JP4757201B2 - 液晶ディスプレイのためのダイナミックガンマ - Google Patents

Description

本願は、「ＬＣＤの時間応答の測定、特性決定および改良」を発明の名称とし、２００３年１２月１８日に出願された米国仮特許出願第60/531,441号および「ＬＣＤの時間応答のための新たな計量値：ダイナミックガンマ」を発明の名称とし、２００４年８月２０日に出願された米国仮特許出願第60/603,457号の利益を主張するものである。

本願は、液晶ディスプレイの応答の特性を決定するための測定技術に関する。

他の多くのディスプレイ技術と比較したときの、サイズ、重量、スタイル、電力消費量および／または変調伝達関数に関する液晶ディスプレイの利点により、液晶を使ったディスプレイは、ビデオ、例えばテレビ放送、をディスプレイするのにより広く使用されている。しかしながら、従来のブラウン管およびプラズマディスプレイと比較して、液晶ディスプレイは動画の動きがボケるということに関連する大きな欠点を有する傾向がある。液晶パネルにおける動きのボケが生じる主な原因の１つは、代表的なビデオのフレームレートと比較して、パネルの時間応答が比較的低速であることにある。液晶パネルの時間応答を加速するためにこれまで多大な努力が払われており、これら技術のうちの１つは一般にオーバードライブ技術と称されている。液晶パネルの応答を測定するために、応答時間を使用できる。

この応答時間は、一般にスタート時の輝度と目標とされる輝度との差の９０％に到達する時間として一般に定義されている。液晶ディスプレイのための応答時間の概念は、歴史的にはオンオフ式の白黒液晶パネルの特性を記述するのに開発されたものである。グレイレベルの能力で液晶パネルを記述するには、駆動値の範囲をサンプリングしカバーする一組の応答時間（一般に９×９）を測定し、三次元棒グラフで一般に表示される。応答時間の定義は、スタート時の輝度と目標とされる輝度との間の差が大きい移行に対し、より大きい誤り許容値が与えられることが指摘されている。例えば、０〜２５５のときの応答時間は実際の輝度が２２９.５に達したときに測定され、２００〜２５５のときの応答時間は実際の輝度が２４９.５に達したときに測定される。２つの移行は一見同じ目標輝度を共用しているようであるが、実際の応答時間は実際には異なる終了輝度値（それぞれ２４９.５と２２９.５）で測定されている。

これまで業界の作業グループにより動画応答時間に対する計量値（ＭＰＲＴ：Moving Picture Response Time）が開発されている。このＭＰＲＴはディスプレイデバイスのスクリーン上のカメラで捕捉された移動中の鋭いエッジのボケた幅を測定することに基づくものである。カメラは、人の視覚系（ＨＶＳ：Human Visual System）をスムーズな追跡と積分効果でまねたものである。従って、ＭＰＲＴは、液晶パネルを記述するのに使用されるだけでなく、ＰＤＰおよびＣＲＴと比較するのにも使用できる。しかしながら、ＭＰＲＴは液晶パネルの時間応答を定量的に記述するための望ましい計量値ではない。最も重要なことは、ＭＰＲＴは液晶パネルの２つのボケ要素をミックスしたものである。すなわちホールドタイプのディスプレイと低速時間応答とを組み合わせたものである。更にＭＰＲＴ測定を行うことは複雑である。ＭＰＲＴ測定を効果的に得るために、システムは人の視覚系における２つの効果、すなわちスムーズな追跡および積分をまねなければならない。積分はカメラの露出時間を適性に設定するだけで良いのに対し、スムーズな追跡はカメラが鋭いエッジの動きを追跡することを求める傾向がある。スムーズな追跡を実現するのが困難であることにより、これまで４つもの異なる方法が開発されている。そのうちの２つは、カメラレンズが移動中の物体を物理的に追跡する（例えば、一般追跡）方法である。カメラの追跡は費用がかかる傾向があるので、他の２つのより簡単な方法では、スチルカメラレンズと、追跡および積分効果の数学的モデルから結果を計算している。

本発明者等は、液晶ディスプレイの作動特性を単に定量的に記述するものとして、従来の応答時間データを使用することは効率的でないと認識するに至った。多少異なるプロセスを使って液晶ディスプレイを製造したときに、一方のパネルの一部の応答特性が別のパネルの応答特性に一致しないような２つの同じような液晶パネルを比較する場合には特にそうである。

