JPWO2009110129A1

JPWO2009110129A1 - 液晶表示装置

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Publication number: JPWO2009110129A1
Application number: JP2010501759A
Authority: JP
Inventors: 孝夫室井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2011-07-14
Also published as: US20100253711A1; RU2442202C1; BRPI0820651A2; EP2207059A4; CN101910916B; EP2207059A1; WO2009110129A1; CN101910916A

Abstract

液晶パネル１０はＲＧＢ３色のカラーフィルタを有し、バックライト２０は輝度を独立して制御できる４色（ＲＧＢとシアン）のＬＥＤを複数個ずつ含む。バックライトデータ処理部３３は、色信号補正部３２の出力信号を複数のエリアに分割し、各エリア内の階調に基づき各エリアに対応したＬＥＤの輝度値を算出して、バックライト２０の駆動に用いる４色以上のバックライトデータを求める。映像データ処理部３４は、バックライトデータを参照して色信号補正部３２の出力信号に対して色補正を行い、液晶パネル１０の駆動に用いる３色の映像データを求める。これにより、カラークロストークを防止し、高精細な多原色表示や忠実な色再現を行う。

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、３色のカラーフィルタを有する液晶パネルと、４色以上の光源を含むバックライトとを備えた液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、２枚の透明電極間に液晶を封入し、マトリクス状に配置された制御用スイッチに電圧を印加することにより、液晶分子の向きを変え、光透過率を変化させて、画像を光学的に表示する。液晶は自発光しないので、液晶表示装置にはバックライトなどを設ける必要がある。

バックライトには各種の方式があるが、例えば大型の液晶テレビでは主として直下型方式のバックライトが使用されている。直下型バックライトは、平面上に複数の光源を配置し、液晶パネルと光源の間に拡散板を設けて、両者の間隔を一定にすることにより構成される。また、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）を用いて直下型バックライトを構成し、ＬＥＤの輝度をエリアごとに制御する駆動方法（以下、エリアアクティブ駆動という）も知られている（例えば、特許文献１参照）。エリアアクティブ駆動を行う液晶表示装置によれば、冷陰極管をバックライトとして備えた液晶表示装置よりも表示画像の画質を改善し、消費電力を低減することができる。

ＬＥＤバックライトは、一般に、赤色、緑色および青色のＬＥＤを含むＬＥＤユニットを用いて構成される。あるいは、白色ＬＥＤのみを含むＬＥＤユニットや、上記３色のＬＥＤと白色ＬＥＤを含むＬＥＤユニットを用いてもよい。また、ＬＥＤバックライトは、一般に、複数のＬＥＤユニットをバックライト基板にマトリクス状に配列することにより構成される。あるいは、複数のＬＥＤユニットをアレイ状に配置したバックライト基板を用いて、ＬＥＤバックライトを構成してもよい。

また、表示装置の色再現性に関連して、従来から以下の技術が知られている。特許文献２には、赤色、緑色および青色ごとの色特性データを測定し、表示装置に組み込むルックアップテーブルを作成する表示装置の画質調整方法に関し、２種類の色特性データと２種類の輝度値を求める処理を信号レベルを変更して繰り返し行うことによりルックアップテーブルを作成することが記載されている。特許文献３には、入力映像に応じて適応的に再現される映像の色帯域を変換する色信号処理装置が記載されている。特許文献４には、３色以上の光を生成する照明源と４色以上のカラーフィルタとを備えた表示装置が記載されている。特許文献５には、３原色発光体と他色の発光体とを備え、３原色発光体だけでは表現できない色を表現するときに限って他色の発光体を発光させる表示装置が記載されている。
日本国特開２００５−３３８８５７号公報日本国特開２００６−１１３１５１号公報日本国特開２００６−５９４０号公報国際公開２００４／１０７０２５号パンフレット日本国特開２００５−２２７５８６号公報

しかしながら、１画素内に４色以上のカラーフィルタを有する表示装置（特許文献４）や１画素を４色以上の発光体で構成する表示装置（特許文献５）には、以下の問題がある。例えば、１画素内に５色（赤色、緑色、青色、黄色およびシアン色）のカラーフィルタを設けた液晶表示装置や、上記５色の発光体を備えた自発光型表示装置が純色に近い赤色を表示するときには、赤色の明るさは最大となり、残り４色の明るさは最小となる（すなわち、残り４色は黒くなる）。ところが、これら５色構成の表示装置では、１画素内の赤色部分の割合は、３色構成の表示装置よりも小さい。このため、純色に近い赤色を表示するときには、解像度の低い表示、すなわち、色は鮮やかでもドット抜けしたような好ましくない表示が行われる。

また、４色以上のカラーフィルタを有する液晶表示装置では、目標の表示色を実現する（例えば、目標の三刺激値ＸＹＺを実現する）色の組合せが複数存在する。このため、各色階調の視野角特性の最適な組合せなどを考慮すると、３色の場合よりも複雑なアルゴリズムが必要になり、このアルゴリズムの開発や調整に余分なコストがかかる。

また、複数色のＬＥＤの輝度を独立して制御するエリアアクティブ駆動を行うと、ＬＥＤの発光特性とカラーフィルタの透過特性に差異があるために、カラークロストーク（不都合な混色）が発生して色再現性が低下するという問題もある。例えば、３色（赤色、緑色および青色）構成のＬＥＤバックライトの発光強度と３色のカラーフィルタの透過率が図１１に示す特性を示す場合を考える。この例では、緑色のカラーフィルタと青色のカラーフィルタの透過波長域が大きく重なっている。このため、緑色成分と青色成分を多く含む映像信号に基づき画像を表示すると、緑色ＬＥＤから出射された光が青色のカラーフィルタを透過し、青色ＬＥＤから出射された光が緑色のカラーフィルタを透過するために、純色を少し濁らせたような色が表示される。

