JP2009069468A - 画像表示装置および画像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高ダイナミックレンジ、高階調、広色域の画像表示が可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の画像表示装置（液晶表示装置１）は、複数のサブ画素を有する光学変調素子（液晶表示素子４）と、複数の光源を有する照明装置（バックライト５）と、各サブ画素毎の階調度に応じて各光源の制御値を設定する光源制御値設定部（バックライト制御値決定部７）と、光学変調素子の所定の分割領域に設けられ、当該サブ画素に照射された色光を検出する光センサ６と、光センサの検出結果から所定の分割領域における各色光毎の照度を検出する照度検出部（バックライト照度検出部１０）と、照度検出部の検出結果から各サブ画素毎の階調度を補正処理し、補正された補正階調度により光学変調素子を制御する階調度制御部（ＬＣＤ画素制御値決定部１１）と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置および画像表示方法に関し、特に高階調表示に好適な画像表示装置および画像表示方法に関するものである。

近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の電子ディスプレイ装置における画質改善は目覚ましく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能を有する装置が実現されつつある。しかしながら、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は１〜１０^２［nit］程度の範囲であり、また階調数は８ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジの範囲が１０^−２〜１０^４［nit］程度あり、また輝度弁別能力は０．２［nit］でこれを階調数に換算すると１２ビット相当といわれている。このような視覚特性を経由して現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため、視聴者は表示画像のリアリティや迫力に対して物足りなさを感じることになる。

また、映画やゲーム等で使用されるＣＧ（Computer Graphics）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を表示データ（以下、ＨＤＲ（High Dynamic Range）表示データという）に持たせて描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。ところが、それを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているため、ＣＧコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。
さらに、新たなＯＳ（Operating System）においては、各色１６ビットもしくは３２ビット色空間が採用されており、従来の８ビット色空間と比較してダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大している。そのため、１６ビット色空間を生かすことができる高ダイナミックレンジ、高階調の電子ディスプレイ装置の実現への要求が高まると予想される。

この種の電子ディスプレイ装置において、輝度ダイナミックレンジの範囲を広げるための各種の提案がなされている。
例えば、調光が可能な光源を液晶表示デバイスのバックライトとして用い、領域毎に異なる照度分布を、映像信号（画像データ）の照度分布に対応した形にて生成することにより、映像空間の高ダイナミックレンジ化、高階調化、省電力化を実現する構成が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４参照）。
上記各特許文献において重要な点は、バックライトの照度により液晶表示デバイスにおける各画素の制御値（例えば、液晶素子の透過率を制御する電圧値）が設定されることである。したがって、液晶表示デバイスにおける画素毎にバックライトの照度の算出または検出を行う必要がある。しかしながら、上記各特許文献においては、画素毎のバックライトの照度の算出が基本的にオープンループ処理にて行われている。

すなわち、上記画素毎のバックライトの照度に、予め測定しておいた数値を元にした予測値を用いており、個々のバックライトを段階的な輝度、すなわち制御ステップに設定した場合における各々の照度分布を、計算式またはテーブルとしてメモリに対して予め記憶させる。そして、バックライトをある輝度に設定した際、その輝度に対応した光が照射された領域の照度分布を上記計算式による計算、あるいはテーブルから読み出し、そこから得られる照度値を各画素における照度値として用いている。
特開２００２−９９２５０号公報 特表２００５−５２０１８８号公報 特開２００４−３１７８９５号公報 特開２００５−２５８４０３号公報

ところで、上記特許文献の方法では、画像全面を「白」表示とするなどの一様な表示を行った場合、輝度のムラや疑似輪郭を生じさせないようにするため、個々の光源からの光による照度分布がガウス分布のようにある程度ブロードであり、かつ、各光源の照度分布が重なっていることが望ましい。
ここで、ある画素に注目した場合、この画素に対する照度に影響を与える全ての光源の照度分布を考慮して、画素に対する実際の照度を求める必要がある。

この点を考慮すると、上記特許文献の方法では、各光源の照度分布情報等が非常に複雑でデータ量が多くなり、照度分布を演算により求める場合には、演算に用いる回路や処理時間が大きくなり、予め計算したものを記憶し、読み出す場合には、上記照度分布情報に対応した各画素の照度データを蓄積するメモリ量が大きくなる、という問題がある。
特に、上記特許文献の方法は、演算の処理時間が大きくなったり、各画素の照度をメモリから読み出す時間がかかるため、リアルタイムに各画素の照度を計算することが困難であり、動画像を表示することができない。
また、上述した演算処理の時間やメモリ量は、光源の数や光源の輝度の制御ステップ数が増加するにつれ、指数関数的に増加することとなる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光源の数や光源の輝度の制御ステップ数が増加しても演算処理時間やメモリ量を増加させることなく、従来に比して高速かつ簡易な回路によって照度分布を求めることで、高ダイナミックレンジ、高階調、広色域の画像表示が行える画像表示装置および画像表示方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、異なる色の色光をそれぞれ変調する複数のサブ画素からなる画素を表示領域内に複数有する光学変調素子と、前記異なる色の色光を含む光を前記光学変調素子に向けて射出し、前記色光の輝度がそれぞれ独立に制御可能な複数の光源を有する照明装置と、入力される画像信号の各サブ画素毎の階調度に応じて前記複数の光源の各々の制御値を設定する光源制御値設定部と、前記光学変調素子の前記表示領域内を分割した所定の分割領域において各色に対応するサブ画素毎に少なくとも一つ設けられ、当該サブ画素に照射された色光を検出する光センサと、前記光センサの検出結果に基づいて前記所定の分割領域における各色光毎の照度を検出する照度検出部と、前記照度検出部の検出結果に基づいて前記各サブ画素毎の階調度を補正処理し、補正された補正階調度により前記光学変調素子を制御する階調度制御部と、を備えたことを特徴とする。

