JP5072891B2

JP5072891B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP5072891B2
Application number: JP2009068425A
Authority: JP
Inventors: 中亮助野; 場雅裕馬; 野雄磨佐
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: US20100238201A1; US8390563B2; JP2010224014A

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

従来から、液晶表示装置において、表示ダイナミックレンジの拡大、低消費電力化等の目的で、バックライトの輝度制御が行われている。

例えば、特開２００５−３０９３３８号公報（特許文献１）ではバックライトの輝度変調率を入力画像中の最大輝度値から求めることで、入力画像中の最大輝度が表示できるようにバックライトの輝度制御を行っている。

特開２００５−３０９３３８号公報

しかし、画像中の輝度の最大値に応じてバックライトの輝度変調率の制御を行うと、入力画像の輝度範囲が広い場合等に、入力画像中の明るい部位を優先的に表示することとなり、入力画像中の暗い部位を十分に暗く表示できず、結果として黒が白く浮くような画質劣化が目立つという問題がある。

本発明は、画像中の明るい部分を十分に明るく暗い部分も十分に暗く表示できる高表示ダイナミックレンジな画像表示が可能な画像表示装置を低消費電力なものとして提供する。

本発明の一態様としての画像表示装置は、光を出射するバックライトと、前記バックライトから出射される光を変調することにより画像表示を行う液晶パネルと、前記バックライトの発光強度に応じて定まる前記液晶パネルにより表示可能な明度範囲の中心値と、入力画像の各画素の明度の最大値及び最小値それぞれとの明度差が等しい中心値とが同じになるように、前記バックライトの発光強度を算出する発光強度算出部と、算出された発光強度で発光するように前記バックライトの発光を制御するバックライト制御部と、前記算出された発光強度に応じて前記入力画像の各画素の信号を補正する信号補正部と、補正された入力画像に基づいて前記液晶パネルの変調を制御する液晶制御部と、を備える。

本発明により、画像中の明るい部分を十分に明るく暗い部分も十分に暗く表示できる高表示ダイナミックレンジな画像表示を低消費電力で実現できる。

第１実施形態による画像表示装置の構成例を示す図。第１実施形態によるバックライトの構成例を示す図。バックライトの点灯方式を説明する図。第１実施形態による発光強度算出部の構成例を示す図。第１実施形態による発光強度算出部の他の構成例を示す図。第１実施形態による発光強度算出部の他の構成例を示す図。第１実施形態による信号補正部の構成例を示す図。第１実施形態による信号補正部の他の構成例を示す図。第１実施形態による信号補正部の動作による効果。第１実施形態による効果を具体的に説明する図。液晶パネルの構成例を示す図。第２実施形態による画像表示装置の構成例を示す図。第２実施形態によるバックライトの構成例を示す図。光源の構成例を示す図。第２実施形態による発光強度算出部の構成例を示す図。光源の輝度分布の例を示す図。バックライトの輝度分布の算出方法を模式的に示す図。第２実施形態による信号補正部の構成例を示す図。

以下に図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による画像表示装置について図面を参照して説明する。

画像表示装置の構成
本実施形態による画像表示装置の構成を図１に示す。本実施形態による画像表示装置は、発光強度算出部１１と、信号補正部１２と、バックライト制御部１３と、バックライト１４と、液晶制御部１５と、複数の画素がマトリクス状に配列された液晶パネル１６と、を備えている。

発光強度算出部１１は、１フレームの画像信号に基づいて、表示に適したバックライト１４の輝度変調率（発光強度）を算出する。信号補正部１２は算出されたバックライト１４の輝度変調率に基づいて、上記画像信号における各画素の輝度（光透過率）を補正し、補正された画像信号を液晶制御部１５に出力する。バックライト制御部１３は発光強度算出部１１によって算出された輝度変調率に従ってバックライト１４の点灯（発光）を制御する。バックライト１４はバックライト制御部１３の制御により点灯する。液晶制御部１５は信号補正部１２によって補正された画像信号に基づいて液晶パネル１６を制御する。液晶パネル１６は液晶制御部１５の制御によりバックライト１４からの透過光量を変化させる。すなわち、液晶パネル１６は、バックライト１４の発光を変調することにより画像表示を行う。

以下に各部の構成および動作の詳細を述べる。

バックライト１４
バックライト１４はバックライト制御部１３の制御により強弱に点灯し、液晶パネル１６を背面から照射する。バックライト１４の一具体例の構成を図２（ａ−１）、図２（ａ−２）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示す。図２（ａ−１）、図２（ａ−２）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すようにバックライトは少なくとも１つ以上の光源を備えている。光源の配置は、図２（ａ−１）、図２（ａ−２）、図２（ｂ）に示すように、液晶パネル１６背面に光源を配置する直下式でもよいし、図２（ｃ）に示すように液晶パネル１６側面に光源を配置し、図示しない導光板やリフレクタにより液晶パネル１６背面に光を導くことにより液晶パネル１６を背面から照射するエッジライト式でもよい。光源はＬＥＤ、冷陰極管、熱陰極管等が適している。特にＬＥＤは最大発光可能輝度と最小発光可能輝度の幅が広く、高いダイナミックレンジでの発光制御が可能であるので、光源として用いるのが好ましい。バックライト１４はバックライト制御部１３によって発光強度（発光輝度）および発光タイミングが制御可能となっている。

