JP4837009B2

JP4837009B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4837009B2
Application number: JP2008235233A
Authority: JP
Inventors: 武志安達
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd; ATRC Corp
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd; ATRC Corp
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: CN102150193A; US8780035B2; JP2010066710A; CN102150193B; US20110164050A1; WO2010029650A1

Description

本発明は、液晶表示装置に関するものであり、特に、バックライト等の光源を有する液晶表示装置に関する。

液晶表示装置における画質の高品位化の要求は高く、高品位化に関する技術開発も進んでいる。通常、カラー表示をすることが可能な液晶表示装置では、液晶表示素子、カラーフィルター、バックライトから構成されており、液晶表示素子の背面からバックライトの光を照射し、液晶表示素子がこの光の透過を制御し、カラーフィルターを通して表示されるものが人間の目に画像として認識させるものである。

このようなバックライトの光源としては、従来より、冷陰極管（ＣＣＦＬ管）が用いられているが、ＣＣＦＬ管に含まれる水銀等の有害物質の存在や、消費電力が高い等の環境に悪影響を与えることから、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源への移行が進みつつある。このようにＬＥＤを用いた光源では、この他にも、点滅をダイナミックに行うことが可能であり、より一層の消費電力の低減や、画質の高品位化、高信頼性化することができる。このため、現在では携帯電話等における小型の液晶表示装置には用いられており、今後、大型の液晶表示装置に用いられつつある。

図１１に、従来のＣＣＦＬ管を用いた液晶表示装置の構成を示す。この液晶表示装置は、液晶表示素子１０１とこの液晶表示素子１０１の背面に設けられた光源となるＣＣＦＬ管１０２により構成されている。入力された映像信号は、信号処理手段１０３において信号処理がされ、画質改善手段１０４により画質改善が行われた後、液晶表示素子１０１に入力されて、画像の表示が行われる。

特許文献１では、このような液晶表示装置に関して画質の調整を行う方法について記載されている。
特開２００８−１３４４６６号公報

しかしながら、図１１に示した構成の液晶表示装置では、画質の改善が液晶表示素子１０１においてのみ行われる。また、液晶表示装置全体の輝度が応答速度の遅いバックライトであるＣＣＦＬ管１０２の輝度に大きく依存しており、白の輝度を上げようとすると、黒の輝度も上がってしまい、また、黒の輝度を下げようとすると、白の輝度も下がってしまう。よって、輝度の調整には限界を有している。

特に、液晶表示装置の画面を分割してバックライト光源を制御するＴｏｐ型バックライトによるローカルディミング技術においては、図１２に示すように、分割された境界付近でのバックライトの輝度変化部１３２と映像信号における輝度変化部１３１とが不自然に時間ずれして重なり合うため、逆に画質を劣化させるといった問題が生じる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、特に、バックライトを有する液晶表示装置において、高品位で高画質な映像を表示することが可能な液晶表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、バックライトと液晶表示素子とを有する液晶表示装置において、前記液晶表示装置に入力する映像信号における映像の画像解析を行い、前記画像解析の結果に基づいて、前記液晶表示素子における制御と、前記バックライトにおける制御との双方において画質調整を行うものであり、前記画像解析は、前記映像信号における映像について、輝度ヒストグラム、色度ヒストグラム、色彩ヒストグラム、空間周波数ヒストグラムの４要素について分析しヒストグラムを作成するマクロ分析と、前記映像信号の水平成分と垂直成分に分けて各々の信号成分について分析して、前記水平成分を表わす水平データと前記垂直成分を表わす垂直データを生成するディテール分析と、に分けて解析し、前記マクロ分析及び前記ディテール分析の解析結果から、前記バックライトの輝度を増減制御するための前記映像信号における映像の黒レベルを検出し、前記映像信号のコントラスト量を制御するための白レベルを検出し、前記バックライトの輝度の増減制御と前記映像信号のコントラスト量制御とのバランスを制御するための平均輝度を検出し、赤系統、緑系統、青系統の色彩のうち支配的な色彩の色温度を所定の方向にシフトするための色彩を検出し、前記黒レベルの検出、前記白レベルの検出、前記平均輝度の検出、前記色彩の検出を順に行なって前記バックライトが制御され、前記バックライトにおける制御をした後に、前記黒レベルの検出、前記白レベルの検出、前記平均輝度の検出、前記色彩の検出に加え、色度検出、空間周波数検出を順に行なって前記液晶素子がチューニングレベル制御されることを特徴とする。