すなわち、本発明の画像表示装置は、従来例のように各サブ画素に照射される光の照度を演算で求めたり、あるいはメモリに記憶されている数値を読み出すのではなく、光センサにより光の照度を直接検出するものである。そのため、複雑な演算や大容量のメモリを設けることなく、従来に比べて高精度かつ高速に各画素に対応する照度を得ることができ、リアルタイムに各サブ画素の階調度を演算することができる。よって、動画像に対しても適用が可能である。
本発明の画像表示装置では、入力される画像信号の各サブ画素毎の階調度に応じて各光源を制御し、各色毎のサブ画素に実際に照射されている色光の照度を測定し、測定された照度に応じて各サブ画素に対応する画像信号の階調度を補正して、補正階調度に対応するように階調度の微調整を行う。そのため、従来に比べてより高い精度のカラー画像表示を行うことができ、ダイナミックレンジを広く取ることが可能となる。

また、本発明の画像表示装置によれば、照明装置に含まれる光源の数や、その輝度の制御ステップ（光源の輝度値の変化の段階を示し、例えば光源の輝度を２４段階に制御する制御ステップなど）が増加したとしても、照度を直接検出することで容易に対応できる。そのため、サブ画素の階調度に対応した理論値に近い明るさの制御が行え、従来に比べて省電力化をより進めることができる。例えば、一般的に画像の平均輝度レベルは２０％程度と言われているため、理論的に、光学変調素子に対して全面均一の照度となる光を照射する場合に比べて、光源の消費電力を１／５に低減することができる。

また、本発明の画像表示装置によれば、光学変調素子に対する光源の構成（例えば、光源の数、光源を配置する位置、制御ステップの変更、光源の輝度のばらつき）が変化したとしても、照度を直接検出することで容易に対応でき、装置の設計や製造が容易となる。
また、本発明の画像表示装置によれば、黒表示の際の光源の輝度を従来に比べて低下できるため、数万対１というような非常に高いコントラスト比を達成できる。さらに、各光源において異なる色の色光毎に輝度を制御するとともに、異なる色に対応したサブ画素毎に色光の照度を検出し、その検出結果に基づいて各サブ画素毎の階調度を補正しているため、カラー画像の広色域化を図ることができ、表現力に優れたカラー画像が得られる。

本発明の画像表示装置において、前記照明装置からの光が透過することにより前記異なる色の色光を生成するカラーフィルタを備える場合、前記カラーフィルタが前記光センサと前記照明装置との間に配置されることが望ましい。
一般的に、光センサ自体では色を識別できないので、光センサの光入射側には入射光を色光毎に分離するカラーフィルタが必要である。ここで、前記異なる色の色光、すなわち画像表示に寄与する色光を生成するカラーフィルタが光センサと照明装置との間に配置されていれば、このカラーフィルタを光センサ用のカラーフィルタとして兼用できる。これにより、カラーフィルタが１組で済み、本発明の画像表示装置のコスト低減を図ることができる。

本発明の画像表示装置において、前記光学変調素子として、一対の基板間に液晶層を挟持した液晶表示素子を用いることができる。
この構成によれば、高ダイナミックレンジ、高階調、広色域のカラー画像表示が可能な液晶表示装置を実現することができる。

光学変調素子に液晶表示素子を用いた場合、前記光センサを前記液晶層に対して前記照明装置側に配置することができる。
この構成によれば、光が液晶層を透過する前の段階で照度を直接検出するため、例えば液晶層の透過率変動等の影響を受けることがなく、照度検出結果に基づいて補正階調度を高い精度で容易に導き出すことができる。

あるいは、上述した構成と逆に、前記光センサを前記液晶層に対して前記照明装置と反対側に配置しても良い。
この構成によれば、光センサが設けられた基板と対向する基板の内面にカラーフィルタを配置すれば良いことになり、一般的な液晶表示素子に類似した構成となる。したがって、一般的な液晶表示素子の製造方法で作製することができ、低コストとなる。

また、光センサを液晶層に対して照明装置と反対側に配置した場合、前記光センサと前記照度検出部とにより検出された各色光の照度と、照度検出時の前記各サブ画素毎の階調度と、に基づいて前記液晶層に各色光が入射する際の入射照度を推定する照度推定部を備え、前記階調度制御部が、前記照度推定部が推定した入射照度に基づいて前記光学変調素子を制御する構成とすることが望ましい。
光センサを液晶層に対して照明装置と反対側に配置した場合、光センサは液晶層を透過した後の光を検出することになるため、照度検出が前フレームの液晶層の透過率の影響を受けることになる。ところが、上記の照度推定部を備えた構成によれば、簡単な処理でありながら入射照度の推定精度が高く、各サブ画素毎の階調度を適確に補正することができる。

本発明の画像表示装置において、前記液晶表示素子を構成する一対の基板のうちの一方の基板に、前記各サブ画素毎に前記画像信号を書き込むためのスイッチング素子が設けられた場合、前記スイッチング素子が設けられた前記一方の基板上に前記光センサが設けられることが望ましい。
この構成によれば、光センサの製造プロセスをスイッチング素子の製造プロセスと共有することができ、画像表示装置全体の製造プロセスを簡素化することができる。

本発明の画像表示装置において、前記光センサが、前記表示領域内の全てのサブ画素に設けられることが望ましい。
この構成によれば、光センサが各サブ画素単位に照度を検出するので、各サブ画素に１：１で対応した光の照度を検出でき、各光源の制御や各サブ画素の階調度の制御を高精度で行うことができる。

