JP2009175413A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジ拡大の目的における照明領域の分割と、黒挿入駆動法における照明領域の分割とを両立させることができる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】格子状に配された複数の白色ＬＥＤ２８によって点灯される照明領域を縦横方向にそれぞれ複数有し、各照明領域３０から液晶パネル１１の表示領域を照明するバックライト１２と、各照明領域３０のそれぞれの輝度を画像信号に基づいて算出し、また、１フレーム毎に画像信号に黒表示信号を挿入して、表示領域で黒表示を行うコントローラ１０とを有し、コントローラ１０は、黒表示を行う表示領域に対応する複数の白色ＬＥＤ２８を照明領域３０の照明とは独立して消灯させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バックライトにより照明されて画像を表示する液晶表示装置に関するものである。

液晶表示装置のバックライトとしては、冷陰極管や発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）を光源として使用しており、表示状態ではこのバックライトの輝度が時間的に常に一定の輝度で発光するように構成されていた。ところが、最近ではバックライトのＬＥＤ化が急速に進むなか、バックライトの調光が容易になり、しかも画像に同期させるような高速な可変が実現できるようになった。

そこで、バックライトの輝度制御を応用してコントラストをさらに向上させるために、バックライトの輝度を画像に応じて可変させつつ、輝度が切り替わっても表示されるγ特性を理想の状態に保持するように階調を切り替える駆動方法が提案されている。

この駆動方法は、画像が明るいと判断された場合には、バックライトの輝度を上げると共にγ特性を暗から明への傾きを寝かせる方向に切り替える。逆に、画像が暗いと判断された場合には、バックライトの輝度を下げると共にγ特性を暗から明への傾きを立たせる方向に切り替える。これにより、ダイナミックレンジのより広い画像を表現できるようになった。すなわち、画像の最大階調で、かつ、バックライトの最大輝度から画像の最小階調で、かつ、バックライトの最小輝度までの広い範囲で、液晶から表示される輝度を可変することができた。

しかしながら、バックライトの輝度の制御を画面全体に渡って一括して行っているため、画面内に大きな輝度傾斜を生じるようなハイライト部分を多く含む画像に対しては、バックライトの輝度が時間的に一定である従来の方式とダイナミックレンジとは変わらず、改善効果が発揮できなかった。

そのため、最近では特許文献１でも提案されているように、バックライトを複数の照明領域に区分させて、それぞれを入力される画像信号に応じて輝度を制制するようにしているものがある。この方法は、画像信号に基づいて各照明領域の輝度が御御されることから、画面全体のうち、明るい画像情報を多く含むような表示部分に対しては輝度を高く、逆に暗い画像情報を多く含むような表示部分に対しては輝度を低くすることができ、画面全体のダイナミックレンジをより拡大している。

また、この方法は、照明領域毎にバックライトの輝度を変化させることから、画像信号をそのままの階調で液晶パネルに供給した場合には、表示画像の輝度が各照明領域間でずれてしまう。そこで各照明領域に対するバックライトの輝度に応じて画像信号を変換するため、各照明領域のバックライトの輝度に応じて変換された適正な階調により、各照明領域間で表示画像の輝度のずれが発生せず、適切な表示画像を得ることができる。

また、ＯＣＢモードを用いた液晶表示装置では、ＯＣＢモードの液晶の特徴である高速応答の利点を生かし、ＣＲＴのようなインパルス型の駆動に近づけるために、通常の表示を行うための電圧を印加する動作と、黒色の電圧を印加する動作を交互に行う２倍速変換と呼ばれる駆動方式を用いることで、高いコントラストの表示を行うことができる。以下、この駆動方式を「黒挿入駆動法」と呼ぶ。

このようなＯＣＢモードの液晶表示装置において、黒挿入駆動法に連動したバックライトの駆動法も提案されている。これは、ＯＣＢモードの液晶によって黒挿入駆動法を行う場合に、更に高いコントラストを得るために、黒挿入のタイミングではバックライトを消灯させ、画像信号を書き込んだタイミングでのみ点灯させる。

