JP5011735B2 - 映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を拡散することにより、液晶表示装置の輝度の低下を抑制し、見る角度により色の変化の少ない液晶表示装置等を形成しうる色補正可能な拡散体に関し、特に垂直配向された液晶セルとともに用いた場合、液晶表示装置を斜め方向から見た際のガンマ特性の変化による色変化を補償し、短波長側の光をより強く散乱し、平行光線透過率の高く後方散乱の少なく、散乱角度が広い拡散体（Mie散乱）に関し、さらには、この拡散体を用いた偏光素子に関し、そして、これを適用した、ボケが少なく、コントラストが高く、明るく、階調の変化、色変化の少ない液晶表示装置に関するものであり、特に液晶テレビのような手軽に高画質映像を視聴しうる薄型液晶映像表示装置に関するものである。

透過型液晶表示装置は、フラットパネルディスプレイに代表される表示素子であり、軽く、薄く、低消費電力であることから液晶テレビ，カーナビゲーション，パソコン用モニター，ノートＰＣ，ＦＡ等に幅広く使用されており、特に近年、テレビ用途として、広く用いられるようになっている。

現在までにＴＮ方式，ＯＣＢ方式，ＶＡ方式，ＩＰＳ方式などの配向方式の液晶が開発されてきた。
このうち、ＴＮ（ツイストネマチック）型の配向の液晶では、ねじれた配向であるため、リタデーションフィルムにおいて偏光を補正しても、一方向だけコントラストの反転が起こってしまうという欠点があり、様々な方向から見ることが想定されるテレビには、あまり適していない。
ＴＮ方式では、液晶が９０°ねじれて配向している。

一方、液晶が１８０°ねじれているＯＣＢ方式がある。
この方式では、視野角も広く、応答性の高く、光学特性は良い。
但し、ベント配向が、スプレイ配向の２つの安定状態を持つため、安定した動作のものを作製するのが非常に難しい。

また、視域の問題を解決するため、ＩＰＳ型の配向の液晶ディスプレイが知られている。
しかし、ＩＰＳは、応答性が比較的低い、暗部が潰れやすい、製造コストが高いと言われている。

同様に、視域の問題を解決するため、垂直配向型（ＶＡ型）の液晶ディスプレイが知られている。
このＶＡ型液晶は、ＴＮやＩＰＳが水平に配向しているのに対して、垂直に配向しているので、コントラストが高く、黒の部分の階調も再現もしやすい。
また、応答性，透過率，製造コストの面で、ＴＮ型には、劣るが、ＩＰＳよりは比較的製造し易いと言われている。
しかし、見る角度によって、ガンマが変化してしまい、斜めからみると、白っちゃけて見えてしまい、見る角度によって、色が変化してしまう欠点がある。

ガンマとは、階調の特性を表す数値であり、このガンマ特性を正しく表示しないと、グレースケールが色付いたり、微妙な中間域の色再現が正確でなかったりと、画像上問題が発生する現象を招く。

テレビでは、モニターなどとは異なり、様々な角度から、中間階調を多く有するような映像を見るため、どの方向からみても、階調が崩れず、色変化の少ない表示装置が求められている。
また一方で、薄型テレビの大型化が顕著であり、違和感があるような画像を視覚すると、そのまま眼の疲労感に直結してしまう。

このような薄型大画面のテレビは、手軽に良質な映像を楽しむことを最大の目的としており、その日の気分や視聴する時間帯，コンテンツにより視聴環境が様々に変化する。
一方、人間の感じ方は、外部の明るさに影響を非常に受けることが知られており、その環境の明るさにより最適な画像表示が異なってくるため、視聴環境によっては、疲労感のある映像となったり、メリハリのない映像となったりしてしまい、すべての視聴環境に適応した画像というのは、表示できない。

映画やスライドを表示する際のガンマを、表現したいガンマより約１．５倍にした方がより自然に見え、白と黒のコントラストは１：１０００程度あるのが望ましいという研究報告もある。（非特許文献１参照）
"The Theory of the Photographic Process" T. H. James