本発明の画像表示装置において、前記階調度制御部が前記補正階調度を求める補正処理期間において、前記光学変調素子の全てのサブ画素を黒表示に制御することが望ましい。
この構成によれば、光源の輝度の変化と、輝度に対応して階調度が制御される光学変調素子の変化との時間差が黒表示によって吸収され、各サブ画素の輝度変化が認識され難くなるため、画質が向上する。また、画像変化に対応して黒表示制御することとなるため、黒挿入効果により表示ぼけを改善し、動画の応答速度を向上させることができる。

本発明の画像表示装置において、前記光源制御値設定部が、ｎフレーム（ｎ：２以上の整数）毎に前記複数の光源の制御値を設定し、前記照度検出部が、前記ｎフレーム毎に前記所定の分割領域の照度を検出し、前記階調度制御部が、１フレーム単位で前記補正階調度により前記光学変調素子を制御する構成としても良い。
この構成によれば、１フレームごとに照度検出を行う場合に比べて、照度検出における処理の回数を削減することができ、各光源の輝度調整を行う際の処理の負荷を軽減させることができる。

本発明の画像表示方法は、異なる色の色光をそれぞれ変調する複数のサブ画素からなる画素を表示領域内に複数有する光学変調素子に対し、前記異なる色の色光を含む光の輝度が独立に制御可能な複数の光源を有する照明装置から前記光を照射する過程と、入力される画像信号の各サブ画素毎の階調度に応じて前記複数の光源の各々の制御値を設定する過程と、前記光学変調素子の前記表示領域内を分割した所定の分割領域において各色に対応するサブ画素に照射された色光の照度を検出する過程と、前記検出された色光の照度に基づいて各サブ画素毎の階調度を補正処理し、補正された補正階調度により前記光学変調素子を制御する過程と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、光源の数や光源の輝度の制御ステップ数が増加しても演算処理時間やメモリ量が増加することなく、従来に比べて高速かつ簡易に照度分布が求められ、高ダイナミックレンジ、高階調、広色域のカラー画像表示を行うことができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態の画像表示装置は、個々に輝度を制御可能な複数の発光ダイオード（Light Emitting Diode, 以下、ＬＥＤと略記する）光源をバックライトとして用いた液晶表示装置（Liquid Crystal Display, 以下、ＬＣＤと略記することもある）の例である。
図１は、本実施形態の液晶表示装置の機能ブロック図である。図２は、同液晶表示装置のハードウェア構成図である。図３は、同液晶表示装置の画像表示の手順を示すフローチャートである。図４は、上記画像表示の手順に対応したタイミングチャートである。図５は、バックライトと液晶パネルの制御に係る処理ブロック図である。

本実施形態の液晶表示装置においては、個々のカラーＬＥＤ光源を種々の制御値に設定して輝度を変化させることにより、ＬＣＤの背面から照射するバックライトの光の照度分布を、表示領域内を複数に分割した個々の分割領域毎に制御することが可能である。例えば、入力された映像信号（画像信号）によって画面の左半分が黒に近い表示を行うような場合には、左半分のバックライト照度を落とすといった制御を行うことによって、黒浮きを抑えた高ダイナミックレンジな表示と省電力を両立することが可能である。

本実施形態の液晶表示装置１は、図１に示すように、バックライト制御部２と、表示素子制御部３と、液晶表示素子４（光学変調素子）と、ｍ個のカラーＬＥＤ光源（光源）を含むバックライト５（照明装置）と、サブピクセル（サブ画素）毎に設けられた光センサ６と、を有している。バックライト制御部２は、入力される映像信号に従って、液晶表示素子４の背面側に設けられたバックライト５の各カラーＬＥＤ光源（本実施形態では後述するようにｍ＝４であり、ＬＥＤＬ１〜Ｌ４）を独立に制御するものであり、バックライト制御値決定部７（光源制御値設定部）とカラーＬＥＤ駆動部８とから構成されている。

バックライト制御値決定部７は、入力される映像信号（画像データ）において、後述する各カラーＬＥＤ光源毎に対応付けられた分割領域に含まれるサブピクセルに対応する映像信号の階調度から最大の階調度（最大の輝度値）を検出し、この最大の階調度に対応する各カラーＬＥＤ光源の明るさ制御値を求める。カラーＬＥＤ駆動部８は、各分割領域毎に各カラーＬＥＤ光源の明るさ制御値に対応した電圧値を求め、各カラーＬＥＤ光源をこの電圧値により駆動し、対応する分割領域の最大の階調度に対応した明るさに制御して点灯させる。

表示素子制御部３は、液晶表示素子４における照度分布を検出し、検出された照度とサブピクセルの階調度とから新たな階調度を求め、換言すると、検出された照度によりサブピクセルの階調度を補正して、照度に対応した補正階調度とし、この補正階調度に対応して液晶表示素子４の各サブピクセルに対応する液晶層の透過率の制御を行うものである。表示素子制御部３は、フレームメモリ９と、バックライト照度検出部１０（照度検出部）と、ＬＣＤ画素制御値決定部１１（階調度制御部）と、表示素子駆動部１２とから構成されている。ここで、上記各カラーＬＥＤ光源が液晶表示素子４に対して光を照射したときの照度分布を検出するため、液晶表示素子４の複数のサブピクセルが形成された表示領域を、ｋ（ｋ：１以上の整数、本実施形態では、後述するようにｋ＝１）個のサブピクセルからなる複数の照度検出領域に分割し、それぞれの照度検出領域毎に１個の光センサ６を設けている。