本明細書で、識別のために「ダイナミックガンマ」と称する新しい計量値は従来の応答時間およびＭＰＲＴよりも液晶パネルの時間応答を記述するのにより適したものである。ダイナミックガンマおよびその二次元グラフ表示はオーバードライブ設計および評価に関連する特性を有する。ダイナミックガンマはオーバードライブに対する基本的な限界を明らかにし、特定の液晶パネルに対するオーバードライブ技術の有効性を定量化するための簡易な技術を提供するものである。このダイナミックガンマの結果、２つの液晶パネルの間の定量的な比較が簡易にもなる。更に、特にＭＰＲＴと比較すると、ダイナミックガンマの測定のほうが比較的簡単である。

ダイナミックガンマ計量値はディスプレイのガンマ特性を含むことができる。ディスプレイのガンマ値はディスプレイの入力されたデジタルカウント（８ビットの場合、０〜２５５）と出力輝度との間の非線形の関係を記述するものである。例えばブラウン管ディスプレイの非線形の関係は、約２.２のべき指数を有するべき関数である。液晶パネルの本来のスタティックなガンマはＳ字形であり、液晶パネルがブラウン管と同じようなガンマを有するようにするのにしばしばガンマ補正回路が使用される。ガンマを参照すると、このガンマは、ここでは必ずしも特定のマッピングに対し使用されるのではなく、むしろ単に線形空間から非線形空間へのマッピングを示すために使用される。

ＣＲＴはあるレベルの輝度から別のレベルの輝度への移行が比較的高速であるが、これと対称的に、ＬＣＤではあるレベルの輝度から別のレベルの輝度への移行が徐々に、かつしばしば低速で行われることが多い。ＬＣＤの入力デジタルカウントと出力輝度との間の非線形の関係は移行中に変化する傾向がある。

移行時間中の液晶パネルのダイナミックな入出力間の関係の特徴をより正確に定めるのに、「ダイナミックガンマ」と本明細書で称す特性決定を用いる。ダイナミックガンマ値とは、移行がスタートした後の瞬間的な時間ポイントにおける輝度であり、移行後の時間ポイントは、選択された移行に関連した、さもなくばビデオの連続するフレームの表示に関連したあらかじめ決められた長さとすることができる。移行がスタートしてから１フレーム時間となるように固定時間ポイントを選択することが好ましい。より具体的には、新しい駆動値を印加してから１フレーム時間後の実際のディスプレイ輝度値としてダイナミックガンマ値を定義できる。

異なる液晶パネル間の差異の影響を少なくするために、液晶パネルの測定されたディスプレイ輝度をそのガンマ値により正規化することができる。より具体的には、逆ガンマ曲線により、測定されたディスプレイ輝度をデジタルカウント領域（液晶パネルが８ビットである場合、０〜２５５）に逆マッピングできる。

従来の移行時間は、ある意味では、図１に示されるように移行時間中の液晶パネルのダイナミックな入出力の関係を記述するものである。換言すれば、応答時間は、１つの画素があるスタート時の値から、スタート時の輝度および目標とされる輝度によりプリセットされる値に移行するのに必要な移行時間を測定したものである。逆に、ダイナミックガンマはスタート時の輝度から目標とされる輝度に到達するよう移行し始めてから１フレーム後の実際の輝度を測定するものである。要約すれば、従来の移行時間は、定められた輝度に到達したときの時間を測定したものであり、後者は、定められた時間に達したときの輝度を測定したものである。その他の瞬間的な期間、例えばフレーム時間の整数倍の時間を使用してもよいし、または適当な時間（必ずしも必要条件ではないが、通常は最終輝度値に到達する前の時間）を同じように使用してもよい。

ダイナミックガンマは２つの入力変数、すなわちスタート時の輝度と目標とされる輝度とを有することが好ましい。ダイナミックガンマは、可能な移行の組、例えばすべての、または大部分の利用できる移行をカバーするために２つの入力変数の範囲（例えば９×９）をまばらにサンプリングするものでもある。

ダイナミックガンマは、一般に三次元棒グラフによって表される応答時間とは異なり、図２Ａおよび２Ｂに示されるような一組の二次元曲線として示すことが好ましい。これら曲線をダイナミックガンマ曲線と称すことができる。各曲線はディスプレイ輝度に相当する出力レベル（輝度値）と、同じスタート時の輝度値を有する駆動値との間の関係の特性を定めるものであり、異なる曲線はスタート時の値が異なる。便宜上、ダイナミック曲線に対し、スタート時の値のインデックスを付けることができる。例えば曲線０は、輝度値０でスタートする曲線を示す。

