JP5775553B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、より詳細には、液晶パネルの解像度よりも高解像度な画像を表示可能な液晶表示装置に関する。

従来、表示装置の一つである液晶表示装置は、入力画像の解像度が液晶パネルの解像度と異なる場合、入力画像を拡大または縮小して表示を行っている。入力画像の拡大または縮小の方法としては、例えば、バイリニア法や、バイキュービック法などがよく知られている。これらの方法では、入力画像に存在しない画素について周囲の画素の値から平均または加重平均により補間したり、フィルタ処理等の演算を行い、入力画像の画素を間引く等することにより、液晶パネルの画素に対応する出力値を求めて表示を行っている。

上記のような液晶表示装置では、本質的に視野角の問題があり、液晶パネルに対する観察方向に依存して色特性が変化したり、コントラストが低下したり、といったことが起こる。特に、ＴＮ(Twisted Nematic)モードの液晶の場合、上下方向の視野角が狭いという性質がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、低解像画像を解像度変換して表示する際に、視野角を改善可能な画像表示装置が記載されている。具体的には、解像度変換後の画像データの上下方向に隣接する画素について、両者の階調値が異なるように各々の階調値が設定される。これにより、解像度変換後の画像データは、明るい画素と暗い画素とが上下方向に隣接して配置されるようになるため、上下方向の画素間に階調差ができ、上下方向の視野角が改善される。

また、液晶パネル内の１つの画素を、垂直方向に明るさの異なる複数の副画素に分割することによりγ特性の視野角依存性を改善する技術が知られている。特に、ノーマリブラックモードの表示において、低階調の表示輝度が所定の輝度よりも高くなる（白っぽくなる）というγ特性の視野角依存性を改善することができる。本明細書においてこのような駆動方式または構造を、画素分割駆動または画素分割構造、マルチ画素駆動またはマルチ画素構造などと呼ぶ。

特開２００４−１６３８９７号公報

上記において、従来のフルハイビジョン画像の解像度に対応した１９２０×１０８０（２Ｋ１Ｋ）の解像度を持つ液晶パネルにより、垂直方向の解像度を２倍にした２Ｋ２Ｋ（横１９２０×縦２１６０）表示を可能とする技術が考えられている。例えば、前述の液晶表示装置の場合、視野角特性の改善を目的として、液晶パネルの１画素を構成する複数の色画素それぞれが垂直方向に２つの副画素に分割された画素分割構造を有している。そこで、この画素分割構造を利用して、１画素内の２つの副画素を垂直方向に独立して制御することで、２Ｋ２Ｋ表示を行うことができる。

より具体的には、１画素内の各副画素は、１フレームを複数のサブフレームに分割し、複数のサブフレームの合成により、目的の輝度（階調）が表現される。本明細書ではこれをフレーム分割構造という。つまり、これらの画素分割構造及びフレーム分割構造により、視野角特性を改善しつつ、垂直解像度を上げることができる。本明細書ではこの処理を垂直高解像度処理という。

ここで、視野角改善のためには、液晶パネルの２つの副画素間における階調差を大きくすることが望ましい。また、液晶パネルの１画素について輝度“Ａ”を指定した場合、各副画素の輝度の合計が“Ａ”になるように開口される。つまり、１画素の輝度の合計が“Ａ”になるように、一方の副画素が最小輝度となる階調値０（黒）に制御されると共に、他方の副画素が最大輝度となる階調値２５５（白）の範囲で調整されることが望ましいが、この場合、２つの副画素により表現可能な輝度は他方の副画素が最大輝度となる階調値２５５（白）のときの輝度に制限される。

そして、このような副画素構成を利用して垂直解像度を上げる場合、上記した１画素の輝度を、２つのサブフレームの副画素の輝度を時間軸方向に合成することで表現する。つまり、１画素の輝度の合計が“Ａ”になるように、前サブフレームの副画素が最小輝度となる階調値０（黒）に制御されると共に、後サブフレームの副画素が最大輝度となる階調値２５５（白）の範囲で調整される。このため、２つのサブフレームの合成によって１つの副画素で表現可能な輝度は、前サブフレームの副画素の階調値を０（黒）、後サブフレームの副画素の階調値を２５５（白）としたときの輝度に制限される。

すなわち、上述の垂直高解像度処理では、液晶パネルの１つの画素が互いに輝度の異なる２つの副画素からなり、これら２つの副画素それぞれが、サブフレーム毎に高輝度の画像と低輝度の画像とが入れ替わるように表示されるが、上記のように表現可能な輝度に制限がかかるため、画像信号の取り得る最大階調も所定階調（例えば、１６０階調など）に制限される（この所定階調の決め方については後述する）。

