JP2009237128A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】普通の明るい部屋で観賞するときに、暗い場面においても、自然できれいな画像を表示できる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の液晶表示装置は、垂直配向型の液晶パネル面に内面拡散を行う光拡散層を有し、入力輝度値の入力輝度値平均値と、表示輝度値の表示輝度値平均値との対応を対数値にて示す平均値線を記憶する平均直線記憶部と、入力輝度値と、表示輝度値との対応を対数値にて示す特性曲線を記憶する特性曲線記憶部と、入力輝度値の平均値として入力輝度値平均値を算出する入力輝度値平均値算出部と、入力輝度値平均値が変化した際、特性曲線を読み出し、平均直線上の入力輝度値平均値に対応した表示輝度値に対し、該表示輝度値と同一の特性曲線上の表示輝度値が平均直線上にて重なる位置に特性曲線を平行移動させ、特性曲線記憶部に記憶させる特性曲線移動部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶テレビなどの液晶を用いた動画を表示する液晶表示装置に関する。

透過型の液晶表示装置は、フラットパネルディスプレイに代表される表示素子であり、軽く、薄く、かつ低消費電力であることから、液晶テレビ、カーナビゲーション、パソコン用モニター、ノートＰＣ（パーソナルコンピュータ）、ＦＡ（ファクトリオートメーション）等に、幅広く使用されてきている。これらの中で、近年、特に液晶テレビを用途としての液晶表示装置の利用が広まってきている。
液晶テレビにおいては、観察者が様々な角度から、中間階調を多く有するような画像を観察するため、どの方向からみても、階調性が崩れず、色変化の少ない透過型液晶表示装置が求められている。

また、映画、スポーツ、ニュースなど色々なジャンルの番組を表示するため、明るい場面、暗い場面ともに、きれいに画像が表示できるということが必要である。
上述したような液晶テレビにおいて用いられる液晶パネルは、主に、垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）方式の液晶パネルと、ＩＰＳ（In-Place-Switching）方式の液晶パネルである。
上記垂直配向（ＶＡ）方式の液晶パネルは、表示画面のコントラストが高く、ラビング（Rubbing）が必要ないため大型のものを作成しやすい、といったような優れた特徴を持っている。

しかし、垂直配向（ＶＡ）方式の液晶パネルは、見る角度によって画像のガンマが変化してしまうという特性があるため、観察者が横方向から見たとき、画像が白っちゃけてしまう（白濁色が支配的になってしまう）という問題点があった。
上述した問題点を解決するため、ＶＡ方式の液晶パネルの観察者側に適切な拡散特性を持つような拡散層を設置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の方法を用いると、正面方向に進む光の一部が斜め方向にまわり色が平均化されるため、見る方向による色変化が抑えられ、横方向から見ても良好な画像を得ることができる。
特開２００７−２４１１８９号公報

しかしながら、上述した特許文献１の方法を用いた場合、正面のコントラストが低下するため、暗い場面が表示されると、黒の締まりが悪くなりやすいという問題点を生じる。
一方、ＩＰＳ方式の液晶パネルは、ＶＡ方式の液晶パネルと異なり、観察者がいずれの方向から観察してもほとんど色変化しないという優れた特性がある。
しかし、ＩＰＳ方式の液晶パネルは、ＶＡ方式の液晶パネルに比較すると、正面コントラストが低く、また、特に斜め方向から見た場合に、暗いほうの階調が潰れてしまうため、暗い場面において階調を表現し難いという問題点がある。

一方、別の観点において、通常、映画を真っ暗な部屋で鑑賞するのに対し、液晶テレビは通常リビングなどの明るい部屋で鑑賞するため、観察者における表示画像の見え方が違ってくるという点がある。
例えば、暗い部屋においては、表示画面がかなり暗くても鑑賞することができるが、一方、明るい部屋の場合においては、部屋の明るさに比較してある程度以上暗くなると（１／５０以下程度）、全て黒として観察者に判定されるという現象が生じる。この現象は、側抑制と呼ばれる目の性質が原因であると考えられている。

すなわち、普通の日本の部屋は２００〜３００ルクス（Ｌx）程度の明るさがあり、白っぽい壁が多いために、表示画像の明るさが１ｃｄ／ｍ^２以下くらいになると、観察者から非常に見え難くなる。
このため、液晶テレビにより映画などを鑑賞する場合に、液晶パネルに十分なコントラストが得られ、階調表現が可能であるとしても、暗い場面においては、表示画像が黒く潰れて見え、きれいに画像表示できないという問題点がある。
また、明るい部屋で見る場合には、液晶パネル表面への写りこみなども生じるため、さらに画像が見え辛くなるという問題点があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、普通の明るい部屋で観賞するときに、暗い場面においても、自然できれいな画像を表示できる液晶表示装置を提供することを目的としたものである。

