JP2007148331A - 液晶表示素子およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表示品位に優れるとともに、照明装置の消費電力を従来より低減することのできる液晶表示素子およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】液晶表示素子の駆動方法は、画像データをデガンマ処理する第１の工程と、デガンマ処理されたデータについてフレーム毎の最大値を求め、この最大値を平滑化して得られた値Ｐ_ｎを検出する第２の工程と、デガンマ処理されたデータに対して、Ｐ_ｎが透過率１００％となるようにデータ処理する第３の工程と、デガンマ処理されたデータをガンマ処理して元の画像データに戻す第４の工程とを有する。第４の工程で得られた画像データは駆動回路に入力される。また、第２の工程で検出したＰ_ｎのデータから、照明装置がＰ_ｎに対応した輝度となるように照明装置の発光輝度が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置を備えた液晶表示素子およびその駆動方法に関する。

一般に、液晶表示素子は、所定の方向に配向した数μｍ程度の極薄い液晶層と、この液晶層を挟持する一対の薄い基板と、さらに、この基板を挟持して偏光子および検光子を構成する一対の偏光板とを有する。基板には、液晶層を挟んで向かい合う一対の透明電極が形成されている。この透明電極に電圧を加えると、電極間で電場が発生し、液晶分子の配向が変化する。これにより、液晶表示素子を透過する光の量を変えることができる。

こうした液晶表示素子は、構成部材の選択によって薄型化や軽量化が容易であり、また、低電圧での駆動も可能であることから、テレビ、車両用のインストルメントパネル、または、携帯電話を始めとする携帯情報端末用の表示素子などに広く利用されている。

液晶表示素子は、主として、バックライトやフロントライト等の照明装置、液晶パネルおよび駆動回路によって構成される。照明装置は、視認方向またはその反対方向から液晶パネルを照明する。一方、駆動回路は、液晶パネル内にある電極を介して液晶層に電圧を印加し、液晶の配向を変化させる。これによって、電圧を印加した部分と印加していない部分とで、液晶の屈折率異方性（Δｎ）と液晶層厚（ｄ）との積（Δｎ・ｄ）により定まる光の透過特性に違いが生じる。液晶表示素子が動作している間、照明装置は連続して点灯した状態にあるが、液晶層を透過する光の透過特性にこのような違いが生じることによって、液晶パネル上で明暗を形成して所望の表示を行うことが可能となる。

このような液晶表示素子の輝度は、液晶パネルの透過率と照明装置の明るさによって決定される。ここで、液晶パネルの透過率は、液晶のモード、偏光板の特性およびカラーフィルタの特性などによって定まる。したがって、輝度を向上させるには、照明装置を明るくするのが最も容易である。このため、近年では、消費電力が低くて発光輝度の高い照明装置の開発が進められている。

しかし、輝度を向上させるために照明装置の発光輝度を高くすると、黒色が明るくなって、画像の表示品位が低下するという問題があった。

この問題に対しては、外部から供給される映像信号Ｖ_ｉｎについて、一定周期毎にピークレベルＶ_ｐを検出し、この値からゲインＧ_ｓ＝Ｖ_ｐ／Ｖ_０（Ｖ_０：映像信号Ｖ_ｉｎの標準的なピークレベル）を算出した後、映像信号レベルをＶ_ｃ＝Ｖ_ｉｎ／Ｇ_ｓとして変調する方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法では、変調された映像信号Ｖ_ｃによって空間変調素子を駆動するとともに、発光部の光出力レベルをＬ_ｏｕｔ＝Ｇ_ｓ×Ｌ_ｏ（Ｌ_ｏ：発光部の基準光出力レベル）とする。そして、この一連の処理を一定周期毎に繰り返すことによって、画像の表示品位を向上させることができるとされる。

特開平６−１０２４８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、画面にちらつきが発生するという問題があった。

一方、映画などの映像を液晶表示素子によって表示する場合、画面は一般に暗い色調であることが多い。このような場合、照明装置は常に１００％の出力で点灯しているものの、液晶によって照明装置の光を遮ることによって画面を暗くしている。このため、照明装置が無駄に電力を消費しているという問題もあった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、表示品位に優れるとともに、照明装置の消費電力を従来より低減することのできる液晶表示素子およびその駆動方法を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、駆動回路によって駆動される液晶パネルと、この液晶パネルに所定の光を照射する照明装置と、この照明装置を駆動する照明装置用ドライバと、画像データをデガンマ処理して所定の周期毎の最大値を検出し、この最大値が透過率１００％となるようにデータ処理した後に、デガンマ処理されたデータをガンマ処理して元の画像データに戻す画像データ処理手段とを有し、画像データ処理手段から出力された画像データを駆動回路に入力するとともに、画像データ処理手段で検出した最大値のデータを照明装置用ドライバに入力することを特徴とする液晶表示素子に関する。

本発明の第２の態様は、駆動回路によって駆動される液晶パネルと、この液晶パネルに所定の光を照射する照明装置とを有する液晶表示素子の駆動方法において、画像データをデガンマ処理する第１の工程と、デガンマ処理されたデータについてフレーム毎の最大値を求め、この最大値を平滑化して得られた値Ｐ_ｎを検出する第２の工程と、デガンマ処理されたデータに対して、Ｐ_ｎが透過率１００％となるようにデータ処理する第３の工程と、第３の工程の後に、デガンマ処理されたデータをガンマ処理して元の画像データに戻す第４の工程とを有し、第４の工程で得られた画像データを前記駆動回路に入力するとともに、第２の工程で検出したＰ_ｎのデータから、照明装置がＰ_ｎに対応した輝度となるように前記照明装置の発光輝度を制御することを特徴とする液晶表示素子の駆動方法に関する。

