JP2007122058A - 可変の光出力を有する発光体を利用するｌｃｄディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】フレームの表示時間を短縮し、色シフトを低減した、動画にも対応可能なＬＣＤディスプレイを提供する。
【解決手段】光源、ＬＣＤパネルおよび制御装置を有するディスプレイに関する。光源は、ゼロより大きな２つの強度を有する光信号を生成する発光体を有している。ＬＣＤパネルは複数のＬＣＤ素子を含む。制御装置は、ＬＣＤパネルによって表示されるべき画像の受信に応答して、ＬＣＤ素子の開閉の状態および第１の光信号の強度を制御する。画像は、第１のサブ画像および第２のサブ画像を有しており、制御装置は、第１の光信号が第１の強度を有する場合には第１のサブ画像が表示されるようにし、第１の信号が第２の強度を有する場合には第２のサブ画像が表示されるようにする。第１のサブ画像および第２のサブ画像は、０．０３秒未満の時間長さで表示される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＬＣＤディスプレイに関する。

最適なモニタとしてＣＲＴディスプレイ（ブラウン管ディスプレイ）およびプラズマディスプレイに代わり、ＬＣＤディスプレイ（液晶ディスプレイ）の利用が急速に増加している。高解像度の大きなＣＲＴディスプレイの重さは、平均的な人が楽に持ち上げられる重さを越えている。さらに、ＣＲＴディスプレイは、消費電力が大きく、また、スクリーンに長時間同じシーンもしくは背景画像を表示した場合の画像の焼付きの問題も有している。また、ＣＲＴでは、特に高解像度ディスプレイの場合、光出力も制限されている。

一方、大きなプラズマディスプレイは、それに相当するＣＲＴディスプレイよりも重量が軽く、はるかに輝度の高い画像を提供することができる。しかし、プラズマディスプレイでもやはり、画像の焼付きが生じる。さらに、コンピュータで使用するための高解像度プラズマモニタは、ＬＣＤディスプレイと競争可能な値段では入手できない。

ＬＣＤディスプレイは、通常、適切な光源によって背面照射されるＬＣＤ素子のアレイから構成されている。各ＬＣＤ素子は、光を透過させたりブロックしたりする光シャッターと見なすことができる。フルカラー画像の形成は、３つの成分色画像を生成して、これらの成分画像をそれらの相互の重ね合わせとして使用者が知覚するような方式で観察者へ提示することによって行われる。説明を簡単にするために、３つの成分画像が従来の赤色画像、緑色画像および青色画像であると仮定する。その場合、つまり、赤色成分画像は、光スペクトルの赤色部分で観察される画像であり、青色画像および緑色画像についても同様である。

画像を重ね合わせるために通常用いられる方法の１つは、それらの画像を同時に、しかし空間的にわずかにずらして表示することである。これは、従来最もよく利用されているＣＲＴディスプレイシステムならびに市販のＬＣＤテレビおよびＬＣＤコンピュータディスプレイで使用されている技術である。この場合、ＬＣＤ素子のアレイを、１つまたは複数の蛍光灯を利用した白色光源を介して背面照射する。各ＬＣＤ素子は、その素子を照射する白色光から１色の光を選択するカラーフィルタを含む。素子は、赤色素子が青色素子および緑色素子に隣接するようにグループ化されている。赤色素子は赤色成分画像を表示し、青色素子および緑色素子は、それぞれ青色成分画像および緑色成分画像を表示する。つまり、３色の成分画像は、１つのＬＣＤ素子に相当する距離だけ互いにずらされている。この距離が小さければ、使用者の視覚システムは、個々のＬＣＤ素子からの光を区別することはできず、よって、使用者は、成分画像を互いに重ねられたものとして知覚する。Ｎ個の画素もしくは色点を有する画像を生成するためには、３Ｎ個のＬＣＤ素子を使用しなくてはならない。

この種のディスプレイでは、各ＬＣＤ素子において知覚される光の強度は、シャッターを通過する光の強度を変えるのではなく、シャッターが開いている時間を調節することによって変化させる。人の目は、目の生理学的性質によって決まる最小時間より短い時間にわたり起こる強度の変化にはついていくことができない。この最小時間よりも短い時間内で光源の強度が変化する場合、目は、その時間にわたり目に到達する光の強度の平均値しか観測しない。よって、いずれかの画素が開いている最長時間が上記最短時間より短い場合、第１の素子が、第２の素子が開いている時間の２倍の時間だけ開いていると、各素子から発せられる光の、素子の開放時間にわたる実際の強度が同じであっても、第１の素子の輝度は第２の素子の２倍に見える。

ＬＣＤパネルを照射するために使用される光源は、通常、ＬＣＤパネルと同じ大きさの表面を有する導光体から構築されている。この導光体は、通常、白色光源、例えば蛍光灯もしくは白熱灯によって端面に沿って照射される薄い長方形のチャンバである。光は、この導光体内で前後に反射し、これにより、導光体の上面が均一に照射されるようになっている。上面に当たる光の一部は、この上面を出射してＬＣＤパネルにぶつかる。

従来の白色光源に代わるものとして、発光ダイオード（ＬＥＤ）が提案されている。ＬＥＤは、白熱灯よりも光変換効率が高く、寿命もより長い。加えて、ＬＥＤは、低電圧源から駆動させることができる。さらに、ＬＥＤのコストおよび出力に関する利点は、将来的にも改善されていくことが期待されている。