また、本発明は、前記画像解析は、前記映像信号における映像の黒レベル、白レベル、平均輝度、色度、色彩、空間周波数成分について行うものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記バックライトにおける制御をした後に、前記液晶表示素子における制御を行うことを特徴とする。

また、本発明は、前記バックライトにおける制御は、前記映像信号における映像の黒レベルの検出、白レベルの検出、平均輝度の検出、色彩の検出を順に行った結果に基づき、制御を行うものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記バックライトはＬＥＤ又は複数のＬＥＤの集合体からなるものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記画像解析は、前記映像信号における映像について、輝度、色度、色彩、空間周波数成分について解析を行うマクロ分析と、水平データ及び垂直データについて解析を行うディテール分析とに分けて行うことを特徴とする。

また、本発明は、ホワイトバランスの制御は、前記バックライトにおける制御において行うことを特徴とする。

本発明によれば、高品位の高画質な映像を表示することが可能な液晶表示装置を提供することができる。

本実施の形態に用いられる液晶表示装置について説明する。

図１に、本実施の形態に用いられる光源としてＬＥＤを用いた液晶表示装置の構成を示す。この液晶表示装置は、液晶表示素子１１とこの液晶表示素子１１の背面に設けられた光源となるＬＥＤ１２により構成されている。入力された映像信号は、信号処理回路１３において信号処理がされ、画質改善回路１４により画質改善がされた後、液晶表示素子１１の制御系に送られる信号と、ＬＥＤドライバ１５に送られる信号とに分岐され、液晶表示素子１１の制御系に送られた信号に基づき液晶表示素子１１が制御されるとともに、ＬＥＤドライバ１５に送られた信号に基づき、ＬＥＤ１２における制御がなされる。

このような構成の液晶表示装置においては、画質の改善を液晶表示素子１１とバックライト光源であるＬＥＤ１２の双方において行うことが可能である。

即ち、ＬＥＤは応答性が高いため、ＣＣＦＬ管とは異なり、光源であっても画質改善のための制御に用いることが可能であり、本実施の形態では、このようなＬＥＤの特性を生かし、液晶表示装置に表示させる画質の改善を行うためのものである。

尚、本実施の形態では、ＬＥＤについて説明するが、ＬＥＤ以外の応答性の高い光源であれば、本実施の形態における液晶表示装置のバックライトとして用いることができる。

ところで、液晶表示素子１１とは無関係にＬＥＤ１２単体での輝度制御等を行った場合では、期待された画質の改善効果が得られないどころか、逆に表示品位を低下させてしまう。

本発明における実施の形態では、入力された映像信号について、マクロ分析とディテール分析との２つの分析を行い、この分析の結果に基づき、液晶表示素子とバックライトの双方を有機的に関連付けて制御を行うことにより、液晶表示装置全体の画質を大幅に改善することを可能とするものである。

即ち、映像信号における映像において、ディテール分析とマクロ分析を行った結果に基づき画質制御パラメータを生成し、この画質制御パラメータに基づき液晶表示素子における制御とバックライトにおける制御とを有機的に関連付けして画質改善を行うものである。これにより、液晶表示装置において容易に高品位で高画質な表示を行うことが可能となる。

図２に基づき、本実施の形態における液晶表示装置の画質改善の方法について説明する。液晶表示装置に入力された信号は、液晶表示装置内に設けられたプロファイル分析回路２１と、ヒストグラム分析回路３１とに各々入力される。

プロファイル分析回路２１では、ディテール分析が行われる。具体的には、映像信号の水平成分と垂直成分に分けて各々の信号成分について分析を行い、水平データ２２、垂直データ２３を生成する。

一方、ヒストグラム分析回路３１では、マクロ分析が行われる。具体的には、輝度ヒストグラム３２、色度ヒストグラム３３、色彩ヒストグラム３４、空間周波数ヒストグラム３５の４つの要素について分析を行い、ヒストグラムを生成する。