それ故に、本発明は、上記のようなカラークロストークを防止して、高精細な多原色表示や忠実な色再現を行える液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面は、バックライトの輝度を制御する機能を有する液晶表示装置であって、
３色のカラーフィルタを有する液晶パネルと、
輝度を独立して制御できる４色以上の光源を複数個ずつ含むバックライトと、
入力映像信号を複数のエリアに分割し、各エリア内の階調に基づき各エリアに対応した光源の輝度値を算出して、前記バックライトの駆動に用いる４色以上のバックライトデータを求めるバックライトデータ処理部と、
前記バックライトデータを参照して前記入力映像信号に対して色補正を行い、前記液晶パネルの駆動に用いる３色の映像データを求める映像データ処理部とを備える。

本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面において、
前記映像データ処理部は、前記バックライトデータを用いて前記バックライトを駆動したときに各色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲を求め、求めた色再現範囲を参照して前記入力映像信号に対して色補正を行うことを特徴とする。

本発明の第３の局面は、本発明の第１の局面において、
前記バックライトは、前記光源として発光ダイオードを含むことを特徴とする。

本発明の第４の局面は、本発明の第３の局面において、
前記発光ダイオードは、パルス幅変調信号を用いて制御されることを特徴とする。

本発明の第５の局面は、本発明の第３の局面において、
前記バックライトは、前記カラーフィルタと同じ色の３色の発光ダイオードと、前記カラーフィルタとは異なる色の１色以上の発光ダイオードとを複数個ずつ含むことを特徴とする。

本発明の第６の局面は、本発明の第１の局面において、
前記バックライトデータ処理部は、各色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲を拡大するために、マージンを加算したバックライトデータを求めることを特徴とする。

本発明の第７の局面は、本発明の第１の局面において、
前記バックライトデータ処理部は、計算誤差を抑制するために、０より大きいオフセットを有するバックライトデータを求めることを特徴とする。

本発明の第８の局面は、本発明の第１の局面において、
前記バックライトデータ処理部は、前記バックライトデータを求めるときに参照する、前記光源の特性を変更する機能を有することを特徴とする。

本発明の第９の局面は、本発明の第１の局面において、
前記映像データ処理部は、前記映像データを求めるときに参照する、前記光源の特性を変更する機能を有することを特徴とする。

本発明の第１０の局面は、３色のカラーフィルタを有する液晶パネルと、輝度を独立して制御できる４色以上の光源を複数個ずつ含むバックライトとを備えた液晶表示装置における表示方法であって、
入力映像信号を複数のエリアに分割し、各エリア内の階調に基づき各エリアに対応した光源の輝度値を算出して、４色以上のバックライトデータを求めるステップと、
前記バックライトデータを参照して前記入力映像信号に対して色補正を行い、３色の映像データを求めるステップと、
前記バックライトデータを用いて前記バックライトを駆動するステップと、
前記映像データを用いて前記液晶パネルを駆動するステップとを備える。

本発明の第１または第１０の局面によれば、４色以上の光源を含むバックライトを用いることにより、色再現範囲を拡大して多原色表示を行うことができる。また、液晶パネルは３色のカラーフィルタを有するので、４色以上のカラーフィルタを有する場合と比べて、高精細の表示を行うことができる。さらに、映像データを求めるときにバックライトデータを参照して色補正を行うことにより、複数色の光源の輝度を独立して制御するエリアアクティブ駆動を行うときに発生するカラークロストークを防止し、忠実な色再現を行うことができる。このようにカラークロストークを防止して、高精細な多原色表示や忠実な色再現を行うことができる。

本発明の第２の局面によれば、バックライトが現在の状態で発光したときの色再現範囲を求め、これを参照して入力映像信号に対して色補正を行うことにより、忠実な色再現を行うことができる。

本発明の第３の局面によれば、色再現性、輝度能力、サイズ、寿命などの点で優れた発光ダイオードを用いることにより、輝度を独立して制御できる複数の光源を含むバックライトを容易に構成することができる。

本発明の第４の局面によれば、パルス幅変調制御によって発光ダイオードを制御することにより、発光ダイオードからの出射光の色の変化を抑制し、忠実な色再現を行うことができる。

本発明の第５の局面によれば、カラーフィルタと同じ色の発光ダイオードと、カラーフィルタとは異なる色の発光ダイオードを用いてバックライトを構成することにより、色再現範囲を効果的に拡大して多原色表示を行い、より忠実な色再現を行うことができる。

本発明の第６の局面によれば、マージンを加算したバックライトデータを用いることにより、色再現範囲を大きくし、色再現範囲の縁際の目標色座標を求めるときの計算誤差を小さくすることができる。

本発明の第７の局面によれば、オフセットを有するバックライトデータを用いることにより、計算誤差を抑制することができる。

本発明の第８の局面によれば、光源の特性を適宜変更してバックライトデータを求めることにより、光源の特性が外部要因によって変動するときでも、忠実な色再現を行うことができる。

本発明の第９の局面によれば、光源の特性を適宜変更して映像データを求めることにより、光源の特性が外部要因によって変動するときでも、忠実な色再現を行うことができる。

本発明の実施形態に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置の液晶パネルとバックライトの断面図である。図１に示す液晶表示装置のバックライト基板の配置例を示す図である。図１に示す液晶表示装置の発光ブロック体の他の例を示す図である。図１に示す液晶表示装置の発光ブロック体の他の例を示す図である。図１に示す液晶表示装置の色信号補正部の詳細を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置のバックライトデータ処理部の詳細を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置の映像データ処理部の詳細を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置のバックライトデータ処理部の他の例を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置の色再現範囲を示す図である。液晶表示装置のＬＥＤバックライトとカラーフィルタの特性の例を示す図である。