このように、視野角を改善し、垂直解像度を上げることができる反面、画像信号の取り得る最大階調が例えば１６０階調に制限されるため、画像信号の最大階調を本来の２５５階調としたときに比べて画面上のピーク輝度が下がり、画面全体が暗くなってしまう。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、画面上のピーク輝度を下げることなく、視野角特性を改善し、垂直解像度を上げることができる液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、垂直方向に配列された２つの副画素により１つの画素が形成された液晶表示部と、入力画像信号の１フレームを複数のサブフレームに分割する表示制御部と、前記液晶表示部を照明するバックライトとを備え、前記表示制御部は、前記液晶表示部の各画素に対して、前記２つの副画素それぞれの輝度を前記サブフレーム毎に制御し、前記表示制御部は、前記入力画像信号の最大階調が所定階調を超える場合、前記バックライトの発光輝度を最大に制御すると共に、前記２つの副画素の両方を点灯させ、前記入力画像信号の最大階調が所定階調以下となる場合、前記２つの副画素のうち一方のみを点灯させる液晶表示装置であって、前記液晶表示部の画面輝度の調光レベルを設定するための調光手段を備え、前記表示制御部は、前記調光手段により調光レベルが所定の調光レベル以下に設定された場合に、前記入力画像信号の最大階調以下の階調範囲を前記所定階調以下の階調範囲に変換することを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記入力画像信号の最大階調以下の階調範囲が前記所定階調以下の階調範囲に変換された場合、前記表示制御部は、前記２つの副画素のうち一方のみを点灯させると共に、前記調光手段により設定された調光レベルに応じて、前記バックライトの発光輝度を設定する制御を行うことを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第１の技術手段において、前記入力画像信号の最大階調以下の階調範囲が前記所定階調以下の階調範囲に変換された場合、前記表示制御部は、前記バックライトの発光輝度を最大に制御すると共に、前記２つの副画素のうち一方のみを点灯させ、前記調光手段により設定された調光レベルに応じて、前記変換後の入力画像信号の最大階調を下げる制御を行うことを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記入力画像信号の最大階調が前記所定階調以下となる場合、前記２つの副画素それぞれが、前記サブフレーム毎に点灯と消灯が入れ替わるように制御されることを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第１〜４のいずれか１の技術手段において、前記入力画像信号の垂直解像度は、前記液晶表示部の垂直解像度の２倍であることを特徴としたものである。

第６の技術手段は、第１〜第５のいずれか１の技術手段において、前記所定階調は、前記２つの副画素に接続された補助容量に供給される制御電圧に基づき決定される１６０階調または１８６階調であることを特徴としたものである。

本発明によれば、入力画像信号の最大階調が所定階調を超える場合、バックライトの発光輝度を最大に制御すると共に、２つの副画素の両方を点灯させ、入力画像信号の最大階調が所定階調以下となる場合、２つの副画素のうち一方のみを点灯させることができるため、画面上のピーク輝度を下げることなく、視野角特性を改善し、垂直解像度を上げることができる。

本発明に係る液晶表示装置の構成例を示すブロック図である。 液晶パネルを構成する１つの画素を示す等価回路図である。 液晶パネルの一部の接続関係を示す平面図である。 液晶パネルの一部の表示状態を模式的に示す平面図である。 従来の液晶表示装置の駆動方法と、本発明に係る液晶表示装置の駆動方法とを説明するための模式図である。 副画素のサブフレームの表示状態の一例を示す図である。 入力画像信号の階調と、ＣＳ電圧による各副画素（ＳＰ１、ＳＰ２）の透過率との関係を説明するための図である。 表示信号の制御状態の一例を示す模式図である。 入力画像信号に対応する８画素分の画像、前サブフレームと後サブフレームの表示状態、及び液晶パネルに表示される表示画像の一例を示す図である。 本発明に係る調光手段の一例を説明するための図である。 通常モードの制御例を説明するための図である。 垂直高解像度専用モードの制御例を説明するための図である。 垂直高解像度優先モードの制御例を説明するための図である。 入力画像信号の最大階調を０〜２５５まで変化させたときの上下２つの副画素の階調値の一例を示す図である。 各明るさ設定において垂直高解像度処理を維持可能な階調の割合の一例を示す図である。 各モードでの上下副画素の輝度と入力画像信号の白階調との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の液晶表示装置に係る好適な実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る液晶表示装置の構成例を示すブロック図で、図中、１０は液晶表示装置を示す。液晶表示装置１０は、アンテナ１１、チューナ１２、デコーダ１３、外部入力端子１４、表示制御部１５、ＬＣＤコントローラ１６、液晶パネル１７、光センサ１８、リモコン受光部１９、マイコン２０、バックライト制御部２１、及びバックライト２２を備える。

チューナ１２は、アンテナ１１により受信した放送信号を選局する。デコーダ１３は、チューナ１２で選局された放送信号をデコード処理し、または、外部入力端子１４から入力した映像信号のデコード処理を行う。デコーダ１３で分離された画像信号は、表示制御部１５で各種の信号処理が実行される。表示制御部１５にて、本発明に係る垂直高解像度処理が実行される。

表示制御部１５により信号処理が行われた画像信号は、液晶パネル１７を駆動制御するＬＣＤコントローラ１６に入力される。ＬＣＤコントローラ１６では、入力された画像信号に基づいて液晶パネル１７の図示しないゲートドライバ及びソースドライバに対して液晶駆動信号を出力し、これにより画像信号に従う画像が液晶パネル１７に表示される。

また、液晶表示装置１０は、液晶表示装置１０の周囲の明るさ（周囲の照度）を検出するための明るさ検出手段として光センサ１８を備えている。光センサ１８としては、例えばフォトダイオードが適用できる。そして光センサ１８では、検出した周囲光に応じた直流電圧信号が生成され、マイコン２０に対して出力される。

また、液晶表示装置１０は、リモコン装置Ｒから送信されるリモコン制御信号を受光するためのリモコン受光部１９を備えている。リモコン受光部１９は、例えば、赤外線によるリモコン操作信号を受信するための受光ＬＥＤにより構成されている。リモコン受光部１９によって受信したリモコン操作信号は、マイコン２０に入力され、マイコン２０では入力したリモコン操作信号に従って所定の制御を行う。