本発明の液晶表示装置は、垂直配向（ＶＡ）型の液晶パネルにおける観察者と対向する表示面に対して内面拡散を行う光拡散層を有する液晶表示装置であり、入力信号の入力輝度値の平均である入力輝度値平均値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値の平均である表示輝度値平均値との対応をそれぞれ対数値にて示す平均値線を記憶する平均直線記憶部と、入力信号の入力輝度値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値との対応をそれぞれ対数値にて示す特性曲線を記憶する特性曲線記憶部と、入力信号が入力されると入力輝度値の平均値として前記入力輝度値平均値を算出する入力輝度値平均値算出部と、前記入力輝度値平均値が変化した際、前記特性曲線記憶部から前記特性曲線を読み出し、前記平均直線上の該入力輝度値平均値に対応した前記表示輝度値に対し、該表示輝度値と同一の前記特性曲線上の表示輝度値が重なる位置に前記特性曲線を平行移動させる演算を行い、演算結果として得られた特性曲線を、前記特性曲線記憶部に記憶させる特性曲線移動部と、前記特性曲線記憶部の特性曲線に対応して、前記入力輝度値に対応した前記表示輝度値を読み出し、この表示輝度値に対応した輝度制御信号を算出する輝度制御部と、前記輝度制御信号により前記液晶パネルを駆動する液晶ドライバとを有する。

本発明の液晶表示装置は、前記平均直線の傾きが、表示する原画像の白黒の輝度の比率のコントラストを、マクベスチャートにおける白黒の輝度の比率のコントラストとする角度と、表示する原画像の白黒の輝度の比率のコントラストを、明室における全黒画像及びと全白画像のコントラストとする角度との範囲とすることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記平均直線の傾きが０．４０〜０．６５の範囲であることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、前記特性曲線が入力輝度値において人間が輝度差をリニアに知覚できる輝度範囲を直線とし、視認できない該輝度範囲より外側の入力輝度値が高い範囲及び低い範囲における表示輝度値の変化率を、前記視認できる範囲に比較して小さくすることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、特性曲線移動部が、前記平均直線上の入力輝度値平均値毎に、該入力輝度値平均値にて重なる前記特性曲線を記憶する選択特性曲線記憶部を有し、前記入力輝度値平均値が変化した際、該入力輝度値平均値に前記特性曲線を前記選択特性曲線記憶部から選択することを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、垂直配向（ＶＡ）型の液晶パネルにおける観察者と対向する表示面に対して内面拡散を行う光拡散層を有する液晶表示装置であり、入力信号の入力輝度値の平均である入力輝度値平均値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値の平均である表示輝度値平均値との対応をそれぞれ対数値にて示す平均値線を記憶する平均直線記憶部と、入力信号の入力輝度値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値との対応をそれぞれ対数値にて示す特性曲線を記憶する特性曲線記憶部と、入力信号が入力されると入力輝度値の平均値として前記入力輝度値平均値を算出する入力輝度値平均値算出部と、前記入力輝度値平均値が変化した際、前記特性曲線記憶部から前記特性曲線を読み出し、前記平均直線上の前記入力輝度値平均値に対応する表示輝度値を求め、該表示輝度値と同一の値の前記特性曲線上の表示輝度値に対応する入力輝度値を求め、該入力輝度値と前記入力輝度値平均値との差輝度値を求め、入力される入力輝度値を順次、前記差輝度値分平行移動させて、入力輝度値の値を変換して出力する入力輝度値移動部と、前記特性曲線記憶部の特性曲線に対応して、前記入力輝度値に対応した前記表示輝度値を読み出し、この表示輝度値に対応した輝度制御信号を算出する輝度制御部と、前記輝度制御信号により前記液晶パネルを駆動する液晶ドライバとを有する。

以上説明したように、本発明によれば、入力信号の入力輝度値の対数値と、液晶パネルの表示輝度値の対数値とを対応させた特性曲線がＳ字カーブを描くようにし、表示する画像の入力信号上での全体的な輝度によって、その形を変えることにより、暗い場面を表示したときに、入力値に対応する明るさに比較し、より明るい画像として液晶パネルに表示することができる。
したがって、本発明の液晶表示装置においては、液晶パネルの特性によって暗い画面が表示できないことや、明るい部屋で観察するために暗い画面が潰れて見えたりする影響を抑制することができるので、普通の明るい部屋で観賞する際、暗い表示場面においても、自然できれいな画像を観察することができる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の一実施形態による液晶表示装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態による液晶表示装置の構成例を示すブロック図である。
この図において、本実施形態の液晶表示装置は、入力輝度値平均値算出部１、特性曲線記憶部２、特性曲線移動部３、平均直線記憶部４、輝度制御部５、液晶ドライバ６及び液晶パネル７を有している。
液晶パネル７は、垂直配向（ＶＡ）型の液晶パネルであり、観察者と対向する表示面に対して内面拡散を行う光拡散層を有している。この光拡散層は、平行光が上記表示面に対して垂直に入射された際、正面方向から３５度〜５５度の角度範囲に、入射光のうちの１０％以上の光を拡散する。
入力輝度値平均値算出部１は、入力される入力信号（画像信号）の各画面毎の全ピクセル（画素）の入力輝度値（階調度）の平均値を算出する。このとき、入力輝度値平均値算出部１は、Ｒ、Ｇ、Ｂを含めた全ての画素の平均値を算出する。

特性曲線記憶部２は、図２に示すように、入力信号の入力輝度値と、液晶パネル７に表示する表示輝度値との対応をそれぞれ対数値にて示す特性曲線を記憶している。図２においては、画面全体のピクセルの輝度値平均値が大きい明るい画像と、画面のピクセルの輝度値平均値が小さい暗い画像と、それぞれの階調特性を示している。
この特性曲線は、入力信号の輝度値の対数値と、液晶パネル７に表示する表示画像の輝度値の対数値とを対応関係を示す曲線であり、入力信号の輝度値が観察者の視認性（輝度値変化に対する）が良好、すなわち人間が輝度差をリニアに知覚できる領域を０．６〜１．１の範囲の傾きとして設定されている。また、この特性曲線は、上記良好な領域外、すなわち観察者がリニアに知覚できない輝度値範囲（良好な領域）である輝度値が低い領域と高い領域にて、上記良好な領域に比較して傾きの変化率が小さく設定されたＳ字カーブを描く形状であり、領域な一定の傾きの領域における最大輝度値と最小輝度値の表示輝度の比が１５０以上に設定されている。