符号の説明

１…液晶表示装置
２…映像信号源
１０…液晶パネル
１１…走査信号線駆動回路
１２…映像信号線駆動回路
２０…バックライト
２１…光学シート群
２２…拡散板
２３…バックライト基板
２４…ＬＥＤ
２５…バックライト筐体
２６…バックライトユニット
２７〜２９…発光ブロック体
３０…ルックアップテーブル（ＬＵＴ）
３１…ＲＧＢ信号処理部
３２…色信号補正部
３３、３６…バックライトデータ処理部
３４…映像データ処理部
３５…駆動制御部
４１…赤色、緑色および青色を用いたときの色再現範囲
４２…赤色、シアン色および青色を用いたときの色再現範囲
３２１…γ処理部
３２２…色補正部
３３１…ＬＥＤ輝度演算部
３３２、３６２…輝度抽出部
３３３…ＬＥＤ出力データ演算部
３３４…ＰＷＭ信号出力部
３４１…遅延処理部
３４２…ＬＥＤ画像輝度算出部
３４３…目標色補正演算部
３４４…映像輝度出力部

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定して解釈されるべきものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、本発明の基本概念を利用した変形および改良形態も本発明の権利範囲に含まれる。

図１は、本発明の実施形態に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置１は、液晶パネル１０、走査信号線駆動回路１１、映像信号線駆動回路１２、バックライト２０、ルックアップテーブル（Look Up Table ：以下、ＬＵＴという）３０、ＲＧＢ信号処理部３１、色信号補正部３２、バックライトデータ処理部３３、映像データ処理部３４、および、駆動制御部３５を備えている。以下、ｍは２以上の整数、ｎは３の倍数であるとする。

液晶パネル１０は、ｍ本の走査信号線Ｇ１〜Ｇｍ、ｎ本の映像信号線Ｓ１〜Ｓｎ、および、（ｍ×ｎ）個の画素回路Ｐを含んでいる。走査信号線Ｇ１〜Ｇｍは互いに平行に配置され、映像信号線Ｓ１〜Ｓｎは走査信号線Ｇ１〜Ｇｍと直交するように互いに平行に配置される。画素回路Ｐは、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍと映像信号線Ｓ１〜Ｓｎの交点近傍に設けられる。画素回路Ｐには、赤色、緑色および青色のうちいずれかのカラーフィルタが設けられる。赤色、緑色および青色のカラーフィルタを設けた画素回路Ｐは、それぞれ、赤色、緑色および青色の表示素子として機能する。これら３種類の画素回路Ｐは、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍの伸延方向（図１では横方向）に並べて配置され、３個で１個の画素を形成する。このように液晶パネル１０は、３色のカラーフィルタを有する。

走査信号線駆動回路１１と映像信号線駆動回路１２は、液晶パネル１０の駆動回路である。走査信号線駆動回路１１は走査信号線Ｇ１〜Ｇｍを駆動し、映像信号線駆動回路１２は映像信号線Ｓ１〜Ｓｎを駆動する。より詳細には、走査信号線駆動回路１１は、駆動制御部３５から出力されたタイミング制御信号に従い、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍの中から１本の走査信号線を選択し、選択した走査信号線には選択電圧（例えば、ハイレベル電圧）を与え、それ以外の走査信号線には非選択電圧（例えば、ローレベル電圧）を与える。映像信号線駆動回路１２は、駆動制御部３５から出力されたタイミング制御信号に従い、駆動制御部３５から出力された映像信号に応じた電圧を映像信号線Ｓ１〜Ｓｎに与える。映像信号線駆動回路１２は、映像信号線Ｓ１〜Ｓｎを駆動するときに点順次駆動を行ってもよく、線順次駆動を行ってもよい。

バックライト２０は、液晶パネル１０の背面側に設けられ、液晶パネル１０の背面に光（バックライト光）を照射する。バックライト２０は、光源として、輝度を独立して制御できる４色以上のＬＥＤを含んでいる（詳細は後述）。ＬＥＤの輝度を制御するために、バックライトデータ処理部３３はＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号を出力する。

液晶表示装置１の外部には、コンポジット映像信号を出力する映像信号源２が設けられる。ＲＧＢ信号処理部３１は、映像信号源２から出力されたコンポジット映像信号に対してクロマ処理やマトリクス変換などを行い、ＲＧＢセパレート信号を出力する。色信号補正部３２、バックライトデータ処理部３３および映像データ処理部３４は、ＲＧＢ信号処理部３１から出力されたＲＧＢセパレート信号に基づき、液晶パネル１０の駆動に用いる映像データと、バックライト２０の駆動に用いるバックライトデータとを求める。

ＬＵＴ３０は、液晶表示装置１の動作に必要なデータを予め記憶している。より詳細には、ＬＵＴ３０は、色信号補正部３２の動作に必要なγデータ、バックライトデータ処理部３３の動作に必要なＰＷＭデータ、映像データ処理部３４の動作に必要なＰＳＦ（Point Spread Function ：点広がり関数）データなどを記憶している。

駆動制御部３５は、走査信号線駆動回路１１に対してタイミング制御信号を出力し、映像信号線駆動回路１２に対してタイミング制御信号と映像信号を出力する。走査信号線駆動回路１１と映像信号線駆動回路１２は、駆動制御部３５の出力信号に基づき液晶パネル１０を駆動する。これにより、液晶パネル１０の画素回路Ｐの光透過率が変化する。一方、バックライト２０内のＬＥＤは、バックライトデータ処理部３３で求めたバックライトデータに応じた輝度で発光する。液晶パネル１０の各画素の輝度は、ＬＥＤの輝度と画素回路Ｐの光透過率に応じて変化する。したがって、ＲＧＢ信号処理部３１から出力されたＲＧＢセパレート信号に基づき好適な映像データとバックライトデータを求め、これらを用いて液晶パネル１０とバックライト２０を駆動することにより、所望の画像を表示することができる。

