JP2008262032A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードを光源とするバックライトにおいて、素子の温度変化により明るさが変化してホワイトバランスのダイナミックレンジが狭くなる問題があった。
【解決手段】バックライト３と光センサ５と液晶パネル１と制御回路部６１から構成されている。光センサからの検出信号を基にバックライトを発光制御するためのパルス幅変調比情報を算出し、前記光センサの検出信号から抽出した発光ピーク量を基にパルス幅変調比情報を補正し、前記パルス幅変調比情報を基にバックライトをフィードバック制御する。発光ダイオードの最大発光強度が変化しても補正制御するためにホワイトバランス調整のダイナミックレンジが狭くなるのを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示部の背面に光源が設置されたバックライト装置付きの液晶表示装置に関し、より特定的には上記光源として発光ダイオード光源を使用し、色度と明るさを適切に調整するバックライト装置付きの液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、一般的に液晶パネルとその背面に設置されたバックライトから構成される。液晶パネルの各表示画素ではセルの両端に電圧を印加することで液晶を駆動し、バックライトから放射された光を透過させて液晶パネル上に画像として表示させる。従来バックライトの光源としては蛍光ランプ、特に言えば薄型のバックライトユニット内に収納できるよう管径や電極が小型化された冷陰極型蛍光ランプが最も一般的であった。

冷陰極型蛍光ランプはガラス管内部に放電ガスや水銀が封入され、管両端内部に電極が配置された構造になっており、この電極間に７００Ｖｒｍｓ〜１０００Ｖｒｍｓ、３０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波交流電圧が印加されることによって放電が発生し、さらに水銀蒸気がこの放電分子より高いエネルギーを受け取り励起され、再び低エネルギー状態に遷移する際に紫外線を放射する。ガラス管内部には発光色別に赤色、緑色、青色と３種類の蛍光体が混合塗布されており、水銀蒸気から放射された紫外線をそれぞれ赤色、緑色、青色にピークを持つ可視発光に変換する。

テレビジョン受信機などに使用されるような大型の液晶表示装置のバックライトについては、この蛍光ランプを使用した物が非常に多いが、近年では発光ダイオードを光源として使用する事例があり、例えば特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載の液晶表示装置は、３原色である赤色、緑色、青色に発光ピーク特性を持つ複数の発光ダイオードから構成された構造を有している。

また図８にあるようにバックライトには光センサが設置されており、発光ダイオードの発光を電気信号に変換する役目を果たす。コントロール回路は光センサからの信号波形を取得して発光量を抽出する処理を行い、予めコントロール回路内に蓄積されている基準となる発光量と比較してフィードバック制御を行いバックライトの光量制御回路を通じて発光ダイオードを安定的に駆動する。

またコントロール回路は入力される映像信号をＲＧＢ別に解析して発光色毎の画像特性を抽出し、それに応じて液晶パネルの色毎の表示データを変更、かつバックライトを制御する。例えば、映像信号に含まれるＲ信号の輝度レベルが極端に低い場合はＲの光量が殆ど必要ないと判断され、赤色の発光ダイオード光量を低く抑えるように駆動する。このように制御することで実質的なダイナミックレンジが広がる。
特開２００５−２５８４０４号公報 特許第３０８１８６５号公報

上述したように、従来のバックライトでは放射光を光センサで検出してフィードバックすることで輝度および色度が安定化するように制御されていた。しかしながら、この従来型のバックライトでは以下のような課題が想定される。

バックライトを点灯することで経年変化が発生し、発光ダイオードの劣化が徐々に進行するという点である。発光ダイオードは発光色ごとにデバイスが異なることから、劣化の進行度合いもそれぞれ異なる。各発光ダイオードを基準電流で駆動した時の発光強度について測定すると、例えば５０００時間もの間点灯することにより青色の発光ダイオードだけが急速に劣化して、初期状態より発光強度が１０％低下するということは発生し得る。

また発光ダイオードの温度変化による影響も想定される。例えば２５℃程度の室温環境下において十分放置したバックライトを点灯した場合、発光ダイオードで消費される電力により発光ダイオード自身の接合温度が上昇し、同時にバックライト内部の温度も上昇する。さらに環境温度が４０℃に上昇した場合は、バックライトユニット内部の温度、発光ダイオードデバイスの接合温度もそれぞれ上昇するものと考えられる。このように様々な要因により発光ダイオードデバイスの接合温度は変化する。図９は、一つの素子に１Ａ程度の電流を流すことができる大容量タイプの発光ダイオードにおいて、接合部温度の温度に対する発光強度の変化を示したものである。接合部温度によって発光ダイオードの発光強度も大きく変化し、発光色別にその変化の度合いが大きく異なることがわかる。

