JP2006018042A - 液晶表示装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度が変化してもガンマ特性に対する影響を抑制し、また動画のボケや擬似輪郭の発生を抑制することが可能な液晶表示装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】 複数の反射型の画素電極４を有するアクティブマトリックス基板２と透明な対向電極ＣＥとの間に液晶ＬＣを封入して複数の画素がマトリックス状に配置された表示手段ＤＳにデジタル化された画像信号Ｖｉｄｅｏを印加して表示するに際して、前記画像信号の各フィールドを複数のサブフィールドによりそれぞれ構成し、前記複数のサブフィールドのそれぞれを選択的にオン、またはオフして所定の数の階調レベルを表示する駆動方法において、各フィールド期間内に表示する前記画像信号に応じた表示時間と表示レベルの積を少なくとも２分割して表示するサブフィールドを有する。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、液晶表示装置の駆動方法に関する。

従来、アクティブマトリックス型の液晶表示装置を駆動する方法は、アナログ信号で液晶の駆動電圧を制御するのが一般的であった（例えば特許文献１、２）。そして、液晶モードとして、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｅｄ）やＭＴＮ（ｍｉｘｅｄ−ｍｏｄｅ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）が使用され、特にコントラスト比を向上させるために、ＶＡが使用されている。この種の液晶表示装置は、アクティブマトリックス基板と対向基板との間に液晶を封入して多数の画素を形成し、各々の画素に画像信号を書き込み、それを画素各々に付属するコンデンサ（信号補助容量）に蓄積して、液晶を駆動するようになっている。

その一例を図１９を参照して説明する。図１９はアクティブマトリックス型の液晶表示装置の構成の例を示す概略図である。この液晶表示装置の表示手段ＤＳは、アクティブマトリックス基板２上に、複数の列信号電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…Ｄｉが並行して配置されており、これら各列信号電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…Ｄｉと直交する方向に複数の行走査電極Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…Ｇｊを配置して形成されている。尚、以降、符号Ｄ１〜Ｄｉをまとめて符号Ｄと表し、符号Ｇ１〜Ｇｊをまとめて符号Ｇと表す場合がある。各列信号電極Ｄと行走査電極Ｇの交差部には、図２０に示すように画素スイッチングトランジスタＴｒ及び信号補助容量Ｃｓと、各画素に対応した液晶ＬＣとを含んだ画素Ｐｘがマトリックス状に配置されている。列信号電極駆動回路１００は水平シフトレジスタ１０１及び複数のアナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、…Ｓｉからなるスイッチ群により構成されている。各アナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、…Ｓｉの入力側は、画像信号Ｖｉｄｅｏが供給される表示信号供給配線Ｌに共通に接続され、出力側は、各々対応する列信号電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…Ｄｉに接続されている。また、各アナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、…Ｓｉの制御信号には、水平シフトレジスタ１０１の出力が接続されている。

このような構成の列信号電極駆動回路１００では、図示しない駆動タイミングパルス発生回路より供給される水平スタート信号ＨＳＴ及び水平クロックＨＣＫにより水平シフトレジスタ１０１が駆動され、水平シフトレジスタ１０１からの出力パルスにて各アナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、…Ｓｉを順次オン状態にすることにより、１水平期間の画像信号Ｖｉｄｅｏを順次列信号電極Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…Ｄｉにサンプリングする。

一方、行走査電極駆動回路１０２は、全表示行数に相当する段数を有する垂直シフトレジスタを含んで構成されている。この垂直シフトレジスタは、図示しない駆動タイミングパルス発生回路より供給される垂直スタート信号ＶＳＴ及び水平期間に同期した垂直シフトクロックＶＣＫにより駆動され、各行走査電極Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…Ｇｊに対して１水平期間毎（行毎）に順次走査パルスを出力する。ここで上記画像信号Ｖｉｄｅｏの垂直期間は上記垂直スタート信号ＶＳＴに同期している。
その結果、各行走査電極Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、…Ｇｊに接続した画素スイッチングトランジスタＴｒが１行ずつ順次オンとなり、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…Ｄｉにサンプリングした画像信号Ｖｉｄｅｏの電圧が図２０に示すように隣接する画素の信号補助容量Ｃｓに電荷情報として蓄積保持される。

これにより、各画素Ｐｘに対応した液晶ＬＣには、反射型の画素電極４を介して各信号補助容量Ｃｓに蓄積した信号電圧が印加され、それに応じて液晶ＬＣの光変調度が変化する。これにより、画像信号Ｖｉｄｅｏに対応した画像が表示されることになる。尚、アクティブマトリックス基板２上の各反射型の画素電極４と透明な対向電極ＣＥとの間には、上記液晶ＬＣが封入されている。
このような表示方法では、液晶ＬＣにかかる電圧は、時間的には一定で、信号レベルに応じて変わることで階調を表現することから、階調性を取ることは容易であるが、信号レベルにノイズが乗り易く、疑似信号の影響を受け易いという欠点を持つほか、液晶ＬＣに対して直流成分がかかり易く、それに伴う画像の残りやパネル寿命に問題があった。