例えば、液晶表示装置１０が保持するメニュー画面等において、画面の明るさ調整項目が設定されている。ユーザは、リモコン装置Ｒを使用して、その設定項目を操作することによって、任意の明るさ（画面輝度）を設定することができる。この明るさ設定は、リモコン装置Ｒの他、液晶表示装置１０が備える他の操作入力手段によっても行うことができる。

マイコン２０は、光センサ１８により検出された直流電圧信号に応じて、バックライト２２の明るさを制御することができる。例えば、液晶表示装置１０の周囲が暗くなったときに、バックライト２２の発光輝度を低下させる制御を行うことができる。また、マイコン２０は、ユーザにより設定された明るさ設定に従って、バックライト２２の発光輝度を変化させる制御を行うことができる。

このとき、マイコン２０は、光センサ１８により検出された直流電圧信号に応じて決定したバックライトの発光輝度レベルを、ユーザにより設定された明るさ設定に応じてさらに変化させ、光センサ１８による制御とユーザ設定に基づく制御との両方を考慮したバックライトの発光輝度レベルを決定する。例えば、光センサ１８により検出された直流電圧信号に応じてバックライト２２の発光輝度レベルを決定し、その発光輝度レベルに対して、さらにユーザ設定に基づいて決定した輝度調整係数を乗算することで、最終的にバックライト２２を発光させるべき発光輝度レベルを決定することができる。また、光センサ１８の検出結果に基づくバックライトの発光輝度制御と、ユーザによる明るさ設定に基づくバックライトの発光輝度制御のいずれかを行うものであってもよい。

バックライト制御部２１は、マイコン２０により決定された発光輝度レベルに応じて、バックライト輝度を調整するためのバックライト輝度調整信号を出力する。バックライト２２は、バックライト制御部２１から出力されたバックライト輝度調整信号に従って光源の発光輝度を制御する。バックライト２２は、例えば、複数のＬＥＤ光源を液晶パネル１７の背面にマトリクス状の配列したものや、液晶パネル１７の背面側の導光板の側方に複数のＬＥＤを配列した、所謂エッジライト型と呼ばれる構成を備えることができる。

次に、本発明による液晶表示装置１０が備える画素分割構造について説明する。
液晶表示装置１０が備える液晶パネル１７は、画素分割構造（マルチ画素構造）を有し、これにより視野角特性を向上させることができる。具体的には、液晶パネル１７は、行方向および列方向（マトリクス状）に配された複数の画素のそれぞれが、ある階調において互いに異なる輝度を表示する第１副画素および第２副画素を有する。なお、本例の液晶パネル１７は、フルハイビジョン画像に対応した水平１９２０×垂直１０８０（２Ｋ１Ｋ）の画素を持つものとする。

図２は、液晶パネル１７を構成する１つの画素Ｐを示す等価回路図であり、図３は、液晶パネル１７の一部の接続関係を示す平面図であり、図４は、液晶パネル１７の一部の表示状態を模式的に示す平面図である。

図２に示すように、画素Ｐには、第１副画素電極３１ａおよび第２副画素電極３１ｂが含まれている。第１副画素電極３１ａは、第１トランジスタ３５ａを介してゲートライン３２およびソースライン３４に接続されている。第２副画素電極３１ｂは、第２トランジスタ３５ｂを介してゲートライン３２およびソースライン３４に接続されている。第１副画素電極３１ａと対向電極ｃｏｍとの間には第１液晶容量Ｃｌｃ１が形成され、第２副画素電極３１ｂと対向電極ｃｏｍとの間には第２液晶容量Ｃｌｃ２が形成されている。第１副画素電極３１ａと第１ＣＳライン（第１保持容量配線）３３ａとの間には第１保持容量ＣＳ１が形成され、第２副画素電極３１ｂと第２ＣＳライン（第２保持容量配線）３３ｂとの間には第２保持容量ＣＳ２が形成されている。

第１副画素電極３１ａおよび第２副画素電極３１ｂに、共通のソースライン３４からソース信号電圧（表示信号電圧）を供給しておき、その後、各トランジスタ３５ａ、３５ｂをオフ状態にした後に、第１ＣＳライン３３ａおよび第２ＣＳライン３３ｂのＣＳ電圧（保持容量配線信号）を互いに異なるように変化（レベルシフト）させる。これにより、第１液晶容量Ｃｌｃ１と第２液晶容量Ｃｌｃ２とに印加される電圧が互いに異なり、１つの画素内に、輝度が相対的に高くなる明副画素と、輝度が相対的に低くなる暗副画素とが形成される。なお、この画素分割駆動は、オン（動作）／オフ（停止）の制御が可能である。

液晶パネル１７では、図３および図４に示すように、明副画素および暗副画素（ハッチングの副画素）が、市松模様状に配置される。なお、明副画素および暗副画素の配置は、この市松模様状でなくてもよく、例えば、明副画素および暗副画素がそれぞれ水平方向に一直線上に配置されていてもよい。すなわち、この場合、上側の副画素が全て明副画素または暗副画素、下側の副画素が全て暗副画素または明副画素となる。

このように、画素分割駆動をオンすることで、垂直方向の表示データ（１Ｋ）の１画素毎の階調を、２つの副画素の輝度を異ならせ、２つの副画素の合成輝度により表示させる。これにより、視野角特性を向上させることができる。

次に、本発明による液晶表示装置１０が備えるフレーム分割構造（サブフレーム表示）について説明する。ここで例示している駆動方法においては、１つのフレームに対応する２つのサブフレームの表示輝度の組（表示信号電圧の組）は、下記の条件を満足するように設定されている。