さらに、図１０は、このような温度特性を持つ３原色の発光ダイオードを各発光色が一定の発光強度となるように駆動したときの変化を示している。発光ダイオードを基準電流で駆動した時の発光強度、即ち最大発光強度Ｒｍａｘ、Ｇｍａｘ、Ｂｍａｘが点灯直後（０時間経過後）に（Ｒｍａｘ、Ｇｍａｘ、Ｂｍａｘ）＝（３０、６０、２０）となるように設計されていたとする。また通常使用する標準発光強度が同様に（Ｒｔｙｐ、Ｇｔｙｐ、Ｂｔｙｐ）＝（１５、３０、１０）となるように各発光色の発光ダイオードを駆動する。このバックライトを点灯して発光が安定するまで継続的に点灯した場合、赤色の発光ダイオードのみが１０％低下して（Ｒ’ｍａｘ、Ｇ’ｍａｘ、Ｂ’ｍａｘ）＝（２７、６０、２０）と変化したとすると、標準発光強度も１０％低下し、（Ｒｔｙｐ、Ｇｔｙｐ、Ｂｔｙｐ）＝（１３、３０、１０）となろうとするが、フィードバックによる安定化駆動を行っているので、再び元に戻り、（Ｒｔｙｐ、Ｇｔｙｐ、Ｂｔｙｐ）＝（１５、３０、１０）となる。

そうすると赤色の発光ダイオードの発光強度範囲は点灯直後には標準発光強度Ｒｔｙｐ＝１５を基準として、上側に２倍となるＲ＝３０までとることができたが、発光が安定するまで点灯した場合、接合温度上昇により１．８倍のＲｔｙｐ＝２７まで青色のダイナミックレンジが狭くなったことになる。したがって赤色の混色比率の上限が低くなるため、ホワイトバランス調整を行う場合に低い色温度側の調整が出来ず、ダイナミックレンジが狭くなる。例えばテレビジョン受信機におけるバックライトを考えた場合、工場出荷前にホワイトバランス調整を行うが、バックライトの点灯時間や環境温度の変化によって色温度の低下が発生すると、映像表示の品位が大きく損なわれることに繋がる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ホワイトバランス調整のダイナミックレンジが狭くなるのを抑制し、良好な画質の液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、発光ダイオードと、前記発光ダイオードから構成されるバックライトと、前記バックライトの発光を検出する光センサと液晶パネルを有する液晶表示装置において、前記バックライトの発光を感知する光センサからの検出信号を基に前記バックライトをパルス幅変調し、かつ前記光センサの検出信号から抽出した発光ピーク量を基に前記パルス幅変調のパルス幅変調比情報を補正する補正回路を備えるように構成されている。

本発明の液晶表示装置では、バックライトの発光を感知する光センサからの検出信号を基にバックライトをパルス幅変調でフィードバック制御し、かつ光センサからの検出信号から抽出した発光ピーク量を基にパルス幅変調を補正することによって、環境温度或いは発光ダイオードの接合部温度の変化、更には発光ダイオード素子の劣化などによりホワイトバランス調整のダイナミックレンジが狭くなるのを防ぐことができ、テレビジョン受像機やモニタにおける液晶表示装置として高品位な表示を保つことが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図１から図７に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における液晶表示装置のブロック図であり、液晶パネル１、パネルドライバ２、バックライト３、バックライト駆動回路４１、光センサ５、制御回路部６１から構成される。パネルドライバ２は、映像信号を受け液晶パネル上に画像を表示するための表示信号に変換する。液晶パネル１は一対のガラス基板間に液晶材料層を持ち、格子状に形成された画素構造のそれぞれには電圧を印加するための電極が形成されている。それぞれの画素は３原色となる赤、緑、青の３色相当の副画素構造を有している。

図２はバックライト３内の構成を示している。液晶パネル１に直下には拡散板１０が設置され、さらにその下には３原色の発光ダイオード１１が直下式に設置されている。図１において、バックライト駆動回路は３原色発光ダイオードをそれぞれ独立にパルス幅変調駆動することができる。光センサは３原色である赤、緑、青にそれぞれ受光感度のピークを持つ特性であるフォトダイオードから構成される。

