JP2012068393A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半透過型表示装置などの自発光型の表示装置および反射型の表示装置としての機能する部分を設ける表示装置を用いる場合、外光の照度と、外光のうち鏡面反射成分の光の照度とを把握することを目的とする。また、光センサーの検出値から、特定位置より観察する観測者に対し最適な階調輝度特性で表示画像を実現するように画像信号を調整することを目的とする。
【解決手段】 光センサー９は、第１の光センサー９０、第２の光センサー９１で構成されている。第２のセンサー９１は、第１のセンサー９０と同じ照度センサー９２を用いており、前面９２ａに遮光部材９２ｂを設置したものである。遮光部材９２ｂは、孔９２ｃを備える円筒形状であり、表示装置２２の表示面２２ａの法線方向Ｈに対し、観測者の表示面２２ａに対する視認方向の角度と対称となるよう左側へθ１°傾けられて配置されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、表示装置に関し、バックライトおよび外光を利用して表示を実現させる表示装置に関する。

一般的な液晶表示装置はバックライトの光を液晶パネルによって透過・遮断することにより表示を実現し、自発光型の表示装置となるもの、外光を液晶パネルによって透過・遮断することにより表示を実現し、反射型の表示装置となるものがある。このほか、暗環境ではバックライトの光を利用した自発光型表示装置として機能し、明環境では外光を利用した反射型表示装置として機能する半透過型表示装置がある。

一般に、自発光型表示装置の特性と反射型表示装置の特性は大きく異なっている。例えば、自発光型表示装置では、表示面における輝度は一定とすることができるが、反射型表示装置では、表示面における輝度は反射光であるため外光の強度とスペクトル分光分布によって変化する。

特許文献１の液晶表示装置によれば、液晶パネルの表示面近傍に設けられたフォトトランジスタによって、表示面に対する周囲光（外光）を検出して、バックライトの輝度の制御を行う技術が開示されている。また、特許文献２に開示された液晶表示装置によれば、外光も含め、液晶表示装置に入射する光を検出して、バックライトの輝度の制御を行う技術が開示されている。

特開平６−３３２３８６号公報 特開２０００−３５６７７２号公報

上記の特許文献の液晶表示装置は、バックライトの輝度を制御して表示面における輝度を調整させているが、バックライトの輝度の制御のみでは、表示装置として半透過型表示装置を用いる場合、自発光型表示装置として機能する部分と、反射型表示装置として機能する部分では階調輝度特性が異なるために、使用環境によって表示画像の印象が大きく異なるという問題点が解決できない。特に中間調による表示画像の印象は、大きく異なってしまう。

また、半透過型の表示装置の反射型表示装置としての特性については、完全拡散面に近い反射成分（拡散反射成分）の光と、鏡面反射に近い成分（鏡面反射成分）の光が存在する。また、拡散反射成分の光と鏡面反射成分の光は、表示装置と観測者の位置関係によって、視認する表示画像の階調輝度特性が異なる。このため、観察者の観察位置によっては、最適な表示画像の階調輝度特性の制御を行うことはできない。

本発明は、半透過型表示装置などの自発光型の表示装置および反射型の表示装置としての機能する部分を設ける表示装置を用いる場合、外光の照度と、外光のうち鏡面反射成分の光の照度を把握することを目的とする。また、光センサーの検出値から、特定位置より観察する観測者に対し最適な階調輝度特性で表示画像を実現するように画像信号を調整することを目的とする。

本発明の表示装置は、光を出射するバックライト、バックライトからの光を透過させる透過領域と外光を反射させる反射領域とを有する表示素子、を備えた表示装置において、
外光の光の照度を検出する第１の光センサーと、外光のうち、表示素子の表示面の法線に対し、特定の方向から入射する鏡面反射成分の光の照度を検出する第２の光センサーと、を備えることを特徴とする。また、光センサーより検出された光の照度に基づき、表示素子に入力する画像信号を調整する調整手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、外光の照度と表示素子の表示面の法線に対し、特定方向から入射する鏡面反射成分の光の照度を把握することができる。また、検出値に基づいて、最適な画像信号を表示素子に入力させることができるため、観測者の観測位置に対応した、最適な表示画像を実現させることができる。

