JP3994514B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ディスプレイにおけるホワイトバランス制御の方法（国際特許分類 Ｇ０２Ｆ１／１３３）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に家庭用テレビやコンピュータ用ディスプレイとして使用される液晶表示装置は、入力映像信号としては、通常、３原色のディジタル信号（各色６ビット程度、すなわち各色最大で６４階調程度）を与え、液晶パネルの前面にカラーフィルタを配列し、背面に設置されたバックライトによる光を透過させることで、カラー画像を表示する方式をとっている。バックライトは通常、同一の色温度（６５００Ｋ程度）の白色光を発光する冷陰極管を複数本（４本程度）使用することで、テレビやディスプレイとして必要な輝度を得ている。
【０００３】
上記のように同一の色温度のバックライトを使用した場合、表示画像のホワイトバランスを調整するためには、液晶パネルに与える３原色信号のそれぞれの比率を調整しなければならない。しかしながら、そのような方法では、信号のダイナミックレンジが小さくなり、各色最大で６４程度しかない階調がさらに少なくなってしまう。
【０００４】
液晶パネルに与える３原色信号を調整する方法ではなく、例えば特開平９−１１３８７１が示すように、発光色が異なる複数本のバックライトを用い、これら複数のバックライトに対してそれぞれ発光量を設定して調光することで、ホワイトバランスを調整する方法がある。この方法によれば、ホワイトバランス調整のために映像信号を調整する必要はないため、各色のダイナミックレンジを最大に活用することができ、各色の階調数も常に最大に活用することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バックライトに使用される冷陰極管は、一般に温度変化および経時変化に対する発光量の変化が非常に大きい。よって、製品の出荷時、あるいはユーザーが設定したホワイトバランスは、使用する環境の温度変化、製品自体の自己温度上昇、および使用時間の経過に伴って、設定したときの状態から変化してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は前記課題に鑑み、温度変化および経時変化が生じても、製品の出荷時、あるいはユーザーが設定した時点でのホワイトバランスが常に保持される液晶表示装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の液晶表示装置は、液晶パネルを背面から照明するための発光色が異なる３種類のバックライトと、３種類の発光色に対応した3種類の光センサーにより、バックライトの温度変化および経年変化に対して、液晶パネルが表示する画像のホワイトバランスが常に設定値と等しくなるように動作させることを特徴としたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下に、本発明の一実施の形態について、図１、図２、図３を用いて説明する。
【０００９】
図１において、液晶パネル１は、前面にカラーフィルターが配列しており、背面に設置された光源からの光を透過することでカラー画像を表示するものである。
【００１０】
バックライト２は赤色（Ｒ）の単色波長光を発生させるバックライトであり、通常は冷陰極管である。バックライト３、４も同様に、それぞれ緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の単色波長光を発生させるバックライトである。
【００１１】
光センサー５は、赤色（Ｒ）の波長に光感度のピークを持ち、発光量に比例した電圧Ｓｒを発生する。光センサー６、７も同様に、それぞれ緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長に光感度のピークを持ち、それぞれ緑色、青色の発光量に比例した電圧Ｓｇ、Ｓｂを発生する。光センサー５、６、７は、通常、図２のように、光学フィルター１５と、フォトダイオード１６と、オペアンプ１７と、抵抗Ｒ１８により構成される。
【００１２】