ＬＥＤをベースとしたＬＣＤディスプレイパネルは、白色光によって照射されるパネルにおいて、その白色光源を、３色の色帯域で光を生成するＬＥＤ源で置き換えたパネルに類似している。ＬＥＤは、赤色、青色および緑色の個別のＬＥＤ源からの光を混合する混合チャンバとして働く導光体の１つ以上の端部に沿って直線的なアレイ状に配置され、従来の蛍光源もしくは白熱源に代わる白色光源を提供している。このようなＬＥＤ光源は従来の光源に対して利点を有しているが、得られる上記のディスプレイは、半導体光源の持つ他の固有の利点を利用していない。

例えば、赤色ＬＣＤ素子は、スペクトルの赤色領域の光のみを通過させる、つまり、それらの画素に当てられた青色または緑色の光は消費されてしまう。さらに、赤色フィルタは、このフィルタに入射した赤色光の一部を吸収してしまう、つまり、赤色ＬＣＤ素子では赤色光でさえもその一部が消費されてしまう。これと同じ因子によって、別のＬＣＤ素子においても同様の光損失が起こる。その結果、シャッターが開いている時間中であっても観察者に実際に届くのは、光源によって生成された光のわずかな部分のみである。このような光損失を補償するために、ＬＥＤ光源は、追加的に光を生成しなくてはならない、つまりは、さらなる電力およびさらなるＬＥＤを利用しなくてはならない。このことによって、光源のコスト、拡散させなくてはならない熱量、またディスプレイによって消費される電力も増大する。バッテリにより電力を供給する用途、例えばラップトップコンピュータおよび手持ち式のデバイスでは、このような電力の増大は特に問題となる。

ＬＥＤベースのＬＣＤディスプレイにおける光源の非効率的な利用に対処し得る解決策として、フレームシーケンシャルディスプレイ（frame sequential display）が提案されている。フレームシーケンシャルディスプレイでは、赤色、青色および緑色の成分画像が、空間的には重ね合わせられているが、時間的にわずかにずらされる。例えば、赤色の画像を表示し、次に緑色の画像、続いて青色の画像を表示する。画像が表示される時間が十分に短いと、観察者の目は３つの画像を平均化したものを知覚するだけなので、使用者は、成分画像が同時に表示されたかのように画像を知覚する。個々の色画像は、白色光を始めに照射しスペクトルの不要な部分をフィルタリングするのではなく、対応する各色の光源を使用することによって表示する。例えば、赤色画像は、１つ以上の赤色ＬＥＤからの光で導光体を照射することによって表示する。赤色画像の表示後、赤色発光体をオフにして、光源を青色発光体に切り換え、青色画像を表示し、さらに、緑色についても同様に続ける。したがって、ＬＣＤ素子にはカラーフィルタは必要でない。さらに、同じＬＣＤ素子を上記の各画像に対して使用することができるので、必要なＬＣＤ素子数はＮ個のみとなる。

フレームシーケンシャルディスプレイは、上記の問題に対する解決策を提供するように思われるが、上記ディスプレイは、ＬＣＤ素子の切換速度が遅いことに関連する別の問題があるために、広い用途範囲では許容されていない。ディスプレイがＮ画素の解像度を有するフレームシーケンシャルディスプレイにおいて再生される動画について検討する。動画の各フレームは、３つの色成分画像を連続させたものとして表示しなくてはならず、これは、３Ｎ画素の画像ではフレームは１つであるのとは異なる。よって、フレームシーケンシャルディスプレイではディスプレイ時間が３倍となる。画素を表示するのに必要な最短時間は、ＬＣＤ素子の切換時間および画像の所望のコントラスト比によって決まる。上述のように、各ＬＣＤ素子での光強度の制御は、ＬＣＤ素子がその素子に入射する光を透過させる時間の長さを、制御することによって行われる。０〜２５５までの２５６の強度値を提供するディスプレイについて検討する。フレーム間の時間には、少なくとも２５６の異なる長さの時間がなくてはならない。各成分画像の表示時間は、２５５時間長さに分割される。強度１の画素について検討する。その画素に対するＬＣＤ素子は、表示時間の始まりに開いて、第１の時間長さの終わりに（第１の時間長さが経過した後に）閉じる。強度２の画素は、フレームの始まりに開いて、第２の時間長さの終わりに（第２の時間長さが経過した後に）閉じ、強度３、４・・・の画素についても同様である。したがって、２５６の強度レベルを有するタイムシーケンシャルディスプレイは、動画のフレームを表示するのに２５５時間長さの３倍（分割されて得られる１時間長さユニット×２５５のさらに３倍）が必要となる。これに対し、従来のディスプレイでは、２５５時間長さのみが必要とされるにすぎない。通常、動画は１秒当たり３０フレーム必要であることに留意されたい。したがって、フレームシーケンシャルディスプレイは、５０μｓよりも短い時間長さを利用しなくてはならない。このことは、低価格のＬＣＤディスプレイ素子においては問題である。

上記の最短時間長さは、ＬＣＤ素子の切換時間によって決定される。１時間長さにわたり画素が開いている場合には、光強度は、ＬＣＤ素子を開くのに必要とされる時間、画素が完全に開いている時間、およびＬＣＤ素子をオフにするのに必要とされる時間に対応する。強度１の画素に対する平均光強度は、強度２の画素の平均光強度の半分でなくてはならないので、画素が完全に開いている間の時間は切換時間よりはるかに長くなっているか、またはディスプレイは低い強度で明確な非線形性を示す。したがって、ＬＣＤ素子の切換時間は、上述の５０μｓの時間長さよりもずっと短くなくてはいけない。