また明るい部屋では、濃度で２，つまり、１：１００しか認識できないので、あまりガンマを高くし且つ暗い部分に色を表示すると、暗い部分の表示がつぶれてしまい、奥行き感が損なわれる。
これは、網膜の周辺からの刺激が抑制神経を伝わって網膜の中心付近に神経に伝わることによるものと言われている。
そこで、適切な画質の調整をユーザー自ら行う事が考えられるが、テレビが様々な人に使用される事を鑑みると非常に煩雑となってしまい、すべての人が適切に行えるとは考え難い。

ここで、明るい部屋とは、１００〜３００lux／ｃｍ ² 程度の部屋を指し、暗い部屋とは、５０lux／ｃｍ ² 以下の間接照明が主体のような部屋を指す。
さらには、店頭にテレビが展示される際は、非常に明るい環境の中に置かれ、しかも、購買者の目を引く必要があるため、画像としては、彩度の高いものが望まれているが、そのような画像をそのままリビングに持ち込むと非常に疲れる映像になってしまう。

従来、映画，スライドなどを暗室で視聴する際のフィルムの濃度を考慮して、視覚される映像画質を向上させる取組みは行なわれていたが、テレビ映像については、光学フィルムにより最適なガンマ特性を制御して映像画質を向上させる旨は示唆されていない。
本発明は、映像表示装置（特に、液晶テレビ）の視覚にあたって、人間の眼が環境の明るさに応じて適応する性質に合わせて、画像を適切に自動的に調節することによって、様々な環境下で視聴されるテレビをどのような環境でも疲労感も少なく、よりリアルな映像を視覚可能とすることを主目的とし、明るい店頭展示状態においては、輝度の低下，コントラストの低下，ボケを抑制しつつ、見る角度による階調の変化，色変化を抑制する色補正可能な拡散体を適用した好適な画質（色）の表示が可能な映像表示装置を提供し、ユーザーの購買意欲の向上を促そうとするものである。

本発明による映像表示装置は、
粒子径に応じて可視光波長域の光をより強く散乱（Mie散乱）するような屈折率の異なる粒子状の微細な領域（内面散乱体）を有する光散乱フィルムを、偏光フィルムと組み合わせて液晶表示素子に適用してなる映像表示装置であり、
正面から４５°の範囲で階調のガンマの変化が０．５以内であり、コントラストが１：５０以上を保ち、
視聴環境の照度を計測できる計測器を備えており、計測された照度に応じて、階調特性を変化させる手段を備えることを特徴とする。

暗室下，間接照明下，明室下，店頭表示など、色々な照度環境下で広い範囲に光を拡散し、比較的平行光線透過率の高い拡散体として、粒子径に応じて可視光波長域の光をより強く散乱（Mie散乱）するような屈折率の異なる粒子状の微細な領域（内面散乱体）を有する光学フィルム（光散乱フィルム）を用い、
上記フィルムを偏光フィルムと組み合わせて液晶表示素子に適用して、観察者側の偏光層のさらに前面に配置することにより、
映像表示装置（液晶テレビ）を見る角度に応じた色変化，コントラスト低下，ボケ，正面での輝度低下が認識できないほど小さく視覚され、特に垂直配向型液晶で特筆される、暗部の表現力，低コストなどの特徴を一層生かした液晶テレビが実現される。

明るい部屋（１００〜３００lux／cm ² の明室環境）にテレビが置かれている場合は、コントラストを１：５０程度にして、入力信号の階調のガンマと同じ階調のガンマの映像の表示（言い換えると、表示映像の出力）を行なうことが好ましい。
このような表示を行なうためには、斜めから見た際でも、コントラストが十分に保たれていないと、斜めから観察した際に、より黒の浮きが大きくなってしまい、不具合がある。
また、ガンマ特性が寝る傾向があると、これも望ましい特性が得られないため、これも少ない方が良い。

薄暗い間接照明の部屋（５０lux／cm ² 以下の暗室環境）では、出力する表示映像の階調のガンマは、入力信号の階調のガンマの１．３〜１．６倍程度とすることが適切である。
その際には、１００ｃｄ／m ² 以下の明るさを抑えると黒浮きも抑えられて、眼への負担も抑えられると考えられるのでより望ましい。

店頭で展示されるような環境（３００lux／cm ² 以上）では、より彩度の高い表示をすることによって、購買者の目を引くようにすることが望まれる。

これまでの液晶テレビ，プラズマテレビでは、このような階調調整機構を搭載したものはなく、どのような環境下でも、コントラストを最大限に活かすような階調表現になっているため、明るいところで見ると、黒い部分がつぶれてしまっていた。