第１の条件は、２つのサブフレームの表示輝度の平均が、入力映像信号の輝度に一致する。図５（Ａ）に示す従来の駆動方法では、それぞれのフレームの表示輝度の値が入力画像信号の輝度に１対１で対応するのに対し、図５（Ｂ）に示した本駆動方法では、入力画像信号の輝度に対応するのは各フレームを構成する２つのサブフレームの表示輝度の平均となる。すなわち、２つのサブフレームの表示輝度の積分値が入力画像信号の輝度に対応するように設定される。

第２の条件は、１つのフレームを構成する２つのサブフレームの表示輝度が異なるように各サブフレームの表示輝度が設定されている。ここで例示するように、２つのサブフレームの表示輝度の差が最大となるように各サブフレームの表示輝度が設定されることが好ましい。例えば、図５（Ｂ）の低輝度および中間輝度の場合には、２つのサブフレームの内の前サブフレームの表示輝度を最低輝度（黒）とし、後サブフレームの表示輝度を入力画像信号の輝度の２倍の輝度としている。

また、図５（Ｂ）の高輝度および最大輝度では、後サブフレームはいずれも最大輝度に設定されており、前サブフレームの表示輝度の値で、フレームの輝度の違いが表される。図示の例では、２つのサブフレームの内の前サブフレームの輝度を小さくしているが、これとは逆に後サブフレームの輝度を小さくしても良い。但し、２つのサブフレームの内の前サブフレームの輝度を小さくすると、入力画像信号の垂直走査期間（Ｖ−Ｔｏｔａｌ）の変動などの映像信号の乱れが生じた場合に発生する、前サブフレームの書き込み開始部分の画像の乱れが見え難いという利点が得られるので好ましい。なお、上記では、１フレームを２つのサブフレームに分割する例を示したが３以上のサブフレームに分割しても良い。

また、液晶表示装置１０では、ソースラインに供給する表示信号電圧の極性をフレーム周期（１フレームの時間幅の周期）で反転させている。なお、表示信号電圧の極性をフレーム周期で反転させる方法は２つある。１つの方法は、１フレームの間、同極性の電圧を印加する方法である。もう１つの方法は、１フレーム内の２つのサブフレーム間で表示信号電圧を逆極性とし、さらに、後サブフレームと、１つ後のフレームの前サブフレームとを同極性で駆動する方法である。

図５（Ａ）に、前者の方法をとった場合における、電圧極性（電極間電圧の極性）とフレーム周期との関係を示す。また、図５（Ｂ）に、後者の方法をとった場合における、電圧極性とフレーム周期との関係を示す。このようにフレーム周期で電極間電圧を交流化することにより、サブフレーム間で電極間電圧が大きく異なっていても、焼き付きやフリッカを防止することができる。

以上のように、液晶表示装置１０では、フレーム分割駆動および画素分割駆動を行うことにより、図６に示すように、各副画素が市松模様に配されるとともに、サブフレームごとに各副画素の明暗状態が入れ替わる。また、液晶表示装置１０では、上記構成において、サブフレームごとに、それぞれの副画素に書き込まれるソース信号電圧が異なっている。

ここで、ＣＳ電圧について説明する。ＣＳ電圧とは、前述の図２に示した第１ＣＳライン３３ａおよび第２ＣＳライン３３ｂに供給される電圧（保持容量配線信号）であり、一般的に、広視野角を実現する場合は、明副画素が最大に明るくなる前に、暗副画素の点灯が開始されるように、その振幅が決定される。上記の液晶表示装置１０では、高解像度処理の効果を最大限に得るために、ＣＳ電圧を適切な振幅に調整することが好ましい。具体的には、明副画素が最大値になった後に暗副画素が点灯するようにＣＳ電圧の振幅を決定する。

図７は、入力画像信号の階調と、ＣＳ電圧による各副画素（ＳＰ１、ＳＰ２）の透過率との関係を説明するための図である。図７（Ａ）のグラフに示すように、広視野角化に対応するＣＳ電圧（Ａ０で示すグラフ）では、入力画像信号の階調が１６０階調付近で明副画素が完全に白になる前に、暗副画素が点灯し始めることが分かる。このＣＳ電圧Ａ０は、斜めから見たときに階調特性が不連続にならないように考慮したものである。図７（Ｂ）にこのときの各副画素（ＳＰ１、ＳＰ２）の点灯状態を示す。

これに対して、高解像度化に対応する液晶表示装置１０のＣＳ電圧（Ａ１で示すグラフ）では、１つのサブフレームの表示輝度が最大輝度の０．５となるときの入力画像信号の階調値、すなわち、後述の式（２）で求めた１８６階調を入力したときに、明副画素が最大となり、暗副画素が最小となるようにＣＳ電圧の振幅を設定することが好ましい。図７（Ｃ）にこのときの各副画素（ＳＰ１、ＳＰ２）の点灯状態を示す。

本発明の垂直高解像度処理では、前述したように、液晶パネル１７で表現可能な輝度に制限がかかるため、画像信号の取り得る最大階調も所定階調に制限される。この所定階調としては、一例として、上記の１６０階調あるいは１８６階調を採用することができる。以下、垂直高解像度処理における入力画像信号の最大階調を１６０階調として説明するが、１８６階調を用いても同様の処理を行えることは言うまでもない。

図８は、表示信号の制御状態の一例を示す模式図である。ここでは、液晶表示装置１０にて行方向にライン状の画像を表示する場合について説明する。図８に示すように、入力画像信号の０階調から１６０階調までは液晶パネル１７の明副画素のみを点灯させ、入力画像信号の１６０階調から２５５階調までは液晶パネル１７の明副画素および暗副画素を点灯させる。