バックライト制御部１３
バックライト制御部１３は発光強度算出部１１によって算出されたバックライト１４の輝度変調率に基づきバックライト１４の点灯を制御する。輝度変調率とは、バックライト１４を最も明るく点灯させたときのバックライト１４の発光輝度に対して、どれくらいの比率の発光輝度でバックライト１４を発光させるかを示す値とする。図３（ａ）および図３（ｂ）にＰＷＭ(Pulse Width Modulation)方式を用いてバックライト１４を制御する場合のバックライト制御部１３の出力例を示す。図３（ａ）、図３（ｂ）は、バックライト１４が常に点灯している時の発光輝度に対して、各々、輝度変調率０．５、輝度変調率０．７５に対応するＰＷＭ制御信号を出力する場合の出力例を示している。ＰＷＭ方式では１周期の間の点灯期間の割合を変化させることによりバックライト１４の輝度制御を行う。このようにバックライト制御部１３は、バックライト１４の発光強度（発光輝度）および発光タイミングを制御する。

発光強度算出部１１
発光強度算出部１１は画像信号から表示に適したバックライト１４の輝度変調率を算出する。この発光強度算出部１１の一具体例の構成を図４に示す。図４の発光強度算出部１１は最大値／最小値算出部１７と、ガンマ変換部１と、中心値算出部１８と、乗算器１０ａと、ガンマ変換部２を備えている。

最大値／最小値算出部１７は、複数の画素の信号値から、それら信号値のうちの最大値および最小値を算出する。最大値／最小値算出部１７において、最大値および最小値の算出の対象となる空間範囲は、液晶パネル１６全体の範囲でも良いし、これより小さい範囲でも良い。

ガンマ変換部１は入力された信号値の最大値および最小値をガンマ変換により、各々最大明度Ｌ^＊ _ＭＡＸおよび最小明度Ｌ^＊ _ＭＩＮに変換する。入力画像信号が［０，２５５］の範囲の信号であるとすると、この変換は例えば、

で表される。ここで、Ｓ_ＭＡＸおよびＳ_ＭＩＮは各々最大値／最小値算出部１７で算出された信号値の最大値および最小値である。γ_１、α_１は任意の実数で良いが、一般的に最も簡略にこの変換を行う場合にはα_１＝０．０、γ_１＝２．２／３．０が用いられる。γ_１、α_１をこれらの値に設定してガンマ変換を行うことにより、信号値は、明度と呼ばれる人の明るさ知覚に比例する尺度の値へと変換される。これらのガンマ変換は乗算器等を用いて直接に算出しても良いし、ルックアップテーブルを用いて算出してもよい。以降では、最大値／最小値算出部１７とガンマ変換部１との組によって算出された明度Ｌ^＊ _ＭＡＸおよびＬ^＊ _ＭＩＮを各々最大明度、最小明度と呼ぶ。

中心値算出部１８は、ガンマ変換部１で算出された最大明度および最小明度の中心の値である中心値を算出する。この中心値は最大明度からの距離と最小明度からの距離が等しくなるような値である。すなわち中心値は、対象となる空間範囲における複数の画素の信号値の明度の中心の値である。例えば数式３のように最大明度と最小明度との平均値を算出することにより中心値Ｌ^＊ _ＭＩＤ求めることができる。

乗算器１０は、中心値算出部１８で算出された中心値（最大明度と最小明度との中心の値）に、液晶パネル１６の特性に応じて算出される値（以降では明度ゲインと呼ぶ）を乗じる。乗算部１０によるこの乗算値は、バックライト１４の明度変調率と呼ぶ。

本実施形態では、液晶パネル１６の表示ダイナミックレンジがＤ^＊ _Ｐである場合の明度ゲインＫ^＊を数式４のように算出する。

ここで、液晶パネルの表示ダイナミックレンジとは、液晶パネル単体の表示コントラスト特性により決定される値であり、液晶パネルの、（最大表示可能明度）／（最小表示可能明度）の値とする。例えば、液晶パネルがコントラスト比１０００：１（（最大表示可能輝度）：（最小表示可能輝度））のコントラスト特性を有する場合には、ここで言う液晶パネルの表示ダイナミックレンジは、｛１０００^{（１／３）}｝／｛１^{（１／３）}｝すなわち１０である。

