ＰＬＬ回路
７０３…発振回路
７０４…切換え回路
８…表示部（スクリーン）
９…表示装置
１０…出射レンズ
１１、１２、１３…光学制御素子

Claims (8)

1. 反射型液晶表示素子を用いた表示装置であって、
   入力映像信号のフィールド周波数を２倍以上の周波数に変換し、変換後の映像信号のフィールド周波数の１/２を５０Ｈｚ以上とするフィールド周波数変換回路と、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする表示装置。
2. 反射型液晶表示素子を用いた表示装置であって、
   入力映像信号のフィールド周波数を２倍以上で３倍以下の周波数に変換し、変換後の映像信号のフィールド周波数の１/２を５０Ｈｚ以上とするフィールド周波数変換回路と、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする表示装置。
3. 反射型液晶表示素子を用いた表示装置であって、
   入力映像信号のフィールド周波数をｎ/ｍ倍（ｍ、ｎは整数）の周波数に変換し、変換後の映像信号のフィールド周波数の１/２を５０Ｈｚ以上とするフィールド周波数変換回路と、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする表示装置。
4. 反射型液晶表示素子を用いた表示装置であって、
   入力映像信号のフィールド周波数を検出する検出回路と、
   検出されたフィールド周波数が、所定の周波数範囲であるか否か判定する判定回路と、
   上記判定結果に基づいて、入力映像信号のフィールド周波数を２倍以上の周波数への変換と、所定のフィールド周波数への変換とを切換えて動作するフィールド周波数変換回路と、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする表示装置。
5. 反射型液晶表示素子を用いた表示方法であって、
   入力映像信号のフィールド周波数を２倍以上の周波数に変換し、変換後の映像信号のフィールド周波数の１/２を５０Ｈｚ以上とするフィールド周波数変換ステップと、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動ステップとを有することを特徴とする表示方法。
6. 反射型液晶表示素子を用いた表示方法であって、
   入力映像信号のフィールド周波数を２倍以上で３倍以下の周波数に変換し、変換後の映像信号のフィールド周波数の１/２を５０Ｈｚ以上とするフィールド周波数変換ステップと、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動ステップとを有することを特徴とする表示方法。
7. 反射型液晶表示素子を用いた表示方法であって、
   入力映像信号のフィールド周波数をｎ/ｍ倍（ｍ、ｎは整数）の周波数に変換し、変換後の映像信号のフィールド周波数の１/２を５０Ｈｚ以上とするフィールド周波数変換ステップと、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動ステップとを有することを特徴とする表示方法。
8. 反射型液晶表示素子を用いた表示方法であって、
   入力映像信号のフィールド周波数を検出する検出ステップと、
   検出されたフィールド周波数が、所定の周波数範囲であるか否か判定する判定ステップと、
   上記判定結果に基づいて、入力映像信号のフィールド周波数を２倍以上の周波数への変換と、所定のフィールド周波数への変換とを切換えて動作するフィールド周波数変換ステップと、
   上記変換後の映像信号に基づき上記反射型液晶表示素子を駆動する駆動ステップとを有することを特徴とする表示方法。

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