図９（Ａ）は入力画像信号に対応する８画素分の画像を示し、図９（Ｂ）は前サブフレーム、後サブフレームの表示状態を示し、図９（Ｃ）は液晶パネル１７に表示される表示画像を示している。

図９（Ａ）に示すように、入力画像信号は、水平４画素×垂直２画素のマトリクス状であり、水平方向に１６０階調の画素が４つ、０階調の画素が４つそれぞれ並べられている。この入力画像信号が液晶表示装置１０に入力されると、各画素の階調は、各サブフレームの明副画素で制御される。例えば、図９（Ｂ）に示すように、各ソースラインには、１６０階調および０階調の信号電圧が交互に入力されるとともに、前サブフレームおよび後サブフレームでは１６０階調と０階調とが逆転するように信号電圧が入力される。さらに、第１副画素ＳＰ１が明副画素になるソースラインに１６０階調の信号電圧が入力されるとともに、第２副画素ＳＰ２が明副画素になるソースラインに０階調の信号電圧が入力される。このように信号制御することにより、図９（Ｃ）に示すように、１フレームで時間積分され、第１副画素ＳＰ１を１６０階調表示し、第２副画素ＳＰ２を０階調表示することができる。

なお、図９（Ｂ）の前サブフレーム及び後サブフレームの例では、１６０階調の入力に対して、第１副画素ＳＰ１が２５５階調、第２副画素ＳＰ２が０階調に制御される。また、０階調の入力に対して、第１副画素ＳＰ１及び第２副画素ＳＰ２が共に０階調に制御される。また、前サブフレームの第１副画素ＳＰ１及び第２副画素ＳＰ２を共に０階調に制御し、後サブフレームの第１副画素ＳＰ１を全て２５５階調、第２副画素ＳＰ２を全て０階調に制御してもよい。

これにより、行方向に並ぶ複数の副画素ＳＰ１により、ライン状の画像を表示することができる。すなわち、１画素内の各副画素を独立に輝度制御することができるため、これにより、液晶パネル１７の縦解像度の２倍の縦解像度を有する入力画像信号を表示することができる。

次に、本発明に係るフレーム分割駆動の他の実施例について説明する。まず、液晶パネル１７に関する一般的な表示輝度（パネルによって表示される画像の輝度）について簡単に説明する。

通常の８ビットデータを、サブフレームを用いずに１フレームで画像を表示する（１フレーム期間で、液晶パネルの全ゲートラインを１回だけＯＮとする、通常ホールド表示する）場合、表示信号の輝度階調（信号階調）は、０〜２５５までとなる。

そして、液晶パネル１７における信号階調と表示輝度とは、以下の式（１）によって近似的に示される。
（（Ｔ−Ｔ０）／（Ｔｍａｘ−Ｔ０））＝（Ｌ／Ｌｍａｘ）＾γ …（１）

但し、Ｌは１フレームで画像を表示する（通常ホールド表示で画像を表示する）場合の信号階調（フレーム階調）、Ｌｍａｘは最大の輝度階調（２５５）、Ｔは表示輝度、Ｔｍａｘは最大輝度（Ｌ＝Ｌｍａｘ＝２５５のときの輝度；白）、Ｔ０は最小輝度（Ｌ＝０のときの輝度；黒）、γは補正値（通常２．２）である。なお、実際の液晶パネル１７では、Ｔ０＝０ではないが、ここでは説明を簡略化するため、Ｔ０＝０とする。

ここで、液晶表示装置１０では、表示制御部１５が、各副画素について、
（ａ）「前サブフレームおよび後サブフレームのそれぞれにおいて液晶パネル１７によって表示される画像の輝度（表示輝度）の総和（１フレームにおける積分輝度）を、通常表示を行う場合の１フレームの表示輝度と等しくする」
（ｂ）「一方のサブフレームを黒（最小輝度）、または白（最大輝度）にする」
を満たすように階調表現を行うように設計されている。

このために、液晶表示装置１０では、表示制御部１５が、フレームを２つのサブフレームに均等に分割し、１つのサブフレームによって最大輝度の半分までの輝度を表示するように設計されている。

すなわち、最大輝度の半分（閾輝度；Ｔｍａｘ／２）までの輝度を１フレームで出力する場合（低輝度の場合）、表示制御部１５は、前サブフレームを最小輝度（黒）とし、後サブフレームの表示輝度のみを調整して階調表現を行う（後サブフレームのみを用いて階調表現を行う）。この場合、１フレームにおける積分輝度は、「（最小輝度＋後サブフレームの輝度）／２」の輝度となる。

また、上記の閾輝度より高い輝度を出力する場合（高輝度の場合）、表示制御部１５は、後サブフレームを最大輝度（白）とし、前サブフレームの表示輝度を調整して階調表現を行う。この場合、１フレームにおける積分輝度は、「（前サブフレームの輝度＋最大輝度）２」の輝度となる。

次に、このような表示輝度を得るための表示信号（前段表示信号および後段表示信号）の信号階調設定について具体的に説明する。なお、信号階調設定については、表示制御部１５が行う。

表示制御部１５は、上記の式（１）を用いて、閾輝度（Ｔｍａｘ／２）に対応するフレーム階調をあらかじめ算出しておく。すなわち、このような表示輝度に応じたフレーム階調（閾輝度階調；Ｌｔ）は、式（１）より、
Ｌｔ＝０．５＾（１／γ）×Ｌｍａｘ …（２）
但し、Ｌｍａｘ＝Ｔｍａｘ＾γ
となる。例えば、γ＝２．２，Ｌｍａｘ＝２５５とすると、Ｌｔ＝１８６と算出される。つまり、サブフレームの輝度が最大輝度の０．５となるときの入力画像信号（１フレーム）の階調値は１８６となる。