平均直線記憶部４は、図２に示すように、入力信号の入力輝度値の平均である入力輝度値平均値と、液晶パネル７に表示する表示輝度値の平均である表示輝度値平均値との対応をそれぞれ対数値にて示す平均値線を記憶している。図２において、横軸が入力輝度値の対数値を示し、縦軸が表示輝度値の対数値を示している。
特性曲線移動部３は、入力輝度値平均値が変化した際、上記特性曲線記憶部２から特性曲線を読み出し、平均直線上の上記入力輝度値平均値に対応した表示輝度値の平均値を求め、この表示輝度値の平均値と同一の特性曲線上の表示輝度値が上記平均直線上にて重なる位置に特性曲線を平行移動させ、新たに求めた特性曲線記憶部２に記憶させる。ここで、特性曲線移動部３は、特性曲線の移動の演算を図４に示す入力輝度値及び表示輝度値の対数値により行う。

すなわち、特性曲線移動部３は、画面の画像データが入力される毎に、上記入力輝度平均値を対数値に変換し、この入力輝度平均値に対応する平均直線上の表示輝度値の平均値を平均直線記憶部４から求め、この平均直線上の表示輝度値の平均値と同一の値の特性曲線の表示輝度値との各々に対応する入力輝度値を求め、それぞれの入力輝度値の差分である差輝度値を求め、平均直線上の表示輝度値の平均値に、同一の表示輝度値にて平均直線と特性曲線とが交差するように、特性曲線を上記差輝度値分だけ平均直線に対して平行移動させる演算を行い、得られた新たな特性曲線を特性曲線記憶部２へ記憶する。

言い換えると、特性曲線移動部３は、入力輝度値の平均輝度値が変化した際、特性曲線記憶部２から特性曲線を読み出し、平均直線上の入力輝度値平均値に対応する表示輝度値の平均値を求め、この表示輝度値平均値と同一の値の上記特性曲線上の表示輝度値に対応する入力輝度値を求め、求めた入力輝度値と入力輝度値の平均輝度値との差輝度値を求め、読み出した特性曲線を差輝度値分だけ特性曲線を平行移動させ、得られた新たな特性曲線を特性曲線記憶部２へ記憶する。
また、特性曲線移動部３は、平均直線上において、複数の入力輝度値にて重なる特性曲線を記憶する選択特性曲線記憶部を有し、入力輝度値の平均輝度値が変化した際、この入力輝度値の平均輝度値に対応する、上述した特性曲線を選択特性曲線記憶部から選択するように構成しても良い。

輝度制御部５は、特性曲線記憶部２に記憶された特性曲線により、入力輝度値に対応した表示輝度値を求め、対数値を実数値に変換して液晶ドライバ６へ出力する。ここで、輝度制御部５は、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に、入力輝度値から表示輝度値を求め、表示輝度値に対応した輝度制御信号（液晶パネルの液晶素子の開口率、すなわち透過率を制御する制御電圧値）を算出する。
液晶ドライバ６は、輝度制御信号により液晶パネル７のマトリクス状に形成された各液晶素子を順次駆動する。
なお、ここでの入力信号の輝度値とは、画像そのものの輝度値ではなく、液晶パネルの規格に対応させた輝度値に変換（γ補正）したときの値である。例えば、ＮＴＳＣ信号の場合には、入力信号の輝度値の２．２乗に対応し、ＰＡＬ信号の場合には、入力信号の輝度値の２．８乗に対応している。

次に、上記実施形態において用いられている特性曲線について説明する。
明るい室内において液晶パネル７を観察する際、表示画像の各ピクセルが潰れるという現象を無くすため、室内の明るさに対して、表示パネル７に表示する画像の明るさが、暗くなりすぎないようにすることが必要である。
ウェーバーの法則により、観察者の目で見たときに認識される明るさは、輝度値の対数値に比例することが知られている。
例えば、テレビ画像などにおいては、通常、画像信号上の輝度値の対数値と、表示輝度値の対数値とが傾き１で対応している。
しかしながら、画像信号の入力輝度値の対数値と、表示輝度値の対数値とがほぼ直線に対応していれば、ある程度までは傾き（後述するように、０．６〜１．１の範囲の傾き）が変わっても自然な画像として観察される。

したがって、図３に示すように、傾き角度を小さくすることにより、入力輝度値が小さい、すなわち暗いほうでの画像を明るく表示することができる。
しかしながら、ただ単に傾きを変えた場合には、ある程度以上小さくすると、観察者の輝度値の視認性（人間の輝度値変化をリニアに知覚できる特性）が低下する領域において、色が白っぽくなったり、なんとなく眠たい画像（人間の目において、メリハリのない画像）となってしまう。
また、動画像における画像の明るさを考える場合、一つの画像の中での階調の変化と、場面ごとの全体的な画像の明るさとの２つの要素に分けて考えることができる。
一つの画像中における階調表現においては、傾きの変化に対しての目の許容度はあまり大きくなく、例えば０．６以下程度となると、色が白っぽく、なんとなく眠たいといった画像になる。
一方、場面ごとの全体的な画像の明るさの違いは、目がその明るさに順応していくこともあって、傾きが、かなり大きく変化しても比較的気にかかりにくく、例えば、傾きがほとんど０になったとしても、それほど違和感を感じない。