この黒挿入のタイミングでバックライトを消灯させるとしても、全ての操作ラインが全て黒が書き込まれたタイミングでしか消灯できないため、思うような効果を得ることができない。そこで、バックライトの構成として光源を上下に複数のブロックに分割させて、ブロック単位で黒書き込みが行われたブロックから順次ＬＥＤを消灯させていくように、コントロールをする。つまり、黒書き込み時にはその部分のバックライトのみ消灯することで、コントラスト化及び低電力化を実現させている。
特開２００２−９９２５０公報 特開２００７−１９９１２７公報

上記のようなバックライトの照明光を領域毎に分割することで、ダイナミックレンジを拡大する方法と、黒挿入によるコントラストと動画応答の向上を図るための黒挿入駆動法の両立が必要となる。特に、ＯＣＢモードの液晶表示装置においては、黒挿入駆動法が必要であるので、その両立を必要とする可能性が高い。

しかしながら、ダイナミックレンジ拡大の目的での照明領域の分割としては、できるだけ細かい正方領域にして制御するほうが、様々な画像に対応し易い。但し、個別に照明制御と階調制御を行うため、あまり分割数が多過ぎると制御回路が膨大になってしまうため、通常は１６ｘ８分割程度としている。

一方、黒挿入駆動法の場合には、横方向に両端まで必要で、かつ、縦方向にはできるだけ画素に近く短いほうが、より画素の黒書き込みに連動する形で制御することが可能となる。但し、これもダイナミックレンジの拡大の制御方法と同様に分割数が多くなり過ぎると、制御回路が膨大になってしまう。

以上のように、ダイナミックレンジ拡大の目的で照明領域を分割する形状と、黒挿入駆動法によるコントラスト及び動画応答の向上を図る目的での照明領域の分割する形状とは、互いに異なっており、両方を両立させることが難しかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、ダイナミックレンジ拡大の目的での照明領域の分割と、黒挿入駆動法における照明領域の分割とを両立させることができる液晶表示装置を提供する。

本発明は、画像信号に基づいて画像を表示領域で表示する液晶パネルと、格子状に配された複数の点光源によって点灯される照明領域を縦横方向にそれぞれ複数有し、前記各照明領域から前記液晶パネルの表示領域を照明するバックライトと、前記各照明領域のそれぞれの輝度を前記画像信号に基づいて算出するバックライト制御部と、１フレーム毎に前記画像信号に黒表示信号を挿入して、前記表示領域で黒表示を行う黒挿入部と、を有する液晶表示装置において、前記バックライト制御部は、前記黒表示を行う前記表示領域に対応する複数の前記点光源を、前記照明領域の照明とは独立して消灯させる、液晶表示装置である。

本発明によれは、ダイナミックレンジ拡大の目的における照明領域の分割と、黒挿入駆動法における照明領域の分割とを両立できる。

以下、本発明の一実施形態の液晶表示装置１について図１〜図７に基づいて説明する。

（１）液晶表示装置１の構成
本実施形態に係る液晶表示装置１の構成について説明する。

図１は、本実施形態の液晶表示装置１のブロック図である。

液晶表示装置１は、コントローラ１０、液晶パネル１１、バックライト１２、ソースドライバ回路２２、ゲートドライバ回路２３から構成されている。

液晶パネル１１は、ＯＣＢ型の液晶を用いたものであり、２０〜３０インチの大きさを有している。この液晶パネル１１は、アレイ基板と対向基板とから構成され、アレイ基板には信号線と走査線が互いに直交するように配線され、それらの交点にＴＦＴ（薄膜トランジスタ）が設けられ、また、アレイ基板と対向基板との間にＯＣＢモードの液晶が挟持されている。

この液晶パネル１１には、ソースドライバ回路２２とゲートドライバ回路２３が接続され、コントローラ１０からの信号をソースドライバ回路２２とゲートドライバ回路２３が受けて、液晶パネル１１に対し画像を表示する。

バックライト１２は、液晶パネル１１の背面に配置され、このバックライト１２は、点光源である白色ＬＥＤ２４が、格子状に複数個配置されている。

コントローラ１０は、ＲＧＢの画像信号をフレームメモリ１３に記憶させ、その後受け取り、また、外部からのタイミング信号に基づいてソースドライバ回路２２とゲートドライバ回路２３及びバックライト１２を制御する。