さらに、表示時間が長いと、別のカラーアーチファクト（color artifact）が生じる。１秒当たり３０フレームで動作するディスプレイについて検討する。各色画像は、１／９０秒間、つまり約１０ｍｓ間提示される。さらに、ディスプレイの観察者の視界が１０〜２０ｍｓのオーダーの時間長さにわたり遮断される場合について検討する。このような遮断は、観察者が瞬きする際に生じうる。観察者は、１つまたは２つの成分画像を見逃し、そのフレームの残りの１つまたは複数の成分画像を見る。これにより、１つまたは２つの色が損失することになるので、画像の色シフトが知覚されてしまう。このように生じる色シフトは、多くの観察者にとって妨げとなる。

特に、フレームシーケンシャルディスプレイにおいて、フレームの表示時間を短縮し、色シフトを低減した、動画にも対応可能なＬＣＤディスプレイを提供する。

本発明は、光源、ＬＣＤパネルおよび制御装置を有するディスプレイと、ＬＣＤパネルに画像を表示する方法とを含む。光源は、ゼロより大きな第１の強度および第２の強度を有する第１の光信号を生成する第１の発光体を有しており、第２の光強度は、第１の光強度とは異なっている。ＬＣＤパネルは、複数のＬＣＤ素子を含み、各ＬＣＤ素子は、ＬＣＤ素子が光を透過させる第１の状態と、ＬＣＤ素子が光をブロックする第２の状態とを有している。ＬＣＤパネルは、第１の光信号によって照射される。制御装置は、ＬＣＤパネルによって表示されるべき画像の受信に応答して、ＬＣＤ素子の状態および第１の光信号の強度を制御する。画像は、第１のサブ画像および第２のサブ画像を有しており、制御装置は、第１の光信号が第１の強度を有する場合には第１のサブ画像が表示されるようにし、第１の信号が第２の強度を有する場合には第２のサブ画像が表示されるようにする。第１のサブ画像および第２のサブ画像は、０．０３秒未満の時間長さで表示される。本発明の一態様では、第１の光信号は、第１の波長帯域の光を含んでおり、光源は、ゼロより大きな第３および第４の強度を有する第２の光信号を生成する第２の光発光体をさらに有している。第３の強度は、第４の強度と異なっている。第２の光信号は、第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光を含む。受信された画像は、第３および第４のサブ画像をさらに有しており、制御装置は、第２の光信号が第３の強度を有する場合には第３のサブ画像が表示されるようにし、第２の光信号が第４の強度を有する場合には第４のサブ画像が表示されるようにする。第１、第２、第３および第４のサブ画像は、０．０３秒未満の時間長さで表示される。一態様では、第１のサブ画像が最初に表示され、第２のサブ画像の前に、第３のサブ画像が表示される。

一態様では、第１の光源は、上面、底面および第１の端面を有する透明材料の層を有する光パイプを含む。この光パイプは、第１の発光体からの光を、第１の端面を通して受容するように配置されており、さらに、光が上面から全反射するようになっている。この光パイプは、再配向された光の一部が上面を通って出射するように光の一部を再配向する造作もしくは特徴体を有しており、ＬＣＤパネルは、前記上面上に載置されている。

本発明による画像を表示する方法は、画像から第１および第２のサブ画像を生成することを含む。第１のサブ画像は、パネルを照射する第１の出力スペクトルによって特徴付けられる第１の光源からの光の第１の光強度を利用してＬＣＤパネル上で表示され、第２のサブ画像は、パネルを照射する第１の光源からの第２の光強度を利用してＬＣＤパネル上で表示される。第１および第２のサブ画像は、０．０３秒未満の時間長さで表示される。

一態様では、画像から第３および第４のサブ画像が生成される。第３のサブ画像は、パネルを照射する第２の光源からの光の第３の光強度を利用してＬＣＤパネル上で表示される。第２の光源は、第１の出力スペクトルと異なる第３の強度での第２の出力スペクトルによって特徴付けられる。第３の強度は、第４の強度と異なり、これらの第３および第４の強度はゼロより大きい。第４のサブ画像は、ＬＣＤパネルを照射する第２の光源からの光の第４の光強度を利用してＬＣＤパネル上で表示される。第１および第２、第３および第４のサブ画像は、０．０３秒未満の時間長さで表示される。

本発明が利点を提供する様式は、ＬＣＤディスプレイ１６を照射する従来の光ボックスの構成を示す図１および２を参照してより簡単に理解することができる。図１は、光源１０の上面図であり、図２は、光源１０の、図１に示す線２−２に沿った断面図である。光源１０は、ＬＥＤ１１のアレイを利用して光パイプ１２を照射する。ＬＥＤは、回路基板１３上に取り付けられており、この回路基板１３は、ＬＥＤに電力を供給する第２の基板１５に取り付けられている。ＬＥＤは、各ＬＥＤの先端から発せられた光が光パイプ１２の端部を照射するように配置されている。光パイプ１２内に入射した光２３は、面１７上に設けられている粒子２２によって吸収されるかまたは散乱されるまで、光パイプ１２内で面２１に対して臨界角よりも小さな角度で前後に反射する。臨界角よりも大きな角度で面２１に当たった散乱光は、光パイプから出射し、ＬＣＤディスプレイ１６の背面を照射する。光パイプの底面は、反射性の材料で覆われているので、この底面に当たった光は上方向に反射する。