そこで、本実施形態においては、各場面における画面の画像データの全体的な明るさに対しては、傾きを小さくして明るさ変化、すなわち画面間の明るさの変化を抑え、一つの画面の中での階調の表現（入力輝度値と表示輝度値との対応関係）は、１に近い傾きにして画像を表示するようにする。
例えば、図４で、各場面での画像の平均輝度値を１より小さい傾きα（表示輝度値／入力輝度値）の直線（図の点線）に沿って変化させるとすると、明るい場面を表示する際、その入力輝度値の対数値と出力輝度の対数値とを対応させる特性曲線は、平均輝度Ｌｂに対して点線上の対応点（Ｌbのα乗に比例する）を通る傾き１の直線により表される。一方、暗い場面を表示する際、上記特性曲線は、平均輝度Ｌaに対して点線上の対応点（Ｌaのα乗に比例する）を通る傾き１の直線により表されるようにすることが考えられる。
上述したように特性曲線を設定すれば、暗い場面の画像を明るい画像として表現することができ、観察者は表示された画像に対する違和感をほとんど感じることがない。

また、図３から分かるように、画面の全ピクセルの平均輝度値によって、特性曲線が、画像信号の入力輝度値の対数値の軸に沿って平行に移動する形になっている。
そこで、入力される入力信号の各ピクセルの平均輝度値の変化に対して、入力信号上での輝度値の対数値と、その表示輝度値の対数値をプロットしたときの特性曲線を、特性曲線移動部３がどの程度移動させるかについて考える。
図５には、異なる平均輝度値Ｌ1、Ｌ2の画像に対しての、入力信号上での輝度値の対数値と、その表示輝度値の対数値の特性曲線（実線）と、画面における入力輝度値の平均輝度値の対数と、同一画面における表示輝度値の平均輝度の対数との対応を示す平均直線（点線）の関係を示す概念図である。なお、平均輝度の線の傾きをαとしている。

この図５において、画面Ｇ１が画面Ｇ２に変化し、画面における全ピクセルの平均輝度値がＬ1からＬ2に変化したとき、現在の位置からｘ（差輝度値）だけ、特性曲線を入力輝度値の対数軸に沿って平行移動させることになる。
図５において、
ｘ＋ｙ＝log（Ｌ1）−log（Ｌ2）
となっている。
また、特性曲線の傾きが１であることより、
ｙ＝α｛log（Ｌ1）−log（Ｌ2）｝
となる。
したがって、
ｘ＝log（Ｌ1）−log（Ｌ2）− α｛log（Ｌ1）−log（Ｌ2）｝
＝log（Ｌ1）^{（１−α）}−log（Ｌ2）^{（１−α）}
となる。
このことから、平均輝度がＬの時にＬ^{（１−α）}に対応した位置に特性曲線を移動させることになる。

次に、平均輝度値の平均直線の傾きについて説明する。例えば、テレビなどの用途において、本実施形態による液晶表示装置を用いる場合、画面ごとの明るさ変化をどの程度にすれば良いかを考える。
場面の明るさに関して、画面における一つ一つの画素を独立した画像として見た場合、明るい場面及び暗い場面にかかわらず、画面内の明るさが一定であったとしてもほとんど問題は無い。しかしながら、動画像における映像においては、全体の流れの中で、ある程度、明るさ変化が表示できたほうが良い。
例えば、ブラックアウトやホワイトアウトなどにおける場面転換が、灰色画像で行われてしまってはおかしくなってしまう。

そこで、全黒、全白における場面が、それぞれ黒、白として最低限判別できる程度には明るさの違いが必要である。
すなわち、平均曲線の傾きは、表示する原画像（例えば、映画フィルム、テレビドラマのフィルム）の白黒の輝度の比率のコントラストを、マクベスチャートにおける白黒の輝度の比率のコントラストとする角度と、表示する原画像の白黒の輝度の比率のコントラストを、明室における全黒画像及びと全白画像のコントラストとする角度との範囲としている。

ここで、明るい部屋で見る普通の写真や印刷物などは、コントラストが大体４０程度になっている。また、マクベスチャートにおいて、黒、白とされる色の輝度コントラストの違いは、３０程度となっている。このことから、明室では３０〜４０程度以上のコントラストがあれば、黒、白として十分に判別できると考えられる。
入力信号上での黒、白の輝度値の違いであるが、例えば、映画では、映画フィルムの最大濃度のときを黒として設定されている場合が多い。最近の映画フィルムの場合に最大濃度は４程度までいくので、白黒の明るさ比率としてコントラストで１００００程度になる。

このことからコントラスト１００００が４０程度になると考えて、画像信号上での画像の平均輝度値の対数値と、その表示輝度値の対数値をプロットしたときのグラフの傾き角度を求めると０．４以上必要であると考えられる。
すなわち、log（４０）＝α×log（１００００）であるため、
α＝log（４０）／log（１００００）＝１．６／４＝０．４
となる