そして、表示制御部１５は、画像を表示する際、図示しないフレームメモリから出力された画像信号に基づいて、フレーム階調Ｌを求める。そして、このＬがＬｔ以下の場合、表示制御部１５は、前段表示信号の輝度階調（Ｆとする）を、最小（０）とする。

一方、表示制御部１５は、後段表示信号の輝度階調（Ｒとする）を、式（１）に基づいて、
Ｒ＝０．５＾（１／γ）×Ｌ …（３）
となるように設定する。

また、フレーム階調ＬがＬｔより大きい場合、表示制御部１５は、後段表示信号の輝度階調Ｒを最大（２５５）とする。

一方、表示制御部１５は、前サブフレームの輝度階調Ｆを、式（１）に基づいて、
Ｆ＝（Ｌ＾γ−０．５×Ｌｍａｘ＾γ）＾（１／γ） …（４）
となるように設定する。

（第１の実施形態）
本発明の主たる目的は、画面上のピーク輝度を下げることなく、視野角特性を改善し、垂直解像度を上げることにある。このための構成として、液晶表示装置１０（図１）は、垂直方向に配列された２つの副画素により１つの画素が形成された液晶表示部に相当する液晶パネル１７と、入力画像信号の１フレームを複数のサブフレームに分割する表示制御部１５と、液晶パネル１７を照明するバックライト２２とを備え、表示制御部１５は、液晶パネル１７の各画素に対して、２つの副画素それぞれの輝度をサブフレーム毎に制御する。表示制御部１５は、入力画像信号の最大階調が所定階調を超える場合、バックライト２２の発光輝度を最大に制御すると共に、２つの副画素の両方を点灯させ、入力画像信号の最大階調が所定階調以下となる場合、２つの副画素のうち一方のみを点灯させる。より具体的には、入力画像信号の最大階調が所定階調以下となる場合、２つの副画素それぞれが、サブフレーム毎に点灯と消灯が入れ替わるように制御される。

ここで、所定階調としては、例えば、２つの副画素に接続された補助容量に供給される制御電圧（ＣＳ電圧に相当）に基づき決定される１６０階調あるいは１８６階調を採用することができる。これらの階調の決め方については前述の図７で説明した通りであるが、明副画素が最大値になった後に暗副画素が点灯するようにＣＳ電圧の振幅が決定される。

そして、液晶表示装置１０は、液晶パネル１７の画面輝度（画面の明るさ）の調光レベルを設定するための調光手段を備え、表示制御部１５は、調光手段により画面輝度の調光レベルが所定の調光レベル以下に設定された場合に、入力画像信号の最大階調以下の階調範囲を所定階調以下の階調範囲に変換する。つまり、画面輝度が暗くなるように調光レベル（明るさレベルともいう）が変更された場合、入力画像信号の最大階調以下の階調範囲が１６０階調以下の階調範囲に変換されるため、常に２つの副画素の一方のみが点灯される垂直高解像度処理（図９）が実行され、視野角を改善すると共に、垂直解像度を上げることができる。

図１０は、本発明に係る調光手段の一例を説明するための図である。ここでいう調光手段としては、大きく２つあり、第１の方法は、ユーザ調光であって、図１０（Ａ）に示すように、リモコン装置Ｒ等によるユーザの操作に従って、明るさ設定メニューを表示させ、この明るさ設定メニューから所望の明るさレベルを選択する方法である。この場合、−５〜４の１０段階（−５，−４，−３，−２，−１，０，１，２，３，４）の明るさレベルが設定可能である。なお、この際、どの明るさレベルから垂直高解像度処理となるか明記しておくとより望ましい。図１０（Ａ）の例では、明るさレベル”０”以下において、常に垂直高解像度処理が実行される。

また、第２の方法は、自動調光であって、光センサ１８（明るさセンサともいう）を用いて自動的に明るさ設定を行う方法である。この場合、図１０（Ｂ）に示すように、リモコン装置Ｒ等によるユーザの操作に従って、明るさセンサ設定メニューを表示させ、この明るさセンサ設定メニューから「入：垂直高解像度処理」を選択する。これにより、光センサ１８の検出結果に基づき自動的に明るさレベルが設定される。この場合も、上記と同様に、図１０（Ｃ）に示すように、どの明るさレベルから垂直高解像度処理となるか明記しておくとよい。

（第２の実施形態）
本発明による液晶表示装置１０は、垂直高解像度処理を行わない通常モードと、常に垂直高解像度処理を行う垂直高解像度専用モードと、所定の明るさレベル以下の場合に垂直高解像度処理を行う垂直高解像度優先モードとが設定される。なお、垂直高解像度優先モードでは、所定の明るさレベルを超える場合、所定階調以下の領域（画素）について垂直高解像度処理が実行される。

図１１は通常モードの制御例を説明するための図である。図１２は垂直高解像度専用モードの制御例を説明するための図である。図１３は垂直高解像度優先モードの制御例を説明するための図である。図中、横軸はユーザ調光による明るさ設定（−５〜４）、縦軸は左にバックライト輝度、右に入力画像信号の白階調（ピーク）を示す。