本発明の表示装置の概略図である。 本発明の表示装置の分解斜視図である。 光センサーの要部拡大図である。 自発光成分の階調輝度特性を示す図である。 拡散反射成分の階調輝度特性を示す図である。 鏡面反射成分の階調輝度特性を示す図である。 階調輝度特性の理想値を示す図である。 観測者が視認する表示装置の階調輝度特性を示す図である。 本発明の表示装置のブロック図である。 本発明の光センサーの要部拡大図である。 光センサーの側面図および上面図である。 本発明の光センサーの要部拡大図である。

実施の形態１．
以下、本発明の表示装置についての実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号は、同一または実質的に同一の構成として説明を省略する。
図１（ａ）は、本発明に係る表示装置の正面方向から見た概略図、図１（ｂ）は図１（ａ）の表示装置を側面方向から見た概略図、図２は本発明の表示装置の分解斜視図である。

図１、図２に示すように、本発明に係る表示装置２２は、バックライト２１からの光を透過させる透過領域と外光を反射させる反射領域とを備えた表示素子６を有し、暗環境ではバックライト２１の光源を利用した自発光型の表示装置として機能し、明環境では外光を利用した反射型の表示装置として機能する。バックライト２１は、光を出射するための光源１と、側面２ａに光源１を備え、光源１からの光を入射して伝播させ、出射面２ｂから出射させる導光板２と、を備えている。

また、導光板２の出射面２ｂには光学シート類８、出射面２ｂと反対の面である反出射面２ｃには、導光板２からの光を再び導光板２に向かわせる反射シート３を配置する。これらの部材を背面フレーム４および中間フレーム５により収納して、バックライト２１を構成している。

バックライト２１の光出射方向に表示素子６を対向配置させ、開口部７ａを備えた正面フレーム７を配置し、バックライト２１と係合させて、表示装置２２を構成している。

表示装置２２の端部には光センサー９を備えている。調整手段１００は光センサー９に接続されており、光センサー９の検出値によって、表示装置２２の階調輝度特性を調整している。

なお、図１（ｂ）に示すように、本発明において、観測者３３は、表示装置２２の表示面２２ａの法線Ｈの方向に対して、紙面右側θ１°の位置から観測するものとする。

バックライト２１はサイドエッジタイプであり、光源１には線状の光源である冷陰極管（Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ：以下ＣＣＦＬと称す）を使用している。ＣＣＦＬは、電流の調整による明るさ調整の機能をもつ。なお、光源１には、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：以下ＬＥＤと称す）等の点状光源を使用してもよい。

光学シート８類は、拡散フィルム、レンズシート、再反射フィルム等で構成されている。再反射フィルムとは、バックライト２１の光を再利用することが可能なフィルムであり、例えば、住友３Ｍ製のＤＢＥＦ（Ｄｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ：以下、ＤＢＥＦと称する）などが用いられる。

表示素子６は、基板上の画素領域にバックライト２１の光を透過する透過領域、外光を反射するための反射領域およびスイッチング素子等が形成された薄膜トランジスタ基板と、基板上にカラーフィルタ、遮光層、対向電極等が形成されたカラーフィルタ基板とが対向して配置されており、両基板間に液晶を備える液晶表示素子を用いている。液晶表示素子は、スイッチング素子による電圧のオン又はオフによって液晶層の配光を変化させ、液晶表示素子に入射した光を画像信号にあわせて変調し、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、又は青色（Ｂ）として表示する（図示せず）。