光学フィルター１５は、光センサー５の場合は赤色、光センサー６の場合は緑色、光センサー７の場合は青色の波長の光をもっともよく透過する光学的なフィルターである。フォトダイオード１６は、少なくとも青色から赤色まで、波長にして約３００ｎｍから約７００ｎｍ程度までの光に対して、その照度に比例した光電流が流れるようなダイオードである。オペアンプ１７および抵抗Ｒ１８は、フォトダイオード１６に流れる光電流を電圧に変換するためのものであり、その電圧は、フォトダイオード１６に流れる光電流値に抵抗Ｒ１８の抵抗値を掛け合わせたものと等しい。オペアンプ１７の出力電圧が小さすぎる場合は、その出力にさらにもう１段の電圧増幅回路を設けてもよい。
【００１３】
発光量設定手段である発光量設定部８は、バックライト２、３、４のそれぞれの発光量に対応する設定値Ｄｒ、Ｄｇ、Ｄｂを設定するものであり、通常はＤＡＣ（ディジタル−アナログ変換器）を３つ使用し、ＤＡＣへの制御にはマイコン（ＣＰＵ）等を使用する。
【００１４】
比較演算手段である比較演算回路９は、光センサー５の出力値Ｓｒと発光量設定部８の設定値Ｄｒを比較し、その結果に応じて出力Ｃｒを変化させるものである。比較演算回路１０、１１も同様に、光センサー６、７の出力値Ｓｇ、Ｓｂと、発光量設定部８の設定値Ｄｇ、Ｄｂをそれぞれ比較し、その結果に応じて出力Ｃｇ、Ｃｂをそれぞれ変化させる。図３は比較演算回路９の具体的な構成例である。
【００１５】
この回路は、ＳｒとＤｒの差をコンデンサー２２に蓄積する、いわば積分器である。Ｄｒに対してＳｒの方が大きい場合は、出力Ｃｒの電圧は下がり、逆にＤｒに対してＳｒの方が小さければ出力Ｃｒの電圧は上がる。比較演算回路１０および１１も全く同一の構成でよい。
【００１６】
インバーター回路１２は、バックライト２を駆動するためのものである。発光量は比較演算回路９の出力Ｃｒで制御される。インバーター回路１３、１４も同様に、バックライト３、４を駆動するためのもので、バックライト３、４の発光量は、それぞれＣｇ、Ｃｂで制御される。
【００１７】
インバーター回路の構成としては、バックライトに流れる管電流を、外部から与えられたＤＣ電圧（本発明の場合、図１のＣｒ、Ｃｇ、Ｃｂ）に比例させて発光量を制御する、いわゆる電流調光と呼ばれるタイプと、外部から与えられたパルスに応じてバックライトに与える駆動波形（交流波形）そのものをＯＮ／ＯＦＦさせることで発光量を制御する、いわゆるＰＷＭ（パルス幅変調）調光と呼ばれるタイプがある。
【００１８】
ＰＷＭ調光タイプのインバーター回路の方が一般に消費電力が低くなるため、ＰＷＭ調光タイプのインバーター回路を使用する場合がある。ＰＷＭ調光タイプのインバーターを使用する場合は、図１におけるＣｒ、Ｃｇ、ＣｂなどのＤＣ電圧を、それぞれの電圧に比例したパルス幅を持つパルスへと変換するような回路を追加する必要がある（例えば、ノコギリ状の波形を発生させる回路とコンパレーターによって、ノコギリ波形とＤＣ電圧を比較すれば、ＤＣ電圧に比例したパルス幅を持つパルスを簡単に生成できる。この場合のパルスの周波数は、ノコギリ波形の周波数と同一となる）。
【００１９】
次に、図１を用いて、本発明の動作を簡単に説明する。簡単のために、赤色（Ｒ）に対応する部分、すなわち、バックライト２、光センサー５、発光量設定部８、比較演算回路９、インバーター回路１２についてのみ説明するが、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）系についても同様である。
【００２０】
まずバックライト２が適当な光量で発光しているとする。発光量設定部８による設定値Ｄｒは、製品の出荷時あるいはユーザーが任意の環境下において所望の値に設定してあるものとする。光センサー５はバックライト２の発光量に比例した出力値Ｓｒを出力する。比較演算回路９はＳｒとＤｒを比較する。このときバックライト２の発光量が不十分で光センサー５の出力値Ｓｒが設定値Ｄｒより低いものとすると、比較演算回路９の出力Ｃｒは高くなる。
【００２１】
そのため、インバーター回路１２はバックライト２の発光量を上げるように動作する。逆に環境温度の上昇や製品自体の自己発熱によってバックライト２の発光量が上がった場合、光センサー５の出力値Ｓｒもまた上がる。設定値Ｄｒは変化しないため、比較演算回路９の出力値Ｃｒは下がり、インバーター回路１２はバックライト２の発光量を下げるように動作する。経時変化によってバックライト２の発光効率が下がった場合も同様に、本発明による液晶表示装置は発光量を一定に保つように動作する。
【００２２】
このように、本発明によれば、いわゆるフィードバック動作によって、光センサー５の出力値Ｓｒ（これはバックライト２の発光量に比例している）と発光量設定部８による設定値Ｄｒが常に等しくなるように動作するため、バックライト２が発する赤色光の照度は、温度変化や経時変化によらずに常に一定となる。