これに対して、アナログの画像信号をデジタル信号に変換し、液晶にパルス的に電圧を印加して、液晶を駆動させるデジタル駆動方法がある。例えば、１フィールド（１ＴＶフィールド）を複数のサブフィールドに分割し、このサブフィールド毎に点灯／非点灯を制御する方式がある。この方式には重み付けをしたサブフィールドを用いる方法、フィールド内分散法やＣＬＥＡＲ駆動方式が知られている（例えば特許文献２、３、４）。

特開平１１−１７４４１０号公報 特開２００４−６９７８８号公報 特開２００１−３４３９５０号公報 特開２００３−２９５８３９号公報

ところで、上記したようなデジタル駆動方法の液晶表示装置には、次のような問題点があった。すなわち、液晶表示装置自体の温度変化により、液晶の駆動パルスに対する応答性が変化し、この結果、入力信号と出力信号との関係を示すガンマ特性が変わって表示特性が劣化する問題があった。また動画を表示する場合にボケが生じたり、擬似輪郭が生じたりする場合もあった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、温度が変化してもガンマ特性に対する影響を抑制し、また動画のボケや擬似輪郭の発生を抑制することが可能な液晶表示装置の駆動方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、複数の反射型の画素電極を有するアクティブマトリックス基板と透明な対向電極との間に液晶を封入して複数の画素がマトリックス状に配置された表示手段にデジタル化された画像信号を印加して表示するに際して、前記画像信号の各フィールドを複数のサブフィールドによりそれぞれ構成し、前記複数のサブフィールドのそれぞれを選択的にオン、またはオフして所定の数の階調レベルを表示する駆動方法において、各フィールド期間内に表示する前記画像信号に応じた表示時間と表示レベルの積を少なくとも２分割して表示するサブフィールドを有することを特徴とする液晶表示装置の駆動方法である。
換言すれば、複数の反射型の画素電極を有するアクティブマトリックス基板と透明な対向電極との間に液晶を封入して複数の画素がマトリックス状に配置された表示手段にデジタル化された画像信号を印加して表示するに際して、前記画像信号の各フィールドを複数のサブフィールドによりそれぞれ構成し、前記複数のサブフィールドのそれぞれを選択的にオン、またはオフして所定の数の階調レベルを表示する駆動方法において、前記階調レベルの途中に、前記液晶の駆動時の温度が変わっても表示の明るさがほとんど変化しないようにした収束点を２つ以上持たせるように表示させることを特徴とする液晶表示装置の駆動方法である。

この場合、例えば請求項２に規定するように、前記画像信号の１フィールド中において、画像信号に対する前記液晶の変調のあるピーク以上の部分を２以上出現するようにする手段を有する。
また例えば請求項３に規定するように、前記画像信号の１フィールド中において、低階調レベルの領域では液晶の変調の高い部分が４以上出現し、中階調レベルから高階調レベルの領域では液晶の変調の高い部分が２以上出現するように表示する。

本発明の液晶表示装置の駆動方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
温度が変化してもガンマ特性に対する影響を抑制し、また動画のボケや擬似輪郭の発生を抑制することができる液晶表示装置の駆動方法を提供する。

以下に、本発明に係る液晶表示装置の駆動方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
＜原理の説明＞
まず、本願発明の原理について説明する。
液晶をパルス駆動するのは従来から行われて来た。古くは、短冊状電極を配置した基板を、直交させて配置し単純マトリックス液晶素子を構成し、電極の交点に位置する液晶を駆動する場合に、実質的なパルス駆動となっていた。これは、クロストークを避けるため、ＳＴＮ液晶の様に液晶がある電圧で急峻に変化するようなものにしたものが使用されているが、画質は劣悪なものに留まっていた。また、液晶に強誘電性液晶を用いたものをパルス駆動するものも開発されたが、リセットパルスが必要になり階調が十分に出ない等の理由により実用化には至っていない。これに対して、Ｓビジョン社より提案された駆動方式に於いては、ネマティック液晶に所定のパルスを駆動する点で優れているが、温度に対して液晶のパルス応答の状態が変るため、ガンマ特性が変化する欠点があった。

この点に関して、本発明者の知見を紹介する。液晶に、内部のイオンの移動が無く、非常に高抵抗で１フィールド期間の電圧降下が無視できる場合を考える。この場合、液晶にとって電圧がプラス側にかかるかマイナス側にかかるかは関係が無い。すなわち図１は液晶への印加電圧と出力光との関係を示し、図１（ａ）の場合でも図１（ｂ）の場合でも液晶の変化は同じである。図１（ａ）は液晶への駆動パルス電圧の時間変化と、それに対する液晶の応答を示している。図１（ｂ）は液晶への駆動パルスの極性を同じにした時に同じ応答をすることを示している。この場合、液晶セルへは直線偏光が入射し、電極面で反射して透明な対向電極の外に出射するものとする。液晶セルの外側には偏光ビームスプリッタなど検光手段が設けられており、入射偏光と直交する偏光のみ透過して入射偏光と同じ光は遮断する光学系が設けられている。