図３（ａ）に本発明で用いる光センサー９の概略図を示す。光センサー９は、図２に示すように、表示装置２２の端部であって、表示装置２２を構成する正面フレーム７上に配置されおり、図３（ａ）に示すように、第１の光センサー９０、第２の光センサー９１で構成されている。第１の光センサー９０は、照度センサーであり１ｃｍ角の四角形状のフォトレジスタ(ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔｏｒ)を用いている。第１の光センサー９０は、外光として表示装置２２に入射するすべての外光を検出する。すべての外光とは、拡散反射成分の光と鏡面反射成分の光である。

図３（ｂ）に第２の光センサー９１を側面方向からみた概略図を示す。図３（ｂ）に示すとおり、第２の光センサー９１は、第１の光センサー９０と同じ、１ｃｍ角の四角状のフォトレジスタである照度センサー９２の前面９２ａに遮光部材９２ｂを設置したものである。

遮光部材９２ｂは、内径Ｄ１が２ｍｍΦの孔９２ｃを備える円筒形状であり、表示装置２２の表示面２２ａの法線方向Ｈに対し、観測者の表示面に対する視認方向の角度と対称となるよう左側へθ１°傾けられて配置されている。本実施の形態においては、図１に示すとおり、観測者３３は、表示装置２２に対し、紙面右側θ１°の位置から観測する例を示しているため、円筒形の遮光部材９２ｂを表示装置２２の紙面左側に配置する。また、図３に示すように、遮光部材９２ｂは、表示面２２ａの法線方向Ｈに対し、左側にθ１°傾けて配置している。

一例として、観察者が表示面２２ａを紙面右側３０°の位置から観測すると設定する場合、円筒形の遮光部材９２ｂを表示装置２２の左側に配置し、表示面２２ａの法線方向Ｈに対し、左側に３０°傾けて配置する。このように配置することにより、表示装置２２の表示面２２ａに右側３０°から入射し、鏡面反射して左側３０°で出射する方向の光が遮光部材９２ｂの孔を通過して、第２の光センサー９１の前面９２ａに到達する。

第２の光センサー９１は前面９２ａに遮光部材９２ｂを配置することにより、孔９２ｃを通過した鏡面反射成分の光であって特定方向に反射して観測者３３が視認する光の照度を検出することができる。

なお、第２の光センサー９１にフォトレジスタを用いる場合は、遮光部材９２ｂの配置位置を除く前面９２ａは遮光する。

本発明における階調輝度特性の調整方法を図９に基づいて説明する。図９は、本発明に係るブロック図である。図９（ａ）に示すように、光センサー９を構成する第１、第２の光センサー９０、９１は、拡散反射成分および鏡面反射成分の照度を検出し、検出値を調整手段１００の階調読替え部１０２に送る。

階調読替え部１０２は検出値に基づき、データ格納部１０３に格納している内部メモリ、ＬＵＴ（ルックアップテーブル）等により拡散反射成分および鏡面反射成分の観察者が視認する階調輝度特性の見積もり値を算出する。算出した階調輝度特性の見積もり値により、信号源１０１から送られる画像信号を最適値に読替えを行ってＡＳＩＣ１０４に送る。ＡＳＩＣ１０４からの画像信号は、ソース駆動回路１０５、ゲート駆動回路１０６に送られ、表示素子６に最適な値が入力される。なお、階調読替え部１０２およびデータ格納部１０３は、図９（ｂ）に示すようにＡＳＩＣ１０４に内蔵されていてもよい。

次に図面を用いて調整手段１００における、階調輝度特性の見積もり値の算出方法について説明する。図４は本発明に係る表示装置の自発光成分(透過成分)の階調輝度特性の実測値、図５は拡散反射成分の階調輝度特性の実測値、図６は鏡面反射成分の階調輝度特性の実測値、図７は補正量がγ＝２．２となるように補正を行った場合の階調輝度特性の目標値（補正値）を示す。本発明において、図４乃至図７の階調輝度特性を示すデータは、データ格納部１０３に格納されており、内部メモリに記録されている。