図２は、液晶パネル１０とバックライト２０の断面図である。図２に示すように、液晶パネル１０の背面側にはバックライト筐体２５が設けられる。バックライト筐体２５の内部には光学シート群２１、拡散板２２およびバックライト基板２３が設けられ、バックライト基板２３には複数のＬＥＤ２４が搭載される。このようにバックライト２０は、光学シート群２１、拡散板２２、バックライト基板２３、ＬＥＤ２４およびバックライト筐体２５を用いて構成される。

図３は、バックライト基板２３の配置例を示す図である。図３に示す例では、１６枚のバックライト基板２３が、縦方向に８枚ずつ、横方向に２枚ずつ並べられている。各バックライト基板２３には、縦方向に２個ずつ、横方向に１６個ずつ、全部で３２個のバックライトユニット２６が搭載されている。バックライトユニット２６は、赤色、緑色、青色およびシアン色のＬＥＤを含む発光ブロック体２７を含んでいる。図３に示すように１６枚のバックライト基板２３を配置することにより、２次元状に配置された５１２個の発光ブロック体２７を含むバックライト２０を構成することができる。

なお、この例では、バックライト２０を構成するときに、複数のバックライトユニット２６をアレイ状に配置したバックライト基板２３を用いることとしたが、これに代えて、複数のバックライトユニットをマトリクス状に配置したバックライト基板を用いてもよい。また、この例では、５１２個のバックライトユニット２６を配置することとしたが、バックライトユニットの個数は任意でよい。ただし、液晶パネルのサイズに比べてバックライトユニットの個数が少ないと、バックライト光の光量不足や表示画像の輝度むらが生じる。このため、例えば４０インチ程度の液晶パネルには、５００個以上のバックライトユニットを配置することが好ましい。

また、この例では、発光ブロック体２７は赤色、緑色、青色およびシアン色のＬＥＤを含むこととしたが、白色光が得られるのであれば、発光ブロック体に含まれるＬＥＤの種類は上記以外でもよい。例えば、図４に示すように、赤色、緑色、青色および白色のＬＥＤを含む発光ブロック体２８を使用してもよい。この場合、白色ＬＥＤの出射光が基準白色光となる。あるいは、図５に示すように、赤色、緑色、青色、シアン色および黄色のＬＥＤを含む発光ブロック体２９を使用してもよい。この場合、赤色、緑色および青色ＬＥＤの出射光を合わせた光が基準白色光となる。

また、発光ブロック体２７は４色のＬＥＤを含むのに対して、カラーフィルタは３色構成であるので、カラーフィルタにおけるシアン色（緑色と青色の中間の波長を有する）の透過率は、緑色や青色よりも小さくなる。そこで、シアン色の不足を補うために、緑色のカラーフィルタと青色のカラーフィルタの透過波長域がより大きく重なるカラーフィルタを用いてもよく、あるいは、シアン色ＬＥＤを複数個（例えば、２個）含む発光ブロック体を用いてもよい。

以下、色信号補正部３２、バックライトデータ処理部３３および映像データ処理部３４の詳細を説明する。なお、発光ブロック体に含まれるＬＥＤの種類が多いほど、後述の演算が複雑になる。そこで以下では、発明の理解を容易にするために、例として、赤色、緑色、青色およびシアン色のＬＥＤを含む発光ブロック体２７を使用する場合について説明する。

図６は、色信号補正部３２の詳細を示すブロック図である。図６に示すように、色信号補正部３２は、γ処理部３２１および色補正部３２２を含んでいる。γ処理部３２１は、ＬＵＴ３０に記憶されたγデータを参照して、ＲＧＢ信号処理部３１から出力されたＲＧＢセパレート信号に対してリニア処理を施す。

なお、ここでは、テレビジョン放送信号を考慮して、映像信号源２から液晶表示装置１には逆γ処理を施した映像信号が供給され、液晶表示装置１はリニア処理を行うこととしたが、液晶表示装置１にリニア階調の映像信号が供給される場合には、液晶表示装置１は必ずしもリニア処理を行う必要はない。

色補正部３２２は、γ処理部３２１の出力信号に対して、液晶パネル１０の色再現範囲を考慮して好ましい表示となるように色補正を施す。例えば、外光の影響による色再現範囲の変化が既知である場合には、色補正部３２２は、測定された外光の強度に基づき、最適な表示色が得られるようにγ処理部３２１の出力信号に対して色補正を施す。あるいは、色補正部３２２は、γ処理部３２１の出力信号の中から特定色（例えば、人間の肌の色）の信号を検出し、検出した信号を利用者が好ましいと感じる色に補正してもよい。

その後、色補正部３２２は、色補正後の信号を、バックライト２０で表現可能な色再現範囲を考慮して三刺激値（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）に変換する。なお、色補正部３２２は、三刺激値への変換後に色補正を行ってもよい。また、色補正部３２２は、広い色再現範囲を表現できるｘｖＹＣＣ（エックスブイ・ワイシーシー）信号など、テレビ放送規格以外の信号を三刺激値に変換する機能を備えていてもよい。液晶表示装置１に入力された映像信号の種類にかかわらず、色信号補正部３２は、バックライトデータ処理部３３と映像データ処理部３４に対して三刺激値を出力する。

図７は、バックライトデータ処理部３３の詳細を示すブロック図である。図７に示すように、バックライトデータ処理部３３は、ＬＥＤ輝度演算部３３１、輝度抽出部３３２、ＬＥＤ出力データ演算部３３３、および、ＰＷＭ信号出力部３３４を含んでいる。バックライトデータ処理部３３は、以下に示すように、入力映像信号（色信号補正部３２の出力信号）を複数のエリアに分割し、各エリア内の階調に基づき各エリアに対応したＬＥＤの輝度値を算出して、バックライト２０の駆動に用いる４色のバックライトデータを求める。