ＬＥＤは、通常、赤色、青色および緑色の光が適切な強度比で発せられるように選択され、これにより、白色光源が提供される。ＬＥＤのアレイに近接する領域２５は、混合領域として機能する。よって、ディスプレイは、ＬＥＤから離れた位置に設けられており、これにより、個々のＬＥＤに関連するいわゆる「ホットスポット（hot spots）」が平均化され、均一な強度および色の光源が提供される。

導光体５０および３つの画素５１〜５３の一部に沿った簡略化された断面図を示す図３を参照されたい。ＬＣＤアレイの詳細については当分野で知られているので、ここでは詳説しない。ここでの議論のためには、各画素が、シャッターおよび白色光源からの波長の特定の帯域を選択する帯域通過フィルタを含むものであることが留意されていれば十分である。画素５１〜５３に対応するシャッターはそれぞれ６１〜６３で示し、帯域通過フィルタはそれぞれ６４〜６６で示す。シャッターに入射する光は、予め決められた方向で偏光されていなければならない。よって、偏光フィルタ６７も含まれる。

任意の色の点を有するシーンを表示するカラーディスプレイを提供するために、各点は、３色の光を適切な強度で混合することによって構築される。通常、３つの画素を使用してシーンの各点を表す。３つの画素は異なるカラーフィルタを有しているので、所望の色の光を提供することができる。しかし、光源の強度は固定されており、よって、点に対する成分色の強度を、各画素に入射する光の強度を変化させることにより設定することはできない。従来のディスプレイでは、この問題を、人の目が網膜上の各点での光強度を比較的長い時間間隔にわたり平均化するという知見を利用することによって克服していた。これは、つまり、目が、そのような時間間隔にわたる平均の光強度を見るにすぎないことを意味している。動画のフレームが表示される時間をＴで示し、シャッターが開いている、つまり光が通過する時間長さをｔで示す。画素の観察者は、Ｔが十分に短かければ、ｔ／Ｔに比例する明確な強度を有する一定強度のカラードットを見ることになる。

従来のディスプレイでは、強度は、デジタル値に設定されている。したがって、ゼロでない最小強度は１／Ｔに比例し、最大強度値はＭ／Ｔに比例する（Ｍ＝２^ｋ−１であり、ｋは、設計されるディスプレイの色強度のビット数である）。Ｍはコントラスト比でもある。通常、市販のＬＣＤディスプレイのコントラスト比は５００：１である。つまり、ｋ＝９である。

本発明は、従来のように３つの全ての画像を同時に提示するのではなく、十分に短い時間長さで観察者に、赤色、青色および緑色の成分画像を提示することによってカラー画像を生成することができるという知見に基づいている。上述の従来の光源が３つの別個の成分光源として観察され、この場合、各成分光源が成分画像の１つに対応する色を生成することができることに留意されたい。つまり、赤色画像が生成される場合、赤色ＬＥＤのみがオンとなる。したがって、上述のカラー帯域通過フィルタを省くことができる。さらに、各ＬＣＤ素子は、対応する点に対する画像で３つの全ての色を生成するために使用され、その場合、画像生成のためにはＮ個のＬＣＤ素子しか必要ではない。したがって、より高い解像度のディスプレイを、現存のディスプレイに匹敵するコストで提供することができる。最後に、以下に詳細に述べるが、ＬＥＤによって生成される光の強度を各成分画像が表示されている間に操作することによって、実質的により高いコントラスト比および／またはより短い表示時間を得ることができる。

本発明の一態様によるディスプレイ７０の簡略化された断面図である図４を参照されたい。ディスプレイ７０は、ＬＣＤシャッターアレイ７９を有している。例示的なシャッターを参照番号７１〜７４で示す。偏光フィルタ６７は、シャッターに入射する光が適切な偏光を有するように保証する。ＬＣＤシャッターアレイには、導光体７５を出射する光が照射され、導光体７５は、上述したものと同じ形式で機能する。導光体７５は、ＬＥＤの３つの直線状のアレイによって照射される。描写および議論を簡略化するために、ＬＥＤのアレイは、互いに垂直に積層されている状態にあり、それぞれ参照番号７６〜７８で示す。各アレイは、図面の平面に対して垂直な方向に延びている。各アレイは、特定の色の光を生成する。ここでの議論のために、アレイ７６が赤色光を、アレイ７７が緑色光を、アレイ７８が青色光を生成するものと仮定する。制御装置８１は、ＬＥＤによって生成された光の強度およびシャッターの状態を制御する。