前述の通り、拡散反射成分および鏡面反射成分の照度の検出値は、調整手段１００の階調読替え部１０２に送られる。階調読み替え部１０２において、データ格納部１０３に格納されている図５、図６における階調輝度特性の実測値を参照して、鏡面反射成分の輝度の見積もり値および拡散反射成分の輝度の見積もり値を設定する。なお、本実施の形態において、自発光成分であるバックライト２１には、輝度４００ｃｄ／ｍ＾２、コントラスト６００であるものを使用しており、バックライト２１の輝度は一定のものとする。

ここで、観測者が表示装置の表示面より視認する光の輝度をＬａ、バックライト２１から出射される自発光成分の光の輝度をＬｂ、表示素子の反射領域により外光が拡散反射される拡散反射成分の光の輝度をＬｃ、表示素子の反射領域により外光が鏡面反射される鏡面反射成分の光の輝度をＬｄとした場合、観測者が表示面より視認する光の輝度Ｌａは、下式１のように表すことができる。
Ｌａ＝Ｌｂ＋Ｌｃ＋Ｌｄ・・・（式１）
上記式１に示すとおり、鏡面反射成分、拡散反射成分および自発光成分の輝度を加算することで、観測者が認識する輝度を算出することができる。例えば、周囲環境が１８０００ｌｘ、鏡面反射成分となる外光成分が１０００ｌｘの場合、輝度は、９０２ｃｄ／ｍ＾２（拡散反射：１６２ ｃｄ／ｍ＾２、鏡面反射：３４０ ｃｄ／ｍ＾２、自発光４００ｃｄ／ｍ＾２）であるとする。

次に上記で算出した観察者が認識する輝度と図７に示す階調輝度特性の目標値（補正値）との比較を行い、信号源１０１から送られる画像信号を最適値となる階調に読み替える。前述したとおり、読み替えられた画像信号は、ＡＳＩＣ１０４に送ら、さらに、ＡＳＩＣ１０４により、ソース駆動回路１０５、ゲート駆動回路１０６に送られ、表示素子６に最適な値が入力される。

たとえば、前述の条件である、周囲環境が１８０００ｌｘ、鏡面反射成分となる外光成分が１０００ｌｘの場合、観測者が視認する表示装置の階調輝度特性を図８に示す。信号源１０１から入力される画像信号の入力階調が３２である場合、図７に示す補正量γ＝２．２で、相対輝度で約２２％が必要である。この場合、図８を参照して、階調読替え部１０２で読替えを行うと、画像信号の出力階調は１７階調である。このように入力される階調に対して、最適値を設定して、表示素子６に出力階調を設定することで、表示装置は、すべての使用環境において、一定の階調輝度特性（γ＝２．２）となる表示が可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態１における表示装置２２は、表示装置２２の端部に表示面２２ａに対する外光の照度と、外光のうち、表示面２２ａに対し特定方向の角度で入射する鏡面反射成分の照度と、を検出する光センサー９を配置したため、外光の拡散反射成分の照度と鏡面反射成分の光の照度を検出することにより、表示装置の表示面における特定方向から視認する観察者の拡散反射成分、鏡面反射成分を把握することができる。

また、光センサー９の検出値に基づいて、調整手段１００により拡散反射成分および鏡面反射成分の階調輝度特性を算出し、最適な画像信号に読替えて表示素子６に入力させることができるため、あらかじめ設定された観測者の観測位置に対応した、最適な表示画像を実現させることができる。

また、高照度条件において、拡散反射成分と鏡面反射成分による白色輝度の合計が、自発光成分よりも十分大きいときは、自発光成分は相対的に非常に小さなものとなるため、表示素子６を駆動する電源を調光により暗くする、あるいはＯＦＦにする制御を加えてもよい。これを行った場合は、低消費電力化を図ることも可能である。

鏡面反射成分は光源と観測位置によっては、観測者に対して非常に高輝度となる場合がある。この場合については、例えば白色表示をする入力信号に対して、中間調を出力するような、信号データの読替え処理を行ってもよい。