図１１の通常モードでは、入力画像信号の最大階調４１は常に２５５であり、明るさ設定が最大の“４”のときに、バックライト輝度４２が最大（１００％）になるように制御される。そして、明るさ設定（明るさレベル）の変更に応じて、バックライト輝度４２が下げられるが、入力画像信号の最大階調４１が２５５となるため、高い輝度を出すことができる。なお、通常モードでは、入力画像信号が２Ｋ２Ｋであれば、１画素を構成する２つの副画素を用いて液晶パネル１７にそのまま表示される。この場合、フレーム分割駆動は実行しても、しなくてもよいが、フレーム分割駆動を実行する場合、例えば、２つのサブフレームの副画素が同じ輝度になるように制御すればよい。

図１２の垂直高解像度専用モードでは、前述したように、入力画像信号の最大階調４１が１６０階調に制限され、垂直高解像度処理が実行される。このため、入力画像信号の最大輝度は、１６０／２５５となり、明るさ設定の全ての段階（−５〜４の１０段階）で約６割程度の輝度しか出せない。また、明るさ設定の変更に応じて、バックライト輝度４２が下げられるが、入力画像信号の最大階調４１が１６０であるため、通常モードと比べ高い輝度を出すことはできない。しかしながら、フレーム分割駆動及び画素分割駆動による垂直高解像度処理が実行されるため、視野角特性の向上を図りつつ、垂直解像度を上げることができる。

図１３の垂直高解像度優先モードには２通りの方法がある。図１３（Ａ）に示す方法では、明るさ設定のうち“−５〜０”の段階において、入力画像信号の最大階調以下の階調範囲が１６０階調以下の階調範囲に変換され、垂直高解像度処理が実行される。この場合、表示制御部１５は、２つの副画素のうち一方のみを点灯させると共に、ユーザにより選択された明るさ設定に応じて、バックライト２２の発光輝度を下げる制御を行う。図１３（Ａ）の例では、明るさ設定が“−５〜０”の段階において、入力画像信号の最大階調４１が１６０階調に維持されるが、明るさ設定の変更に応じて、バックライト輝度４２が下げられる。すなわち、この方法では、バックライトにより画面輝度の調整がなされる。

また、明るさ設定が“１〜４”の段階においては、全ての領域（画素）について垂直高解像度処理が実行されるわけではないため、垂直高解像度処理は不完全なものとなる。つまり、画像領域のうち１６０階調以下の画素については垂直高解像度処理が実行されるが、１６０階調を超える画素については垂直高解像度処理にならないため、隣接する画素との輝度差が曖昧な表示となる。入力画像信号の最大階調４１は１６０階調の制限がなくなり、２５５以下の範囲で１６０階調より大きくすることができる。また、バックライト輝度４２は１００％に維持される。これにより、画面が明るく設定される場合にはピーク輝度が維持されることになる。

また、図１３（Ｂ）に示す方法では、上記と同様に、明るさ設定のうち“−５〜０”の段階において、入力画像信号の最大階調以下の階調範囲が１６０階調以下の階調範囲に変換され、垂直高解像度処理が実行される。この場合、表示制御部１５は、バックライト２２の発光輝度を最大に制御すると共に、２つの副画素のうち一方のみを点灯させ、ユーザにより選択された明るさ設定に応じて、変換後の入力画像信号の最大階調を下げる制御を行う。図１３（Ｂ）の例では、明るさ設定が“−５〜４”の全段階において、バックライト輝度４２は１００％に維持されるが、明るさ設定の変更に応じて、入力画像信号の最大階調４１が下げられる。すなわち、この方法では、入力画像信号により画面輝度の調整がなされる。

また、明るさ設定が“１〜４”の段階においては、図１３（Ａ）の例と同様に、不完全な垂直高解像度処理が実行され、入力画像信号の最大階調４１は１６０階調の制限がなくなり、２５５以下の範囲で１６０階調より大きくすることができる。また、バックライト輝度４２は１００％に維持される。これにより、画面が明るく設定される場合にはピーク輝度が維持されることになる。

図１４は、入力画像信号の最大階調を０〜２５５まで変化させたときの上下２つの副画素の階調値の一例を示す図である。なお、０〜１６０以下の階調範囲では前サブフレームを最小輝度（黒）とし、後サブフレームのみで階調を表現するものとする。また、１６０を超えて２５５までの階調範囲では後サブフレームを最大輝度（白）とし、前フレームのみで階調を表現するものとする。

このように、入力画像信号の最大階調（全白の最大階調）を０から大きくしていくと、１６０階調までは、上副画素の階調はこれに追従して増えていくが、下副画素の階調は０のまま維持され、垂直高解像度処理が実行される。そして、入力画像信号の最大階調が１６０階調のときに、上副画素の階調は２５５、下副画素の階調は０となる。さらに、入力画像信号の最大階調を１６０より大きくしていくと、上副画素の階調は２５５のまま、下副画素の階調が増えていく。本例では、入力画像信号の最大階調が２００階調のときに、上副画素が２５５、下副画素が１２８となり、さらに、最大階調が２５５階調のときには、上副画素及び下副画素が共に２５５となり、不完全な垂直高解像度処理となるが、ピーク輝度は確保される。

図１５は、各明るさ設定において垂直高解像度処理を維持可能な階調の割合の一例を示す図である。本例は垂直高解像度優先モードの場合について示すものである。明るさ設定が０以下では、全ての階調について完全に垂直高解像度処理を実行することができるが、例えば、明るさ設定１，２であってもそれぞれ約９０％，約８０％の階調で垂直高解像度処理を実行できる。なお、明るさ設定１の場合、垂直高解像度処理を維持できない階調の割合は、
（１８０−１６０）／１８０≒約１０％
となる。これより、垂直高解像度処理を維持できる階調の割合は約９０％と算出される。明るさ設定２〜４の場合についても同様である。