ＬＥＤ輝度演算部３３１は、色信号補正部３２で求めた三刺激値（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）について画素ごとに以下の処理を行い、ＬＥＤの輝度値（ＲＬ，ＧＬ，ＢＬ，ＣＬ）を画素ごとに求める。すなわち、ＬＥＤ輝度演算部３３１は、シアン色ＬＥＤの輝度値ＣＬを任意に決定し、式（１）に従い三刺激値からシアン色ＬＥＤの輝度値ＣＬに相当する分を引き、式（２）に従い行列演算を行う。

ただし、式（１）および（２）において、Ｘｒ、ＹｒおよびＺｒは赤色ＬＥＤが最大階調で発光したときの三刺激値、Ｘｇ、ＹｇおよびＺｇは緑色ＬＥＤが最大階調で発光したときの三刺激値、Ｘｂ、ＹｂおよびＺｂは青色ＬＥＤが最大階調で発光したときの三刺激値、Ｘｃ、ＹｃおよびＺｃはシアン色ＬＥＤが最大階調で発光したときの三刺激値をそれぞれ表す。また、シアン色ＬＥＤの最大階調は２５５であるとした。

ＬＥＤ輝度演算部３３１は、シアン色ＬＥＤの輝度値ＣＬを変化させて上記の計算を繰り返し行い、得られた複数の結果の中からＬＥＤの輝度値として最適なものを選択する。ここで、式（２）で求めた輝度値ＲＬ、ＧＬおよびＢＬの中に０未満または１を超える値が含まれる場合には、輝度値（ＲＬ，ＧＬ，ＢＬ，ＣＬ）に基づく色再現範囲（色度、輝度を含む立体的空間範囲）を表現できないので、その輝度値の組合せは解として不適である。一方、式（２）で求めた輝度値ＲＬ、ＧＬおよびＢＬがいずれも０以上かつ１以下の値である場合には、輝度値（ＲＬ，ＧＬ，ＢＬ，ＣＬ）に基づく色再現範囲（色度、輝度を含む立体的空間範囲）を表現できるので、その輝度値の組合せは解として適している。基本的に上記表現可能な色再現範囲の結果を最適解とするが、計算精度の影響により複数の最適解が得られる場合には、ＬＥＤ輝度演算部３３１は、例えば、複数の結果の中からシアン色ＬＥＤの輝度値ＣＬが最小になるものを選択する。なお、計算精度不足などの理由により、式（２）による計算結果がいずれも解として不適になった場合には、式（２）で求めた輝度値ＲＬ、ＧＬおよびＢＬを規格化し、規格化後の３個の値のうち、０未満で、０に最も近い値を０に修正したり、１を超え、１に最も近い値を１に修正したりした後に、最適解を求めてもよい。

輝度抽出部３３２は、ＬＥＤ輝度演算部３３１で求めたＬＥＤの輝度値（ＲＬ，ＧＬ，ＢＬ，ＣＬ）に基づき、エリアごとの輝度値を求める。より詳細には、輝度抽出部３３２は、画面を複数のエリアに分割し、各エリアについてＬＥＤの輝度値の最大値、平均値、あるいは、その両方を求める。この際、処理を容易に行うために、輝度抽出部３３２は、バックライトユニット２６と縦方向および横方向の個数が一致するように、画面を複数のエリアに分割することが好ましい。輝度抽出部３３２は、エリアごとの輝度値として、エリア内のＬＥＤの輝度値の最大値、平均値、あるいは、その両者に基づく値を出力する。以下の説明では、表示画像にできるだけピーク輝度を含めるために、輝度抽出部３３２はエリア内のＬＥＤの輝度値の最大値を出力するものとする。

また、液晶表示装置１に外部から入力された映像信号にノイズが含まれる場合、輝度抽出部３３２は、ノイズ信号（例えば、最大の輝度値）の影響を受けて、エリア内のＬＥＤの輝度値の最大値を正しく求めることができないことがある。そこで、このようなノイズ信号の影響を防止するために、輝度抽出部３３２は、エリア内のＬＥＤの輝度値を例えば２０個ずつのグループに分けて、各グループについて輝度値の平均値を求め、求めた平均値の最大値をエリア内のＬＥＤの輝度値の最大値として出力してもよい。

ＬＥＤ出力データ演算部３３３は、輝度抽出部３３２で求めたエリアごとの輝度値を基準として、周辺のバックライトユニットとの輝度バランスや前フレームとの整合性などを考慮して、バックライトユニット２６内の４色のＬＥＤの輝度値を最終決定する。ＬＥＤ出力データ演算部３３３で求めた輝度値は、バックライトデータとして、ＰＷＭ信号出力部３３４と映像データ処理部３４に対して出力される。

ＰＷＭ信号出力部３３４は、ＬＥＤ出力データ演算部３３３で求めたバックライトデータに基づき、ＬＵＴ３０に記憶されたＰＷＭデータを参照して、バックライトユニット２６内の４色のＬＥＤを駆動するためのＰＷＭ信号を生成する。生成されたＰＷＭ信号はＬＥＤバックライト基板２３に供給され、ＬＥＤの輝度制御に使用される。なお、ＬＥＤの色温度は動作電流によって変化するので、忠実な色再現を行うためには、ＰＷＭ制御によってＬＥＤを制御し、ＬＥＤからの出射光の色の変化を抑制する必要がある。

図８は、映像データ処理部３４の詳細を示すブロック図である。図８に示すように、映像データ処理部３４は、遅延処理部３４１、ＬＥＤ画像輝度算出部３４２、目標色補正演算部３４３、および、映像輝度出力部３４４を含んでいる。映像データ処理部３４は、以下に示すように、バックライトデータ処理部３３で求めたバックライトデータを参照して入力映像信号（色信号補正部３２の出力信号）に対して色補正を行い、液晶パネル１０の駆動に用いる３色の映像データを求める。