フレームメモリ９は、バックライト制御部２に入力される映像信号と同一の映像信号が入力され、この映像信号を１フレーム分、すなわち表示領域のサブピクセル分のデータを蓄積する。バックライト照度検出部１０は、光センサ６から入力される、対応する照度検出領域の照度の数値である照度検出値から、各照度検出領域毎の照度データＴを求める。例えば、バックライト照度検出部１０は、予め測定した、バックライト５を消灯状態とした場合に検出される最小照度値から、バックライト５を最大の明るさとした場合に検出される最大照度値までを、複数のレベル（例えば０〜２５５の２５６段階など）に分割したテーブルを有しており、光センサ６から入力される検出照度値が含まれる照度データＴを、その照度検出領域の照度値として選択する。

ＬＣＤ画素制御値決定部１１は、フレームメモリ９から読み出した映像信号の各サブピクセル毎の階調度と照度データＴとに基づいて補正階調度を求め、補正階調度により液晶表示素子４の透過率を制御する透過率制御値（電圧値）を出力する。表示素子駆動部１２は、液晶表示素子４に対して透過率制御値を出力し、液晶表示素子４の各サブピクセル毎の液晶層の透過率を制御する。

次に、図２を用いて、複数のカラーＬＥＤ光源１４と各カラーＬＥＤ光源１４が受け持つ表示領域内の分割領域との関係、および複数の光センサ６と各光センサ６が受け持つ照度検出領域との関係を説明する。図２は、本実施形態における液晶表示素子４に対するカラーＬＥＤ光源１４と光センサ６の配置例を示す表示ハードウェア構成の概念図である。図２（ａ）は液晶表示素子４の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

本実施形態の液晶表示素子４は、各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢ毎に画像信号を書き込むためのスイッチング素子として薄膜トランジスタ１５（Thin Film Transistor, 以下、ＴＦＴと略記する）を用いたアクティブマトリクス型ＬＣＤである。液晶表示素子４の画素数は、図２（ａ）に示すように、横８画素×縦６画素の計４８画素であり、１個の画素Ｐは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３個のサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢで構成されているため、合計で４８×３＝１４４個のサブピクセルを有している。

上記構成の液晶表示素子４に対して、バックライト５として４個のカラーＬＥＤ光源１４（すなわち、図１におけるｍ＝４）が配置されている。カラーＬＥＤ光源１４は、液晶表示素子４を真下から照らす形の直下型の構成である。したがって、４８個の画素Ｐを有する表示領域Ｈが、横４画素（１２サブピクセル）×縦３画素（３サブピクセル）の計１２画素（３６サブピクセル）からなる４個の分割領域Ｓｂに分割され、各分割領域Ｓｂの中央にカラーＬＥＤ光源１４が１個ずつ配置されている。したがって、１個のカラーＬＥＤ光源１４が、横４画素×縦３画素の計１２画素からなる１個の分割領域Ｓｂをおおよそ受け持つ。カラーＬＥＤ光源１４は、赤色光を射出するＲ−ＬＥＤと緑色光を射出するＧ−ＬＥＤと青色光を射出するＢ−ＬＥＤとを備えるものであり、例えば、Ｒ−ＬＥＤ、Ｇ−ＬＥＤ、Ｂ−ＬＥＤが１つにパッケージングされたものであり、各ＬＥＤに供給する電流を制御することによりフルカラーの光が射出される。

また、各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢには、ＴＦＴ１５とともに光センサ６が設けられている。したがって、本実施形態では、表示領域Ｈの全てのサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢに光センサ６が設けられたことになり、１個のサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢが１個の光センサ６の受け持つ照度検出領域に対応し、表示領域Ｈ全体では１４４個の照度検出領域があることになる。ここで、１個のサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢに１個の光センサ６を設けたことにより、各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢに対応する液晶層の透過率制御値を設定する際に、ＬＣＤ画素制御値決定部１１は、フレームメモリ９から順次読み出す映像信号の階調度に対し、この映像信号を表示するサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢに対応する光センサ６の照度データＴをバックライト照度検出部１０から読み込み、液晶表示素子４の各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢの液晶層の透過率制御値を求める構成となる。そのため、処理回路が非常に簡単になる。

ＬＣＤに組み込んだ形の画素単位の光センサの具体的な構成については、種々の構成が既に提案されているため、詳細な説明は省略するが、例えば特開２００５−３００６３０号公報に記載の構成を使用することができる。ただし、特開２００５−３００６３０号公報ではＬＣＤの前面（視認）側の光を検出する構成となっているが、本実施形態では逆にバックライト（ＬＣＤの背面）側の光を検出する構成とする必要がある。光センサとしてはフォトダイオード等を使用するのが一般的であり、本実施形態でもフォトダイオードを用いることができるが、その他、例えば表示用のＴＦＴに光センサ機能を持たせる等、種々の構成が考えられる。

本実施形態の液晶表示素子４は、下側から順に説明すると、図２（ｂ）に示すように、カラーＬＥＤ光源１４、導光板１６、拡散板１７、プリズムシート１８，１９、偏光板２０、カラーフィルタ２１、ガラス基板２２、液晶層２３、透明電極２４、ガラス基板２５、偏光板２６から構成されている。また、バックライト５側（図２（ｂ）における下側）のガラス基板２２の内面（液晶層側の面）には、ＴＦＴ１５（図２（ｂ）には図示されない）および光センサ６が設けられている。光センサ６をＴＦＴ１５と同じガラス基板２２に形成したことにより、光センサ６を作製するための半導体プロセスをＴＦＴ１５の製造プロセスと共有することができ、ＴＦＴ１５と同時に形成できる。そのため、液晶表示素子４の製造プロセスが簡単になり、量産効果により低コスト化が図りやすい。また、図示は省略したが、同じガラス基板２２の内面（液晶層２３側の面）には、画素電極が設けられている。