このように算出された明度ゲインを、中心値算出部１８で算出された中心値（最大明度と最小明度との中心の値）に乗じることにより、中心値算出部１８で算出された中心値（最大明度と最小明度との中心の値）と、本画像表示装置で表示可能となる相対輝度の範囲の中心とを一致させることができる。以下これについてさらに詳細に説明する。

中心値算出部１８で算出された中心値をＬ^＊ _ＭＩＤ、液晶パネルの表示ダイナミックレンジをＤ^＊ _Ｐとすると、発光強度算出部１１において算出されるバックライトの明度変調率Ｌ^＊ _ＳＥＴは、中心値Ｌ^＊ _ＭＩＤに明度ゲインＫ^＊を乗じた値、すなわち、

となる。バックライト１４がこの明度変調率どおりの明度で発光するとした場合、本画像表示装置で表示可能となる最大の明度Ｌ^＊ _Ｕおよび最小の明度Ｌ^＊ _Ｌは、

となる。したがって、本画像表示装置で表示可能となる明度の範囲の中心Ｌ^＊ _Ｃは、

であり、すなわち、

となり、中心値算出部１８で算出された中心値（最大明度と最小明度との中心の値）と、本画像表示装置で表示可能となる明度の範囲の中心とが一致する。このように、中心値算出部１８で算出された最大明度と最小明度との中心の値に、数式４に従って算出された明度ゲインを乗じることにより、中心値算出部１８で算出された最大明度と最小明度との中心の値と、本画像表示装置で表示可能となる明度の範囲の中心とを一致させることができる。

ガンマ変換部２は入力されたバックライトの明度変調率Ｌ^* _ＳＥＴをガンマ変換により、バックライトの輝度変調率Ｌ_ＳＥＴに変換する。この変換は例えば、

で表される。γ_２、α_２は任意の実数で良いが、一般的に最も簡略にこの変換を行う場合にはα_２＝０．０、γ_２＝３．０が用いられる。γ_２、α_２をこれらの値としてガンマ変換することにより、明度は、光のエネルギーに比例する明るさの尺度に相当する輝度へと変換される。この変換は乗算器等を用いて直接に算出しても良いし、ルックアップテーブルを用いて算出してもよい。

発光強度算出部１１における、明度ゲインの乗算および明度変調率のガンマ変換は、乗算器１０ａおよびガンマ変換部２によって行なっても良いし、図５に示すように、あらかじめ、最大明度と最小明度との中心値と、バックライトの輝度変調率との関係をルックアップテーブル（ＬＵＴ）化しておき、このルックアップテーブル１０ｂを参照することによって実現しても良い。

なお、以上のようにバックライト１４の輝度変調率を算出したとしても、後述する信号補正部１２における画像信号の光透過率の補正（輝度の補正）を行わない場合には、バックライト１４の発光強度の変調により単に表示画像が暗くなるだけであることに注意されたい。

また、発光強度算出部１１において、中心値算出部１８で算出された中心値（最大明度と最小明度との中心値）に乗ぜられる明度ゲインの値は数式４に従った値に限られたものではなく、バックライト１４の発光強度の変調によって表示可能となる明度範囲の中心が、入力画像の明度の中心値に一致するような値であればどのような値でも良い。したがって、上記乗算器１０ａにおいて明度の中心値に乗ぜられる値は、数式４に従って算出される値に近い値であってもよいし、バックライト発光強度の変調によって表示可能となる明度範囲の中心が、入力画像の明度の中心値に一致するように経験的・実験的に決定された値であってよい。

発光強度算出部１１の変更例
本実施形態の発光強度算出部１１において、図６（ａ）に示すように、最大値／最小値算出部１７の前段にガウシアンフィルタなどの公知の空間ローパスフィルタ１９を配置し、最大値および最小値を算出する前に、画像信号にローバスフィルタリングを施す構成とすることができる。

本ローパスフィルタ１９は、処理対象の画像信号の空間的近傍の画像信号の重み付き平均をフィルタされた新たな画像信号とする処理を、画像信号中のそれぞれの座標に対して行なう。つまり、フィルタされた新たな画像信号は、フィルタされる以前の画像信号に基づき、

のように算出される。上式において、Ｓ´（ｘ、ｙ）は座標（ｘ、ｙ）における新たな画像信号の値、Ｓ（ξ、ψ）は座標（ξ、ψ）におけるフィルタされる以前の画像信号の値、ｗ（ξ、ψ）は座標（ξ、ψ）における重みの値であり、ｒ_ｘ、ｒ_ｙは重みテーブルの半径である。

このようにすることにより、最大値／最小値算出部１７で算出される最大値および最小値が、画像中のごく少数の画素のみの信号に依存するということを回避でき、バックライト１４の発光強度の時間変化を安定化することができ、バックライト１４の発光強度の時間変化に起因して発生する表示画像上のちらつきを回避することができる。