一方、２００〜３００Ｌx（ルクス）程度の明るい部屋において、画像の明るさが１cd／ｍ^２以下程度くらいになると、ほとんど黒に見えて判別し難くなる。このため、全黒画像は１cd／ｍ^２以下にはならないようにしたほうが良い。普通、液晶テレビなどの場合、白画像の輝度は５００cd／ｍ^２程度であるが、後述するように全白画像は、それより低く４００ cd／ｍ^２くらいまでの明るさで表示されるので全白と全黒のコントラストは４００程度までに抑えておいたほうが良い。
このことから、画像信号上での画像の平均輝度の対数値と、その出力輝度の対数値をプロットしたときのグラフの傾き角度は０．６５以下にしておいたほうが良いと考えられる。
すなわち、log（４００）＝α×log（１００００）
α＝log（４００）／log（１００００）＝２．６／４＝０．６５
となる

なお、平均輝度の変化は、対数でプロットしたときに完全に直線になっている必要はなく、単調増加で滑らかであれば、平均輝度の値によって若干傾きが変化しても良い。
上述した結果から、入力輝度値と表示輝度値との輝度値平均値の対数値を示す平均直線の傾きαの値は、０．４〜０．６５が良いと考えられる。

次に、本実施形態における特性曲線について説明する。
ところで、図４及び図５において、便宜上、特性曲線を直線によって表示したが、実際の液晶パネルにおいては、コントラスト値や輝度値に限界があるため、図２に示すように、観察者が輝度の視認がし難い、入力輝度値の明るい領域及び暗い領域にて、それぞれ飽和するように、観察者の視認できる輝度値範囲の傾きに比較して、変化率が小さくなるように設定している。
したがって、本実施形態における特性曲線は、上述した明るい領域と暗い領域において傾きがゆるやかになり、観察者の視認できる輝度値範囲の中央付近で１程度の傾きを持つようなＳ字カーブとして設定されている。

上述したように、本実施形態における液晶表示装置において、図１に示すように、入力信号の輝度値の対数値と、表示輝度値の対数値とを対応させる特性曲線が、途中で１に近い傾きの直線（観察者の視認できる輝度値範囲）となるようなＳ字カーブを描き、明るい画像、暗い画像で、画面ごとの全ピクセルの輝度値の輝度値平均値の明るさに対応させ、この直線部分が入力信号の輝度値の対数値の軸に平行に移動させるような形で、入力画像の輝度値に対する出力画像の輝度値を出力する特性曲線を変化させるようにしている。

上述したように、特性曲線に対してＳ字カーブを用いる場合、暗い画像（画面の平均輝度値が低い）、明るい画像（画面の平均輝度値が暗い画像に対して高い）をきれいに表現できるようにするため、すでに述べているように、観察者が輝度値の変化をリニアに知覚できる範囲に対応させて、Ｓ字カーブのほぼ直線と見なせる領域に十分な階調表現をできるだけの広さを確保させる必要がある。
また、画面の明るい部分において、入力輝度値に対応する表示輝度値が飽和したりしないように、入力信号の輝度値と、表示する際の表示輝度値との対応を適切にする必要がある。

そこで、特性曲線におけるＳ字カーブ（曲線）の直線部分の範囲がどの程度必要であるかについて、ＪＮＤ（Just Noticeable Difference）の概念に基づいて考える。
通常、明るい部屋で観察する写真や印刷物などのコントラストは、すでに述べたように４０程度になっており、明るい部屋で観察する場合に、一つの画像に対しては、コントラストで４０程度に相当する階調表現ができる必要があると考えられる。
一方、明るさの変化に関してであるが、映画画像などの場合に、フィルムの特性がＳ字カーブとなるため、ほぼ直線的な階調表現で用いることができるのは、広めに見ても濃度３程度、コントラストで１０００程度の領域になる。

そのため、１画面の画像の階調を表現するためには、すでに述べたように４０程度のコントラストが必要となり、明るさ変化としては１０００／４０で約２５倍以下程度になる。本実施形態においては、画面ごとの明るさ変化を傾き角を小さくして抑えており、傾き角が０．４の場合にこの輝度の変化は３．６倍程度になる。
このため、出力として３．６×４０で１５０程度以上のコントラストに相当する範囲が、表現できていることが望ましい。したがって、直線部分の範囲としては、入力輝度値の軸において、最大輝度値と最小輝度値との比が１５０である必要がある。
なお、いままでの説明において、Ｓ字カーブにおける観察者が輝度値を視認できる範囲を直線として記述しているが、完全に直線である必要はなく、直線の傾き角度も完全に１である必要はない。

ただし、傾き角が１から大きく外れると弊害が生じるため、ある程度の範囲に収める必要がある。傾きが小さいほうについては、前述したように小さくし過ぎたとき、画像が白っぽく眠たい感じになるので、そうならないように０．６くらいまでにしておくのが良い。
一方、傾きが大きいほうについては、普通の画像は１．５くらいまでは、少し画像が硬い感じになる程度でそれほど気にかからない。しかし、暗い室内と明るい室内とにおいて画像のガンマ値が異なって見えることから、映画などにおいては、ガンマ値を高めの値（１．２〜１．５程度）にしてあるものも多く、これらについては不自然な画像になる場合もある。また、画像が全体的に暗くなることもあり１．１程度までに抑制する必要がある。