なお、図２に示すように、液晶パネル１１、バックライト１２は各々複数の領域に分割されている。以下、この分割された領域を液晶パネル１１では「表示領域」、バックライト１２では「照明領域」という。

（２）バックライト１２の構成
本実施形態におけるバックライト１２は、図８に示すように複数の白色ＬＥＤ２８が格子状に配置され、縦に４個、横に８個の照明領域３０を有しており、各照明領域３０に縦に３個、横に３個の計９個のＬＥＤ２８が配置されている。

（３）コントローラ１０
次に、コントローラ１０について説明する。

コントローラ１０は、図１に示すように、黒挿入部９、画像輝度演算部１４、画像輝度データ保持部１５、バックライト輝度演算部１６、バックライト輝度データ保持部１７、バックライト輝度制御部１８、階調変換部１９、階調補正用ルックアップテーブル（階調補正用ＬＵＴ）２０、階調補正部２１とを有している。

コントローラ１０は、バックライト１２の輝度分布情報に基づき、液晶パネル１１に入力する画像情報を変換することで、画面内で正しい階調再現が得られるようにする。

まず、入力された画像信号をバックライト１２の照明領域毎に分析し、平均もしくは最頻の階調と、最大階調及び最小階調を抽出する。これらの画像情報を基に、バックライト１２の輝度分布が決定される。すなわち、画像情報が明るい輝度情報を多く含む場合はバックライト１２の輝度を高く、暗い輝度情報を多く含む場合はバックライト１２の輝度を低く設定する。

次に、このバックライト１２の制御結果を基に、液晶パネル１１におけるより小面積の表示領域毎に階調シフト量を決定する。このとき、表示領域を照明するバックライト１２の輝度制御値が同一であっても、階調シフト量が同一ではない。その理由は、表示領域を直接照明する輝度制御値が同じであっても、周りの画像情報によって照明領域周辺の輝度制御値が変化し、照明領域間のクロストークによって表示領域を照明する輝度値が変化するからである。したがって、画像を照明する輝度制御値のマトリクス情報に基づいて、適正な階調シフト量が決定される。階調シフト量も一般には線形ではなく、階調と表示輝度レベルを関係付けるγ特性にしたがって非線形にシフトされる。

（４）液晶パネル１１とバックライト１２の説明
図２は、液晶パネル１１とバックライト１２の説明図である。

液晶パネル１１においては、領域毎のＲＧＢ階調変換データに基づいて画素毎にＲＧＢの画像信号が変調制御される。

バックライト１２においては、液晶パネル１１の表示領域毎の画像輝度情報に基づいて輝度制御が行われる。

本実施形態においては、図２に示すように、液晶パネル１１を６×８の表示領域（図２（ａ））、バックライト１２を３×４の照明領域に分割した（図２（ｂ））。便宜上、液晶パネル１１における表示領域を（ｉ，ｊ）、バックライト１２における照明領域を［ｉ，ｊ］で示す。

（５）液晶表示装置１の動作
図１に基づいて、液晶表示装置１の動作について説明する。

ＲＧＢの画像信号は、フレームメモリ１３に蓄積された後、表示領域毎に読み出される。

画像輝度演算部１４は、読み出された画像信号に基づいて表示領域毎の輝度値が算出され、算出された表示領域毎の輝度データが画像輝度データ保持部１５に送られる。

バックライト輝度演算部１６は、画像輝度データ保持部１５からの表示領域毎の輝度データに基づき、照明領域毎のバックライト輝度レベルを算出する。算出された照明領域毎のバックライト輝度データがバックライト輝度データ保持部１７に送られる。

バックライト輝度制御部１８は、バックライト輝度演算部１６の演算結果に基づき、バックライト輝度を照明領域毎に算出する。

階調変換部１９は、フレームメモリ１３に蓄積された画像信号について、１画素毎に順次読み出し、この表示領域を照明するバックライト１２の輝度データに基づき階調変調を行う。

階調補正部２１は、この表示領域周辺におけるバックライト輝度データに基づき、階調補正用ＬＵＴ２０のデータを用いて、適正な階調補正を行い、最終的にソースドライバ回路２２に入力されるＲＧＢの画像信号（Ｒ”Ｇ”Ｂ”）に変換する。