または、本実施形態の発光強度算出部１１において、図６（ｂ）に示すように、最大値／最小値算出部１７の前段に解像度変換部２０を配置して、最大値および最小値を算出する前に、画像信号に解像度変換を施す構成とすることもできる。解像度変換部２０は、本画像表示装置に入力された画像信号をより粗い空間解像度の信号に変換する。解像度変換部２０の解像度変換手法は、入力信号にローパスフィルタを施してから疎にサンプリングする手法でもよいし、その他、公知の解像度変換手法でもよい。このようにすることにより、解像度変換時の空間ローパスフィルタ効果により、上述したように、バックライト１４の発光強度の時間変化に起因して発生する表示画像上のちらつきを回避することができるとともに、最大値／最小値算出部１７での処理の対象となる画素数を少なくすることができ、最大値／最小値算出部１７の演算量を少なくすることができる。

信号補正部１２
信号補正部１２は発光強度算出部１１において算出されたバックライト１４の輝度変調率と、入力された画像信号とに基づいて、液晶パネル１６の各画素における画像信号の輝度（透過率）を補正し、補正された画像信号を液晶制御部１５に出力する。この信号補正部１２の一具体例の構成を図７に示す。

この信号補正部１２はガンマ変換部３と、除算部３７と、ガンマ補正部３８と、を備えている。

ガンマ変換部３は、入力された画像信号をＲ、Ｇ、Ｂの光透過率に変換する。つまり、ガンマ変化部３は、入力画像信号が［０，２５５］の範囲の信号であるとすると、（６）式で表される変換を行う。

ここで、Ｓ_Ｒ、Ｓ_Ｇ、Ｓ_ＢはＲ、Ｇ、Ｂに対応する画像信号値であり、Ｔ_Ｒ、Ｔ_Ｇ、Ｔ_ＢはそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ各色に対応する光透過率である。ガンマ変換部３のγ_３、α_３の値は任意の実数で良いが、一般的に最も簡略にこの変換を行う場合にはα_３＝０．０、γ_３＝２．２が用いられる。

除算部３７はガンマ変換部３によって算出された各画素のＲ、Ｇ、Ｂの光透過率を、発光強度算出部１１で算出されたバックライト１４の輝度変調率で除算することにより、補正光透過率を算出する。除算部３７による演算は、具体的にはガンマ変換部３によって算出された各画素のＲ、Ｇ、Ｂの光透過率を発光強度算出部１１で算出されたバックライト１４の輝度変調率で除算することで行う。ただし除算部３７に、あらかじめ入出力に対応する値の関係を保持したルックアップテーブルを保持させておき、除算部３７はこのルックアップテーブルを参照して補正光透過率を算出するようにしても良い。

ガンマ補正部３８は除算部３７において算出された補正光透過率にガンマ補正を施し、液晶制御部１５に出力するための画像信号に変換する。出力される画像信号をＲ、Ｇ、Ｂに対応する［０，２５５］の範囲の信号であるとすると、このガンマ補正は例えば、下記の（７）式を用いて行われる。

ここで、Ｔ´_Ｒ、Ｔ´_Ｇ、Ｔ´_ＢはそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ各色に対応する補正光透過率であり、Ｓ´_Ｒ、Ｓ´_Ｇ、Ｓ´_ＢはそれぞれＲ、Ｇ、Ｂに対応する出力画像信号値である。γ_４、α_４は任意の実数で良いが、γ_４を液晶パネル１６のガンマ値、α_４を液晶パネル１６の最小光透過率とすることにより、入力信号に忠実な画像の再生を可能とすることが可能である。また、ガンマ補正はこの変換に限らず、必要に応じて公知の変換方式で代用しても良いし、液晶パネル１６のガンマ変換テーブルに従った逆変換としてもよい。これらの変換は乗算器等を用いて直接に算出としても良いし、ルックアップテーブルを用いて算出してもよい。

信号補正部１２の変更例
信号補正部１２の動作は入力されたバックライト１４の輝度変調率と画像信号によって決まるので、信号補正部１２は、図８に示すように、発光強度算出部１１において算出されたバックライト１４の輝度変調率と画像信号とに基づいて設定されたルックアップテーブル１０ｃを参照して、透過率の補正された画像信号を算出する構成としても良い。

信号補正部１２にかかる効果
以上のように実施された信号補正部１２の動作による効果を、図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して説明する。補正前の光透過率はバックライト１４の相対輝度が最大、すなわち１．０である場合を想定している。したがって、液晶の光透過率の補正なしにバックライト１４の輝度を変更した場合、実際の表示は入力された画像信号で想定されていた表示とは大きく異なる表示となる。そこで、発光強度算出部１１において算出されたバックライト１４の輝度変調率を用いて、信号補正部１２において液晶の光透過率の補正を行う。信号補正部１２では、補正前の光透過率を発光強度算出部１１で算出されたバックライト１４の輝度変調率で除算する。これにより、図９（ａ）に示すように、補正光透過率は補正前の光透過率と比べて大きな値に設定されることとなる。そして、実際に観察者に提示される映像は（バックライトの輝度）×（液晶の光透過率）で近似されうるので、図９（ｂ）に示すように、補正光透過率にバックライトの輝度を乗じて得られる相対輝度の映像が表示され、これにより、入力された画像信号が想定している表示に近い表示を得ることができる。