上記より、垂直高解像度処理を維持できない階調は極めて明るい部分であるため、たとえ垂直高解像度処理が実行できなくても、あまり目立たないと考えられる。すなわち、垂直高解像度優先モードを用いることで、垂直高解像度処理による効果をある程度維持しながら、画面の明るさを通常モードと同等にすることができる。これにより、画面上のピーク輝度を下げることなく、視野角特性を改善し、垂直解像度を上げることができる。

図１６は、各モードでの上下副画素の輝度と入力画像信号の白階調との関係を示す図である。図１６（Ａ）は通常モードの場合の例を示し、図１６（Ｂ）は垂直高解像度専用モードの例を示し、図１６（Ｃ）〜図１６（Ｅ）は垂直高解像度優先モードの場合の例を示す。図中、縦軸は入力画像信号の白階調、横軸は上下副画素に割り当てられた輝度（％）を示す。

図１６（Ａ）の通常モードの場合、上副画素及び下副画素の両方を点灯させるため、３つのモードの中で最も高い輝度を出すことができる。また、図１６（Ｂ）の垂直高解像度専用モードの場合、上副画素が点灯し、下副画素が消灯（輝度０）している状態となる。このため、このモードでは常に垂直高解像度処理が実行されるが、副画素の一方のみが点灯されるため、見た目の輝度は約半分となる。

また、図１６（Ｃ）〜図１６（Ｅ）は垂直高解像度優先モードであり、図１６（Ｃ）は明るさ設定が低い場合、図１６（Ｄ）は明るさ設定が中くらいの場合、図１６（Ｅ）は明るさ設定が高い場合について示す。すなわち、図１６（Ｃ）に示すように、明るさ設定が例えば“−５〜０”となる低い範囲では、常に垂直高解像度処理が実行される。この場合、当該範囲において、上副画素が点灯し、下副画素が消灯（輝度０）した状態となる。

また、図１６（Ｄ）に示すように、明るさ設定が例えば“１〜２”となる中くらいの範囲において、低輝度から中輝度では、常に垂直高解像度処理が実行される。この場合、低〜中輝度範囲において、上副画素が点灯し、下副画素が消灯（輝度０）した状態となる。また、高輝度になると、上副画素及び下副画素の両方が点灯する。この場合、垂直高解像度処理は実行されないが、画面の明るさは維持される。

図１６（Ｅ）についても同様に、明るさ設定が例えば“３〜４”となる高い範囲において、低輝度では、常に垂直高解像度処理が実行される。この場合、低輝度範囲において、上副画素が点灯し、下副画素が消灯（輝度０）した状態となる。また、中〜高輝度の範囲になると、上副画素及び下副画素の両方が点灯する。このため、垂直高解像度処理は実行されないが、画面の明るさは維持される。

１０…液晶表示装置、１１…アンテナ、１２…チューナ、１３…デコーダ、１４…外部入力端子、１５…表示制御部、１６…ＬＣＤコントローラ、１７…液晶パネル、１８…光センサ、１９…リモコン受光部、２０…マイコン、２１…バックライト制御部、２２…バックライト。

Claims (6)

1. 垂直方向に配列された２つの副画素により１つの画素が形成された液晶表示部と、入力画像信号の１フレームを複数のサブフレームに分割する表示制御部と、前記液晶表示部を照明するバックライトとを備え、前記表示制御部は、前記液晶表示部の各画素に対して、前記２つの副画素それぞれの輝度を前記サブフレーム毎に制御し、
   前記表示制御部は、前記入力画像信号の最大階調が所定階調を超える場合、前記バックライトの発光輝度を最大に制御すると共に、前記２つの副画素の両方を点灯させ、
   前記入力画像信号の最大階調が所定階調以下となる場合、前記２つの副画素のうち一方のみを点灯させる液晶表示装置であって、
   前記液晶表示部の画面輝度の調光レベルを設定するための調光手段を備え、
   前記表示制御部は、前記調光手段により調光レベルが所定の調光レベル以下に設定された場合に、前記入力画像信号の最大階調以下の階調範囲を前記所定階調以下の階調範囲に変換することを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１に記載の液晶表示装置において、前記入力画像信号の最大階調以下の階調範囲が前記所定階調以下の階調範囲に変換された場合、前記表示制御部は、前記２つの副画素のうち一方のみを点灯させると共に、前記調光手段により設定された調光レベルに応じて、前記バックライトの発光輝度を設定する制御を行うことを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１に記載の液晶表示装置において、前記入力画像信号の最大階調以下の階調範囲が前記所定階調以下の階調範囲に変換された場合、前記表示制御部は、前記バックライトの発光輝度を最大に制御すると共に、前記２つの副画素のうち一方のみを点灯させ、前記調光手段により設定された調光レベルに応じて、前記変換後の入力画像信号の最大階調を下げる制御を行うことを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、前記入力画像信号の最大階調が前記所定階調以下となる場合、前記２つの副画素それぞれが、前記サブフレーム毎に点灯と消灯が入れ替わるように制御されることを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、前記入力画像信号の垂直解像度は、前記液晶表示部の垂直解像度の２倍であることを特徴とする液晶表示装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、前記所定階調は、前記２つの副画素に接続された補助容量に供給される制御電圧に基づき決定される１６０階調または１８６階調であることを特徴とする液晶表示装置。
   

Images