遅延処理部３４１は、液晶パネル１０の駆動タイミングとバックライト２０の駆動タイミングとを揃えるために、色信号補正部３２の出力信号を遅延させる。ＬＥＤ画像輝度算出部３４２は、バックライトデータ処理部３３から出力されたバックライトデータに対して、ＬＵＴ３０に記憶されたＰＳＦデータを適用することにより、フレーム内のすべての画素に対応したＬＥＤ輝度値（ＲＬ’，ＧＬ’，ＢＬ’，ＣＬ’）を求める。なお、ＬＵＴ３０に記憶されたＰＳＦデータは、光学系や大気のゆらぎによる光の空間的広がりの程度を表すデータである。

目標色補正演算部３４３は、ＬＥＤ画像輝度算出部３４２で求めたＬＥＤ輝度値（ＲＬ’，ＧＬ’，ＢＬ’，ＣＬ’）と、遅延処理部３４１の出力信号（色信号補正部３２で求めた三刺激値（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を遅延させたもの）とに基づき、表示すべき色と実際に表示される色との不一致をなくした色補正後の輝度値（Ｒ^* ，Ｇ^* ，Ｂ^* ）を求める。目標色補正演算部３４３において色補正を行うことにより、カラーフィルタの透過波長とＬＥＤ発光波長の重なりに起因するカラークロストークを防止することができる。

映像輝度出力部３４４は、ＬＵＴ３０に記憶されたγデータ（階調に対する白の色度データを一定にするための補正γデータ）を参照して、目標色補正演算部３４３で求めた補正後の輝度値（Ｒ^* ，Ｇ^* ，Ｂ^* ）に対してγ階調補正を行い、γ階調補正後の輝度値を映像データとして駆動制御部３５に対して出力する。

なお、液晶表示装置１は、図７に示すバックライトデータ処理部３３に代えて、図９に示すバックライトデータ処理部３６を備えていてもよい。図９に示すバックライトデータ処理部３６は、輝度抽出部３６２、ＬＥＤ出力データ演算部３３３、および、ＰＷＭ信号出力部３３４を含んでいる。

輝度抽出部３６２は、色信号補正部３２から、三刺激値（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）ではなく色補正後の信号（三刺激値に変換する前のＲＧＢ信号）を受け取り、これに基づきエリアごとの輝度値を求める。より詳細には、輝度抽出部３６２は、画面を複数のエリアに分割し、各エリアについて色補正後の信号の最大値、平均値、あるいは、その両方を求める。この際、処理を容易に行うために、輝度抽出部３６２は、バックライトユニット２６と縦方向および横方向の個数が一致するように、画面を複数のエリアに分割することが好ましい。輝度抽出部３６２は、エリアごとの輝度値として、エリア内の色補正後の信号の最大値、平均値、あるいは、その両者に基づく値を出力する。ここでは、表示画像にできるだけピーク輝度を含めるために、輝度抽出部３６２はエリア内のＬＥＤの輝度値の最大値を出力するものとする。

色補正後の信号の色相がシアン色に近い場合（すなわち、赤色と比べて緑色および青色の輝度値が高い場合）には、輝度抽出部３６２は、白色光を得るために、緑色ＬＥＤに代えてシアン色ＬＥＤを選択する。また、シアン色ＬＥＤを選択する場合において、赤色の輝度値が十分に高い場合（すなわち、色相が白色に近い場合）には、輝度抽出部３６２はシアン色ＬＥＤと緑色ＬＥＤの両方を選択してもよい。輝度抽出部３６２は、求めたエリアごとの輝度値をＬＥＤ出力データ演算部３３３に対して出力する。バックライトデータ処理部３６内のＬＥＤ出力データ演算部３３３とＰＷＭ信号出力部３３４は、バックライトデータ処理部３３内のときと同じ動作を行う。

以下、目標色補正演算部３４３の詳細を説明する。目標色補正演算部３４３は、以下の３つの処理を行うことにより、ＬＥＤ画像輝度算出部３４２で求めたＬＥＤ輝度値（ＲＬ’，ＧＬ’，ＢＬ’，ＣＬ’）と、色信号補正部３２で求めた三刺激値（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）とに基づき、補正後の輝度値（Ｒ^* ，Ｇ^* ，Ｂ^* ）を求める。

目標色補正演算部３４３は、第１の処理として、ＬＥＤ輝度値（ＲＬ’，ＧＬ’，ＢＬ’，ＣＬ’）に基づき、赤色、緑色および青色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲（すなわち、バックライト２０が現在の状態で発光したときに画素で表現可能な色再現範囲）を求める。

第１の処理の実現方法は種々あるが、ここではその一例を説明する。まず、液晶パネル１０とバックライト２０の特性を以下の条件で測定し、各場合について三刺激値を予め求めておく。すなわち、赤色の表示素子に最大階調を与え、緑色および青色の表示素子に０階調を与えて、液晶パネル１０の表示面から赤色のカラーフィルタを透過した光のみが出射される状態に設定する。この状態で、バックライト２０内の赤色ＬＥＤのみを最大階調で発光させ、そのときの液晶パネル１０の表示面の輝度と色度を測定し、測定した値を三刺激値（Ｘｒｒ，Ｙｒｒ，Ｚｒｒ）に変換する。また、同じ状態で、緑色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｒｇ，Ｙｒｇ，Ｚｒｇ）、青色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｒｂ，Ｙｒｂ，Ｚｒｂ）、および、シアン色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｒｃ，Ｙｒｃ，Ｚｒｃ）を求める。