より具体的には、図２Ａおよび２Ｂは、異なる技術を使って製造された２つの液晶パネル（ＬＣＤ ＡおよびＢ）で測定したダイナミックガンマ曲線の２つの二次元プロットを示す。９×９の測定データをグラフで示すことにより、図２ＡおよびＢはダイナミックガンマの４つの性質を示す。

（１）図２Ａおよび２Ｂはどの曲線も単調に増加するパターンを示し、スタート時の輝度がより高い曲線はスタート時の輝度が低い曲線よりも上にある。このパターンは、（ｉ）移行後の輝度は、スタート時の輝度が同じでも、駆動値がより低い値でスタートした移行後の輝度よりも常に高いこと、および（ｉｉ）移行後の輝度は、図３に示されるように、同じスタート時の輝度からスタートした同じ駆動値の別の移行後の輝度よりも高いということを示している。

（２）図２Ａおよび２Ｂの曲線は一般に分散している。この分散は液晶パネルの応答の低速さによって生じるものであり、曲線がカバーする領域は液晶パネルの時間応答の遅さの度合いを示している。液晶パネルが高速になればなるほど、分散領域も小さくなる。瞬間的応答を有する理想的な液晶パネルは１つの曲線に収束するダイナミックガンマ曲線を有する。入出力ダイナミックガンマの関係はデジタルカウント対デジタルカウント領域に正規化されるので、収束曲線は同じ入出力を有する直線ラインとなる。

（３）９×９のオーバードライブルックアップテーブルを得るために、図２Ａおよび２Ｂにおける９つのダイナミックガンマ曲線を直接使用できる。現在の目標とされる輝度値および前のフレームの輝度値を与えれば、システムは前のフレームの輝度値に対応する曲線を決定できる。次にシステムは目標とされる輝度値を定めるこの曲線上に駆動値を決定し、この駆動値がオーバードライブ値となる。例えば、図２Ａに示されたダイナミックガンマ曲線を有するＬＣＤ Ａに対し、現在のフレームを５０としたい場合であって前のフレームが０である場合、まず曲線０を見つけ、次に出力を５０にすることができるオーバードライブ値としてこの曲線上の１２０を見つけることができる。

（４）図２Ａおよび２Ｂは、いかなるスタート時の輝度に対しても、１フレーム後では決して到達できない輝度が存在することを示す。一例として、スタート時の輝度が白色（２５５）であれば、ＬＣＤ ＡおよびＢともに１フレームサイクル内で黒色（０）に到達できず、スタート時の輝度が黒色（０）であれば、どちらのパネルも１フレームサイクル内で白色（２５５）に到達できないことが、図２から理解できよう。測定されたダイナミックガンマ値が液晶パネルのダイナミック特性を定量的に記述する。値が小さければ小さいほど時間応答が良いことになる移行時間と異なり、ダイナミックガンマは値が目標とされる値に近づけばそれだけ時間応答が良くなるという特徴を有する。二次元プロットにおいて、より良好な時間応答はより収束したダイナミック曲線を有する。

液晶パネルの時間応答の特性を上記のように定量的に定めるには、かなりの数のダイナミックガンマ値が必要である。しかしながら、この目的を達成するのに使用される値の数を大幅に少なくできる。特に液晶パネルのダイナミック特性を定量的に記述するのは、一組のダイナミックガンマ曲線が分散する面積の大きさである。多くの曲線にもかかわらず、実際には面積の大きさはたった２つのダイナミックガンマ曲線によって決定される。すなわち最上部の曲線（８ビットの場合、輝度２５５でスタートする）および最下部の曲線（輝度０でスタートする）である。残りの曲線は上述の第１の性質に従って２つの曲線の間に位置する。従って、９×９の測定されるダイナミックガンマ値に対しては、０および２５５からスタートする２組の移行に対応する２×９の値だけである。一例として、図２ＢのＬＣＤ Ｂのこの領域のサイズは、図２ＡのＬＣＤ Ａのこの領域のサイズよりもかなり広く、このことは、ＬＣＤ Ｂのほうが時間応答がより低速であることを示す。