次に、特性曲線における画像信号の入力輝度値と、表示輝度値との対応について考える。
基本的には、画像が明るくなるようにしたほうが、消費電力などの面から見て有利である。このためには、平均輝度の線の最大値が、液晶パネル７が表示できる最大輝度に近づけるように設定しておくほうが良い。
しかしながら、この方法で表示する場合、例えば図６において、本来の階調特性である傾き１の線に対して、平均輝度の線が上にくるような、図の交点Ｐよりも平均輝度が低い画像に関して、平均輝度値よりも明るい部分の階調表現領域が狭くなる。

このため、あまり平均輝度値の線が高くなると、画像によっては一部の画素の表示輝度値が飽和してしまうという状況が生じる。
そのため、平均輝度値の最大値は、液晶パネル７の最大輝度よりも若干低めに設定しておく必要がある。
通常、明るい室内において観察する写真や印刷などの画像の場合、平均的な輝度値は白輝度に対して、１／２〜１／５程度になっている。
明るい画面の画像の場合には、平均輝度値も明るく、最大輝度値に対して、１／２程度になる場合が多い。そのため、入力信号の平均輝度値が全白画像の半分のときに、表示輝度値が最大値の半分くらいになるように設定しておくと、表示輝度値が不自然に飽和することがほとんどない。
明るめに設定するならば平均輝度値が１／２くらいのところで、液晶パネル７の最大輝度値の半分程度の明るさになるように設定すれば良い。

ここで、入力信号の平均輝度値が全白画像の半分のときに、表示輝度値が最大値の半分くらいになるように設定した際、平均輝度値の最大値すなわち全白画像の輝度は、平均輝度の線の傾きが０．６５としたとき、液晶パネル７の最大輝度の８０％程度になる。
一方、なるべく広い範囲で、階調を表現しようとするならば、入力信号の平均輝度値が全白画像の半分のときに、表示輝度値が最大値の半分より低く設定したほうが良いが、余裕を見た場合にも１／５程度にすれば十分である。また、逆に暗くし過ぎると暗い領域の画像が潰れ易くなる（飽和しやすくなる）ので、この程度までに抑えておくほうが良い。
このときの全白画像の輝度は、平均輝度の平均直線の傾きを０．４としたとき、液晶パネル７の最大輝度値の４０％程度になる。このため、全白画像を表示したときの明るさが液晶パネル７の最大輝度値の４０％以上になるようにしたほうが良い。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態においては、第１の実施形態が特性曲線を変化させることによって、入力輝度値に対する表示輝度値への対応関係を、明るい場面と暗い場面とにおいて変更するのに比較し、入力する入力信号の入力輝度値を変換することによって行っている。
すなわち、第１の実施形態において、入力信号の輝度値の対数値と、液晶パネル７の表示輝度値の対数値とを対応させた特性曲線のなかのほぼ直線となる部分を、入力信号軸に沿って移動させていたが、本第２の実施形態においては、入力輝度値を、入力輝度値の対数軸に沿って逆向きに移動することにより、第１の実施形態と同等な操作を行っている。

本実施形態においては、第１の実施形態における特性曲線記憶部２と特性曲線移動部３とに代え、入力輝度値変換部が設けられている。他の構成については、第１の実施形態と同様のため、説明を省略する。
すなわち、入力輝度値変換部は、画面の入力輝度値の平均輝度値が変化した際、特性曲線記憶部２から特性曲線を読み出し、平均直線上の入力輝度値の平均輝度値に対応する表示輝度値を求め、該表示輝度値と同一の値の特性曲線上の表示輝度値に対応する入力輝度値を求め、該入力輝度値と前記入力輝度値の平均輝度値との差輝度値を求め、入力される入力輝度値を順次、差輝度値分だけ平行移動させ（すなわち差の符号に合わせて加減算し）、入力輝度値の値を変換し、この変換した入力輝度値に対応する表示輝度値を出力する。特性曲線記憶部２には、適当な特性曲線、（曲線の形状としては第１の実施形態と同様）例えば、Ｓ字カーブにおける直線部分の中央位置近傍の表示輝度値が、同一の値の表示輝度値の平均輝度値と重なるように平均直線と交差する特性曲線が記憶されている。
そして、輝度制御部５は、入力輝度値変換部から入力される表示輝度値に基づいて、液晶パネル７の液晶素子の制御信号を生成する。