発光強度算出部１１および信号補正部１２にかかる効果
図１０は、本実施形態にかかる発光強度算出部１１の動作を模式的に示す図である。

図１０において横軸は明度（人の明るさ知覚に比例する明るさの尺度に相当する値）である。上述したように、本実施形態にかかる発光強度算出部１１は、中心値算出部１８で算出された最大明度と最小明度との中心値（すなわち、対象となる空間範囲における複数の画素の信号値の明度の中心値）と、本画像表示装置で表示可能となる明度の範囲の中心とが一致するようバックライト１４の発光輝度を算出するように構成されている。したがって、入力画像中の複数の画素の信号値の明度が、図１０内上側の矢印で示された範囲に分布している場合、発光強度算出部１１では、その内の最大値と最小値との中心と、本画像表示装置で表示可能となる明度の範囲の中心とが一致するようバックライト１４の明度が算出されるため、バックライト１４の明度は図１０内に太い縦線ＨＬで示した明度で発光し、その結果、本画像表示装置で表示可能となる明度の範囲は図１０内下側の矢印Ａ１で示された範囲となる。その結果、入力画像中の複数の画素のうち、少なくとも図１０内破線矢印ＢＬ１、ＢＬ２で示された範囲の明度の信号値をもつ画素は、入力信号値どおりの明度を忠実に再現することはできなくなる。したがって、入力画像の明度に対して、表示される画像に生じる最大の誤差は、図１０内破線矢印ＢＬ１、ＢＬ２で示された大きさの明度差となる。

発光強度算出部１１がこのように動作することにより、本実施形態によれば、入力画像の明度に対して表示される画像に生じる最大の誤差を、最小とすることができる。

これに対し、例えば、画像信号の最大明度にバックライト１４の明度が一致するようにバックライト１４を点灯させると、バックライト１４の明度、すなわち、表示可能な明度範囲の上限が明度の大きい側に偏り、それに伴い、表示可能な明度範囲の下限も明度の大きい側に偏ることとなるので、結果として、明度が小さい側の誤差が大きくなってしまう。つまり、表示される画像に生じる最大の誤差が暗い側で大きくなってしまう。その結果、表示画像において、黒が白く浮くような画質劣化が目立ってしまうこととなる。

このように、本実施形態によれば、中心値算出部１８で算出された最大明度と最小明度との中心値（すなわち対象となる空間範囲における複数の画素の信号値の明度の中心値）と、本画像表示装置で表示可能となる明度の範囲の中心とを一致するよう構成されていることにより、入力画像の明度に対して表示される画像に生じる最大の誤差を、最小とすることができる。

一般に、視覚の感度は、刺激のサイズが非常に小さい場合（直径約0.1[deg]以下）には、刺激の面積にほぼ比例して高くなるが、それ以上の大きさの刺激に対しては、刺激面積が光覚に与える影響は小さく、視感度は刺激の強度のみに依存するといわれている（視覚情報処理ハンドブック、朝倉書店、5.1.2 a閾値面積曲線（リコーの法則））。

したがって、主観的な画質劣化を軽減するためには、誤差を有する面積や画素の数を減らすことよりも、誤差そのものの大きさをより小さくすることの方がより有効であると考えられる。

本実施形態によれば、表示画像上に発生する明度差（誤差）自体を最小とすることが可能であるので、主観的な画質劣化を最小限に留めることが可能である。

また、上述したとおり、本実施形態では、ガンマ変換部２においてα_１＝０．０、γ_１＝２．２／３．０としてガンマ変換することにより、信号値は明度に相当する値に変換する。上述のとおり明度は人の明るさ知覚に比例する明るさの尺度である。一方、輝度と呼ばれる尺度は、光のエネルギーに比例する明るさの尺度である。一般に、輝度は人が感じる明るさの強度には比例しない。そのため、人が知覚する明るさの差異を評価するためには、輝度の差ではなく、明度の差を用いるのが適切である。上述のとおり本実施形態によれば、表示画像上に発生する明度差（誤差）を最小とすることが可能であるので、主観的な画質劣化を最小限に留めることが可能である。