輝度ヒストグラム３２は、図３に示すように、輝度と度数との相関関係のヒストグラムである。

色度ヒストグラム３３は、図４に示すように、色相環における角度と度数との相関関係のヒストグラムである。

色彩ヒストグラム３４は、図５に示すように、色彩と度数との相関関係の円状のヒストグラムである。

空間周波数ヒストグラム３５は、図６に示すように、空間周波数と度数との相関関係のヒストグラムである。

この後、画質制御回路４１に、水平データ２２、垂直データ２３、輝度ヒストグラム３２、色度ヒストグラム３３、色彩ヒストグラム３４、空間周波数ヒストグラム３５の６つの要素を入力し、映像信号における映像の白検出、黒検出、平均輝度レベル（ＡＰＬ）検出、色度検出、色彩検出、空間周波数検出を行う。この結果に基づき、液晶表示素子１１における画質改善を行った信号を液晶表示素子１１の制御系に、また、バックライトであるＬＥＤ１２における画質改善を行った信号をＬＥＤドライバ１５に各々出力し、液晶表示装置全体として画質改善を行うものである。

次に、液晶表示装置の画質改善の手法について説明する。

液晶表示装置の画質改善においては、最初に液晶表示装置の基礎的要素を整備することが重要である。この基礎的要素は、液晶表示装置の場合、特に、ＬＥＤ１２等のバックライト光源が大きな影響を及ぼす。基礎的要素を決定付けるものとしては、輝度の決定、白の決定、黒の決定、色彩に影響を与えるホワイトバランスの決定が挙げられる。

図７は、ＣＣＦＬ管とＬＥＤにおいて、各々ホワイトバランスを変化させたときの輝度変化特性を示している。破線で示すＣＣＦＬ管の場合では、ホワイトバランスの調整は、輝度のピークと合致する一点調整であり、通常色温度が約１００００度となるように設定されている。ＣＣＦＬ管の場合では、ホワイトバランスを変化させることにより、輝度は著しく変化する。一方、実線で示すＬＥＤの場合では、ホワイトバランスの調整は、色温度を６５００度から１２０００度まで変化させても、輝度に変化は殆どなく安定している。よって、ホワイトバランスの調整は、ＣＣＦＬ管よりもＬＥＤの方が容易に行うことが可能であるため、高品質な画像を得るための液晶表示装置のバックライトとしては、ＬＥＤの方がより好ましい。

次に、液晶表示装置におけるホワイトバランスについて説明する。

図８に基づき、従来からあるバックライトとしてＣＣＦＬ管１０２を用いた画像表示装置におけるホワイトバランスの調整法を説明する。

液晶表示素子１０１のバックライトとしてＣＣＦＬ管１０２を用いた場合、ホワイトバランスを調整する際には、ＣＣＦＬ管１０２の色温度が約１００００度固定されていることを前提として、液晶表示素子１０１のホワイトバランスの制御を画質改善回路１０４内に設けられたＲＧＢ増幅器１０５において行う。ＲＧＢ増幅器１０５では調整器１０６により、ＲＧＢ各々のバイアスやゲインを制御して、ホワイトバランスの調整を行う。

これにより、映像信号は信号処理回路１０３において信号処理された後、画質改善回路１０４に入力し、ホワイトバランスの調整が行われた画像信号が液晶表示素子１０１に送られ、バックライトであるＣＣＦＬ管１０２により背後から光が照射され表示が行われる。

また、図９に基づき、本実施の形態におけるバックライトとしてＬＥＤを用いた画像表示装置におけるホワイトバランスの調整法を説明する。

液晶表示素子１１のバックライトとしてＬＥＤ１２を用いた場合、ホワイトバランスを調整する際には、バックライトであるＬＥＤ１２によりホワイトバランスの調整が可能であるため、液晶表示素子１１におけるホワイトバランスの調整は不要となる。映像信号は、信号処理回路１３において信号処理がなされた後、画質改善回路１４に入力される。画質改善回路１４においては、ホワイトバランスについては調整が行われることなく、ホワイトバランスを調整する旨の制御信号はＬＥＤドライバ１５に送られ，ＬＥＤドライバ１５においてホワイトバランスの調整が行われる。具体的には、ＬＥＤドライバ１５内におけるバックライトドライバ１６を、調整器１７により調整することにより、ＲＧＢ各々のバイアスやゲインを制御して、ＬＥＤ１２によりホワイトバランスの調整を行う。