成分画像が生成される様式について、以下により詳細に説明する。成分画像は、対象となる色のその画像のＮ個の画素に対し、Ｎ個の強度値を含んでいる。そのような成分画像が、各色に対して１つ存在する。各強度値は、対応する１つのシャッターが透過状態にある時間を制御する。ここで、赤色画像が生成されると仮定する。赤色画像は、フレーム時間Ｔにわたり生成される。以下の議論では、フレームの始まりからの時間をｔで表す。議論を簡単にするために、ｔは整数であり、ｔ＝Ｍは、Ｔに対応すると仮定する。画素ｊで表示されるべき強度をＩ_ｊで表し、このＩ_ｊも整数である。フレームの始まりでは、シャッターの全てが閉じられており、光源の全てがオフになっている。フレームを開始させる時、もしくはフレームを開始させる少し前、赤色光源をオンにする。ｔ＝０では、Ｉ_ｊ＞０である全てのシャッターを開き、赤色光源７６をオンにする。時間ｔでは、Ｉ_ｊ＝ｔである画素に対応する全てのシャッターを閉じ、フレームの継続時間中閉じたままにする。ｔ＝Ｔで、赤色光源をオフにする。このプロセスを緑色光源および青色光源においても繰り返す。

上述のように、Ｔには上限がある。画像は連続的に使用者に提示されるので、上述の態様でのＴの最大値はＴ_０／３であり、このＴ_０は、画像が同時に生成される従来の方式でのＴの最大値である。したがって、この種のフレームシーケンシャルディスプレイは、より低いコントラスト比を有するかもしくはより速く切換えられるＬＣＤ素子を有していなければならない。

本発明により、実質的により高いコントラスト比および／または短縮されたフレーム表示時間を、成分画像の生成中に成分光源の強度を変化させることによって構築することができるという知見を利用することができる。上述のように、目は、各画素で発生する光の平均強度を観測するにすぎない。よって、１０時間長さにわたりオンになっている１単位の強度を有する光信号は、１時間長さのみにわたりオンになっている強度の１０単位の強度を有する光源と、同じ強度を有しているものと知覚される。

各強度値が、Ｋビット整数で表されると仮定する。ここで、Ｋ＝ｌｏｇＭであり、Ｍは成分画像に対する最大の強度値である。Ｋの個々の強度レベルＩ_ｋ＝Ｉ_０２^ｋ（Ｉ_０は定数）を有する光源について検討する。各フレーム表示時間は、１〜Ｋまで移行するｋに対応するＫの間隔に分割される。フレームの開始時には、光源は最大値にある、つまり、強度がＩ_０２^ｋであり、全てのシャッターは閉じられている。表示される成分画像におけるｊ番目の画素について検討し、ｎ_１、ｎ_２、・・・、ｎ_Ｋ（各ｎの値は、１または０であり、ｎ_１は強度値の最大のビットである）によって所望の強度値のビットが表される。間隔ｋで、強度は上述のようにＩ_ｋに設定されており、シャッターを設定する制御装置は、各画素シャッターに対する各強度値のｋ番目のビットを検査する。ｎ_ｋ＝１の時、対応するシャッターが開く。ｎ_ｋ＝０の時、対応するシャッターは閉じる。

よって、最大コントラスト比Ｍ：１を有するディスプレイを形成するには、ｌｏｇＭの時間間隔しか必要でない。上述のように典型的なコントラスト比は、５００のオーダーである。よって、Ｋが９である本発明の態様により、９の時間間隔で、５００の時間間隔を利用する従来のＬＣＤディスプレイと同じコントラスト比を得ることができる。したがって、成分画像を連続的に表示できるように、表示時間を３倍に増大させた後でさえも、本発明は、実質的により短い時間でフレームを完了させることができる。短縮された時間を利用して、より大きなコントラスト値もしくはより大きなフレーム速度までも得ることができる。表示時間がより短いことによって、上述のカラーアーチファクトも低減される。

上述の２値強度様式によって、任意の所与の最大コントラスト比に対して、最短のフレーム表示時間がもたらされる。しかし、光源からの最大のダイナミックレンジが必要とされる。５１２：１のコントラスト比を得るためには、光源が、２５６：１のダイナミックレンジを有さなくてはならない。しかし、同じ原理に基づく非２値様式を、光源からのダイナミックレンジに対してフレーム表示時間を交換条件にして構築することができる。例えば、２つの強度値、最大の強度ＲＩ_０および最小の強度Ｉ_０を有する光源について検討する。Ｒは整数であると仮定する。Ｍ−１のコントラスト比を有する、つまり、各画素の強度値が、０〜Ｍ−１の間の数であるディスプレイについて検討する。上述のように、このコントラスト比で成分画像を表示するための時間は、本発明の可変の光強度システムを利用しなければＭ−１の時間間隔となる。

本発明のこの態様では、成分画像に対する表示間隔は、２つのサブ間隔に分割される。第１のサブ間隔には、Ｎ_１で表される時間長さの数が割り当てられる。第２のサブ間隔は、Ｎ_２の時間長さが割り当てられる。Ｎ_１は、商（Ｍ−１）／Ｒの整数部分であり、Ｎ_２＝Ｒ−１である。成分画素での画素の１つに対して画素強度値ｍを付与するとすると、対応するＬＣＤ素子は、第１のサブ間隔ではｍ_１の時間長さにわたり、第２のサブ間隔ではｍ_２の時間長さにわたり開放に保たれる（ｍ_１は、商ｍ／Ｒの整数部分であり、ｍ_２は、ｍ−ｍ_１Ｒである）。例えば、Ｒ＝８およびＭ＝５０１（つまり、コントラスト比が５００）である場合には、第１のサブ間隔は６２の時間長さとなり、第２のサブ間隔は７の時間長さとなる。よって、成分画像は、一定の強度の光源によって必要とされる５００の時間長さにの代わりに、６９の時間長さで表示することができる。