（補足）液晶パネル１６のコントラスト特性と表示可能範囲
バックライト１４の明度に対して、表示可能となる明度の範囲が、図１０に示されるような範囲に限定されるのは、液晶パネル１６のコントラスト特性により、実現しうる最小の光透過率に限界があるからでる。例えば、液晶パネル１６のコントラスト比が１０００：１である場合、その液晶パネル１６ではバックライト１４の明度に対して、１／１０倍〜１倍の範囲の明度しか表示できない。

また、一般に、液晶パネルで変調可能な明度の範囲は、画像信号の明度の範囲に対して狭いため、入力される画像信号によってはバックライト１４の明度をいかように変調しようとも入力画像信号どおりには表示できないような場合が生じる。たとえば、入力された画像信号の明度が０から１まで広く分布している場合、この画像信号すべてを液晶表示装置で忠実に再現することは出来ない。

また、入力された画像信号のほとんどが暗い部分であり、一部のみが明るいような画像信号であった場合に、画像信号の最大明度にバックライト１４の明度が合うようにバックライト１４を点灯させると、画像信号の一部のみを占める明るい部分は画像信号に忠実に再現できるが、一方で画像信号のほとんどを占める暗い部分は再現できなくなってしまうこととなる。

液晶パネル１６および液晶制御部１５
液晶パネル１６は、本実施形態ではアクティブマトリクス型であり、図１１に示すように、アレイ基板２４上に複数本の信号線２１およびこれと交差する複数本の走査線２２が図示しない絶縁膜を介して配置されており、両線の各交差領域には画素２３が形成されている。信号線２１および走査線２２の端部は、信号線駆動回路２５および走査線駆動回路２６にそれぞれ接続されている。各画素２３は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）からなるスイッチ素子３１と、画素電極３２と、液晶層３５と、補助容量３３と、対向電極３４とを備えている。なお、対向電極３４は全ての画素２３に共通の電極となっている。

スイッチ素子３１は、画像信号書込み用のスイッチ素子であり、そのゲートは１水平ライン毎に共通に走査線２２に接続され、ソースは１垂直ライン毎に信号線２１に共通に接続されている。さらに、ドレインは画素電極３２に接続されるとともに、この画素電極３２と電気的に並列に配置された補助容量３３に接続されている。

画素電極３２は、アレイ基板２４上に形成され、この画素電極３２と電気的に相対する対向電極３４は、図示しない対向基板上に形成されている。対向電極３４には、図示しない対向電圧発生回路から所定の対向電圧が与えられている。また画素電極３２と対向電極３４との間には液晶層３５が保持され、アレイ基板２４と上記対向基板の周囲は図示しないシール材により封止されている。なお、液晶層３５に用いる液晶材料は、どのようなものでも良いが、例えば、強誘電性液晶やＯＣＢ(Optically Compensated Bend)モードの液晶等が液晶材料として好適である。

走査線駆動回路２６は、図示しないシフトレジスタ、レベルシフタおよびバッファ回路等から構成されている。この走査線駆動回路２６は、図示しない表示比率制御部から制御信号として出力された垂直スタート信号や垂直クロック信号に基づいて、各走査線２２に行選択信号を出力する。

信号線駆動回路２５は、図示しないアナログスイッチ、シフトレジスタ、サンプルホールド回路、ビデオバス等から構成されている。この信号線駆動回路２５には、図示しない表示比率制御部から制御信号として出力された水平スタート信号および水平クロック信号が入力されるとともに、画像信号が入力されている。

液晶制御部１５は、液晶透過率補正部１２による補正後の液晶透過率となるように液晶パネル１６を制御する。

本実施形態にかかる効果
本実施形態にかかる画像表示装置によれば、表示画像上に発生する明度差（誤差）を最小とすることが可能であるので、主観的な画質劣化を最小限に留めることが可能であり、広ダイナミックレンジかつ低消費電力な画像表示が可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による画像表示装置について図を参照して説明する。

画像表示装置の構成
本実施形態による画像表示装置の構成を図１２に示す。第２実施形態による画像表示装置は、第１実施形態による画像表示装置と比べて、バックライトを構成する複数の光源の発光強度および発光タイミングが、バックライト制御部４３によって個別に制御可能である点が大きく異なっている。また、本実施形態による画像表示装置は輝度分布算出部４７を有していることが望ましく、本実施形態では輝度分布算出部４７を有しているものとする。

以下に各部の構成および動作の詳細を述べる。

バックライト４４
バックライト４４は複数の光源を有する。これらの光源はバックライト制御部４３の制御により個別に強弱に点灯し、液晶パネル４６を背面から照射する。

このバックライト４４の一具体例の構成を図１３（ａ−１）、図１３（ａ−２）、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）に示す。図１３（ａ−１）、図１３（ａ−２）、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）に示すようにバックライトは少なくとも１つ以上の光源を備えている。光源の配置は、図１３（ａ−１）、図１３（ａ−２）、図１３（ｂ）に示すように、液晶パネル４６背面に光源を配置する直下式でもよいし、図１３（ｃ）に示すように液晶パネル４６側面に光源を配置し、図示しない導光板やリフレクタにより液晶パネル４６背面に光を導くことにより液晶パネル４６を背面から照射するエッジライト式でもよい。