更に、これら多数のダイナミック曲線から得られる数字を使ってＬＣパネルの時間応答特性を定めることができる。具体的には、この数字は次のように定義される。

ここで、Ｉはスタート時の輝度の数であり、Ｊは目標とされる輝度の数であり、lum_ijはｉ番目のスタート時の輝度およびｊ番目の目標とされる輝度を有するダイナミックガンマ値であり、LUM_jはｊ番目の目標とされる輝度値である。上記式は目標とされる値からダイナミックガンマ値のばらつきを計算するものである。数字ｄｇはダイナミック曲線が分散する面積を表している。理想的にはパネルが瞬間的時間応答を有する場合、ｄｇは０である。ｄｇが小さければ小さいほど、パネルは高速である。

オーバードライブの質を評価するのに、特定の液晶パネルのダイナミックガンマ曲線を使用できる。より重要なことは、これらダイナミックガンマ曲線がパネルに適用されるオーバードライブの能力および限界を示していることである。オーバードライブは移行を促すよう、前のフレームおよび現在のフレームに基づく駆動値を適用する。前に述べたように、理想的な高速パネルは１つの直線ラインに収束する一組のダイナミックガンマ曲線を有する。従って、良好にオーバードライブされるパネルは１つの直線ラインに向かって収束する。

しかしながら、オーバードライブは決して完全とはならない。図４Ａおよび４Ｂは、オーバードライブ技術が適用された２つのＬＣパネル（ＬＣＤ ＡおよびＢ）の測定されたダイナミックガンマを示すものである。図４Ａおよび４Ｂにおけるダイナミックガンマ曲線は２つの端部を除き、１つのラインにほとんど収束している。２つの端部における２つの三角形の「デッドゾーン」は、“悪い”オーバードライブに起因するものではなく、オーバードライブ技術の基本的な限界に起因するものである。

このオーバードライブ技術の不完全性は、入力駆動値は０〜２５５までの範囲内になければならないから、どのスタート時の輝度に対しても１フレーム後に到達できない輝度があるという事実に起因する。従って、オーバードライブは液晶パネルの低速応答の問題を１００％解決するものではない。

ダイナミックガンマによりオーバードライブの不完全性を定量的に説明できる。図４Ａおよび４Ｂから、２つのクリティカルポイントがデッドゾーンの大きさを決定していることが理解できよう。低い方のクリティカルポイントは２５５から０への移行を示しており、高い方のクリティカルポイントは０から２５５への移行を示している。要約すれば、すべての曲線のうちで２つの特定のダイナミックガンマ曲線０および２５５が最も重要である。これら２つの曲線がカバーする面積は液晶パネルの時間応答を示している。各曲線はオーバードライブ性能に対する能力を設定するクリティカルポイントを有する。

ＬＣＤ Ｂのオンオフ特性は、ＬＣＤ Ａのオンオフ特性よりもずっと悪いので、オーバードライブを行ってもＬＣＤ ＢはＬＣＤ Ａに追いつくことはできない。図４Ａおよび図４Ｂでは、ＬＣＤ ＢのオーバードライブデッドゾーンはＬＣＤ Ａよりもかなり広い。実際にＬＣＤ Ｂは１フレーム期間内でほとんどの値に対する所望レベルには到達できない。ＬＣＤ Ａと比較し、かかる液晶パネルは、ビデオをベースとするアプリケーションに対する良好な候補とはならない。

ダイナミックガンマのための測定システムは、図５に示された駆動入力を含むことができる。フレーム０の前に、画素を平衡状態にするために、数サイクルの間、駆動値z_ｎ−１を適用する。次に、フレーム０において、（８ビットの液晶パネルに対し０〜２５５までの）駆動範囲をカバーする異なる駆動値z_ｎを適用し、フレーム０の終了時に対応する輝度を測定する。

二次ダイナミックガンマ値が、２つの連続する新しい駆動値を適用してから２フレーム時間後の実際のディスプレイ輝度値として定義される。図６は、二次ダイナミックガンマの測定の駆動シーケンスを示す。フレーム１の終了時に測定を行う。フレーム１の駆動値はフレーム０の駆動値と異なる。

一次ダイナミックガンマと同じ二次元曲線として二次ダイナミックガンマをプロットできる。二次ダイナミックガンマは、オーバードライブアルゴリズムの質を評価できる。図７Ａおよび７Ｂは、２つのオーバードライブ技術、すなわち図７Ａのモデルに基づくオーバードライブおよび図７Ｂの従来のオーバードライブ、による液晶パネルの二次ダイナミックガンマをそれぞれ示す。一次ダイナミックガンマは、２つのオーバードライブ技術の間の大きな違いを示すが、図７Ａおよび７Ｂの二次ダイナミックガンマ曲線はモデルに基づくオーバードライブの技術では、モデルに基づかない従来のオーバードライブ技術よりも中間調の領域の広がりが少なくなっていることを示す。