上述の可変の光強度様式は、非フレームシーケンシャルディスプレイにも適用することができ、これにより、フレーム表示時間を長くすることなくディスプレイのダイナミックレンジは広がる。時間でなく空間的に成分画像をシフトして表示する３Ｎ個のＬＣＤ素子を有するディスプレイについて検討する。この場合には、全ての３つの画像を同時に表示する、つまり、前述のように、全ての３つの光源を同時にオンにする。光源が、上述のように光源の強度を変化させることができるＬＥＤもしくはレーザから構成されていると仮定する。従来の様式では、生成可能な最大のコントラスト比は、動画をディスプレイに提示する際のモーションアーチファクト（motion artifact）を回避するように画像を表示するのにかけられる時間と、ＬＣＤ素子に対する切換時間間隔の最小値とに依存する。最小時間長さがＴである場合には、最大コントラスト比は、画像を生成するために利用可能であるわずかな時間（コンマ１秒）の１／Ｔ倍である。この時間は、通常、３０分の１秒である。しかし、上述のように、表示間隔を２つのサブ間隔に分割する場合には、Ｍのコントラストを生成するために必要とされる時間は著しく低減される。例えば、上述のＲ＝８の例では、５００のコントラスト比を、５００の代わりに、たった６９の時間長さで提供することができる。逆に、５００の時間長さの全てを利用する場合には、約４０００のコントラスト比を達成できる。

導光体を照射するための好ましい光源は、光源の一端部に対して平行な軸線を有する直線的な光源である。従来のＬＥＤベースの光源では、隣接するＬＥＤが異なる色を発光するようなＬＥＤの直線的なアレイを提供することによって、直線的な白色光源に近似することを試みている。つまり、赤色、青色および緑色のＬＥＤの直線的なアレイが、赤色、青色および緑色のＬＥＤを、適切な基板上の直線に沿って繰り返し配置することによって構成されている。このような配置を、従来の直線的な光源を示す図５に示す。直線光源９０は、ＬＥＤの三連の組を基板９２上に取り付けることによって構築される。典型的な三連の組を、参照番号９１で表す。この配置には多くの欠点がある。第１に、パッケージングされたＬＥＤを使用する場合、隣接するＬＥＤ間の距離は長くくなりうる。光源は、個々のＬＥＤ間の距離に比較して長い距離での、直線光源の良好な近似が行われるしかない。よって、ＬＥＤがより大きく分離されていることによって、上述の種類の混合ゾーンのより大きなものが必要となる。パッケージングされていないダイを基板に取り付けることによって光源を構築する場合でも、分離は大きくなりうる。さらに、多数の個々のＬＥＤを、一度に１つのダイに対して基板に取り付けなければならないので、製造時間が大きくなりうる。

これに対して、本発明は、ＬＥＤの３つの別個の直線状アレイから構築することができる。アレイのＬＥＤは同一であるので、ウェハを切断して、基板に取り付けられたＬＥＤの長い直線状のストリップを提供することができる。また、ＬＥＤが、ウェハ上にある時と同じ間隔で配置されているので、この光源は、上述の個々に取り付けられるＬＥＤの光源よりも、直線的な光源により近くなる。さらに、光源に対してそのようなストリップは数個しか必要でないので、製造時間は実質的に低減される。

上述のフレーム生成中に光源の強度が変化する態様では、多数の、隣接させてパッケージングした小さな点光源が好ましいことにも留意されたい。ＬＥＤが十分に近接している場合には、光源強度は、選択されたＬＥＤをオフにすることによって変化させることができる。例えば、１つおきにＬＥＤがオンにすると、光源の強度は２倍に低下する。４つおきにＬＥＤをオンにすると、光源の強度は４倍に低下する。

図４を参照して上述した態様では、個々の直線状のアレイは、互いに上下に重ね合わされて配置されていた。しかし、別の配置も利用することができる。本発明の別の態様によるＬＣＤディスプレイの上面図を示した図６を参照されたい。ＬＣＤディスプレイ１００は、導光体１１０の異なる端部にそれぞれ取り付けられている直線状の光源を利用する。ＬＣＤパネル１０１は、導光体１１０の内部領域内に配置されており、様々なＬＥＤアレイ間に十分な空間を提供し、光源の長さに沿った強度の任意の変動を平均化する。この例では、４つの異なるＬＥＤ源を使用する。これらの光源は、参照番号１０２〜１０５で示す。第４の光源については、以下に詳細に説明する。

ディスプレイの操作を中断することなく、光源は、異なる長さおよび異なる強度を有することが可能であることに留意されたい。特定の直線状の光源が別の光源よりも輝度が高い場合には、対応する成分画像の表示に使用される時間長さを低減することができる。例えば、青色光源１０３は赤色光源よりも長さがかなり長く、よって、光度がおなじであれば、より大量の光を発生する。同様に、光源が、別の光源よりも弱い場合、より長い時間長さを利用して補償することができる。

上述のように、図６に示す態様では、参照番号１０５で示す第４の光源を利用している。４色に基づく色再現様式は当分野でよく知られているので、ここでは詳しくは説明しない。ここでの議論のためには、第４の色により、表示可能な色の全範囲が拡大することを含むことに留意されていれば十分である。さらに、特定の用途では、特に、特定色の再現性に関する要求が高いことがある。例えば、ＴＶ画像における新鮮な色調は観察者には特に重要であり、よって、適正な色調からは小さな逸脱も許容されない。別のカラー画像を追加することにより、所望の色調をより正確に再現するための手段をもたらすことができる。