ここで、制御回路部６１についてより詳細に説明する。制御回路部６１は、パルス幅変調信号発生回路６１１と、基準ピーク量データメモリ６１２と、補正量算出回路６１３と、ピーク値抽出回路６１４と、基準発光量データメモリ６１５と、制御量算出回路６１６と、平均値抽出回路６１７から構成される。ピーク値抽出回路６１４および平均値抽出回路６１７では、光センサで感知された３原色それぞれの検出信号から発光ピーク値と発光量を抽出する機能を持つ。次に、制御量算出回路６１６は、平均値抽出回路６１７から発光量となるデータと受け、基準発光量データメモリから受けた基準発光量データと比較し、両者の差が小さくなるように制御をするためのパルス幅変調比情報を出力する。

さらに、補正量算出回路６１３は、ピーク値抽出回路６１４から受けた発光ピーク量データと、基準ピーク量データメモリ６１２から受けた基準ピーク量データとを基にパルス幅変調比情報を補正する。パルス幅変調信号発生回路６１１は、この補正されたパルス幅変調比情報を基にバックライトを駆動するためのパルス幅変調信号を生成する。

従来の液晶表示装置におけるバックライトは蛍光ランプを光源として使用することが一般的であった。蛍光ランプについては前述したように水銀から放射された紫外線を蛍光体にて可視発光に変換するのが特徴であるが、この蛍光体を発光の基材として使用していることで弊害が発生する。

この点について説明する。図３は蛍光ランプと発光ダイオードをそれぞれパルス幅変調駆動した時の発光波形である。この場合、パルス幅変調駆動を１８０Ｈｚとしたため１周期は５ｍｓである。蛍光ランプの発光波形は残光時間が長くパルス幅変調信号の波形に比べ残光成分のある波形になっている。

さらに、図４は、一般的な蛍光ランプの各発光色蛍光体の発光減衰プロファイルを示している。緑色蛍光体として一般的にＬａＰＯ４：Ｔｂ３＋という蛍光体が広く使用されているが、この蛍光体の残光時間は非常に長くおよそ７ｍｓである。一方、発光ダイオードは発光基材が半導体より構成されるダイオードであるため、蛍光体と比べて発光時間はかなり短い。つまり、図３の発光波形にあるようにパルス幅変調信号と比較しても立ち上りおよび立ち下がり時間は十分短く１ｍｓを大きく下回ることがわかる。

上記のように蛍光ランプと発光ダイオードをそれぞれパルス幅変調駆動した場合、発光ダイオードのピーク量は定常駆動時のピーク量と一致するのに対し、蛍光ランプはパルス幅変調駆動した場合、蛍光体の発光に時間がかかるため、十分発光波形が立ち上がらず、定常駆動時のピーク量には届くかない。

温度変化や素子劣化による発光強度の変化を見る場合、最大発光強度の相対変化を見ることで判るが、これは定常駆動時の発光ピーク量を検出すれば実現可能である。そうすると、本実施の形態においてバックライトの光源として蛍光ランプではなく発光ダイオードを使用して構成したことで、この発光ピーク量の抽出が発光量補正の基準として意味を持つことになる。

また本実施の形態における発光量の検出は光センサによって行なわれる。光センサは３原色の発光ダイオードに対応して、それぞれ対応する赤色、緑色、青色に受光感度ピークを持つ半導体光センサを使用する。

図５は補正量算出回路において行なわれる具体的な処理を図示している。一定の環境温度下においてバックライトが不点灯状態で一定時間放置し、点灯させると同時に光センサの検出信号から発光ピーク量を抽出し、これを基準発光ピーク量（Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ）とする。この基準発光ピーク量はデータとして基準発光ピーク量データメモリに保存し、必要に応じて取り出し補正処理に使用する。また目標となる標準的な発光量（Ｒｔｙｐ，Ｇｔｙｐ，Ｂｔｙｐ）も予め決定しておき、基準発光量データメモリに保存しておき、発光量のフィードバック制御の目標値として使用する。このような条件の下で、バックライトを点灯すると、時刻ｔにおいて検出信号の発光ピーク量はその時の温度条件に応じて（Ｒｐ（ｔ），Ｇｐ（ｔ），Ｂｐ（ｔ））となる。仮に基準発光ピーク量を決定した時と同じ温度条件であれば、（Ｒｐ（０），Ｇｐ（０），Ｂｐ（０））＝（Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ）となるはずである。