液晶の応答性が速い場合は、入力される電圧に応答し、図１（ｃ）の様になるが、液晶の応答速度が遅い場合は、図１（ａ）及び図１（ｂ）の様に応答が遅れる。図１（ｃ）は図１（ｂ）と同じ駆動パルスが入力された時に、非常に高速の応答性を持つ液晶の応答を示している。しかるに、液晶にパルス的な駆動を行う場合に、このパルスの駆動間隔と、液晶の応答性との関係は非常に深い関係があり、本出願人による特許文献２ではこの点を解決している。
ここで、短いパルスが液晶にかかる場合を想定すると、１回のパルス駆動時間では液晶は完全には応答せず、パルスが何回も重なることにより液晶の変調が増える様になる。図２は液晶への印加電圧とその時の出力光の変化状態を示す図である。図２（ａ）に示すように１回のパルス駆動時間が長くてパルスの間隔が長いと、出力光は波状に大きく変動する。

さらに液晶の応答速度に対してパルスの間隔が短くなると、連続的なパルスと同様に一定時間で増える様な液晶の変調状態となる（図２（ｂ））。１パルスの幅はｔ秒（図２（ａ））である。但し、注意すべき点は、単純にパルスを繰り返す場合であると、実質的な駆動電圧が実効値的な振る舞いをすることであり、液晶の変調率が１００％まで取れなくなることである。これを解消するためには、パルス駆動電圧を１／√２のように上げ、ピーク電圧を変えることが必要である。これは、パルス駆動の周波数に対して、リニアな関係から実効的な関係となることである。例えば図３はパルス電圧の幅及び高さを変えた時の出力光の変化を示すグラフである。図３（ａ）はパルス電圧の高さを同じにして、パルスを細くした場合と長いパルスがかかった場合の液晶の応答（出力光）を示しており、応答の遅い液晶の場合、パルス駆動をすると液晶の変調度が下がることが判る。また図３（ｂ）は同じパルスの間隔でも、電圧を上昇すると、同じ明るさ（液晶の変調度）となることが判る。この場合、液晶が最大の変動度となる電圧は、パルスのデューティが５０％であれば、１／√２である。

また図４はパルス電圧とパルス幅が同じ場合において、パルスの並び方と液晶の変調度（出力光）との関係を示すグラフである。このように、パルス電圧及びパルス幅が同じでも３つの異なるパルス配列によって、その出力光が異なっているのが判る。これは、パルスの近接効果である。１つのパルスともう１つのパルスが近接している場合と、離れている場合には、液晶の応答が異なり、その結果、時間的に積分してなる実質的に観察され明るさが変わる現象がある。パルス間隔が広いと、孤立波形的なパルスが液晶にかかることになる。また、パルス間隔が狭いと、実質的に液晶の応答速度が速くなった様に液晶は動作する。図５は１フィールドを２４サブフィールドに分割し、同一間隔（１サブフィールド期間）３００μｓｅｃのパルス６個の点灯順序を、優先的に連続的に繋げたもの（青）と、１つ置きに点灯させたもの（紫）と、２つ置きに点灯させたものの得られる明るさを表示したものである。

ここで、点灯のパターンとしては、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す様になる。図５において斜線の部分はパルスが点灯していることを意味する。また横軸はサブフィールドの番号、縦軸は階調レベルを示す。図５（ａ）は図４で用いた順番に点灯するタイプ（１山）のパルスパターンを示し、図５（ｂ）は図４で用いた液晶への駆動パルスを１サブフィールド置きに順に点灯させるパルスパターンを示し、図５（ｃ）は図４で用いた液晶への駆動パルスを２サブフィールド置きに順に点灯させるパルスパターンを示している。

液晶にかかる電圧の実効値は同じでも、液晶に対するパルスのかけ方で、得られる明るさが変化してしまう。更には、液晶の物性が変化した場合に、同じ液晶セルを使用し、同じ温度変化があった場合でも、その明るさの変化率が液晶へのパルスのかけ方（この場合、液晶を駆動するパルスの長さ、数、種類は全く同じであり、その配列のみが異なることを意味している。）によって、変化することが明らかになった。
先ほどの例であると、図５（ｃ）の場合が最も温度に対して安定であり、図５（ｂ）がそれに続き、図５（ａ）が最も悪い。したがって、この液晶へのパルス群のかけ方を最適にすることによって温度特性の改善を図ることが可能となる。

ここで、液晶にかけるパルス列では無く、液晶の応答した波形を考えてみる。液晶の応答は、パルスに対して１：１に応答する条件では無く、１つのパルスでは完全には応答しない応答速度を持つ条件としている。パルスの波高（この場合は電圧に相当）が同じで、あるパルス幅を持ったものが集まると、液晶には大きなパルスで駆動されたのと同じ様な効果があり、液晶の変調度が大きくなる。従って、液晶により変調される光が、幾つのブロックとなるかが問題となる。
液晶により強く変調される部分が１フィールド（１／６０ｓｅｃ）内に１回出現する場合は、１山と表現する。これが、１フィールド内に２回出現する場合は２山と称する。１フィールド内に１山の駆動パターン（上記図５（ａ）の場合に相当）では、先ほど述べたごとく温度が変化した場合の出力変化が大きいので温度安定性が低く、且つフリッカーが目立つと言う欠点があることが分かった。