次に同様の方法で、緑色のカラーフィルタのみを光が透過する状態に設定し、赤色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｇｒ，Ｙｇｒ，Ｚｇｒ）、緑色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｇｇ，Ｙｇｇ，Ｚｇｇ）、青色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｇｂ，Ｙｇｂ，Ｚｇｂ）、および、シアン色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｇｃ，Ｙｇｃ，Ｚｇｃ）を求める。さらに、青色のカラーフィルタのみを光が透過する状態に設定し、赤色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｂｒ，Ｙｂｒ，Ｚｂｒ）、緑色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｂｇ，Ｙｂｇ，Ｚｂｇ）、青色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｂｂ，Ｙｂｂ，Ｚｂｂ）、および、シアン色ＬＥＤのみを発光させたときの三刺激値（Ｘｂｃ，Ｙｂｃ，Ｚｂｃ）を求める。なお、以上の三刺激値を求めるときには、各色の表示素子に０階調を与えても光が漏れること考慮して、測定値から光漏れ量（黒輝度成分）を引いておく。

目標色補正演算部３４３は、上記１２種類の三刺激値を記憶し、ＬＥＤ輝度値（ＲＬ’，ＧＬ’，ＢＬ’，ＣＬ’）に対して、式（３）〜（５）に示す行列演算を行う。式（３）により、赤色のカラーフィルタを透過した光（赤色光）の三刺激値（ＸＲ，ＹＲ，ＺＲ）が算出される。式（４）により、緑色のカラーフィルタを透過した光（緑色光）の三刺激値（ＸＧ，ＹＧ，ＺＧ）が算出される。式（５）により、青色のカラーフィルタを透過した光（青色光）の三刺激値（ＸＢ，ＹＢ，ＺＢ）が算出される。なお、式（３）〜（５）において、ＲＬ’，ＧＬ’，ＢＬ’，ＣＬ’はいずれも０以上１以下であるとする。

次に、目標色補正演算部３４３は、第２の処理として、式（６）に示す行列演算を行う。すなわち、目標色補正演算部３４３は、三刺激値（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）に対して、第１の処理で求めた３種類の三刺激値を含む行列の逆行列を乗算することにより、補正後の輝度値（Ｒ^* ，Ｇ^* ，Ｂ^* ）を求める。

次に、目標色補正演算部３４３は、第３の処理として、補正後の輝度値（Ｒ^* ，Ｇ^* ，Ｂ^* ）を所定範囲内に制限する処理を行う。補正後の輝度値（Ｒ^* ，Ｇ^* ，Ｂ^* ）を規格化した値が０以上１以下の範囲外にある場合には、画素をその輝度値に設定することができない。そこで、目標色補正演算部３４３は、規格化した値が０未満の場合にはその値を０に修正し、規格化した値が１を超える場合にはその値を１に修正してもよい。あるいは、目標色補正演算部３４３は、Ｒ^* 、Ｇ^* およびＢ^* のうち１を超えた最大値が１となるように補正後の輝度値を再規格化してもよい。この方法を用いた場合、輝度は目標値より小さくなるが、色は目標値に一致する。

このように、映像データ処理部３４は、目標色補正演算部３４３において、バックライトデータ処理部３３で求めたバックライトデータを用いてバックライト２０を駆動したときに各色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲を求め、求めた色再現範囲を参照して入力映像信号（色信号補正部３２の出力信号）に対して色補正を行う。

なお、ＬＥＤ出力データ演算部３３３は、各色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲を拡大するために、バックライトデータとして、計算などで得られた値にマージンを加算した値（ただし、加算結果が最大値を超える場合は最大値）を出力することが好ましい。これにより、画素で表現可能な色再現範囲（色度、輝度を含む立体的空間範囲）を少し大きくし、色再現範囲の縁際の目標色座標を求めるときの計算誤差を小さくすることができる。

また、液晶表示装置１では、計算誤差の発生を防止するために、多ビットの小数点演算を行う必要がある。このため、計算精度やコントラスト値などを考慮して、ＬＥＤ出力データ演算部３３３は、バックライトデータに対して０より大きいオフセットを与えることが好ましい。これにより、計算誤差を抑制することができる。上記オフセットは、任意の設計方針に従い、０より大きい任意の値（ただし、バックライトデータが取り得る最大値に対して、０％より大きく１００％より小さい範囲内に限る）に設定することができる。オフセットには、液晶パネルのコントラストなどを考慮して、例えば、バックライトデータが取り得る最大値の５％以上かつ２０％以下の値を使用することが好ましい。

図１０は、液晶表示装置１の色再現範囲を示す図である。図１０において、点Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｃは、それぞれ、ＸＹＺ色空間における、赤色、緑色、青色およびシアン色のＬＥＤから出射された光の色を示す。また、×印は、現実に存在する各種の物体の色を表す。

液晶表示装置１において、従来と同様に、赤色、緑色および青色のＬＥＤを用いてエリアアクティブ駆動を行った場合には、色再現範囲４１は３点Ｒ、Ｇ、Ｂを頂点とする三角形領域となる。また、液晶表示装置１において、緑色のＬＥＤに代えてシアン色のＬＥＤを用いてエリアアクティブ駆動を行った場合には、色再現範囲４２は３点Ｒ、Ｃ、Ｂを頂点とする三角形領域となる。また、液晶表示装置１において、緑色のＬＥＤとシアン色のＬＥＤを共に用いてエリアアクティブ駆動を行った場合には、映像表示上の色再現範囲は点Ｇと点Ｃの間にある任意の点、および、２点Ｒ、Ｂを頂点とする三角形領域となるが、最大に取り得る色再現範囲は４点Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｃを頂点とする四角形領域となる。このように液晶表示装置１によれば、色再現範囲を拡大して多原色表示を行い、現実には存在するが、従来は忠実に表示できなかった色（三角形ＲＧＢの外部にある×印に対応する色）を忠実に再現することができる。

以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置１は、３色のカラーフィルタを有する液晶パネル１０と、輝度を独立して制御できる４色以上の光源を複数個ずつ含むバックライト２０と、入力映像信号を複数のエリアに分割し、各エリア内の階調に基づき各エリアに対応した光源の輝度値を算出して、バックライトの駆動に用いる４色以上のバックライトデータを求めるバックライトデータ処理部３３と、バックライトデータを参照して入力映像信号に対して色補正を行い、液晶パネル１０の駆動に用いる３色の映像データを求める映像データ処理部３４とを備えている。