（６）階調補正方法
次に、階調変換処理後に行う階調補正方法について、これまでに述べてきたバックライト輝度レベルの決定方法と共に具体的に説明する。

図４は、フレームメモリに蓄積された画像に対応したＲＧＢの画像信号レベルについて、図２（ａ）の表示領域毎に平均輝度階調を算出した結果の一例を示した図である。ＲＧＢの画像信号と信号輝度レベルＹとの関係は、各ＲＧＢの画像信号の視感度を考慮して

Ｙ＝０．３０Ｒ＋０．５９Ｇ＋０．１１Ｂ ・・・（１）

のように表すことができる。（１）式の係数は、ＲＧＢ各色度点と白色点、すなわち表示系の仕様により決定される。

本実施形態においては、２×２の表示領域が照明領域に相当（図２参照）しており、図４から照明領域毎に平均輝度が図６（ａ）のように算出できる。同様に、表示領域毎の信号レベルの最大値、最小値から、照明領域上のＲＧＢ信号の最大値、最小値が算出可能である。

（７）輝度レベルの決定手順
各照明領域の輝度レベルは、これら平均、最大、最小輝度信号レベルから、図５に示すような手順で決定される。

すなわち、例えば平均輝度信号レベルに基づいて適当なバックライト輝度レベルを選択し、他のパラメータ（ここでは最大値、最小値）が、選択されたバックライト輝度レベルにおける表示可能信号レベル範囲に収まるかどうかを判断する。

いずれかのパラメータが範囲外の場合は、繰り返し処理によりバックライト輝度レベルが選択される。

全てのパラメータがいずれのバックライト輝度レベルにおいても表示可能信号レベル範囲に含まれない場合には、最小値もしくは最大値のいずれかが含まれるようなバックライト輝度レベルを選択する。

（８）階調補正処理
本実施形態では、図６（ａ）に示したような照明領域毎のＲＧＢ表示平均輝度信号レベルから、図６（ｂ）に示したようなバックライト輝度レベルを選択する。

フレームメモリ１３から順次読み出されたＲＧＢの画像信号レベルは、各照明領域のバックライト輝度レベル情報（図６（ｂ）参照）から、階調変換が行われる。

しかしながら、以下に示すような理由により、階調補正処理を行う必要が生じる。

図７は、図６（ｂ）において輝度レベル１を選択した領域［２，２］と、［２，２］の画面下側に位置し、輝度レベル３を選択した領域［３，２］の白表示時における輝度の空間分布を模式的に示した図である。

バックライト輝度を照明領域毎に変調すると、照明領域間のクロストークにより、ある表示領域を照明するバックライト輝度には、直下の照明領域の輝度だけではなく、隣接照明領域の輝度が重畳される。すなわち、隣接領域からの照明光の回り込みにより、階調変換に使用したバックライト輝度から実際のバックライト輝度がずれるという現象が生ずる。すなわち、照明誤差現象が生じる。

図７では、簡単のために二つの領域間のスロストークを示したが、実際には図６（ｂ）に示すよう［２，２］領域の周囲の領域すなわち、［１，１］、［１，２］、［１，３］、［２，１］、［２，３］、［３，１］、［３，２］、［３，３］において選択された輝度レベルの組み合わせにより、実際のバックライト輝度分布が決定される。照明領域の分割数、領域面積、バックライトの設計などによってクロストークが決定されるため、条件によっては、隣接領域以外の照明領域における輝度レベル変化の影響を受けることもあり得る。例えば、ある表示領域について輝度レベル１を選択したバックライトの実輝度が、階調変換時の輝度データに対して２０％の誤差を含む（２０％輝度が高い）場合には、２〜５階調程度の階調変換誤差が生じ、表示領域間の擬似輪郭や階調反転などの妨害として視認されることになる。

照明誤差現象による階調変換誤差を補償するため、本実施形態では図３に示すように、階調補正用ＬＵＴ２０を使用して階調補正部２１により最終的なソースドライバ回路２２への画像信号を出力するようにする。階調補正用ＬＵＴ２０には、表示領域毎に、ある照明領域の輝度レベルとそれに隣接する照明領域の輝度レベルの組み合わせに対応した階調補正データが格納されており、バックライト１２の輝度レベルを参照しながら階調補正量を決定する。