このフリッカーは、高階調で明るい部分ではあまり目立たないが、中間調から下の階調で特に目立つ。特に、１フィールドが１／６０ｍｓｅｃであるＮＴＳＣ方式の場合よりも、１フィールドが１／５０ｍｓｅｃであるＰＡＬ（ヨーロッパ等で用いられている。）で目立つ。これを回避するために、少なくとも、１フィールド中に山が２回出現する２山駆動が必要である。ネマティック液晶をパルス駆動する場合には、この様な点を考慮して液晶を駆動しないと、所定の目的の輝度特性は得られない。

一方、全部のパルスがオン状態となる白の状態では、液晶には実効的な駆動電圧がかかっており、この状態では、温度により液晶の応答性が変化しても影響が少ない。また、全部のパルスがオフ状態となる黒の状態でも、液晶には実効的な駆動電圧がかかっているので、これも温度による液晶の応答性が変化しても影響が少ない。したがって、中間階調である部分が、特に変化することとなる。
この際に、液晶の変調が高い部分と低い部分を構成すると、中間調より上の領域で、液晶の駆動時の温度が変わっても、明るさが殆ど変化しない部分が生ずる。このような現象をここでは収束点と呼ぶ。例えば図７はガンマ特性の温度依存性を示すグラフであり、温度に依存して出力比が大きく変動しているが、ある一部（収束点）ではほとんど変化していないことが判る。ここで図６は液晶の駆動温度を変えた時にパルス電圧に対する液晶の時間的応答を示すグラフである。ここでは温度を２０〜６０℃の範囲で変えている。図７（ａ）は第１の収束点を越えた階調の部分での出力変化を示し、図７（ｂ）は第１の収束点を越えない階調の部分での出力変化を示す。また１フィールドは１６．７ｍｓｅｃであり、１６．７ｍｓｅｃ毎に２つのピークがある。すなわちサブフィールドの中で点灯しているサブフィールドの大きな塊が２つある。この収束点より高い階調の部分では、図７（ａ）に示す様に、液晶の変調が高い部分は温度が上がって更に変調度が高くなっても、液晶の特性からその部分の出力は大きく変わらない。但し、飽和しない部分（実際に駆動パルスがオフとなっている部分）は、液晶の応答が速いため追従し、１フィールド平均の出力では、液晶の温度が高くなっても出力が若干減る領域となる。

一方、収束点よりも下の領域では、図７（ｂ）に示すように、液晶にパルス電圧が印加された際、温度が上昇し、液晶の粘度等の影響により、応答性が速くなった場合には、電圧パルスに対する液晶の応答が速くなり、結果的に出力が増加する傾向がある。この結果、両者の影響で、温度が変化した場合でも出力が殆ど変わらない収束点が生ずる。この収束点が先の図６において発生している。

＜第１実施例＞
ここで、図８を参照して本発明方法に用いる液晶表示装置の一例を説明する。尚、この基本的な構成は、図１９に示した装置と同じなので、同一構成部分については同一符号を付してその説明を省略する。また、この装置構成は、特許文献２にて開示された内容と同じである。この液晶表示装置６においては、入力される画像信号はＡＤ変換器１２を通じて、デジタル信号に変換され、各データは、各列信号電極Ｄ１〜Ｄｉに供給される。各データは、図９に示す各画素のＳＲＡＭ回路１５に保持される。図８のパルス幅変調器１３は、図９に示すバッファ回路１６に接続され、このパルス幅変調器１３によりＳＲＡＭ回路１５に保持されたデータを液晶に加える時間を設定する。また、各列信号電極Ｄ１〜Ｄｉに対応して、これらの反転信号を流すための反転信号用の列信号電極＊Ｄ１〜＊Ｄｉがそれぞれ設けられている。各列信号電極Ｄ１〜Ｄｉには、それぞれ各アナログスイッチＳ１〜Ｓｉと同期してオン、オフする対のスイッチＳ１〜Ｓｉが設けられる。そして、上記反転信号用の列信号電極＊Ｄ１〜＊Ｄｉにはインバータ１４を介して反転された画像信号Ｖｉｄｅｏが入力される。

ここで図９に示すパルス駆動回路について説明する。このパルス幅変調によるデジタル駆動で液晶ＬＣを駆動する場合には、各電極電位が固定され、電極間の浮遊容量の影響が極めて受けにくい構造になっている。その結果、画像表示上の問題はアナログ駆動に比較して少ない。
このパルス駆動回路は、入力データを保持するＳＲＡＭ（スタティックＲＡＭ）回路１５と、そのデータを画素電極４へ転送するバッファ回路１６からなる。上記ＳＲＡＭ回路１５は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４により構成されたフリップロップ回路で情報を記憶する。そして、スイッチＳ２、Ｓ１がそれぞれ列信号電極Ｄ及びこのデータの反転信号が流れる他方の列信号電極＊Ｄに接続される。