図１３では各光源は単一の発光素子から構成されるかのように示されているが、光源は図１４（ａ）のように単一の発光素子により構成しても良いし、図１４（ｂ）のように液晶パネル４６と平行な面に沿って複数の発光素子を配置する構成としても良い。

発光素子はＬＥＤ、冷陰極管、熱陰極管等が適している。特にＬＥＤは最大発光可能輝度と最小発光可能輝度の幅が広く、高いダイナミックレンジでの発光制御が可能であるので、発光素子として用いるのが好ましい。光源はバックライト制御部４３によって発光強度（発光輝度）および発光タイミングが制御可能となっている。

バックライト制御部４３
バックライト制御部４３は発光強度算出部４１によって算出された各光源の輝度変調率に基づきバックライト４４を構成する各光源を強弱に点灯させる。バックライト制御部４３は、バックライト４４を構成する各光源の発光強度（発光輝度）および発光タイミングを独立に制御可能である。

発光強度算出部４１
第２の実施の形態による発光強度算出部４１の構成例を図１５に示す。発光強度算出部４１は画像信号から表示に適した各光源の輝度変調率を算出する。第２実施形態による発光強度算出部４１は、最大値／最小値算出部２１の構成が第１実施形態による発光強度算出部４１の最大値／最小値算出部１７と大きく異なっている。

第２実施形態による発光強度算出部４１の最大値／最小値算出部２１は、バックライト４４を構成する各光源に対して、その光源の液晶パネル４６に対する照射範囲に対応した空間範囲内で、複数の画素の信号値から、それら信号値のうちの最大値および最小値を算出する。最大値／最小値算出部２１において、各光源に対する最大値および最小値の算出の対象となる空間範囲は、各光源の照射範囲に概略一致した空間範囲でも良いし、これより大きい空間範囲でも小さい空間範囲でも良い。

第２実施形態によるガンマ変換部１は、入力された各光源に対する信号値の最大値および最小値をガンマ変換により、第１実施形態によるガンマ変換部１と同様にして、各々各光源に対する最大明度および最小明度に変換する。

第２実施形態による中心値算出部５１は、ガンマ変換部１で算出された各光源に対する最大明度および最小明度から、第１実施形態による中心値算出部５１と同様にして、各光源に対する最大明度と最小明度との中心値を算出する。

第２実施形態による発光強度算出部４１は、中心値算出部５１で算出された各光源に対する最大明度と最小明度との中心値に、第１実施形態による発光強度算出部４１と同様に、液晶パネル４６の特性に応じて算出された値（明度ゲイン）を乗じ、バックライト４４をなす各光源の明度変調率を算出する。

第２実施形態によるガンマ変換部２は、算出された各光源の明度変調率を、第１実施形態によるガンマ変換部２と同様に、ガンマ変換により、各光源の輝度変調率に変換する。

輝度分布算出部４７
第２の実施の形態による輝度分布算出部４７は、発光強度算出部４１において算出されたそれぞれの輝度変調率で各光源を点灯させた際に実際に液晶パネル４６に入射する光の輝度分布の予測値を算出する。

バックライト４４をなす各光源は実際のハードウェア構成に応じた発光分布を持つため、光源の点灯により液晶パネル４６に入射する光の強度もそれに応じた分布を持つ。ここでは液晶パネル４６に入射する光の強度を単にバックライトの輝度または光源の輝度と表現する。光源の輝度分布の例を図１６に示す。この輝度分布は、各光源の照射範囲の中心に対して対称であり、光源の照射範囲の中心から離れるに連れて相対輝度が減少している分布となっている。第ｎ番目の光源ｎを輝度変調率Ｌ_ＳＥＴ,nで点灯させたときの各座標における相対輝度は、この輝度分布を用いて、

で表すことができる。（８）式においてｘ´_n、ｙ´_nは光源ｎの照射範囲の中心からの点の相対座標であり、Ｌ_Ｐ,nはその点における光源ｎの輝度である。

バックライト４４の各光源を相対輝度Ｌ_ＳＥＴ,nで点灯させたときの各画素における輝度は、各光源のその画素における輝度に各光源の輝度変調率を乗じた値の和として算出される。

バックライトの輝度分布（各画素の輝度）の算出方法を図１７に模式的に示す。つまり、バックライトの輝度分布は各光源の輝度分布Ｌ_Ｐ,nを用いて、下記の（６）式で算出される。