【００２３】
なお、本実施例においては、比較演算回路９、１０、１１などを図３のようにアナログ回路で構成した例を説明したが、発光量設定部８および比較演算回路９、１０、１１をマイコン（ＣＰＵ）内でソフトウェア的に演算処理しても全く構わない。ただしその際は光センサー５、６、７の出力をＡ／Ｄ変換（アナログ−ディジタル変換）するためにＡ／Ｄ変換器が３つ必要となるが、ディスプレイ機器などで通常使用される組み込みマイコンには、ユーザーによるキー入力を受け付けるなどの目的のために数個分のＡ／Ｄ変換器を内蔵しているため、特に外部にＡ／Ｄ変換器を設置する必要はない（無論、設置しても構わない）。
【００２４】
発光量設定部８としては、ＤＡＣを使用するかわりに、マイコン内のメモリーに製品出荷時またはユーザー設定時の設定値を記憶しておいて、比較演算時に利用すればよい。比較演算回路９、１０、１１の出力Ｃｒ、Ｃｇ、Ｃｂは、マイコンがＤＡＣを内蔵しているのであればそれを利用できるが、外部にＤＡＣを追加しても構わない。インバーター回路１２、１３、１４がＰＷＭ調光タイプであれば、外部またはマイコンに内蔵されているＤＡＣを使用する必要はなく、マイコンから直接、比較演算の結果であるＣｒ、Ｃｇ、Ｃｂ（この場合は数値）に比例したパルス幅を持つパルスを送出すればよい。
（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態を図１、図４を用いて説明する。
【００２５】
実施の形態２は、実施の形態１における発光量設定部８に変更を加えることで、液晶パネルが表示する画像の輝度と色度をそれぞれ独立に設定できるようにしたものである。
【００２６】
実施の形態１では、３種類のバックライト２、３、４の発光量に対する設定値を、それぞれ独立に設定したが、実施の形態２においては、設定値を４つとし、１つは３種類のバックライトの発光量に対して共通に作用し、残りの３つは３種類のバックライトの発光量に対してそれぞれ独立に作用する。ただし、最終的に発光量設定部８から比較演算回路９、１０、１１に設定される値は、実施の形態１と同様にＤｒ、Ｄｇ、Ｄｂの３つである。
【００２７】
本実施例における発光量設定部８を、図４を用いて説明する。図４において、Ｅｗは３種類のバックライトに対して共通に作用する設定値で、これを輝度設定値Ｅｗと呼ぶことにする。Ｅｒ、Ｅｇ、Ｅｂはそれぞれバックライト２、３、４に対して独立に作用する設定値で、これを色設定値Ｅｒ、Ｅｇ、Ｅｂと呼ぶことにする。
【００２８】
乗算器２３は、輝度設定値Ｅｗと色設定値Ｅｒを乗算し、バックライト２の発光量設定値であるＤｒを出力するものである。乗算器２４、２５も同様に、それぞれ輝度設定値Ｅｗと色設定値Ｅｇ、Ｅｂを乗算し、それぞれバックライト３、４の発光量設定値Ｄｇ、Ｄｂを出力するものである。
【００２９】
図４全体をハードウェアで構成する場合は、いわゆる乗算型ＤＡＣと呼ばれるものを使用することができる。これは入力アナログ信号に対して、例えば８ビットの乗算型ＤＡＣであれば０から２５５までのディジタル値を設定すると、入力アナログ信号に対してディジタル値を乗じて２５６で割った電圧を出力する。例えば入力アナログ信号が５ＶのＤＣ電圧であり、ディジタル値を１２８に設定すれば、出力として約２．５Ｖの電圧を得ることができる。
【００３０】
このような乗算型ＤＡＣを使用する場合は、輝度設定値Ｅｗを通常のＤＡＣ（乗算型ＤＡＣの流用ももちろん可能）などを使用してアナログ電圧として生成し、色設定値Ｅｒ、Ｅｇ、Ｅｂをディジタル値とすればよい。
【００３１】
次に本実施例の動作を図１、図４を用いて説明する。フィードバック動作によって、光センサーの出力値Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂが発光量設定値Ｄｒ、Ｄｇ、Ｄｂと常に等しくなるように動作する点は実施の形態１と同じである。本実施例の特徴は、ホワイトバランス調整において、輝度と色度を分離して設定できる点である。色度は３種類のバックライトの発光量、すなわち同じことであるが光センサーの出力値Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂの比で決まる。
【００３２】
例えばＳｒ、Ｓｇに対してＳｂが高ければ、青っぽい白色（色温度の高い白色）となる。フィードバック動作によって、Ｓｒ、Ｓｇ、ＳｂはそれぞれＤｒ、Ｄｇ、Ｄｂに等しいため、結局のところ色度はＤｒ、Ｄｇ、Ｄｂの比率で決まる。ところで、Ｄｒ＝Ｅｗ×Ｅｒ、Ｄｇ＝Ｅｗ×Ｅｇ、Ｄｂ＝Ｅｗ×Ｅｂであるため、Ｄｒ：Ｄｇ：Ｄｂは、Ｅｗが０以外のいかなる値をとろうとも、Ｅｒ：Ｅｇ：Ｅｂと等しい。