逆に、このような階調表現は、暗室環境では有効に機能していたと言えるが、実際には、明室環境で視覚することを前提としているので、そのような表現では、逆に硬すぎる表現となってしまう。
このような表現は、小さなディスプレイでは、若干の違和感を感じる程度で、疲労を感じるほどではないが、ディスプレイが大型化していけば、違和感および疲労感を一層強く感じることになる。
テレビ映像について、明室環境と暗室環境での望ましい階調特性（入力信号＝ＮＴＳＣ）を、図１のグラフに示す。

＜実施形態１＞
粒子径に応じて可視光波長域の光をより強く散乱（Mie散乱）するような屈折率の異なる粒子状の微細な領域（内面散乱体）を有する光散乱フィルムを、垂直配向型の液晶テレビに配置した際の、角度変化に応じたコントラスト変化を、図２のグラフに示す。

このような十分なコントラスト特性を持った液晶に対して、５０lux／cm ² 以下の環境では、フルの階調を用いてガンマを従来の１．５倍相当にすると良い。ＮＴＳＣの場合、入力信号は２．２を想定している。そのため、本発明における映像表示装置では、出力する表示映像のガンマは、３．３にすると良い。

また、１５０lux／ｃｍ ² 〜２５０lux／ｃｍ ² の環境では、出力する表示映像のガンマを、本来のＮＴＳＣの信号に想定されているガンマである２．２とするように想定した。
その場合、５０lux／ｃｍ ² と１５０lux／ｃｍ ² の間の環境では、出力する表示映像のガンマを３．３から２．２へと、漸近的に変化させるのがよい。

また、２５０lux／ｃｍ ² 以上の環境では、彩度を上げ、よりリアリティ豊かな、望ましい画像を表示するように設定することによって、店頭展示の際にも、よりアイキャッチ効果が高い映像を表示させることができる。
このようなガンマ特性をもつ映像表示装置は、どの角度から見ても、ガンマ特性が変化せず、また、黒浮きもある程度抑えられた表示装置である必要もある。そのため、透過型の垂直配向型の液晶パネルの前側偏光板の偏光層の前面に、後述の＜光散乱フィルム＞を配置して、後方散乱や色変化に関して下記に記載の条件を満たすようにして実現した。

このような光学フィルム（光散乱フィルム、拡散フィルム等）を配置すると、正面方向でのコントラストは、低下してしまい、１：３００程度に落ちてしまう。
しかし、間接照明下のような薄明かりの中であれば、これ以上、黒の輝度を落としても、認識できず、濃度換算で言えば、２．５は維持されるので、暗い環境下でも、十分である。
むしろ、斜めから見た際に最大で、１：２０程度まで、コントラストが低下してしまう点は、テレビの視聴環境を考えると、問題があると考えられ、この点は改善が望まれる。

以下、後方散乱や色変化に関する条件について、述べる。
・後方散乱
テレビの視聴には、明室下が推奨されていることから、コントラストを語る場合に、明室下の条件下で考えた場合、光を拡散させ液晶表示装置の明室下でのコントラストを十分確保するには、明室では、暗室下と比較し、ディスプレイの暗部に対する感度が鈍くなる事を考慮し、コントラストとしては、１００：１以上のコントラストは、ほとんど知覚できない。そのため、コントラストとして、１００：１あれば十分である。
ところで、現在の液晶テレビは白色の輝度が４００ｃｄ／ｍ ² 以上ある。
このとき、コントラスト１００：１を得るためには、黒の輝度を４ｃｄ／ｍ ² 以下に抑えれば良い。