また、光センサー９は、フォトダイオードにより構成したが、フォトダイオードに限定する必要はなく、ＣＣＤ（電荷結合素子：Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、フォトマル等の光に反応する素子であれば、どのようなものを用いてもよい。

本発明においては、表示装置２２に半透過型液晶表示装置を用いて説明したが、反射特性を有する表示装置であれば、どのような表示装置に応用してもよい。また、観測位置を３０°と設定したが、表示装置２２の設置条件と観測者の位置関係によって、適宜設定することができる。光センサー９については、表示装置２２の端部に設置した例を示したが、表示装置２２の製造プロセルにおいて、パネル内に構成してもよい。たとえば、液晶表示素子を構成する２枚の基板間のうち、ＴＦＴを備えるアレイ基板上に配置することも可能である。

ＴＦＴアレイ基板に光センサーを配置する場合は、表示領域の周辺部に配置する（図示せず）。なお、ＴＦＴアレイ基板と対向配置されるカラーフィルタ基板の表示領域の周辺部に配置することも可能である（図示せず）。

実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２における光センサー１０を図１０に示す。実施の形態１で用いた光センサー９は、照度センサーとして、フォトレジスタを用いており、第１の光センサー９０として１ｃｍ角の四角状のフォトレジスタを、第２の光センサー９１として、１ｃｍ角の四角状のフォトレジスタである照度センサー９２の前面９２ａに遮光部材９２ｂを設置する構成とした。これに対し、本実施の形態２で用いる光センサー１０は、照度センサーとしてＣＣＤを用いており、第１の光センサー１１として、４ｍｍ角のＣＣＤ１０ａと、第２の光センサー１２として、ＣＣＤ１０ａの上に、開口部１０ｂを備えた遮光部材１０ｃを所定の距離Ｄ２を保持して設置した。具体的には、ＣＣＤ１０ａの中央に０．５ｍｍΦの開口部１０ｂを設けた遮光性樹脂板である平板１０ｃをＣＣＤ１０ａから０．５ｍｍの距離Ｄ２を保持して設置している。なお、ＣＣＤ１０ａと平板１０ｃとの間は、空気層で保たれている。

図１１に第２の光センサー１２側面図と、第２の光センサー１２を構成するＣＣＤ１０ａで受光する光を図示した上面図を示す。本実施の形態２で用いられる第２の光センサー１２の動作について、図１１を用いて説明を行う。図１１に示すとおり、表示装置に入射する光のうち、ＣＣＤ１０ａで受光する光１０ｄは、平板１０ｃに設けられた開口部１０ｂを通過した光であり、ＣＣＤ１０ａにより光の照度と、位置情報が検出される。また、開口部１０ｂの中心Ｏ１と、光１０ｄの受光エリアの中心Ｏ２との距離Ｄ３とにより、ＣＣＤ１０ａで受光される光１０ｄの法線Ｈに対する入射角度θ２は、下式２により算出することができる。
ｔａｎθ＝Ｄ３/Ｄ２・・・（式２）
また、式２により算出した数値の一覧を表１に示す。

ＣＣＤ１０ａの中心Ｏ１と光１０ｄの中心Ｏ２が重なっているときの光の入射角は０°であり、ＣＣＤ１０ａの中心Ｏ１と光１０ｄの中心Ｏ２の距離Ｄ３が０．２９ｍｍのときは、入射角度が３０°である。よって、第２の光センサー１２を配置することにより、表示装置の表示面に入射する光のうち、光の入射角度および入射角度における光の照度を検出することができ、センサー１０の検出値に基づいて、実施の形態１で説明したとおり、調整手段１００により拡散反射成分および鏡面反射成分の階調輝度特性を算出し、最適な画像信号に読替えて表示素子６に入力させることができるため、あらかじめ設定された観測者の観測位置に対応した、最適な表示画像を実現させることができる。なお、観測者の位置を光センサー製造時に設定する必要がないので、実施の形態１と比較すると汎用性が高い。なお、ＣＣＤ１０ａ上で光１０ｄが受光可能な範囲は、本構成では、４ｍｍ角のＣＣＤ１０ａを用いているため、入射角θ２が約７０°までとなる。