このように４色以上の光源を含むバックライト２０を用いることにより、色再現範囲を拡大して多原色表示を行うことができる。また、液晶パネル１０は３色のカラーフィルタを有するので、４色以上のカラーフィルタを有する場合と比べて、高精細の表示を行うことができる。さらに、映像データを求めるときにバックライトデータを参照して色補正を行うことにより、複数色の光源の輝度を独立して制御するエリアアクティブ駆動を行うときに発生するカラークロストークを防止し、忠実な色再現を行うことができる。このようにカラークロストークを防止して、高精細な多原色表示や忠実な色再現を行うことができる。

また、映像データ処理部３４は、バックライトデータを用いてバックライト２０を駆動したときに各色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲を求め、求めた色再現範囲を参照して入力映像信号に対して色補正を行う。このようにバックライトが現在の状態で発光したときの色再現範囲を求め、これを参照して入力映像信号に対して色補正を行うことにより、忠実な色再現を行うことができる。

また、バックライト２０は、光源としてＬＥＤを含んでいる。このように色再現性、輝度能力、サイズ、寿命などの点で優れたＬＥＤを用いることにより、輝度を独立して制御できる複数の光源を含むバックライトを容易に構成することができる。また、ＰＷＭ制御によってＬＥＤを制御することにより、ＬＥＤからの出射光の色の変化を抑制し、忠実な色再現を行うことができる。

また、バックライト２０は、カラーフィルタと同じ色の３色のＬＥＤと、カラーフィルタとは異なる色の１色以上のＬＥＤとを複数個ずつ含んでいる。このように構成されたバックライトを用いることにより、色再現範囲を効果的に拡大して多原色表示を行い、より忠実な色再現を行うことができる。

なお、本実施形態に係る液晶表示装置については、各種の変形例を構成することができる。例えば、ＬＥＤの特性が外部要因（熱や経年劣化など）によって変動すると、色補正の前提条件が狂うので、色再現性が悪くなる。この問題を解決するために、液晶表示装置に温度などを測定する機能を設け、測定結果に基づきＬＥＤの特性を変更する機能をバックライトデータ処理部に設けてもよい。あるいは、液晶表示装置の外部でＬＥＤの劣化状況を分析することとし、外部から受けた分析結果に基づきＬＥＤの特性を変更する機能をバックライトデータ処理部に設けてもよい。このように、バックライトデータを求めるときに参照する、光源の特性を変更する機能をバックライトデータ処理部に追加した液晶表示装置によれば、光源の特性を適宜変更してバックライトデータを求めることにより、光源の特性が外部要因によって変動するときでも、忠実な色再現を行うことができる。また、上記の機能を映像データ処理部に設けてもよい。映像データを求めるときに参照する、光源の特性を変更する機能を映像データ処理部に追加した液晶表示装置によれば、同様の効果が得られる。

また、液晶表示装置１では色再現特性に優れたＬＥＤを用いてバックライト２０を構成することとしたが、これに代えて、例えば有機ＥＬディスプレイなどの自発光デバイスを２次元状に配置してバックライトを構成してもよい。

本発明の液晶表示装置は、高精細な多原色表示や忠実な色再現を行えるという効果を奏するので、例えば液晶テレビや液晶ディスプレイなど、各種の電子機器に利用することができる。

Claims

バックライトの輝度を制御する機能を有する液晶表示装置であって、
３色のカラーフィルタを有する液晶パネルと、
輝度を独立して制御できる４色以上の光源を複数個ずつ含むバックライトと、
入力映像信号を複数のエリアに分割し、各エリア内の階調に基づき各エリアに対応した光源の輝度値を算出して、前記バックライトの駆動に用いる４色以上のバックライトデータを求めるバックライトデータ処理部と、
前記バックライトデータを参照して前記入力映像信号に対して色補正を行い、前記液晶パネルの駆動に用いる３色の映像データを求める映像データ処理部とを備えた、液晶表示装置。
前記映像データ処理部は、前記バックライトデータを用いて前記バックライトを駆動したときに各色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲を求め、求めた色再現範囲を参照して前記入力映像信号に対して色補正を行うことを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
前記バックライトは、前記光源として発光ダイオードを含むことを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
前記発光ダイオードは、パルス幅変調信号を用いて制御されることを特徴とする、請求項３に記載の液晶表示装置。
前記バックライトは、前記カラーフィルタと同じ色の３色の発光ダイオードと、前記カラーフィルタとは異なる色の１色以上の発光ダイオードとを複数個ずつ含むことを特徴とする、請求項３に記載の液晶表示装置。
前記バックライトデータ処理部は、各色のカラーフィルタを透過した光による色再現範囲を拡大するために、マージンを加算したバックライトデータを求めることを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
前記バックライトデータ処理部は、計算誤差を抑制するために、０より大きいオフセットを有するバックライトデータを求めることを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
前記バックライトデータ処理部は、前記バックライトデータを求めるときに参照する、前記光源の特性を変更する機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
前記映像データ処理部は、前記映像データを求めるときに参照する、前記光源の特性を変更する機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
３色のカラーフィルタを有する液晶パネルと、輝度を独立して制御できる４色以上の光源を複数個ずつ含むバックライトとを備えた液晶表示装置における表示方法であって、
入力映像信号を複数のエリアに分割し、各エリア内の階調に基づき各エリアに対応した光源の輝度値を算出して、４色以上のバックライトデータを求めるステップと、
前記バックライトデータを参照して前記入力映像信号に対して色補正を行い、３色の映像データを求めるステップと、
前記バックライトデータを用いて前記バックライトを駆動するステップと、
前記映像データを用いて前記液晶パネルを駆動するステップとを備えた、液晶表示装置における表示方法。