したがって、第１の実施形態において特性曲線の移動は、表示する画像の入力信号上での輝度の平均値Ｌmと、０．４０〜０．６の間のある数値（１−α）を用いて平均輝度値Ｌmを（１−α）乗に比例する位置に移動させていたが、第２の実施形態においては、上記入力輝度値変換部が入力信号の入力輝度値を、（１／Ｌm)^{（１−α）}に比例するように変換することになる。
すなわち、入力輝度値変換部は、入力信号の入力輝度値をＬとしたときに、適切な定数Ｋを用い、入力信号の入力輝度値をＫ×Ｌ×（１／Ｌm)^{（１−α）}となるように変換する。
第１の実施形態においては、平均輝度がＬ１からＬ２に変化した際、対数グラフ上にて特性曲線に対応する角度４５°の平均輝度値の平均直線は、
ｘ＝log（Ｌ１）^{（１−α）}−log（Ｌ２）^{（１−α）}
に対応する距離だけ左方向（ｘ軸に対して−方向）に移動させている。
したがって、輝度信号の数値を変換する場合、第１の実施形態における特性曲線を移動させる場合に対し、輝度信号の対数値を逆方向に移動させることとなる。
ここで、基準となる平均輝度をＬkとし、画像信号の平均輝度をＬmとし、返還後の輝度値をＬtとすると、
ｋ＝log（Ｌk）^{（１−α）}−log（Ｌm）^{（１−α）}
に対応する距離を、右方向（ｘ軸の＋方向）に対数値を移動させることになる。
変換した信号値をＬnとし、変換前の信号値をＬoとすれば、
log（Ｌt）＝log（Ｌo）＋ｋ
＝log（Ｌo）＋log（Ｌk）^{（１−α）}−log（Ｌm）^{（１−α）}
＝log｛（Ｌo）×（Ｌk）^{（１−α）}／（Ｌm）^{（１−α）}｝
となり、
Ｌt＝（Ｌk）^{（１−α）}×（Ｌo）×（１／Ｌm）^{（１−α）}｝
とＬtが表され、また、（Ｌk）^{（１−α）}を適切な常数Ｋとすることにより、
上述した変換後の輝度値の式として、Ｋ×Ｌ×（１／Ｌm)^{（１−α）}が得られる。

この際に用いる定数Ｋは、平均の輝度信号が最大値のときに、表示画像の明るさが最大輝度の４０〜８０％の明るさになるように設定する。ここで表示画像の明るさをこのようにするのは第１の実施形態にて説明したのと同様な理由による。
なお、このように信号を変換した場合には、入力信号の最大値を超えてしまう場合もあるので、その場合には、最大値を用いる。

次に、入力信号の入力輝度値の変換について説明する。
実験にもちいた液晶パネル７は、垂直配向型の液晶パネルの表面に光拡散層を設置したようなものである。今回のテストでは、垂直配向型の液晶パネルとしてパーソナルコンピュータの入力端子のある液晶テレビを用いている。
また、上記光拡散層の拡散フィルムは、例えば、屈折率が約１．５３のアクリル系ＵＶ（紫外線）硬化樹脂中に、屈折率が約１．６５で粒子径が約１．５のメラミンフィラーを分散させて、ＴＡＣフィルム上に塗工し、ＵＶ光を露光することによって作成することができる。
なお、今回用いた上記拡散フィルムは、正面から平行光を入射したときに、３０°〜６０°の範囲に約９％の光が拡散されるような特性を持ったものであった。

上記液晶パネルにおいては、標準演色評価用の８色を表示したときに、色変化の大きさをΔｕ’ｖ’で計算したときに、０．０４以下に収まっており、どの方向から見ても、ほぼ同じ色で画像を観察することが可能であった。
また、正面から観察したときの画像の最大輝度は約４００ cd/m²になっており、また、白画像と黒画像を表示したときの正面コントラストは、約６００程度になっていた。
さらに、この液晶パネルの特性曲線は、すでに説明したようなＳ字カーブを描いており、途中のほぼ直線となる部分の傾きが１近くになるように、設定値を合わせた。
表示する画像は、画像キャプチャーボードなどによって、ビデオから静止画像をパソコンに取り込んで用いた。なお、映画などのコンテンツから、明るい場面や、暗い場面などいくつもの画像を用いた。
これらの画像に対して、パソコンの中で、上述した入力輝度値の変換処理を行い、パーソナルコンピュータの端子から液晶パネルに出力した。

なお、パーソナルコンピュータにおける処理プログラムの概要は以下のようにした。
取り込んだ画像から、各画素に対するＲ、Ｇ、Ｂの輝度値（入力輝度値：階調度）を抽出する。
パーソナルコンピュータ内のいては、輝度値が０〜２５５の２５６階調の数値にて表されるため、入力輝度値を２５５にて除算して最大値が１になるように規格化した後、ＮＴＳＣ信号では２．２乗が輝度に対応するため、それぞれ２．２乗する。
このようにして得られた、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの輝度値ＬR、ＬG、ＬBから、各画素の輝度値を求める。今回は単純にＲ、Ｇ、Ｂの入力輝度値の値を用いた。
これら各画素の輝度値から、画像全体の平均の輝度値L_mを求める。

次式によって変換後の各画素のＲ、Ｇ、Ｂの輝度値ＬR’、ＬG’、ＬB’を求める
Ｌi’＝Ｋ×Ｌi×（１／Ｌm）^{（１−α）}
上記式において、iはＲ，Ｇ，Ｂの種別を示す。
ここで、定数Ｋの値は、ディスプレイの最大輝度に対して約５０％の明るさになるときの輝度信号値が０．３（規格化した数値）程度であったことから、０．３を用いた。また、ａの値は、０．５とした。なお、ここで輝度値が１を超えた場合は１に変換した。
このようにして求めた、Ｒ、Ｇ、Ｂの輝度値ＬR’、ＬG’、ＬB’に対して、(１／２．２)乗した後、２５５を乗算することによって、パソコンモニター用のデータに変換した。ここで、「２．２」とはパソコンモニターに入力される画像信号にはｓＲＧＢ（standard RGB）の規格が用いられており、このｓＲＧＢ規格においては、画像信号の数値の２．４乗が出力輝度に対応するように設定されているため、画像信号の信号値を輝度値の（１／２．２）に変換する必要がある。
上述した計算によって得られた輝度値による表示画像を、明るい部屋で目視により評価したところ、暗い場面の画像が、黒つぶれなどなくきれいに表現されていた。また、明るい場面の画像に関しても、入力輝度値に対し、特に表示輝度値が飽和するなどの問題はなくきれいに表示されていることが確認された。