また、カラーＬＥＤ光源１４から射出された光は、導光板１６により図２（ｂ）の左右方向に導光された後、上側に向けて射出され、拡散板１７に入射して均一に拡散される。拡散板１７を透過した光は、さらにプリズムシート１８，１９によって射出方向が制御された後、入射側の偏光板２０に入射して偏光が揃えられる。この偏光が揃った光は、カラーフィルタ２１を経てＴＦＴ１５や光センサ６が形成されているガラス基板２２を透過し、ＴＦＴ１５に与えられる透過率制御値に従って配向制御された液晶層２３により偏光状態が変調される。偏光状態が変調された後、光はガラス基板２５を通過し、出射側の偏光板２６により偏光状態により出射する光の量が決まる。

次に、本実施形態の画像表示の処理の流れについて、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは１フレーム中の１サブピクセル単位での処理について説明する。
最初に、液晶表示素子４の全ての画素（サブピクセル）を黒表示に制御する（図３のステップＳ１）。これには、前フレームから現フレームに移り、液晶表示素子４の新しい透過率制御値が設定されるまでのバックライト５の輝度変化が見えないように液晶表示素子４側でマスクする、液晶表示素子４の動画応答性能を向上するために黒表示を挿入する、という２つの目的がある。
次に、４個のカラーＬＥＤ光源１４を全て消灯する（図３のステップＳ２）。この理由は、ステップＳ１での液晶の応答の過渡期をマスクして、より黒挿入効果を上げるためである。

次に、入力映像信号から分割領域Ｓｂ単位に最大階調度を検出し、同時に入力映像信号をフレームメモリ９に記憶する（図３のステップＳ３）。ここでの分割領域Ｓｂとは、上述したように、１個のカラーＬＥＤ光源１４の制御値を決めるために参照する画素Ｐ（サブピクセル）の集まりを表している。また、各カラーＬＥＤ光源１４の輝度を決定するためには一度画面（表示領域Ｈ）全体の入力映像信号を調べる必要があるため、入力映像信号を調べるとともにフレームメモリ９に記憶しておき、後で液晶表示素子４の制御値を決定するときに再度参照できるようにする。
次に、ステップＳ３で検出した分割領域Ｓｂ毎の映像信号の最大階調度に基づいて、個々のカラーＬＥＤ光源１４の制御値を決定する（図３のステップＳ４）。なお、カラーＬＥＤ光源１４の制御値は、液晶表示素子４の透過率を最大に設定した場合に、入力映像信号が指定する輝度が表示できるような値に設定する。

次に、ステップＳ４で設定した制御値で各カラーＬＥＤ光源１４を点灯する（図３のステップＳ５）。
次に、各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢに設けた光センサ６により各カラーＬＥＤ光源１４から射出された光の照度を検出する（図３のステップＳ６）。
次に、ステップＳ６で検出した照度データとフレームメモリ９から読み出した映像信号の各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢ毎の階調度とに基づいて液晶表示素子４の制御値（補正階調度）を決定する（図３のステップＳ７）。
次に、ステップＳ７で決定した補正階調度から液晶表示素子４の透過率を制御する透過率制御値（電圧値）を求め、この透過率制御値によって液晶表示素子４を駆動する（図３のステップＳ８）。

図３のフローチャートを用いて説明した処理の流れを時系列でわかるように図示したのが、図４のタイミングチャートである。図４の上段が液晶表示素子４の透過率、中段がバックライト５（カラーＬＥＤ光源１４）の輝度、下段が光センサ６の出力電圧、をそれぞれ示している。
１フレームの時刻ｔ０の時点で、液晶表示素子４の全ての画素を黒表示に制御し（図３のステップＳ１）、全てのカラーＬＥＤ光源１４を消灯する（図３のステップＳ２）。
次に、時刻ｔ０〜ｔ１の間で、入力映像信号からの分割領域Ｓｂ単位の最大階調度の検出（図３のステップＳ３）、個々のカラーＬＥＤ光源１４の制御値の決定（図３のステップＳ４）を行った後、時刻ｔ１の時点で、カラーＬＥＤ光源１４を点灯し（図３のステップＳ５）、次いで、光センサ６による照度の検出を開始する（図３のステップＳ６）。
次に、時刻ｔ１〜ｔ２の間で、液晶表示素子４の制御値（補正階調度）を決定した後（図３のステップＳ７）、時刻ｔ２の時点で、液晶表示素子４を駆動する（図３のステップＳ８）。

以下、カラーＬＥＤ光源１４の制御値と液晶表示素子４の制御値の決定処理について、図５の処理ブロック図を用いて説明する。なお、この処理ブロック図では、１画素（Ｒ，Ｇ，Ｂの１サブピクセルずつを含む）の処理について示している。
分割領域Ｓｂ毎の最大値選択部２８では、各分割領域Ｓｂに対応するサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢへの入力映像信号Ｒ，Ｇ，Ｂから分割領域Ｓｂ毎に階調度の最大値を選択する。つまり、対応するサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢが３６個だとすると、３６個分のＲ，Ｇ，Ｂ信号のうちの階調度の最大値を選択し、それぞれＭＡＸＲ，ＭＡＸＧ，ＭＡＸＢとして決定する。そして、これらＭＡＸＲ，ＭＡＸＧ，ＭＡＸＢを表示する場合に必要なカラーＬＥＤ光源１４の制御値を示すR-LED-LUT（Look Up Table）２９Ｒ、G-LED-LUT２９Ｇ、B-LED-LUT２９Ｂを参照することによって、カラーＬＥＤ光源１４の制御値ＬＥＤＲ，ＬＥＤＧ，ＬＥＤＢを決定する。ここで、上記の３つのＬＵＴ２９Ｒ，２９Ｇ，２９Ｂは、液晶表示素子４の特性を予め測定し、決定するものである。