コントローラ１０は、１フレーム毎に画像信号を出力する前に、黒表示信号を出力して、１フレーム内に黒表示画像と通常の画像とを交互に表示するように制御している。

黒挿入部９の動作については後から詳しく説明する。

（９）黒挿入の動作
次に、黒挿入部９の動作について説明する。

黒挿入部９は、フレームメモリ１３から入力したＲＧＢの画像信号に対し、１フレーム毎に黒表示画像を挿入し、黒表示画像、通常の画像とを交互に表示していく。この場合に、黒挿入部９は、黒表示画像における特別の制御を行う。

すなわち、通常の画像では上記で説明したように照明領域毎にバックライトの輝度や、表示領域における階調補正を行っているが、黒表示画像を挿入する場合には、その黒表示画像の走査ラインが含まれる白色ＬＥＤ２８について全て消灯させる。

すなわち、図９に示すように、黒表示画像に該当する走査ラインに属する横方向の白色ＬＥＤ２８を全て消灯させる。

但し、１つの白色ＬＥＤ２８においては、複数の走査ラインが対応しているため、例えば、１０本の走査ラインが対応している場合には、その１０本の走査ラインにおける黒表示画像が表示されている間は、その対応する横方向の全ての白色ＬＥＤ２８を消灯させる。

そして、図９に示すように、最上部にある白色ＬＥＤ２８を消灯させた後、順番に次のラインを白色ＬＥＤ２８を消灯させ、黒表示を行う。

このようにすることで、より黒表示を行うときにコントラストを高めることができる。

また、従来のように照明領域毎に白色ＬＥＤ２８を消灯させるのでなく、各照明領域３０に含まれる縦方向の個々の白色ＬＥＤ２８毎に消灯させるため、隣接する照明領域３０の間で輝度差が拡大することがない。

（変更例）
本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。

上記実施形態では、各照明領域３０に９個の白色ＬＥＤ２８を配したが、これに限らず白色ＬＥＤ２８の数を更に増加させると、より細かく黒挿入駆動法に対応して白色ＬＥＤ２８を消灯させることができる。

本発明の一実施形態の液晶表示装置の構成例を示したブロック図である。 画面及びバックライトの領域分割の一例を示した図である。 バックライトの輝度レベルと、輝度及び階調信号との対応関係を示した図である。 表示領域毎に入力信号レベルの平均輝度階調を算出した結果の一例を示した図である。 バックライト輝度レベルの選択方法について示した図である。 照明領域毎に入力信号レベルの平均輝度階調を算出した結果の一例を示した図である。 照明領域間のクロストークによる照明誤差を示した図である。 バックライトの構成図である。 バックライトを黒挿入駆動法に対応させて消灯させた状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 液晶表示装置
９ 黒挿入部
１０ コントローラ
１１ 液晶パネル
１２ バックライト
１３ フレームメモリ
１４ 画像輝度演算部
１５ 画像輝度データ保持部
１６ バックライト輝度演算部
１７ バックライト輝度データ保持部
１８ バックライト輝度制御部
１９ 階調変換部
２０ 階調補正用ＬＵＴ
２１ 階調補正部
２２ ソースドライバ回路
２３ ゲートドライバ回路
２８ ＬＥＤ
３０ 照明領域

Claims (2)

1. 画像信号に基づいて画像を表示領域で表示する液晶パネルと、
   格子状に配された複数の点光源によって点灯される照明領域を縦横方向にそれぞれ複数有し、前記各照明領域から前記液晶パネルの表示領域を照明するバックライトと、
   前記各照明領域のそれぞれの輝度を前記画像信号に基づいて算出するバックライト制御部と、
   １フレーム毎に前記画像信号に黒表示信号を挿入して、前記表示領域で黒表示を行う黒挿入部と、
   を有する液晶表示装置において、
   前記バックライト制御部は、
   前記黒表示を行う前記表示領域に対応する複数の前記点光源を、前記照明領域の照明とは独立して消灯させる、
   液晶表示装置。
2. 前記液晶パネルは、ＯＣＢモードの液晶パネルである、
   請求項１記載の液晶表示装置。

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