本発明のような液晶表示装置においては、明るい部屋で、暗い場面などを鑑賞した場合にも、きれいな画像が観察されるため、家庭のリビングなどに設置される薄型テレビをとして利用が可能であると考えられる。

本発明の第１の実施形態による液晶表示装置の構成例を示すブロック図である。 入力信号の入力輝度値と、液晶パネル７に表示する表示輝度値との対応をそれぞれ対数値にて示す特性曲線を示すグラフである。 入力輝度値の対数値と、表示輝度値の対数値との対応関係を説明するためのグラフである。 特性曲線の変換処理を説明する入力輝度値の対数値と、表示輝度値の対数値との対応関係を説明するためのグラフである。 異なる平均輝度値Ｌ1、Ｌ2の画像に対しての、入力信号上での輝度値の対数値と、その表示輝度値の対数値の特性曲線（実線）と、同一画面における表示輝度値の平均輝度の対数との対応を示す平均直線（点線）の関係を示すグラフである。 特性曲線における画像信号の入力輝度値と、表示輝度値との対数値の対応関係を示すグラフである。

符号の説明

１…入力輝度値平均値算出部
２…特性曲線記憶部
３…特性曲線移動部
４…平均直線記憶部
５…輝度制御部
６…液晶ドライバ６
７…液晶パネル

Claims (6)

1. 垂直配向型の液晶パネルにおける観察者と対向する表示面に対して内面拡散を行う光拡散層を有する液晶表示装置であり、
   入力信号の入力輝度値の平均である入力輝度値平均値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値の平均である表示輝度値平均値との対応をそれぞれ対数値にて示す平均値線を記憶する平均直線記憶部と、
   入力信号の入力輝度値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値との対応をそれぞれ対数値にて示す特性曲線を記憶する特性曲線記憶部と、
   入力信号が入力されると入力輝度値の平均値として前記入力輝度値平均値を算出する入力輝度値平均値算出部と、
   前記入力輝度値平均値が変化した際、前記特性曲線記憶部から前記特性曲線を読み出し、前記平均直線上の該入力輝度値平均値に対応した前記表示輝度値に対し、該表示輝度値と同一の前記特性曲線上の表示輝度値が前記平均直線上にて重なる位置に前記特性曲線を平行移動させる演算を行い、演算結果として得られた特性曲線を前記特性曲線記憶部に記憶させる特性曲線移動部と、
   前記特性曲線記憶部の特性曲線に対応して、前記入力輝度値に対応した前記表示輝度値を読み出し、この表示輝度値に対応した輝度制御信号を算出する輝度制御部と、
   前記輝度制御信号により前記液晶パネルを駆動する液晶ドライバと
   を有する液晶表示装置。
2. 前記平均直線の傾きが、
   表示する原画像の白黒の輝度の比率のコントラストを、マクベスチャートにおける白黒の輝度の比率のコントラストとする角度と、
   表示する原画像の白黒の輝度の比率のコントラストを、明室における全黒画像及びと全白画像のコントラストとする角度と
   の範囲とすることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記平均直線の傾きが０．４０〜０．６５の範囲であることを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
4. 前記特性曲線が入力輝度値において人間が輝度差をリニアに知覚できる輝度範囲を直線とし、視認できない該輝度範囲より外側の入力輝度値が高い範囲及び低い範囲における表示輝度値の変化率を、前記視認できる範囲に比較して小さくすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 特性曲線移動部が、
   前記平均直線上の入力輝度値平均値毎に、該入力輝度値平均値にて重なる前記特性曲線を記憶する選択特性曲線記憶部を有し、
   前記入力輝度値平均値が変化した際、該入力輝度値平均値に前記特性曲線を前記選択特性曲線記憶部から選択することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. 垂直配向型の液晶パネルにおける観察者と対向する表示面に対して内面拡散を行う光拡散層を有する液晶表示装置であり、
   入力信号の入力輝度値の平均である入力輝度値平均値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値の平均である表示輝度値平均値との対応をそれぞれ対数値にて示す平均値線を記憶する平均直線記憶部と、
   入力信号の入力輝度値と、前記液晶パネルに表示する表示輝度値との対応をそれぞれ対数値にて示す特性曲線を記憶する特性曲線記憶部と、
   入力信号が入力されると入力輝度値の平均値として前記入力輝度値平均値を算出する入力輝度値平均値算出部と、
   前記入力輝度値平均値が変化した際、前記特性曲線記憶部から前記特性曲線を読み出し、前記平均直線上の前記入力輝度値平均値に対応する表示輝度値を求め、該表示輝度値と同一の値の前記特性曲線上の表示輝度値に対応する入力輝度値を求め、該入力輝度値と前記入力輝度値平均値との差輝度値を求め、入力される入力輝度値を順次、前記差輝度値分平行移動させて、入力輝度値の値を変換して出力する入力輝度値移動部と、
   前記特性曲線記憶部の特性曲線に対応して、前記入力輝度値に対応した前記表示輝度値を読み出し、この表示輝度値に対応した輝度制御信号を算出する輝度制御部と、
   前記輝度制御信号により前記液晶パネルを駆動する液晶ドライバと
   を有する液晶表示装置。

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