本発明は、異なる成分画像もしくは多数の成分画像を利用する従来のカラーディスプレイを構築するのに適していることに留意されたい。色が、ＬＣＤアレイの一部であるフィルタのセットによってではなく、光源によって決定されるので、新たな色様式に基づくディスプレイを形成するためには、光源およびディスプレイのアルゴリズムを変えるだけでよい。

上述の態様は、各成分画像に対する表示間隔を複数のサブ間隔に分割し、この場合、光源からの光の強度を、サブ間隔が処理されることによって変化させる。フレームシーケンシャルディスプレイの態様では、所与の色成分画像の全てのサブ間隔は、次の色成分画像に移行する前に表示されていた。しかし、サブ画像のディスプレイが非シーケンシャルである態様も構築することができ、フレームシーケンシャルディスプレイと関連したモーションアーチファクトはさらに低減される。

各色成分画像がＮ個のサブ画像に分割されるシステムであって、各サブ画像が、別々の時間間隔で表示されるものについて検討する。上述の態様では、赤色光源をオンにし、第１のサブ間隔と関連する強度で設定し、そして、適切な時間長さに対してＬＣＤ素子を開くことによって第１のサブ画像を表示する。次に、赤色光源を第２のサブ間隔に関連した強度に設定し、表示される第２のサブ画像を表示する。他のサブ画像についても同様に行われる。Ｎ個全ての赤色サブ画像が表示された後、青色光源を同様の方式で使用して、青色サブ画像を表示する。最後に、緑色光源を使用して緑色サブ画像を表示する。

様々なサブ画像は、互いに独立しており、よって、サブ画像の全セットが短い時間間隔で表示され、目が、同時に生成されたように画像を知覚するのであれば、任意の順序で表示することができることに留意されたい。例えば、上述のシーケンシャルの態様では、第１の赤色サブ画像の表示後に、第１の青色サブ画像を表示し、その後、第１の緑色サブ画像を表示することができる。続いて、第２の赤色、青色および緑色のサブ画像を表示し、同様にして続ける。この種の混合されたサブ画像ディスプレイは、上述の種のモーションアーチファクトに対して耐久性があり、それというのは、各サブ画像の様々な色の表示がより短い時間で達成されるからである。その結果、モーションアーチファクトは、色の変化よりは強度の変化として知覚される。観察者が瞬きをする時には強度の変化があることは分かっているので、このようなアーチファクトは、不都合ではない。

本発明の上述の態様では、ＬＥＤもしくはレーザをベースとする半導体光源を使用する。このような光源は、光源からの光の強度を、各サブ画像に割り当てられた時間のわずかな成分で変化させることができるので、好ましい。しかし、所要の強度レベルを提供可能な任意の光源を使用することができる。例えば、蛍光灯および電子シャッターから構築される光源を使用して、迅速な切換光源を得ることができる。その場合、複数の光源を使用するもしくは光減衰の形態を使用することによって、異なる強度レベルが実施される。

本発明の上述の態様は、カラーディスプレイに関するものであった。しかし、本発明は、上述のカラー光源を所望の光源に変えることによって、拡大されたダイナミックレンジを有するモノクロディスプレイを構築するのに使用することもできる。

本発明の上述の態様では、各光源のスペクトル出力が、成分画像を表示するのに使用される強度のそれぞれで同じであると仮定している。ここでの議論のために、光源のスペクトル出力を、光スペクトルの可視領域での波長の関数としての光源の相対強度となるように規定する。第１の光源の光スペクトルを、第１の光スペクトルでの各点を波長から独立した定数で倍掛けすることによって第２の光源の光スペクトルと同一に作製できる場合には、２つの光源は同じ光スペクトルを有するように規定される。

光源のスペクトル出力におけるわずかなシフトは許容されることに留意されたい。このようなシフトによって、１つのサブ画像の色がわずかにシフトされるように知覚されるようになる。しかし、この知覚される色はサブ画像の強度の加重和であるので、シフトは小さいことが予測され、それというのは、最も大きな強度を有するサブ画素が支配的となる傾向があるからである。３色より多い色のカラー様式では、様々な色への強度割り当てを行うために使用される追加的な色およびマッピングは、光スペクトルのシフトを補正するように調節することができる。

本発明の様々な変化形が可能であることは、上記の説明および添付の図面から当業者には明らかである。よって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。

光源１０の上面図であり、ＬＣＤディスプレイを照明する従来の光ボックス構成を示す。 光源１０の、図１に示す線２−２に沿った断面図である。 導光体およびその導光体からの光によって照明される３つの画素の一部の簡略化した断面図である。 本発明の一態様によるディスプレイ７０の簡略化した断面図である。 従来の直線的な光源を示す図である。 本発明の別の態様によるＬＣＤディスプレイの上面図である。

符号の説明

７０、１００ ディスプレイ
７１〜７４ ＬＣＤ素子
７５、１０１ 光パイプ
７６〜７８、１０２〜１０４ 発光体
７９ ＬＣＤパネル
８１ 制御装置

Claims (12)