計量値は人の視覚系の特性を考慮できる。１つの方法は、図８Ａに示されるように、入力（所望する明るさ）および出力（結果として生じる明るさ）の双方を軸とする、明るさの関数として、ダイナミックガンマをプロットすることである。しかしながら、Ｌ＊（ほぼ立方根）は、ビデオコード値のガンマ補正された空間に近似するので、効果は比較的小さい。しかしながら、トーンスケールのダークな端部でのばらつきを広げるように働く。

しかしながら、異なるフレームレート（例えば３０Ｈｚ、６０Ｈｚおよび１２０Ｈｚ）でシステムを容易に作動させることができるので、上記のことはダイナミックガンマが視覚系に対してロバストであることを意味するものではない。かかるケースでは、同じダイナミックガンマの問題の視覚性が広く変化する。システムは、図８Ｂに示されたばらつきが実際に見える場合のガイダンスを与えるよう、（単にコード値として表示されていても）ダイナミックガンマプロットにおける視覚的な許容度を見積もることができる。

図４に示されたグラフ表示は特にディスプレイの特性を定めるのに、または異なるディスプレイ間の意味のある区別をするのに特に適している。この表示は適当な態様、例えばディスプレイまたは電子ドキュメントまたはプリントされたドキュメントに示すことができる。更に、この表示は、購入者が見ることができる場所で、カード（例えば、紙またはプラスチック）上に示され、カードに対応する実際のディスプレイと共に、意味のある比較を可能にする。このように、対応するカードと店舗内の棚上の異なるいくつかのディスプレイとにより、購入者に対し情報に基づいて決定を行わせることができる。

所定のケースでは、ディスプレイおよび画素を定常的に作動させることが望ましい。画素を所定の期間、例えば１フレーム時間にわたり、中間輝度レベルに駆動する。この中間輝度レベルをシステムにより測定し、次にピクセルを所定の期間、例えば１フレームにわたって、別の輝度レベルに駆動し、この別の輝度レベルをシステムで測定する。一部のケースでは、システムはディスプレイの内部または測定システムの外部に設けられたオーバードライブ回路を含むことができる。測定ポイントの数を所望するように選択してもよい。

液晶ディスプレイの従来の応答時間を示す図である。 ダイナミックガンマ曲線の二次元プロットを示す図である。 ダイナミックガンマ曲線の二次元プロットを示す図である。 同じ輝度からスタートしたが、異なる駆動値を用いた場合の２つの移行曲線を示す図である。 オーバードライブ後のダイナミックガンマ曲線を示す図である。 オーバードライブ後のダイナミックガンマ曲線を示す図である。 ダイナミックガンマを測定するための入力駆動シーケンスを示す図である。 二次のダイナミックガンマを測定するための入力駆動シーケンスを示す図である。 モデルに基づいたオーバードライブ技術を示す図である。 従来のオーバードライブ技術を示す図である。 ダイナミックガンマ曲線を示す図である。 ダイナミックガンマ曲線を示す図である。

Claims (6)

1. 液晶ディスプレイの時間応答特性を決定するための方法であって、
   該方法は、
   （ａ）前記液晶ディスプレイのスタート時の輝度値を設定するステップと、
   （ｂ）前記液晶ディスプレイを目標輝度値まで駆動するステップと、
   （ｃ）所定期間の経過後に、前記スタート時の輝度値と前記目標輝度値との関数として、前記液晶ディスプレイの実際の輝度値を測定するステップと、
   （ｄ）複数の目標輝度値に対して、前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）を繰り返すステップと、
   （ｅ）複数のスタート時の輝度値に対して、前記ステップ（ａ）〜（ｄ）を繰り返すステップと、
   （ｆ）前記測定された実際の輝度値に基づいて、前記液晶ディスプレイの時間応答特性を決定するステップと、
   を備えたことを特徴とする方法。
2. 前記所定期間は、1フレームの整数倍に基づくものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記整数倍は、1倍であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 複数のスタート時の輝度値それぞれに対して、複数の目標輝度値を設定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記時間応答特性は、スタート時の輝度値毎に、輝度の駆動値に対する測定値をプロットした複数の曲線によってグラフで表されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記時間応答特性は、前記複数の曲線のうち最上部の曲線と最下部の曲線との間の面積によって表されることを特徴とする請求項５に記載の方法。

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