次に、液晶表示素子４側の制御値の決定方法については、サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢ毎の光センサ６を用いたバックライト照度検出部１０によって、そのサブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢに入射するカラーＬＥＤ光源１４からの光の照度ＲＳ，ＧＳ，ＢＳを検出する。そして、照度検出値ＲＳ，ＧＳ，ＢＳと入力映像信号Ｒ，Ｇ，Ｂとを入力とするR-RS-LUT３０Ｒ、G-GS-LUT３０Ｇ、B-BS-LUT３０Ｂを参照することにより、液晶表示素子４の制御値（補正階調度）ＲＣ，ＧＣ，ＢＣを決定する。これにより、高精度の輝度値の再現が可能になる。

本実施形態の液晶表示装置１においては、各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢ毎に設けた光センサ６により光の照度を直接検出し、その検出結果に基づいて液晶表示素子４の各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢ毎の階調度の補正を行っているため、従来に比べてより高ダイナミックレンジ、高精度、広色域のカラー画像表示を行うことができる。また、バックライト５中のカラーＬＥＤ光源１４の数やＬＥＤ輝度の制御ステップが増加したとしても、従来のように演算処理時間やメモリ容量を増やすことなく照度を直接検出することで容易に対応できるため、サブピクセルの階調度に対応した理論値に近い明るさの制御が行え、従来に比べて省電力化をより進めることができる。

また、図２（ｂ）に示したように、画像表示に寄与する色光を生成するカラーフィルタ２１が光センサ６とバックライト５との間に配置されているため、このカラーフィルタ２１を光センサ用のカラーフィルタとして兼用できる。これにより、カラーフィルタが１組で済み、液晶表示装置のコスト低減を図ることができる。
さらに本実施形態の場合、光センサ６が液晶層２３よりもバックライト５側に配置されているため、光が液晶層２３を透過する前の段階で照度を直接検出することになる。そのため、照度検出結果に例えば液晶層２３の透過率変動等の影響が及ぶことがなく、照度検出結果に基づいて補正階調度を高い精度で容易に導き出すことができる。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図６〜図９を参照して説明する。
本実施形態の画像表示装置も、第１実施形態と同様、輝度を制御可能な複数のＬＥＤ光源をバックライトとして用いたＬＣＤの例である。図１に示した基本構成は第１実施形態と同一であり、光センサを設けた位置が第１実施形態と異なる。
図６は、本実施形態の液晶表示装置のハードウェア構成図である。図７は、同液晶表示装置の画像表示の手順を示すフローチャートである。図８は、上記画像表示の手順に対応したタイミングチャートである。図９は、バックライトと液晶パネルの制御に係る処理ブロック図である。なお、図６〜図９の各図において、第１実施形態で用いた図２〜図５と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

第１実施形態の液晶表示素子４の場合、図２（ｂ）に示したように、バックライト５側のガラス基板２２の内面、すなわち液晶層２３の光入射側に光センサ６が設けられていたのに対し、本実施形態の液晶表示素子３４の場合、バックライト５と反対側のガラス基板２５の内面、すなわち液晶層２３の光射出側に光センサ６が設けられている。すなわち、本実施形態の液晶表示素子３４において、図６（ａ）に示す平面構成は図２（ａ）に示す第１実施形態と同様であるが、断面構成は、図６（ｂ）に示すように、下側からカラーＬＥＤ光源１４、導光板１６、拡散板１７、プリズムシート１８，１９、偏光板２０、ガラス基板２２、カラーフィルタ２１、透明電極２４、液晶層２３、ガラス基板２５、偏光板２６の順に配置されている。そして、視認側（バックライト５と反対側、図６（ｂ）における上側）のガラス基板２５の内面（液晶層側の面）に、ＴＦＴ１５および光センサ６が設けられている。本実施形態の場合、２枚の偏光板２０，２６に挟まれた液晶パネルの部分の構成は、光センサ６を設けたことを除いて一般的なＬＣＤの構成と同一であり、バックライト５を液晶パネルのどちらに配置するかだけである。つまり、本実施形態の液晶表示装置は一般的なＬＣＤと同一の製造プロセスで作製できるため、低コストで作製できる。また、図示は省略したが、視認側のガラス基板２５の内面（液晶層２３側の面）には、画素電極が設けられている。

次に、本実施形態の画像表示の処理の流れについて、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは１フレーム中の１サブピクセル単位での処理について説明する。
最初に、入力映像信号から分割領域Ｓｂ単位に最大階調度を検出し、同時に入力映像信号をフレームメモリ９に記憶する（図７のステップＳ１）。各カラーＬＥＤ光源１４の輝度を決定するためには一度画面（表示領域Ｈ）全体の入力映像信号を調べる必要があるため、入力映像信号を調べるとともにフレームメモリ９に記憶しておき、後で液晶表示素子３４の制御値を決定するときに再度参照できるようにする。
次に、ステップＳ１で検出した分割領域Ｓｂ毎の映像信号の最大階調度に基づいて、個々のカラーＬＥＤ光源１４の制御値を決定する（図７のステップＳ２）。なお、カラーＬＥＤ光源１４の制御値は、液晶表示素子３４の透過率を最大に設定した場合に、入力映像信号が指定する輝度が表示できるような値に設定する。