1. いずれもゼロより大きい、第１の強度および該第１の強度より大きい第２の強度を有する第１の光信号を発生する第１の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）と、
   複数のＬＣＤ素子（７１〜７４）が設けられているＬＣＤパネル（７９）であって、各ＬＣＤが、ＬＣＤ素子が光を透過させる第１の状態とＬＣＤ素子が光をブロックする第２の状態とを有しており、前記ＬＣＤパネル（７９）が前記第１の光信号によって照射される、ＬＣＤパネルと、
   前記ＬＣＤ素子の状態および前記第１の光信号の前記強度を、前記ＬＣＤパネル（７９）によって表示される画像の受信に応答して制御する制御装置（８１）であって、前記画像が、第１のサブ画像および第２のサブ画像を有しており、前記制御装置（８１）が、第１の光信号が第１の強度を有している場合には第１のサブ画像を生じさせ、前記第１の光信号が第２の強度を有している場合には第２のサブ画像を生じさせ、前記第１および第２のサブ画像が、０．０３秒未満の時間長さで表示される、制御装置と
   を備えている、ディスプレイ（７０、１００）。
2. 前記第１の光信号が、第１の波長帯域の光を有し、
   前記光源が、ゼロより大きい第３および第４の強度を有する第２の光信号を発生する第２の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）をさらに有しており、前記第３の強度が、前記第４の強度と異なり、前記第２の光信号が、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光を有し、
   前記受信された画像が、第３および第４のサブ画像をさらに有しており、前記制御装置（８１）が、前記第２の光信号が第３の強度を有している場合には第３のサブ画像を生じさせ、前記第２の光信号が第４の強度を有している場合には第４のサブ画像を生じさせ、前記第１、第２、第３および第４のサブ画像が、０．０３秒未満の時間長さで表示される、請求項１に記載のディスプレイ（７０、１００）。
3. 前記第１のサブ画像がまず表示され、前記第２のサブ画像の前に前記第３のサブ画像が表示される、請求項２に記載のディスプレイ（７０、１００）。
4. 前記第１の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）が、ＬＥＤを含む、請求項１に記載のディスプレイ（７０、１００）。
5. 前記第１の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）が、半導体レーザを含む、請求項１に記載のディスプレイ（７０、１００）。
6. 前記第１の光源が、上面、底面および第１の端面を有する透明材料の層を含む光パイプ（７５、１０１）を有しており、該光パイプ（７５、１０１）が、前記第１の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）から前記第１の端面を介して光を受容するように配置されており、その場合、前記光が前記上面から全反射し、前記光パイプ（７５、１０１）が、前記光の一部を再配向するような造作を有していて、該再配向された光の一部が前記上面を通って出射するようになっており、前記ＬＣＤパネル（７９）が、前記上面上に載置されている、請求項１に記載のディスプレイ（７０、１００）。
7. 前記第１の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）が、直線状のアレイに配置されている複数の半導体発光体を有している、請求項６に記載のディスプレイ（７０、１００）。
8. 前記透明材料の層が、第２の端面を有しており、前記光源が、ゼロより大きな第３および第４の強度を有する第２の光信号を発生する第２の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）をさらに有しており、前記第３の強度が、前記第４の強度と異なっており、前記第２の光信号が、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光を含み、前記第２の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）の光が前記第２の端面を介して前記透明材料の層に入射するように当該第２の発光体（７６〜７８、１０２〜１０４）が配置されている、請求項６に記載のディスプレイ（７０、１００）。
9. 画像を表示する方法であって、
   前記画像から第１および第２のサブ画像を生成し、
   前記パネルを照射する第１の光源からの光の第１の光強度を利用して、ＬＣＤパネル（７９）に前記第１のサブ画像を表示し、該ＬＣＤパネル（７９）が、複数のＬＣＤ素子（７１〜７４）を有しており、各ＬＣＤが、前記ＬＣＤ素子が光を透過させる第１の状態と該ＬＣＤ素子が光をブロックする第２の状態とを有しており、前記第１の光源が、前記第１の強度で第１の出力スペクトルを有することを特徴としており、前記第１の強度が前記第２の強度と異なっており、前記第１および第２の強度がいずれもゼロより大きくなっており、
   前記パネルを照射する前記第１の光源からの第２の光強度を利用して前記第２のサブ画像を前記ＬＣＤパネル（７９）に表示し、前記第１および前記第２のサブ画像を０．０３秒未満の時間長さで表示する、方法。
10. 前記画像から、第３および第４のサブ画像を生成し、
    前記パネルを照射する第２の光源からの光の第３の光強度を利用して前記第３のサブ画像を前記ＬＣＤパネル（７９）に表示し、前記第２の光源が、前記第１の出力スペクトルとは異なる前記第３の強度での第２の出力スペクトルによって特徴付けられており、前記第３の強度が前記第４の強度と異なっており、前記第３および第４の強度がいずれもゼロより大きくなっており、
    前記パネルを照射する前記第２の光源からの光の第４の光強度を利用して、前記第４のサブ画素を前記ＬＣＤパネル（７９）に表示し、前記第１、第２、第３および第４のサブ画像を０．０３秒未満の時間長さで表示することをさら含む、方法。
11. 前記第１の強度での前記第１のスペクトル出力が、前記第２の強度での前記第１のスペクトル出力と等しい、請求項９に記載の方法。
12. 前記画像を前記第１および第２のサブ画像に分割することが、前記第１の強度および前記第２の強度での前記第１の出力スペクトルに依存する、請求項９に記載の方法。

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