各列信号電極Ｄ、＊Ｄに流れる画像信号データに同期し、ゲートにつながる行走査電極Ｇにパルスを入力し、データをＳＲＡＭ回路１５に一時的に保持する。バッファ回路１６は図示しないスイッチを含み、外部から前記スイッチをオンする信号が入力され、オン時にＳＲＡＭ回路１５に保存されたデータが液晶ＬＣに加わり、液晶分子が駆動する。尚、ここでは液晶ＬＣは、例えば誘電異方性が負のネマティック液晶を、電圧がかかっていない場合は、アクティブマトリックス基板２に対して略垂直に配向させたモードを用いている。

次にこの液晶表示装置を用いた光変調光学系パッケージについて説明する。ここでは簡単のため、図１０を参照してカラーリンク社が提案したカラークアッドを変形した光変調光学系パッケージ６０の場合を用いて説明する。ここでは上記した液晶表示装置６が空間光変調素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃとして３つ用いている。
図１０において、この光変調光学系パッケージ６０の光入射側に光源６２と、この光源６２の射出光である不定偏光の白色光から所定の直線偏光のみを選択的に透過させる第１の偏光手段（例えば偏光板）６４とを配置し、上記光変調光学系パッケージ６０の光射出側に所定の直線偏光のみを選択的に透過させる第２の偏光手段（例えば偏光板）６６と、投射レンズ６８とを配置している。尚、この投射レンズ６８の前方に図示しないスクリーンを設け、ここにカラー画像を表示する。

上記光変調光学系パッケージ６０は、立方体または角柱状の第１、第２、第３、第４の偏光ビームスプリッタ７０、７２、７４、７６を、その偏光分離面７０Ａ、７２Ａ、７４Ａ、７６Ａが略Ｘ字状に交差するように配置されており、全体が図示しないベースで接着固定される。このパッケージ６０の中央部には遮光手段７８が設けられる。
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ７０を入射側偏光ビームスプリッタとして選択すると、その対角の位置にある第４の偏光ビームスプリッタ７６が出射側偏光ビームスプリッタとされる。さらに、光変調光学系パッケージ６０は、第１の偏光ビームスプリッタ７０の光入射側透光面及び第４の偏光ビームスプリッタ７６の光出射側透光面に第１の色光（例えばＧ光）の偏波面を９０°回転させる第１の波長選択性偏光変換手段（例えばＧ用位相板）８０をそれぞれ備え、第１と第３の偏光ビームスプリッタ７２、７４の対向部の間隙、及び第３と第４の偏光ビームスプリッタ７４、７６の対向部の間隙には第２の色光（例えばＲ光）の偏波面を９０°回転させる第２の波長選択性偏光変換手段（例えばＲ用位相板）８２をそれぞれ備えている。

この光変調光学系パッケージ６０の第２及び第３の偏光ビームスプリッタ７２、７４の透光面には、反射型の液晶表示装置である空間光変調素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃがそれぞれ配設される。ここで各空間光変調素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、それぞれＧ光用、Ｒ光用、Ｂ光用として用いられる。
各、空間光変調素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃと、直前に位置する偏光ビームスプリッタ７２、７４、７４との間には、それぞれ位相板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃが夫々挿入されている。各位相板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃとしては、例えば１／４波長板が用いられ、偏光ビームスプリッタと液晶の複屈折を補償する様に、１／４波長板は光軸を中心として角度を変更できる構造となっている。また各位相板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、それぞれの照射される光の中心波長で、１／４波長となっていることが望ましい。
このような光変調光学系パッケージ６０では、画像信号は各空間光変調素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃにおいて、Ｇ色、Ｒ色、Ｂ色毎に変調され、これらの各色が、投射レンズ６８にて合成されてスクリーンへ投射され、画像が表示されることになる。

ここで本発明の第１実施例では、前述した第１の収束点は、次の方法で得られる。
１フィールド期間中にパルス列の並びを工夫し、１フィールド期間中に液晶の駆動が高い部分と低い部分を作成する。この状態で、液晶の粘度等の液晶パラメータ、液晶セル厚を適当に設定し、液晶の応答スピードを、個々のパルスに追従しない程度に遅くした条件とする。この第１の収束点を出来るだけ低階調側に持って来ると全体の安定性が向上することを確認した。これには、液晶の応答性をパルスに追従しない程度に速くすることで実現できる。

第２の収束点は、次の方法で得られる。
各空間光変調素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃとそれに対面する偏光ビームスプリッタ７２、７４、７４との間の位相板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを、温度変化に対して最も黒が出る様にその角度を調整する。この調整を使用温度範囲の温度で行うことが重要であり、使用温度範囲の中央もしくは、やや高い温度で行うことが望ましい。
液晶の温度が上昇すると、次の２つの効果が同時に起こる。その１つの効果は、液晶の粘性の低下である。もう１つの効果は液晶の複屈折の減少である。このように液晶の粘度の低下が起こるとパルスに対する応答性が良くなり、低階調部では出力の上昇を起こす。一方、温度の上昇により、液晶の複屈折が少なくなると、位相板２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃで合わせた黒の位置が最適点よりずれて来る。このため、液晶に電圧を加えた位置が最も黒が取れる位置となる。上記両者の効果は、相殺する方向に働くため、低階調部で、収束点が現れることになる。