次に、ステップＳ２で設定した制御値で各カラーＬＥＤ光源１４を点灯する（図７のステップＳ３）。
次に、各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢに設けた光センサ６により液晶表示素子３４から射出される光の射出照度を検出する（図７のステップＳ４）。
この段階で必要な検出ができたため、ここで黒挿入を目的として、一旦全てのカラーＬＥＤ１４を消灯する（図７のステップＳ５）。

ここで、ステップＳ４で検出した照度は、光が前フレームの状態が残った液晶層２３によって変調を受けた後の照度（ここでは、これを射出照度という）である。そのため、液晶表示素子３４に入射した時点での入射照度を推定する必要がある。入射照度は、ステップＳ４で検出した射出照度と現在（前フレーム）の液晶表示素子３４の制御値とを入力として、対応するＬＵＴを参照することによって決定される（図７のステップＳ６）。実際の処理においてはＬＵＴを参照することにより入射照度の値を決定しているが、ＬＵＴの作成は以下のような考え方に基づいて行われている。それは、液晶表示素子３４の制御値が判っているということは液晶表示素子３４の透過率が判っていることと同義と考え、入射照度（Ｉ）は液晶表示素子３４の透過率（Ｔ）と検出した射出照度（Ｓ）とからＩ＝Ｓ／Ｔで求めることができる、というものである。ただし、実際の設計では、入射照度を算出してテーブルに収めているというよりは、Ｔ，Ｉを変化させつつＳを実測した実測値を基にした対応表として、ＬＵＴを作成している。

次に、ステップＳ６で検出した入射照度とフレームメモリ９から読み出した映像信号の各サブピクセルＳＲ，ＳＧ，ＳＢ毎の階調度とに基づいて液晶表示素子３４の制御値（補正階調度）を決定する（図７のステップＳ７）。
次に、ステップＳ２で設定した制御値で再度カラーＬＥＤ光源１４を点灯する（黒挿入解除、図７のステップＳ８）。
次に、ステップＳ７で決定した補正階調度から液晶表示素子３４の透過率を制御する透過率制御値（電圧値）を求め、この透過率制御値によって液晶表示素子３４を駆動する（図７のステップＳ９）。これにより、所望の表示結果が得られる。

図７のフローチャートを用いて説明した処理の流れを時系列でわかるように図示したのが、図８のタイミングチャートである。図８の上段が液晶表示素子の透過率、中段がバックライト（カラーＬＥＤ光源）の輝度、下段が光センサの出力電圧、をそれぞれ示している。
１フレームの時刻ｔ０の時点で、カラーＬＥＤ光源１４を点灯し（図７のステップＳ３）、次いで、時刻ｔ０〜ｔ１の期間で、光センサ６により射出照度を検出する（図７のステップＳ４）。時刻ｔ１の時点で、全てのカラーＬＥＤ光源１４を一旦消灯する（図７のステップＳ５）。次に、時刻ｔ１〜ｔ２の間で、検出した射出照度と現在の液晶表示素子３４の制御値とから入射照度を推定し（図７のステップＳ６）、液晶表示素子３４の制御値（補正階調度）を決定した後（図７のステップＳ７）、時刻ｔ２の時点で、カラーＬＥＤ光源１４を点灯する（図７のステップＳ８）とともに、決定した制御値で液晶表示素子３４を駆動する（図７のステップＳ９）。

以下、カラーＬＥＤ光源１４の制御値と液晶表示素子３４の制御値の決定処理について、図９の処理ブロック図を用いて説明する。ここでは、第１実施形態の図５の処理ブロックと異なる部分だけを説明する。
本実施形態が第１実施形態と異なる点は上述の処理フローチャートの項でも説明した通り、光センサ６が検出した照度の値は液晶表示素子３４からの射出照度であり、その射出照度から入射照度を推定する必要がある点である。そのため、光センサ６による射出照度検出部１０で検出した射出照度ＲＯ，ＧＯ，ＢＯと表示素子制御値記憶部３６に記憶しておいた１フレーム前の表示素子制御値ＲＣＰ，ＧＣＰ，ＢＣＰとに基づいて、バックライト照度推定部３５（照度推定部）においてバックライト照度（入射照度）ＲＳ，ＧＳ，ＢＳを推定する。そして、バックライト照度（入射照度）ＲＳ，ＧＳ，ＢＳと入力映像信号Ｒ，Ｇ，Ｂとを用いてR-RS-LUT３０Ｒ、G-GS-LUT３０Ｇ、B-BS-LUT３０Ｂを参照することにより、液晶表示素子３４の制御値（補正階調度）ＲＣ，ＧＣ，ＢＣを決定する。

本実施形態の液晶表示装置においても、光センサ６の照度検出結果に基づいて液晶表示素子３４の各サブ画素ＳＲ，ＳＧ，ＳＢ毎の階調度の補正を行っているため、従来に比べてより高ダイナミックレンジ、高精度、広色域のカラー画像表示が可能になる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態の場合、光センサ６が液晶層２３の光射出側に配置されているため、図８のタイミングチャートに示したように、光センサ６による照度検出が前フレームの液晶層２３の透過率の影響を受けることになる。ところが、上述した方法によって入射照度の推定を備っているため、簡単な処理でありながら入射照度の推定精度が高く、各サブ画素毎の階調度を適確に補正することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では１サブピクセル毎に１個の光センサを設けたが、この構成に限ることはなく、複数個のサブピクセル毎に１個の光センサを設けても良い。例えば、上記実施形態のような複数個の画素（サブピクセル）からなる分割領域に対してＲ，Ｇ，Ｂ各色で１個ずつの光センサを設けても良い。またこの場合、同一の画素に属する３個のサブピクセルに対して１個ずつの光センサを設けても良いし、異なる画素に属する３個のサブピクセルに対して１個ずつの光センサを設けても良い。