さらに時刻ｔにおいては発光ダイオードの自己発熱により接続温度は上昇し、図９で説明したように各発光色の発光ダイオードの明るさが変化する。例えば赤色の発光ダイオードは明るさが大きく低下し、緑色の発光ダイオードは赤色ほどでは無いものの明るさが低下する。青色の発光ダイオードについては温度による変化は少ない。

この時、発光量（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が標準的な発光量（Ｒｔｙｐ，Ｇｔｙｐ，Ｂｔｙｐ）となるようフィードバック制御した場合、各発光色の発光量のダイナミックレンジは変化する。特に、赤色は最も明るさが低下するため、標準発光量に対して上側の範囲が狭くなる。

そこで本実施の形態では、基準発光ピーク量に対して最も発光ピーク量が減少した発光色に注目し、各発光色の目標とする発光量をその低下率だけ下げた発光量とする。即ち、発光ピーク量と基準発光ピーク量の比（Ｒｐ（ｔ）／Ｒｐ，Ｇｐ（ｔ）／Ｇｐ，Ｂｐ（ｔ）／Ｂｐ）の中で最も小さいものを補正係数ｘとし、発光量（Ｒ，Ｇ，Ｂ）が基準発光量と補正係数ｘとの積に近づくようにフィードバック制御する。このように制御することで各発光色の発光ダイオードにおいて明るさのダイナミックレンジが狭くなることはない。したがって同時にホワイトバランス調整時のダイナミックレンジが狭くなることなく制御することが可能である。

上記の場合は、ダイナミックレンジが狭くなることは防げるものの、発光量（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の変化を伴うことになる。そこでホワイトバランス調整においてダイナミックレンジが要求されない場合を想定するならば、上記の補正係数は常時ｘ＝１と設定しておき、発光量が（Ｒ，Ｇ，Ｂ）＝（Ｒｔｙｐ，Ｇｔｙｐ，Ｂｔｙｐ）となるようにフィードバック制御することが可能である。このように制御した場合、温度変化や素子劣化によるピーク発光量の低減によりダイナミックレンジが狭くなることが予想されるが、バックライトの明るさが損なわれることはない。

このように本実施の形態は、バックライトの明るさ補正を行なうものである。バックライトの明るさ補正を行なう方法としては、例えば特許文献２に記載されているように、予め発光ダイオードの特性に関するデータを蓄積しておき、そのデータを基に表示の明度を定常的に補正するというものがある。これに対して、本実施の形態は、この特許文献２とは異なり、温度条件や素子劣化によって変化した明るさを、光センサからの検出信号から抽出することで随時に補正を更新することが出来る点である。この面で様々な環境温度や長期間に渡る素子劣化が発生しても精確な補正を行なうことが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態２は以下の要件を除けば実施の形態１と同じである。実施の形態１ではバックライト３において発光ダイオード１１が直下式に配置されていたが、本実施の形態２においては、図６に示すように、液晶１パネル直下に導光板８が配置され、その端部には発光ダイオード１１が設置され、導光板の背面には反射シート９が設置される。発光ダイオードから放射された発光は導光板に入射され、進行と反射を繰り返す内に３原色の光が混色されて白色光となりバックライト上部に放射される。

このように導光板を使用してバックライト端部から発光ダイオードの発光を入射するのは混色の面で非常に効果があり、輝度あるいは色度のムラが少ないバックライトを実現する上で有効な方法である。またこのようにムラが少ないバックライトを使用することで、さらに輝度や色度を精確に制御することが可能であるため、ホワイトバランス調整のダイナミックレンジもより広く取ることが可能となる。

（実施の形態３）
本実施の形態３は以下の要件を除けば実施の形態１と同じである。本実施の形態３においては、図７に示すように、バックライト３において複数の発光領域１２に分割し、それぞれは独立に制御することが出来る。各発光領域１２内には実施の形態１と同様に複数の発光ダイオードが直下式に配置され、またそれぞれ光センサが設置されており、各発光領域毎の発光を感知する役割を果たす。実施の形態１で説明した発光量の制御についても、本実施の形態においては各発光領域毎の光センサの検出信号を基に発光ピーク量を抽出し、発光量の補正制御を行う。