第１の収束点と第２の収束点の他は、例えば、０階調と２５５階調では、夫々、パルスが時間的に数多く立っているため、液晶に取ってみれば、実効的な電圧で駆動する領域であり、この場合は、温度変化は殆ど無い。従って、０階調と２５５階調は、温度変化が無く、その他に階調の中間領域で２箇所の収束点をもつため、温度が変化しても、そのガンマ特性に対する影響を少なくすることができ、表示品質を高く維持することができる。例えば上記第１及び第２の収束点を発生させる具体的な条件は、第１の収束点は、１／６０秒間に、出力光が１０個以下の山を生ずる場合は、液晶の応答速度（立ち上がり時間＋立ち下がり時間）が約３ｍｓｅｃ以上の応答速度を持っている場合に生ずる。また液晶の応答速度が２０ｍｓｅｃを越えると、動画特性が悪くなるため、３ｍｓｅｃ〜２０ｍｓｅｃの応答速度を持つことが望ましい。第２の収束点は、ＮＢ（ノーマリブラック）で、使用温度範囲で、波長板で最適点を合わせ、且つパルス駆動することで達成できる。

例えば図１１は位相板を光軸に対して角度調整した時に第２の収束点（暗部）が発生する原理を示すグラフであり、横軸にパルス電圧をとり、縦軸に出力光（１番明るくなる所を１として規格化）をとっている。液晶の温度を２０〜６０℃の範囲内で変化させている。図１１から明らかなように、温度４０〜６０℃の範囲で、最も黒くなる部分が発生している。また図１２は第１の収束点と第２の収束点が階調レベルの途中に現れた状態を示す図であり、点線で囲まれた２つの部分が第１及び第２の収束点Ｐ１、Ｐ２となっている。ここでは液晶の温度を２０〜６０℃の範囲で変化させている。尚、上記空間光変調素子６Ａ、６Ｂ、６Ｃとして、図８及び図９に示す液晶表示装置に替えて、図１９及び図２０に示すような液晶表示装置を用いてもよい。

＜第２実施例＞
次に、本発明方法の第２実施例について説明する。
この第２実施例では、、上記画像信号の１フィールド中において、上記液晶ＬＣの変調の高い部分が２以上出現するように表示する。
通常の透過型の液晶表示装置の場合は、保持型駆動方式と言われている。これは、画素の中に画素スイッチングトランジスタと保持容量をもっており、画素に信号を書き込む際に該当する画素スイッチングトランジスタをオンして、画素内に電圧を入れ、その電圧を保持容量に一定期間保持することにより、画像の表示を行うものである。この方式では、１フィールド期間ずっと画像が保持されるため、画像が動いた場合に、動画ボケが生ずることが指摘されている。

特に、信号補助容量に電圧値で制御する通常のアナログデバイスでは、白の場合は、電圧が高く駆動できるが、中間調より下の階調部分（領域）は、駆動する電圧が低くなり、電圧が低くなると更に液晶の応答速度が遅くなると言う関係があり、中間調から、下の階調部分（領域）での応答速度の向上が課題となっていた。この現象は、画像の黒を途中に入れることで改善できることが分かっているが、具体的な方法はなかった。今回、液晶をデジタル駆動し、幾つかのサブフィールドに分割する方式において、高階調では、全部のサブフィールドを点灯し、中間調より下の階調部分では、液晶が駆動されない方式を用いることにより、動画特性を良好にできることが判明した。今までの方式と異なるところは、白表示では変化は無いが、中間調で動画性能が向上する点である。

液晶駆動の観点からみると、１フィールド中で、液晶にかかるパルスが幾つのブロックに分けられるかが問題となる。この点について詳しく解説する。ここでは話を簡単化するために１フィールドを３０のサブフィールドに分割して表示する場合を考える。そして話を簡略化するため、各サブフィールドの重みづけは、全く同じとする。図１３はサブフィールドと階調レベルとの関係を示す図であり、横軸はサブフィールドの番号を示し、縦軸は階調レベルを示す。図中、斜線部分は点灯を示している。図１３（ａ）では、各パルスが、第１サブフィールドより第３０サブフィールドに向けて順に点灯して行くパターンであり、この場合は、途中の階調では、１サブフィールド中に液晶の変調度のピーク（変調の山）が１つしか出現しないため、１山駆動と分類される。ここで表現できる階調数は、０〜３０階調まで、３１種類である。

図１３（ｂ）に示される様な点灯パターンでは、最初に点灯するのは第１サブフィールドで変化は無いが、次に点灯するのは、第２サブフィールドでは無く、第１６サブフィールドであり、３番目に点灯するのは第２サブフィールドである。この様な配列にすると、１フィールド中に液晶の変調の強い部分（変調の山）が２箇所現れる２山パターンとなる。また、図１３（ｃ）に示される様な点灯パターンでは、最初に点灯するのは第１サブフィールド、次に点灯するのは第１１サブフィールド、次に点灯するのは第２１サブフィールドのように順に点灯して行く。この結果、１フィールド中に液晶の変調の強い部分（変調の山）が３箇所となる。この様に、液晶へのパルスの与え方で、明るさと温度特性に影響を及ぼすために、細心の注意を払ってパルスパターンは決められる。