図１２に本実施の形態２の変形例を示す。第２の光センサー１２は、ＣＣＤ１０ａと平板１０ｃ間を空気層で保持していたが、本変形例においては、透明なガラス板１０ｅを配置する。透明なガラス板１０ｅを配置することにより、ＣＣＤ１０ａの開口部１０ｂを通過し、ＣＣＤ１０ａに受光される光１０ｄは、１０ｅに入射する際に屈折するため、ＣＣＤ１０ａに到達する際、ガラス板１０ｅを配置しない場合と比較すると、開口部１０ｂに近い位置で光１０ｄを検出することができる。よって、表示装置に入射する法線Ｈに対する入射角度θ２の検出範囲が広くなる。なお、１０ｅはガラス板に限らず、透明な材料で構成されるものであればよく、屈折率が空気より高い材料のものを選択することにより、ＣＣＤ１０ａで検出できる入射角度θ２の範囲が広くなる。

実施の形態１の表示装置に、本光センサーを設置し、さらに観測者の位置情報を随時供給する構造を設置した場合は、任意の位置に居る観測者に対して、一定の階調輝度特性を有する画像を表示することも可能となる。

本実施の形態２おける光センサー１０には、照度センサーとしてＣＣＤ１０ａを用いたが、ＣＣＤ１０ａに限定するものではなく、平板１０ｃ上で光量分布が確認できるものであれば、適宜変更可能である。

また、光センサーの大きさについても、本実施例の寸法は特に制約を設けるものではない。平板１０ｃとＣＣＤ１０ａの間隔を短くすれば、広範囲で光の入射方向の検出が可能であり、光センサー１０全体の小型化も可能となる。また、配置する位置も外光を検出することが可能な位置であれば、適宜設定可能である。

１ 光源、２ 導光板、３ 反射シート、４ 背面フレーム、５ 中間フレーム、
６ 表示素子、７ 正面フレーム、８ 光学シート類、９、１０ 光センサー、
１０ａ ＣＣＤ、１０ｂ 開口部、１０ｃ 平板、２１ バックライト、 ２２ 表示装置、１１、９０、第１の光センサー、１２、９１ 第２の光センサー、９２ 照度センサー、９２ａ 前面、９２ｂ 遮光部材、９２ｃ 孔、１００ 調整手段、１０１ 信号源、１０２ 階調読替え部、１０３ データ格納部、１０４ ＡＳＩＣ、１０５ ソース駆動回路、１０６ ゲート駆動回路。

Claims (5)

1. 光を出射するバックライト、
   前記バックライトからの光を透過させる透過領域と外光を反射させる反射領域とを有する表示素子、を備えた表示装置において、
   前記外光の照度を検出する第１の光センサーと、
   前記外光のうち、前記表示素子の表示面の法線に対し、特定の方向から入射する鏡面反射成分の光の照度を検出する第２の光センサーと、を備えたことを特徴とする表示装置。
2. 前記センサーより検出された光の照度に基づき、前記表示素子に入力する画像信号を調整する調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１の表示装置。
3. 前記鏡面反射成分の光の照度を検出する第２の光センサーは、前記第２の光センサーの前面に孔を備えた筒状の遮光部材が配置されており、前記遮光部材は、前記表示素子の表示面の法線に対し、前記特定の方向から入射する光の角度に傾けられて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記鏡面反射成分の照度を検出する第２の光センサーは、前記第２の光センサーの前面に一定間隔を保つとともに前記第２の光センサーと略同形状の平板状の遮光部材が配置されており、前記遮光部材は、前記鏡面反射成分の光を入射させるための開口部を備えた請求項１または２に記載の表示装置。
5. 前記第２の光センサーと前記平板状の遮光部材との間には空気より屈折率の高い透明材料が配置されることを特徴とする請求項４記載の表示装置。

Images