ここで、外光による黒輝度の上昇を考える。
通常の室内環境においては、１００〜３００lux／ｍ ² であり、明るい部屋の場合を考え、ディスプレイからの反射が、理想拡散板である場合には、３００／３．１４＝９５ｃｄ／ｍ ² となる。
一方、液晶ディスプレイに黒を表示した場合それ自体の輝度として、白輝度の１／４００程度の輝度を有しており、約１ｃｄ／ｍ ² の輝度となる。
ここで、液晶ディスプレイの反射率が、理想拡散板の３%である場合、輝度は、２．９ｃｄ／ｍ ² となるので、この場合、通常のリビングのような明室下でも、十分なコントラストが得られる。
また、通常のリビング等では、部屋の中心付近に照明光源があり、部屋の壁際にテレビをおくのが一般的である。
このことから、想定されるディプレイに入射する照明光の入射角度をとしては、約４５度照明が妥当と考える。上記条件と合わせると、４５度照明，０度測定の反射率が、標準白色板に対して３％以下であれば、明室下でも十分なコントラストが得られることになる。

液晶テレビにおいては、暗室下でのコントラストが十分でないといわれており、また、通常は、明室下でドラマ，ニュース，スポーツなどの番組を見ることを想定して作られている場合が多い。
一方で、映画を落ち着いた環境下で手軽に見たいという要望があるが、このような用途に液晶テレビでは、上記のような点から、ガンマ特性が淡くふれてしまうため、少しボケた印象を受けてしまう。
また、同様に輝度も明室下と同様の明るさであると、黒の輝度が浮きやすく、高いコントラストを、有した液晶パネルを用いる必要があるが、暗いところではバックライトの輝度を低下させれば、液晶パネルの輝度を低いままでも高い画質が得られる。

垂直配向型の液晶は、正面から見た場合と、斜めから見た場合では、配向が違って見えるため、斜めから見た場合には、ガンマが小さくなるため、色が淡く見える。
また、正面では青く、横からは黄色く見える傾向がある。
これを補正するために、負の一軸異方性を有するリタデーションフィルムを用いたりしているが、これは特定の配向き、特に黒の部分にのみ効果があるため、中間階調での補正には十分でない。

・色変化
本発明の拡散体を適用した光学フィルムを垂直配向型の液晶の前側偏光板に配置することによって、それぞれの向きでの光が十分に混ぜ合わせられ、拡散の波長依存性の効果により色の補正が可能であり、正面と周辺との色差が、ΔＵ’Ｖ’で０．０４以下となるようにすることにより、実質的に、色変化を知覚しないディプレイを得ることができる。
さらに厳しい品質を求められるものには、ΔＵ’Ｖ’で０．０３以下の方が望ましい。
このとき、試験色としては、例えば、ＣＩＥ１９７４で規定されている８試験色近傍の色を用いることができる。
また、JISZ 8726の１５試験色の近傍の色を用いても良い。
この色変化を測定するときには、すべての色を測定することは実質的に不可能であるため、このように代表的な色を測定し、色変化を測定することで、ディスプレイを評価するのは、妥当であると考えられる。
また、この拡散体を適用した光学フィルムを付加することにより一般的には、正面の輝度の低下が起こる。これを、バックライトで補正することは可能であるが、極度に低下すると補正しきれなくなるため、この拡散体を適用した光学フィルムを付加する前と比較して元の輝度の４０％以内に抑えるのが妥当であると考えられる。さらに望ましくは、２０%以内に抑えるのが良い。

また、この保護フィルムを兼ねた本発明の拡散体を適用した光学フィルムの拡散層と反対面には、ハードコート処理，反射防止処理，スティッキング防止，防汚，帯電防止や、拡散ないしアンチグレアを目的とした処理を施したものであっても良い。
また、屈折率異方性を有するようなリタデーションフィルムとともに用いることも可能である。

このような液晶表示装置で実際には、コントラスト１：３００が得られ、６０°までの範囲でも、コントラストとしては、１：５０が得られた。
このようにして得られた、液晶表示装置において、周辺の輝度に応じて階調のガンマを変化させる事によって視聴環境の明るさが異なる場合においても、良好な映像を視聴することができた。