ここで、上記では、点灯パターンが１度、点灯（オン）したら消灯（オフ）しないエターナルビットを用いていたが、このエターナルビットだけでパルス列を構成すると、得られる階調数が少なくなってしまう。従ってこの様な場合には、次の図１４に示す様な点灯／非点を繰り返す、バイナリービットを付加することにより飛躍的に表現できる階調数を増やすことが出来る。下記の例では、３ビットで８階調の表現をおこなっている。各ビットの重み付けを、１、２、４として、０階調から７階調まで、図１４に示す様に点灯させていけば、８階調が表現できる。このバイナリビットと、エターナルビットを組み合わせ、このエターナルビットの重み付けを、例えば８とすると、前述した、図１３（ａ）〜図１３（ｃ）の場合、３１×８＝２４８階調の階調表現が可能となる。

これでほぼ、２５６階調に近い階調となるが、更に、階調が必要な場合は、このバイナリビットを４ビットとし、それぞれ重み付けを１、２、４、８とし、エターナルビットの重み付けを１６とすれば、３１×１６＝４９６階調となり、この中から、適宜２５６階調の明るさを示すビットを選別し、使用すれば良い。
この組み合わせは無限に存在するが、注意すべき点が存在する。つまり、液晶の変調が１フィールド中に１つであると、温度特性が悪くなる点であり、また、フリッカーが目立つことから、液晶の変調の山が１フィールド中に２つ以上存在することが必要である。
また、動画のボケの観点から、フィールドの切り替わりの部分で、液晶の変調が少なくなる様にパルスを配列する。すなわち、高階調の部分である白表示に近い部分は、全部のパルスが点灯するため、中階調から下の階調の部分でフィールドの最後の部分が点灯しないようにしたパターンが望ましい。このようにすることにより、保持型の液晶表示装置特有の動画ボケ現象が無くなり、中間階調の動画が明瞭に見えることとなる。

図１５はアナログ（保持式）の液晶表示装置で１フィールドで１画素のスピードで縦縞が横方向へ移動した際のボケをシミュレートした際の表示状態と液晶の応答性を示す図、図１６はデジタル（パルス式）の液晶表示装置で１フィールドで１画素のスピードで縦縞が横方向へ移動した際のボケをシミュレートした際の表示状態と液晶の応答性を示す図である。
液晶特性が図１５（ｂ）の様な特性を持っていた場合に、１ライン置きの縦縞を有する画像が１フィールド当り１画素横に移動した場合に、どの程度、エッジがボケるかをシミュレーションにて計算した例である。尚、縦縞の明部分の明るさは、飽和輝度に対して輝度レベルは３０％の明るさの所に設定してある。この場合は、液晶への電圧印加が少なくなるため、液晶の応答速度が遅くなる。この場合、ボケがかなり発生しているのが判る。

これに対して、図１６（ａ）は、全く同じ液晶セルで、デジタル駆動を行った場合を想定している。ここではパルス電圧をかけるため、液晶への駆動電圧は高くなり、また、この駆動電圧は、中間調の部分でも同じ電圧がかかることとなる。さらに、液晶へのパルス駆動のパターンを液晶特性が図１６（ｂ）の様に、２山駆動した場合で、フィールドの切り替わりで、その部分が駆動しない様に行っているため、上記と同様の計算をすると、はっきりと縞が分離して見えることが分かる。ここでの輝度レベルは、飽和輝度に対して３０％に設定している（１２８階調のパルス列）。
例えば上記したような第２実施例を満たすような具体的な条件は、液晶の応答時間（立ち下がり）が、１フレーム期間以内であり、且つ１フレーム内の一部が点灯しない場合に起こる。つまり、光出力が１フレーム期間で変動する場合に観察される。最も階調レベルが高い表示が白表示である２５６階調の半分の階調である１２８階調で、１フレーム内に、ピーク明るさの３０％以下の領域がフレームの１０％以上あれば、動画表示特性向上の効果があることが確認できた。これを達成するためには、点灯するパルスの順序をフレーム中で選定してやればよい。

＜第３実施例＞
次に、本発明方法の第３実施例について説明する。
この第３実施例では、上記画像信号の１フィールド中において、低階調レベルの領域では液晶の変調の高い部分が４以上出現し、中階調レベルから高階調レベルの領域では液晶の変調の高い部分が２以上出現するように表示する。
液晶表示素子のデジタル駆動を行う際に、液晶へのパルス駆動を低階調と高階調でその周期を変える駆動法で、低階調での周期が高階調での周期よりも多くし、その周期が自然に移行する様にパルス列を配列する。