また、上記実施形態では、１フレーム毎に各カラーＬＥＤの制御値を設定し、１フレーム毎に照度を検出し、１フレーム単位で補正階調度により液晶表示素子を制御する構成としたが、ｎフレーム（ｎ：２以上の整数）毎に各カラーＬＥＤの制御値を設定し、ｎフレーム毎に照度を検出し、１フレーム単位で補正階調度により液晶表示素子を制御する構成としても良い。この構成によれば、１フレームごとに照度検出を行う場合に比べて、照度検出における処理の回数を削減することができ、各光源の輝度調整を行う際の処理の負荷を軽減させることができる。その他、液晶表示装置の各部の具体的な構成は、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。例えば、上記では、光源としてカラーＬＥＤを用いた構成を示したが、ＬＥＤに限らず、色光の輝度をそれぞれ独立に制御可能な有機ＥＬ、レーザ等を光源として用いても良い。また、本発明は、液晶表示装置のみならず、光学変調素子とこれを照明する照明装置とを備え、カラー表示が可能な他の画像表示装置にも適用が可能である。

本発明の第１実施形態の液晶表示装置の機能ブロック図である。 同液晶表示装置のハードウェア構成図である。 同液晶表示装置の画像表示の手順を示すフローチャートである。 上記画像表示の手順に対応したタイミングチャートである。 バックライトと液晶パネルの制御に係る処理ブロック図である。 本発明の第２実施形態の液晶表示装置のハードウェア構成図である。 同液晶表示装置の画像表示の手順を示すフローチャートである。 上記画像表示の手順に対応したタイミングチャートである。 バックライトと液晶パネルの制御に係る処理ブロック図である。

符号の説明

１…液晶表示装置（画像表示装置）、４，３４…液晶表示素子（光学変調素子）、５…バックライト（照明装置）、６…光センサ、７…バックライト制御値決定部（光源制御値決定部）、１０…バックライト照度検出部（照度検出部）、１１…ＬＣＤ画素制御値決定部（階調度制御部）、１４…カラーＬＥＤ光源（光源）、１５…ＴＦＴ（スイッチング素子）、２１…カラーフィルタ、２３…液晶層、３５…バックライト照度推定部（照度推定部）、Ｓｂ…分割領域、ＳＲ，ＳＧ，ＳＢ…サブピクセル（サブ画素）、Ｐ…画素。

Claims (11)

1. 異なる色の色光をそれぞれ変調する複数のサブ画素からなる画素を表示領域内に複数有する光学変調素子と、
   前記異なる色の色光を含む光を前記光学変調素子に向けて射出し、前記色光の輝度がそれぞれ独立に制御可能な複数の光源を有する照明装置と、
   入力される画像信号の各サブ画素毎の階調度に応じて前記複数の光源の各々の制御値を設定する光源制御値設定部と、
   前記光学変調素子の前記表示領域内を分割した所定の分割領域において各色に対応するサブ画素毎に少なくとも一つ設けられ、当該サブ画素に照射された色光を検出する光センサと、
   前記光センサの検出結果に基づいて前記所定の分割領域における各色光毎の照度を検出する照度検出部と、
   前記照度検出部の検出結果に基づいて前記各サブ画素毎の階調度を補正処理し、補正された補正階調度により前記光学変調素子を制御する階調度制御部と、
   を備えたことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記照明装置からの光が透過することにより前記異なる色の色光を生成するカラーフィルタを備え、
   前記カラーフィルタが前記光センサと前記照明装置との間に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記光学変調素子が、一対の基板間に液晶層を挟持した液晶表示素子からなることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 前記光センサが、前記液晶層に対して前記照明装置側に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記光センサが、前記液晶層に対して前記照明装置と反対側に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
6. 前記光センサと前記照度検出部とにより検出された各色光の照度と、照度検出時の前記各サブ画素毎の階調度と、に基づいて前記液晶層に各色光が入射する際の入射照度を推定する照度推定部を備え、
   前記階調度制御部が、前記照度推定部が推定した入射照度に基づいて前記光学変調素子を制御することを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記液晶表示素子を構成する一対の基板のうちの一方の基板に、前記各サブ画素毎に前記画像信号を書き込むためのスイッチング素子が設けられ、
   前記スイッチング素子が設けられた前記一方の基板上に前記光センサが設けられたことを特徴とする請求項３ないし６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記光センサが、前記表示領域内の全てのサブ画素に設けられたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
9. 前記階調度制御部が前記補正階調度を求める補正処理期間において、前記光学変調素子の全てのサブ画素を黒表示に制御することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の画像表示装置。
10. 前記光源制御値設定部が、ｎフレーム（ｎ：２以上の整数）毎に前記複数の光源の制御値を設定し、
    前記照度検出部が、前記ｎフレーム毎に前記所定の分割領域の照度を検出し、
    前記階調度制御部が、１フレーム単位で前記補正階調度により前記光学変調素子を制御することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の画像表示装置。
11. 異なる色の色光をそれぞれ変調する複数のサブ画素からなる画素を表示領域内に複数有する光学変調素子に対し、前記異なる色の色光を含む光の輝度が独立に制御可能な複数の光源を有する照明装置から前記光を照射する過程と、
    入力される画像信号の各サブ画素毎の階調度に応じて前記複数の光源の各々の制御値を設定する過程と、
    前記光学変調素子の前記表示領域内を分割した所定の分割領域において各色に対応するサブ画素に照射された色光の照度を検出する過程と、
    前記検出された色光の照度に基づいて各サブ画素毎の階調度を補正処理し、補正された補正階調度により前記光学変調素子を制御する過程と、
    を備えたことを特徴とする画像表示方法。

Images