（９）式においてｘ、ｙは液晶パネル４６上での画素の座標であり、ｘ_0,n、ｙ_0,nは液晶パネル４６上での光源ｎの照射範囲の中心の座標である。Ｎは光源の総数である。（９）式ではある画素でのバックライトの輝度を求めるにあたって、全ての光源の輝度変調率および輝度分布を用いるように定義されているが、その画素での輝度に対して影響の少ない光源の輝度変調率および輝度分布は、その画素の輝度の算出において省略することができる。

各光源の輝度分布は、これを適切な関数で近似して直接に算出しても良いし、予め用意したルックアップテーブルを用いて算出してもよい。

信号補正部４２
信号補正部４２は輝度分布算出部４７において算出されたバックライトの輝度分布と、入力された画像信号とに基づいて、液晶パネル４６の各画素における画像信号の透過率を補正し、補正された透過率の画像信号を液晶制御部４５に出力する。この信号補正部４２の一具体例の構成を図１８に示す。

この信号補正部４２はガンマ変換部３と、除算部６１と、ガンマ補正部３８と、を備えている。

第２実施形態による信号補正部４２は、除算部６１がガンマ変換部３によって算出された各画素のＲ、Ｇ、Ｂの光透過率と、輝度分布算出部４７で算出されたバックライトの輝度の分布とから補正光透過率を算出するという点で第１実施形態による信号補正部１２と大きく異なっている。

第２実施形態による除算部６１はガンマ変換部３によって算出された各画素のＲ、Ｇ、Ｂの光透過率を、輝度分布算出部４７で算出されたバックライトの輝度分布の値で除算することにより補正光透過率を算出する。ただし、除算部６１に、あらかじめ入出力に対応する値の関係を保持したルックアップテーブルを保持させておき、除算部６１はこのルックアップテーブルを参照して補正光透過率を算出するようにしても良い。

液晶パネル４６および液晶制御部４５
第２実施形態による液晶パネル４６および液晶制御部４５は、第１実施形態による液晶パネル１６および液晶制御部１５と同じ構成を有する。

本実施形態にかかる効果
本実施形態にかかる画像表示装置によれば、表示画像上に発生する明度差（誤差）を最小とすることが可能であるので、主観的な画質劣化を最小限に留めることが可能であり、第１実施形態にかかる画像表示装置よりもさらに広ダイナミックレンジかつ低消費電力な画像表示が可能となる。

１１、４１：発光強度算出部
１２、４２：信号補正部
１３、４３：バックライト制御部
１４、４４：バックライト
１５、４５：液晶制御部
１６、４６：液晶パネル
１７、２１：最大値／最小値算出部
１８、５１：中心値算出部
１、２、３：ガンマ変換部
１０ａ：乗算器
１０ｂ：ルックアップテーブル
１０ｃ：ルックアップテーブル
１９：ローパスフィルタ
２０：解像度変換部
３７、６１：除算部
３８：ガンマ補正部
４７：輝度分布算出部

Claims

光を出射するバックライトと、
前記バックライトから出射される光を変調することにより画像表示を行う液晶パネルと、
前記バックライトの発光強度に応じて定まる前記液晶パネルにより表示可能な明度範囲の中心値と、入力画像の各画素の明度の最大値及び最小値それぞれとの明度差が等しい中心値とが同じになるように、前記バックライトの発光強度を算出する発光強度算出部と、
算出された発光強度で発光するように前記バックライトの発光を制御するバックライト制御部と、
前記算出された発光強度に応じて前記入力画像の各画素の信号を補正する信号補正部と、
補正された入力画像に基づいて前記液晶パネルの変調を制御する液晶制御部と、
を備えた画像表示装置。
前記信号補正部は、各前記画素の輝度を、前記算出された発光強度に応じて定まるバックライトの発光輝度で除算することにより補正を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
前記発光強度算出部は、前記各画素の明度の最大値及び最小値それぞれとの明度差が等しい前記中心値に対して、あらかじめ設定された定数を乗じることによって前記バックライトの発光強度を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
前記発光強度算出部は、前記入力画像に空間ローパスフィルタをかけ、フィルタリング後の入力画像の各画素の明度の最大値及び最小値それぞれとの明度差が等しい中心値が、前記液晶パネルにより表示可能な前記明度範囲の中心値と同じになるように、前記バックライトの発光輝度を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
前記発光輝度算出部は、前記入力画像の空間解像度を低下させる解像度変換部を有し、前記入力画像を前記解像度変換部により解像度変換し、変換された入力画像の各画像の明度の最大値及び最小値それぞれとの明度差が等しい中心値が、前記液晶パネルにより表示可能な前記明度範囲の中心値と同じになるように、前記バックライトの発光輝度を算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
前記バックライトは、それぞれ発光強度を個別に制御可能な複数の光源を含み、
前記発光強度算出部は、前記光源毎に、前記液晶パネルにおける前記光源の照射範囲に応じた空間範囲内の画素を用いて、前記発光輝度を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
前記中心値を求める対象の画素の個数は３以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。