＜実施形態２＞
良好な映像の表示が可能な薄型表示装置として、ＩＰＳ型の液晶表示装置も挙げられる。
しかしこのディスプレイも斜めから見るとコントラストが、偏光板を斜めに進むもれ光により、１：１０〜１：２０程度になってしまう。
このようなディスプレイでも、リタデーションフィルムを用いたり、拡散フィルムを用いて、黒浮きを抑制させる事により、同様に十分なコントラストを確保することが望ましい。
またＩＰＳでは、ＶＡ型液晶のように、斜めからみた際に階調が軟調になることはないので、その点では、望ましい階調を表示しやすい。
このようなＩＰＳ型液晶表示装置に対して、５０lux／cm ² 以下の環境では、フルの階調を用いてガンマを従来の１．５倍相当にすると良い。ＮＴＳＣの場合、入力信号は２．２を想定している。そのため、本発明における映像表示装置では、出力する表示映像のガンマは、３．３にすると良い。
また、１５０lux／ｃｍ ² 〜２５０lux／ｃｍ ² の環境では、出力する表示映像のガンマを、本来のＮＴＳＣの信号に想定されているガンマである２．２とできる。
その場合、５０lux／ｃｍ ² と１５０lux／ｃｍ ² の間の環境では、出力する表示映像のガンマを３．３から２．２へと、漸近的に変化させるのがよい。
また、２５０lux／ｃｍ ² 以上の環境では、彩度を上げ、よりリアリティ豊かな、望ましい画像を表示するように設定することによって、店頭展示の際にも、よりアイキャッチ効果が高い映像を表示させることができる。
このようなガンマ特性をもつ映像表示装置を、ＩＰＳ型の液晶パネルの前側偏光板の偏光層の前面に、光学フィルムとして後述の＜光散乱フィルム＞を配置して、実現した。

＜実施形態３＞
プラズマテレビでは、例えば最外面に光を吸収するような層を用いることによって、明るい部屋でのコントラストを向上させることができ、このようなパネルであれば、家庭のリビングなどでは、十分なコントラストが得られ、角度によって階調特性も変わらないため、このようなディスプレイにも用いることが可能である。

＜光散乱フィルム＞
ＭＥＫで溶かした酢酸ビニルのＳＮ−１２Ｔ（ポリマーの商品名：ポバール 大阪有機社製）に、アクリルモノマーであるＭ−１１０（商品名：アロニックス 東亜合成社製）を、質量比で、５：１の割合で混合し、富士写真フイルム（株）製ＴＡＣのフジタック（８０μｍ厚）に塗工し、加熱により、溶剤を揮発させ、１８μｍの膜厚となるようにポリマー層を塗布し、紫外線を約５００ｍＪ／ｃｍ ^２ で照射後、１２０℃で１０分間加熱し、相分離した光拡散体が得られた。このフィルムを１５画型液晶テレビのＫＬＶ−１５ＡＰ（商品名：ベガ ソニー社製）の表面に貼合した。
内面散乱体の平均粒子径は、０．４μｍである。
全体の塗工液の固形分の質量比率から、内面散乱体の含有量は、約３０％であるが、十分な散乱性が得られた。また、このような光学フィルムを液晶テレビの最表面に配置することにより、ΔＵ’Ｖ’で０．０４程度に色変化を抑制することができた。

このような光散乱フィルムを上側偏光板に用いた垂直配向型の液晶に適応することによって、どのような視聴覚環境でも、疲労感の少なく、メリハリの有るきれいな映像が楽しめ、設置場所をとらない薄型テレビとして利用が可能である。

テレビ映像について、明室環境と暗室環境での望ましい階調特性（入力信号＝ＮＴＳＣ）を示すグラフ。 本発明の光散乱フィルムを、垂直配向型の液晶テレビに配置した際の、角度変化に応じたコントラスト変化を示すグラフ。

Claims (3)

1. 粒子径に応じて可視光波長域の光をより強く散乱するような屈折率の異なる粒子状の微細な領域を有する光散乱フィルムを、偏光フィルムと組み合わせて液晶表示素子に適用してなる映像表示装置であり、
   ５０ｌｕｘ／ｃｍ ^２ 〜１５０ｌｕｘ／ｃｍ ^２ の環境においては、表示映像のガンマが、３．３から２．２の間で漸近的に変化することを特徴とする、映像表示装置。
2. 前記液晶表示素子が、垂直配向型の液晶を使用しており、
   １００〜３００ｌｕｘ／ｃｍ ^２ の環境においては、正面から４５°の範囲内では、表示映像のコントラストが１：５０以上であることを特徴とする、請求項１に記載の映像表示装置。
3. 前記液晶表示素子が、ＩＰＳ型の液晶を使用しており、
   リタデーションフィルムが用いられていることを特徴とする、請求項１に記載の映像表示装置。
   

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