このように分割されたそれぞれの発光領域において光センサで検出して補正制御を行うことで、狭い発光領域ごとに補正ができるためより精確に輝度や色度を制御することが可能である。したがってホワイトバランス調整のダイナミックレンジもより広く取ることが可能となる。

本発明の液晶表示装置は、このような実施形態をとることで、発光ダイオードの明るさが温度や素子の劣化により変化した場合でも、ダイナミックレンジを保持することができる。したがって液晶表示装置としてホワイトバランス調整を行うときのダイナミックレンジも保持することが可能となる。輝度や色度が広く調節される用途が多い液晶テレビなどの機器に有用である。

本発明の液晶表示装置の構成を示すブロック図 本発明のバックライト構成を示す図 パルス幅変調駆動時の発光ダイオードと蛍光ランプの発光プロファイルを示す図 蛍光ランプにおける発光減衰プロファイルを示す図 本発明の発光強度の補正処理を示す図 本発明のバックライト構成を示す図 本発明のバックライト構成を示す図 従来の液晶表示装置の構成を示すブロック図 発光ダイオードにおける発光強度の接合温度特性を示す図 従来の発光ダイオードにおけるダイナミックレンジの変化を示す図

符号の説明

１ 液晶パネル
２ パネルドライバ
３ バックライト
４１ バックライト駆動回路
４２ バックライト光量制御回路
５ 光センサ
６１ 制御回路部
６１１ パルス幅変調信号発生回路
６１２ 基準ピーク量データメモリ
６１３ 補正量算出回路
６１４ ピーク値抽出回路
６１５ 基準発光量データメモリ
６１６ 制御量算出回路
６１７ 平均値抽出回路
６２ コントローラ
７ 表示データ変更回路
８ 導光板
９ 反射シート
１０ 拡散板
１１ 発光ダイオード

Claims (8)

1. 発光ダイオードと、前記発光ダイオードから構成されるバックライトと、前記バックライトの発光を検出する光センサと液晶パネルを有する液晶表示装置において、
   前記光センサからの検出信号を基に前記バックライトを発光制御するためのパルス幅変調比情報を出力する制御量算出回路と、前記光センサの検出信号から抽出した発光ピーク量を基に前記パルス幅変調比情報の補正量を算出する補正量算出回路と、前記制御量算出回路から出力されるパルス幅変調比情報からパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調信号発生回路と、前記パルス幅変調信号を基に前記バックライトを発光制御するバックライト駆動回路とを備えることを特徴とする液晶表示装置。
2. 発光ダイオードと、前記発光ダイオードから構成されるバックライトと、前記バックライトの発光を検出する光センサと液晶パネルを有する液晶表示装置において、
   前記バックライトの発光を感知する光センサからの検出信号を基に前記バックライトをパルス幅変調し、かつ前記光センサの検出信号から抽出した発光ピーク量を基に前記パルス幅変調のパルス幅変調比情報を補正する補正回路を備えることを特徴とする液晶表示装置。
3. 前記バックライトは３原色の発光ダイオードから構成されていることを特徴とする請求項１乃至２に記載の液晶表示装置。
4. 各発光色の発光ダイオード毎に予め決定されている基準発光ピーク量（Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ）と光センサの検出信号から抽出した発光ピーク量（Ｒｐ（ｔ），Ｇｐ（ｔ），Ｂｐ（ｔ））との比（Ｒｐ（ｔ）／Ｒｐ，Ｇｐ（ｔ）／Ｇｐ，Ｂｐ（ｔ）／Ｂｐ）の内で最も小さいものを補正係数ｘとし、光センサの検出信号から抽出した発光量が予め決定されている基準発光量と前記補正係数との積に近づくようにフィードバック制御することを特徴とする請求項１乃至３に記載の液晶表示装置。
5. 一定の環境温度下において前記バックライトが不点灯の状態で一定時間放置し、点灯させると同時に前記光センサの検出信号から抽出した発光ピーク量を前記基準発光
   ピーク量とすることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 前記発光ダイオードは前記バックライトの端部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の液晶表示装置。
7. 前記発光ダイオードは前記バックライトにおいて前記液晶パネルの直下に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の液晶表示装置。
8. 前記バックライトが複数の発光領域に分けられ、それぞれ別々に発光制御が可能であることを特徴とする請求項１乃至７に記載の液晶表示装置。

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