JP2009251331A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】黒挿入駆動法を行いつつも、省エネルギーを図ることができる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】低階調領域以外の表示領域については、その表示領域に対応するバックライト１２の白色ＬＥＤ２８の輝度を、その階調領域に合わせて点灯させ、低階調領域に対応する照明領域は消灯させる。
【選択図】 図１１

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、さら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、全ての走査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

上記のようにバックライトの照明光及び画像の階調を領域毎に分割制御することに、ダイナミックレンジの拡大が図れ、画質の向上につながる。さらに、黒挿入駆動法によるコントラストと動画応答性の向上を図ることができると共に、逆転移防止も図ることができる。

しかしながら、液晶パネルとして組み込まれる商品から要望される性能としては、ダイナミックレンジ拡大によるコントラストの向上の性能アップが充分であれば、それ以上に黒挿入による性能アップまでは必ずしも必要とされない場合もある。それよりもモバイル関連の商品などのバッテリーを使用している携帯電話などの商品や、省エネルギーを追求している商品などにとっては、黒挿入するよりも、省エネルギーを求める場合がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、黒挿入駆動法を行いつつも、省エネルギーを図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、前記黒挿入部は、前記画像信号において基準階調より低い階調を有する低階調領域を検出し、前記バックライト制御部は、前記低階調領域であって、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、前記低階調領域以外の領域に対応する前記照明領域の前記点光源の輝度を、前記低階調領域の階調に合わせて点灯させる、液晶表示装置である。

本発明によれば、黒挿入駆動法を実現しつつ、低階調領域において、点光源の輝度をその階調に合わせて点灯させることにより、省エネルギーを図ることができる。

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について図１に基づいて説明する。

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、平均または最頻の階調と、最大階調及び最小階調を抽出する。これらの画像情報をもとに、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の制御結果をもとに、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６ｘ８の表示領域（図２（ａ））、バックライト１２を３ｘ４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、２ｘ２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、最小値また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）黒挿入の制御
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。以下、その制御について説明する。

一般的に、ＯＣＢ液晶において逆転移が発生する条件として、ＯＣＢ液晶への最大電圧（黒表示電圧）の１０〜２０％以下の電圧（白側の電圧）が掛かるような低階調が必要とされる画像信号が続くことで、逆転移が発生することが実験的に確認されている。

したがって、画面全体の中に、この逆転移が発生するような低階調（白側の電圧）が画像信号にない期間のみ黒挿入駆動法をなくすことは可能である。しかしながら、このような白側の電圧の画像信号が続く場合は、動画像において稀である。

そこで、本実施形態では、ダイナミックレンジ拡大の目的で、照明領域毎に、画像信号の階調を逆転移が発生するような低階調（白側の電圧であって、以下では「基準電圧」という）を下回っているかを比較し、基準電圧より下回った状態であれば、その照明領域区分に対してのみ黒挿入駆動法を実施し、基準電圧より下回った状態がない期間が続いている照明領域に対しては、その期間だけ黒挿入駆動法を停止させる。

具体的には、画像輝度データ保持部１５からの照明領域毎の輝度データに基づき、この輝度データが前記した基準電圧以下である場合にのみ、次に説明する黒挿入駆動法を行い、基準電圧より上の領域については、上記で説明した階調補正処理を行った輝度でバックライト１２を点灯させる。

例えば、図９において、画面上の略中央における楕円形の部分が逆転移が発生しないグレー映像であるとし、その外側の映像が逆転移の発生しうる白映像とする。

この場合には、図１１に示すように、この逆転移が発生しないグレー映像以外の部分については黒挿入を行い、このグレー映像の該当する照明領域については上記と同様にバックライト１２の輝度を決定して点灯させる。そして、黒挿入を行う場合には、従来と同様に白色ＬＥＤ２８を全て点灯させる。

一方、上記のような低階調領域が存在しない場合には、図１０に示すように、黒挿入部９は、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。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を全て消灯させるが、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場合は、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、最上部にある白色ＬＥＤ２８を消灯させた後、順番に次のラインの白色ＬＥＤ２８を消灯させ黒表示を行う。

（１０）効果１
本実施形態によれば、ダイナミックレンジ拡大の目的で照明領域毎に、映像に応じた輝度コントロールを実施しつつ、かつ、この照明領域毎に黒挿入駆動法の有無を判別し決定することが可能となり、一部のみ白側の低階調がある場合には、その照明領域のみ黒挿入駆動法を実施し、逆に全体が白側の低階調で一部のみ黒側の高い階調の場合には、その黒側の階調領域を除いた照明領域全てに対して黒挿入駆動法を実施できる。

したがって、黒挿入駆動法を実施したことによる輝度低下を照明光で捕捉するようなことが減らすことができる。

（１１）効果２
次に、本実施形態による黒挿入駆動法によって省エネルギーを実現できる理由について図１２に基づいて説明する。

図１２の（ａ）は、黒挿入駆動法を実施しない黒側の階調のグラフであり、図１２（Ｂ）は、黒挿入駆動法を実施するバックライト１２の輝度の変化を示すグラフである。

図１２に示すように、黒挿入駆動法を実施しない場合は、バックライト１２の輝度が略画像の領域における階調に合わせて略一定となる。一方、黒挿入駆動法を実施した場合は、バックライト１２の輝度が点灯から消灯状態になる。そのため、次に点灯した場合には、同じ画像の階調であっても、画面の照度を保持するためにバックライト１２の輝度を消灯前よりも上昇させる必要がある。

全体的なバックライト１２による電力量が、この輝度に比例するため、黒挿入駆動法を実施したほうが電力の消費が、図１２（ａ）に示す黒挿入駆動法を実施しない場合よりも上がることとなる。しかしながら、本実施形態のように低階調の一部の領域にのみ黒挿入駆動法を実施することにより、バックライト１２の消灯後に点灯した場合の輝度上昇による電力量を抑えることができ、省エネルギーを実現できる。

（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の数をさらに増加させると、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。 画像上に低階調領域がある場合の説明図である。 黒挿入駆動法を実施する場合の説明図である。 低階調領域があり一部にのみ黒挿入駆動法を実施する説明図である。 黒挿入駆動法を実施しない場合と実施した場合のバックライトの輝度の変化を示すグラフである

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
２２ ソースドライバ回路
２３ ゲートドライバ回路
２８ 白色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、
   前記黒挿入部は、前記画像信号において基準階調より低い階調を有する低階調領域を検出し、
   前記バックライト制御部は、
   前記低階調領域であって、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、
   前記低階調領域以外の領域に対応する前記照明領域の前記点光源の輝度を、前記低階調領域の階調に合わせて点灯させる、
   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って、
   前記基準階調が、逆転移を起こす階調である、
   請求項１記載の液晶表示装置。

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