これにより、映像信号は信号処理回路１３において信号処理された後、画質改善回路１４に入力され、映像信号に基づいた映像が液晶表示素子１１に表示されるとともに、ＬＥＤ１２においてホワイトバランスの調整が行われた光が液晶表示素子１１に照射され表示が行われる。

尚、一般的にテレビジョン等におけるホワイトバランスは、ユーザーの好みに応じて、色温度が６５００度から１２０００度の間で、３〜４種類設定可能である。このように、複数のホワイトバランスが調整可能である場合では、液晶表示素子によりホワイトバランスを調整しようとすると、ダイナミックレンジを狭めてしまったり、黒レベルのオフセット量が大きくなったりして、ホワイトバランスの階調機能を大きく悪化させてしまう。これに対し、バックライトであるＬＥＤによりホワイトバランスを調整する場合には、ホワイトバランスによる調整の影響が液晶表示素子には及ばないため、このような問題はない。

図１０に、バックライトとしてＬＬＦＣ管１０２を用いた液晶表示装置とＬＥＤ１２を用いた液晶表示装置とにおける消費電力の比較を示す。破線に示すＬＬＦＣ管１０２を用いた場合では、ＡＰＬに関係なく常に一定の消費電力を必要としているが、実線に示すＬＥＤ１２を用いた場合では、ＡＰＬに応じて変化させることが可能であり、消費電力もＡＰＬに比例して変化する。テレビジョン等の一般的な動画映像においては、ＡＰＬが３５〜４５％になるため、消費電力もこれに応じて低下させることができる。バックライトとしてＬＥＤ１２を用いた場合では、ＡＰＬ以外にも消費電力が削減する方法があり、具体的には、０Ｄ、１Ｄ、２Ｄと呼ばれるダイナミックなインパルスドライブを行うことにより、さらに１０〜１２％消費電力を低減することができる。

次に、画質改善のための制御の手順について説明する。最初にバックライトであるＬＥＤにおける制御を行った後、液晶表示素子における制御を行う。

具体的には、本実施の形態においては、バックライトであるＬＥＤ１２における制御を行うための要素を見つけだすための検出手段として、「黒レベル検出」→「白レベル検出」→「ＡＰＬ検出」→「色彩検出」を順に行う。

黒レベル検出では、バックライトの輝度の増減量をダイナミックに行うことができ、消費電力を大幅に削減することができる。通常は、バックライトは、高輝度状態になっているので、バックライトの輝度を低下させることにより、消費電力を低減することができる。

白レベル検出は、映像信号におけるコントラスト量を制御する。通常は、バックライトは高輝度状態であり、この状態に基づきコントラストの規定値も設定されている。前述のように、黒レベル検出で輝度低下させたときに、白レベルも同時に低下させてしまうのを防ぐため、液晶表示素子におけるコントラストの制御幅を増やし、白レベルの輝度の維持を行うことが可能となる。

ＡＰＬ検出は、ＬＥＤの輝度の制御量と映像信号のコントラスト量のバランスをとり、最適なコントラストが得られるように制御している。このように、黒レベルと白レベルのとの相関をＡＰＬで判定し、最適なＬＥＤの制御量と液晶表示素子におけるコントラストの制御量を見出し消費電力の削減を行うとともに、映像のコントラストを高めることができる。

色彩の検出は、基準のホワイトバランスをカラートーンに合わせてシフト量の制御を行う。初めに白黒時に設定されたホワイトバランス値を基準として以下の制御を行っている。具体的には、ウォーム、グリーン、クールの３つの代表的な色彩検出から適度な重み付けを行う。例えば、ウォームが支配的な場合には、ホワイトバランスを色温度６５００度の方向にシフトさせ赤系統の色鮮やかさを強調する。また、グリーンが支配的な場合には、ホワイトバランスを色温度１００００度の方向にシフトさせ緑系統の色鮮やかさを強調する。また、クールが支配的な場合には、ホワイトバランスを色温度１２０００度の方向にシフトさせ青系統の色鮮やかさを強調する。