これは次の様にして実施可能である。液晶への駆動の順番を図１７に示す様に、液晶の変調のピークが１フィールド中に２山が発生するようにする。その状態で、一番最初に点灯するエターナルビットを、その次に点灯するエターナルビットと時間的に十分離す。このようにすることにより、最も液晶の動作温度が変化した時に最も、変化が大きい部分である低階調の部分において、実質的に４山となって２倍になり、液晶のパルスの応答に対する変調度の変化（１フィールド平均した時の明るさ）の変化が少なくなる効果が得られる。

図１７において、図１７（ａ）中に示す領域Ａ１は、図５（ａ）に示すようなサブフレームと階調レベルとの関係で点灯するパターンであり、領域Ｂ１は図１４に示すようなサブフレームと階調レベルとの関係で点灯するパターンである。また図１７（ｂ）中のＸ１、Ｘ２に示す部分は、点灯順序が早い部分を示す。そして、領域Ｃ１は、低階調では４つの山が現れる点灯パターンの一例を示す。この場合、山の数は４つに限定されないが、低階調で２個以上の明部が出て明るくなると、１フレーム中に２山となる点灯パターンで取ればよい。また領域Ｃ２は、高階調では１フレーム中に２山の明部が現れている一例を示す。

この結果を図１８に示す。図１８は上記２つの駆動パターンでの温度特性を示している。曲線Ａが、単純な２山駆動であり、曲線Ｂが、上記したように低階調で液晶の変調度のピークの数が増えるようにパルス列を配列したものであり、低階調での出力の温度変化率が大幅に少なくなっており、温度特性が良好になっていることが分かる。

液晶への印加電圧と出力光との関係を示すグラフである。 液晶への印加電圧とその時の出力光の変化状態を示す図である。 パルス電圧の幅及び高さを変えた時の出力光の変化を示すグラフである。 パルス電圧とパルス幅が同じ場合においてパルスの並び方と液晶の変調度（出力光）との関係を示すグラフである。 １フィールドを２４サブフィールドに分割したときの同一間隔（１サブフィールド期間）のパルス６個の点灯順序の態様を示す図である。 液晶の駆動温度を変えた時にパルス電圧に対する液晶の時間的応答を示すグラフである。 液晶の駆動温度を変えた時にパルス電圧に対する液晶の時間的応答を示すグラフである。 本発明方法に用いる液晶表示装置の一例を示す図である。 ＳＲＡＭ回路を示す構成図である。 空間光変調素子を用いた光変調光学系パッケージを示す構成図である。 位相板を光軸に対して角度調整した時に第２の収束点（暗部）が発生する原理を示すグラフである。 第１の収束点と第２の収束点が階調レベルの途中に現れた状態を示す図である。 サブフィールドと階調レベルとの関係を示す図である。 点灯／非点を繰り返すバイナリービットを付加した時の状態を示す図である。 アナログ（保持式）の液晶表示装置で１フィールドで１画素のスピードで縦縞が横方向へ移動した際のボケをシミュレートした際の表示状態と液晶の応答性を示す図である。 デジタル（パルス式）の液晶表示装置で１フィールドで１画素のスピードで縦縞が横方向へ移動した際のボケをシミュレートした際の表示状態と液晶の応答性を示す図である。 液晶への駆動の順番を示す図である。 階調レベルと比率との関係を示すグラフである。 アクティブマトリックス型の液晶表示装置の構成の例を示す概略図である。 画素の回路構成を示す図である。

符号の説明

２…アクティブマトリックス基板、４…画素電極、６…液晶表示装置、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…液晶表示装置（空間光変調素子）、６０…光変調光学系パッケージ、６８…投射レンズ、７０，７２，７４，７６…偏光ビームスプリッタ、８０…位相板、ＣＥ…対向電極、ＤＳ…表示手段、Ｄ１〜Ｄｉ…信号電極、Ｇ１〜Ｇｊ…行走査電極、Ｔｒ…画素スイッチングトランジスタ、ＬＣ…液晶、Ｐｘ…画素、Ｖｉｄｅｏ…画像信号。

Claims (3)

1. 複数の反射型の画素電極を有するアクティブマトリックス基板と透明な対向電極との間に液晶を封入して複数の画素がマトリックス状に配置された表示手段にデジタル化された画像信号を印加して表示するに際して、前記画像信号の各フィールドを複数のサブフィールドによりそれぞれ構成し、前記複数のサブフィールドのそれぞれを選択的にオン、またはオフして所定の数の階調レベルを表示する駆動方法において、
   各フィールド期間内に表示する前記画像信号に応じた表示時間と表示レベルの積を少なくとも２分割して表示するサブフィールドを有することを特徴とする液晶表示装置の駆動方法。
2. 前記画像信号の１フィールド中において、画像信号に対する前記液晶の変調のあるピーク以上の部分を２以上出現するようにする手段を有することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置の駆動方法。
3. 前記画像信号の１フィールド中において、低階調レベルの領域では液晶の変調の高い部分が４以上出現し、中階調レベルから高階調レベルの領域では液晶の変調の高い部分が２以上出現するように表示することを特徴とする請求項１または２記載の液晶表示装置の駆動方法。
   
   

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