【００３３】
すなわち、ある輝度設定値Ｅｗにおいて色設定値Ｅｒ、Ｅｇ、Ｅｂを設定するとある色度が得られるが、輝度設定値Ｅｗによって全体の輝度を変えてもこの色度は常に一定となる。逆に輝度設定値Ｅｗを一定にした状態で色設定値Ｅｒ、Ｅｇ、Ｅｂの比率を適当に変えれば、所望の色度が得られる。
【００３４】
このように、ホワイトバランスの設定値を、３種類のバックライトに対して共通の１つの輝度設定値と、各バックライトのそれぞれに対して設定する３つの色設定値に分離して設定できるようにすることで、液晶パネルが表示する画像の輝度と色度をそれぞれ独立に設定でき、製品出荷時のホワイトバランス調整が容易となり、ユーザーにとってもホワイトバランスの調整が分かり易いものとなる。
【００３５】
なお、本実施例においても、図４のような乗算構成の発光量設定部８と、比較演算回路９、１０、１１をマイコン内部の演算として実現することが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の液晶表示装置によれば、液晶パネルを背面から照明するための発光色が異なる３種類のバックライトと、３種類の発光色に対応した３種類の光センサーにより、使用する環境の温度変化や、製品の自己温度上昇、経時変化などがあっても、製品出荷時、あるいはユーザーが調整したホワイトバランスが常に設定値と等しくなるように動作させることができる液晶表示装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１と２における液晶表示装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１と２における光センサーの回路図
【図３】本発明の実施の形態１と２における比較演算回路の回路図
【図４】本発明の実施の形態２における発光量設定部のブロック図
【符号の説明】
１ 液晶パネル
２、３、４ バックライト
５、６、７ 光センサー
８ 発光量設定部
９、１０、１１ 比較演算回路
１２、１３、１４ インバーター回路
１５ 光学フィルター
１６ フォトダイオード
１７、２１ オペアンプ
１８、１９、２０ 抵抗
２２ コンデンサー
２３、２４、２５ 乗算器

Claims (4)

1. 液晶パネルを背面から照明するための発光色が異なる３種類のバックライトと、３種類の発光色に対応した3種類の光センサーにより、バックライトの温度変化および経年変化に対して、液晶パネルが表示する画像のホワイトバランスが常に設定値と等しくなるように動作させることを特徴とする液晶表示装置。
2. 背面からの光源および前面の３原色カラーフィルターによりカラー画像を表示する液晶パネルと、前記液晶パネルを背面から照明するための発光色が異なる３種類のバックライトと、前記３種類のバックライトのそれぞれの発光量を検出するための３種類の光センサーと、前記３種類のバックライトをそれぞれ駆動するための３つのインバーター回路と、前記３種類のバックライトのそれぞれの発光量を設定するための発光量設定手段と、前記光センサーの出力値と前記発光量設定手段による設定値を比較してこれらが常に等しくなるように前記インバーター回路の駆動を制御するための比較演算手段を持ち、前記３種類のバックライトがそれぞれの発光量の設定値と常に等しくなるように動作させることで、前記液晶パネルが表示する画像のホワイトバランスが常に設定値と等しくなるように動作させることを特徴とする液晶表示装置。
3. 前記ホワイトバランスの設定値を、３種類のバックライトに対して共通の１つの輝度設定値と、各バックライトのそれぞれに対して設定する３つの色設定値に分離して設定できるようにすることで、液晶パネルが表示する画像の輝度と色度をそれぞれ独立に設定できることを特徴とする請求項１に記載された液晶表示装置。
4. 前記３種類のバックライトに対する共通の１つの輝度設定値と、前記３種類のバックライトのそれぞれに対して設定する３つの色設定値をそれぞれ乗算して、前記３種類のバックライトのそれぞれに対応する３つの発光量設定値を生成することで、液晶パネルが表示する画像の輝度と色度をそれぞれ独立に設定できることを特徴とする請求項２に記載された液晶表示装置。

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