このときの基準としては、白黒のホワイトの色温度、肌色、緑の発色、赤の発色、青の発色、中間色（イエロー、シアン、マゼンタ）の発色に基づき行う。

このようなバックライトであるＬＥＤ１２における制御を行った後、液晶表示素子１１における制御を行う。

この液晶表示素子１１における制御を行うための要素を見つけだすための検出手段としては、「黒レベル検出」→「白レベル検出」→「ＡＰＬ検出」→「色彩検出」→「色度検出」→「空間周波数検出」を順に行う。

バックライトであるＬＥＤ１２において、黒レベル、白レベル、ＡＰＬ、色彩に関する制御がなされているため、この状態を基準に検出及び制御がなされる。

ここで、黒レベル、白レベル、ＡＰＬについては、コントラストエンハンスで非線形制御を行い、黒レベル調整用のブライトネスは、チューニング用として使用し大きな制御は行う必要がない。また、色彩、色度の色系制御についても、チューニング用として使用し、こちらも大きく制御を行う必要がない。また、空間周波数の状態に対応して、シャープネス機能やノイズ低減機能の制御を直接的に行うことも可能である。

つまり、信号系の調整時には、黒レベルやホワイトバランス等の調整制御は、チューニングレベルに抑えてバックライト系の調整に大きく依存させて消費電力の低減を行うとともに、ハイコントラスト化と色鮮やかさを有機的な関連付けを行って実現することが可能である。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

本発明における液晶表示装置の構成図画質改善回路内における画質改善のために必要な部分の構成図輝度ヒストグラムの概要図色度ヒストグラムの概要図色彩ヒストグラムの概要図空間周波数ヒストグラムの概要図色温度と輝度の相関図従来の液晶表示装置におけるホワイトバランスの説明図本実施の形態の液晶表示装置におけるホワイトバランスの説明図ＣＣＦＬ管とＬＥＤの消費電力の比較図従来の液晶表示装置の構成図Ｔｏｐ型バックライトでのローカルディミング技術の説明図

符号の説明

１１液晶表示素子
１２ＬＥＤ（バックライト）
１３信号処理回路
１４画質改善回路
１５ＬＥＤドライバ
１６バックライトドライバ
１７調整器
２１プロファイル分析回路
２２水平データ
２３垂直データ
３１ヒストグラム分析回路
３２輝度ヒストグラム
３３色度ヒストグラム
３４色彩ヒストグラム
３５空間周波数ヒストグラム
４１画質調整回路

Claims

バックライトと液晶表示素子とを有する液晶表示装置において、
前記液晶表示装置に入力する映像信号における映像の画像解析を行い、
前記画像解析の結果に基づいて、前記液晶表示素子における制御と、前記バックライトにおける制御との双方において画質調整を行うものであり、
前記画像解析は、
前記映像信号における映像について、輝度ヒストグラム、色度ヒストグラム、色彩ヒストグラム、空間周波数ヒストグラムの４要素について分析しヒストグラムを作成するマクロ分析と、
前記映像信号の水平成分と垂直成分に分けて各々の信号成分について分析して、前記水平成分を表わす水平データと前記垂直成分を表わす垂直データを生成するディテール分析と、
に分けて解析し、
前記マクロ分析及び前記ディテール分析の解析結果から、前記バックライトの輝度を増減制御するための前記映像信号における映像の黒レベルを検出し、前記映像信号のコントラスト量を制御するための白レベルを検出し、前記バックライトの輝度の増減制御と前記映像信号のコントラスト量制御とのバランスを制御するための平均輝度を検出し、赤系統、緑系統、青系統の色彩のうち支配的な色彩の色温度を所定の方向にシフトするための色彩を検出し、
前記黒レベルの検出、前記白レベルの検出、前記平均輝度の検出、前記色彩の検出を順に行なって前記バックライトが制御され、
前記バックライトにおける制御をした後に、前記黒レベルの検出、前記白レベルの検出、前記平均輝度の検出、前記色彩の検出に加え、色度検出、空間周波数検出を順に行なって前記液晶素子がチューニングレベル制御されることを特徴とする液晶表示装置。
前記バックライトはＬＥＤ又は複数のＬＥＤの集合体からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
ホワイトバランスの制御は、前記バックライトにおける制御において行うことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。