本発明の第２の態様において、平滑化は、最大値を再帰的に処理する方法とすることができる。また、平滑化は、最大値について複数のフレーム毎に平均値を算出する方法とすることもできる。この場合、複数のフレームは、３２個以上のフレームとすることが好ましい。
照明装置の発光輝度の制御は、所定の最小輝度から最大輝度までを結ぶ滑らかな曲線にしたがって行うことが好ましい。この場合、最大輝度を１００としたときに、最小輝度は２５〜５０の範囲内であることが好ましい。

本発明の第１の態様によれば、画像データをデガンマ処理して所定の周期毎の最大値を検出し、この最大値が透過率１００％となるようにデータ処理した後に、デガンマ処理されたデータをガンマ処理して元の画像データに戻す画像データ処理手段を設けることによって、表示品位に優れるとともに、照明装置の消費電力を従来より低減することのできる液晶表示素子を提供することができる。

また、本発明の第２の態様によれば、デガンマ処理されたデータについてフレーム毎の最大値を求め、この最大値を平滑化して得られた値Ｐ_ｎを検出し、照明装置がＰ_ｎに対応した輝度となるように照明装置の発光輝度を制御するので、表示品位に優れ、且つ、照明装置の消費電力を従来より低減することのできる液晶表示素子の駆動方法を提供することができる。

上述したように、従来の液晶表示素子においては、液晶で照明装置の光を遮ることによって暗い色調の画像を表示していた。この場合、照明装置の発光輝度は変化していない。そこで、本発明者は、画像が暗い場合には、照明装置の発光輝度をそれに応じて低くする一方で、液晶の透過率を向上させることによって表示を行うことを考えた。この方法によれば、表示品位を低下することなしに、照明装置の消費電力を低減することが可能となる。

図１に、本実施の形態における液晶表示素子の駆動方法を示すフローチャートである。本実施の形態においては、照明装置としてバックライトを用いた場合を例示する。

図１に示すように、まず、データ処理を容易にするために、画像データについてデガンマ処理を行う（ステップ１）。具体的には、画像データと輝度が比例するようにデータを変換する。本実施の形態では、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色につき入力信号が６ビットの場合、６ビット以上１０ビット以下でデガンマ処理することができる。

次いで、デガンマ処理されたデータについてフレーム毎の最大値を求め、この最大値を平滑化して得られた値Ｐ_ｎを検出する（ステップ２）。

次に、デガンマ処理後のデータに対して、ステップ２で検出したＰ_ｎが透過率１００％となるようにデータ処理する（ステップ３）。

その後、データをガンマ処理して元の画像データに戻した後（ステップ４）、このデータを液晶パネルを制御する駆動回路に送る（ステップ５）。

一方、ステップ２で検出したＰ_ｎのデータから、バックライトがＰ_ｎに対応した輝度となるように、バックライトの発光輝度を制御する（ステップ６）。本実施の形態においては、バックライトを調光する際の輝度の最小値（最小輝度）を求め、この値から、バックライトの最大輝度（出力１００％に対応する輝度）までを線形補間し、得られた曲線にしたがってバックライトの輝度を変調することが好ましい。

ステップ１〜６を繰り返すことによって、これらの処理を行わない画像データから得られる映像と同じ映像を、バックライトの消費電力を抑制した状態で表示することができる。

尚、本実施の形態においては、メモリを使わずに、送られてきた画像データからＰ_ｎを検出し、次に送られてきた画像データに、前に検出したＰ_ｎのデータを適用することができる。また、メモリを用いて、送られてきた画像データのＰ_ｎを検出しつつ、メモリに一旦格納し、検出したＰ_ｎのデータをメモリから読み出したデータに適用することもできる。

ステップ２におけるＰ_ｎは、次のようにして決定されることが好ましい。

まず、デガンマ処理された値について、一定周期毎の最大値を求める（ステップ２０１１）。ここで、一定周期とは一画面表示に相当する期間を指し、本実施の形態においては１フレーム期間を言う。

次いで、求めた最大値をＭとして、式（１）からＰ_ｎを求める（ステップ２０１２〜２０１３）。ここで、Ｐ_ｎは、ｎ番目のフレームで用いられる最大値である。尚、式（１）で算出した値については、小数点以下を切り上げるようにする。得られたＰ_ｎの値はメモリに格納され、次のフレームにおけるＰ_ｎを算出する際に利用される。

Ｐ_ｎ＝（１−α）Ｍ＋αＰ_ｎ−１ （０≦α＜１） （１）

αの値が大きいほど、平滑化の度合いが大きくなるので、画面上でのちらつきを低減することができる。本実施の形態においては、０．８０≦αであることが好ましく、０．９２≦αであることがより好ましく、０．９７≦αであることがさらに好ましい。α＝０．８０は、ちらつきの許容加減レベルである。αの値が０．９２以上であれば、ちらつきが殆どないレベルとすることができる。さらに、αの値が０．９７以上であれば、ちらつきを全く視認できないレベルとすることができる。

また、Ｐ_ｎは、図２のステップ２′のようにして決定されることもできる。尚、図２のステップ１およびステップ３〜６は、図１で説明したのと同じである。

まず、デガンマ処理された値について、一定周期毎の最大値を求める（ステップ２０２１）。ここで、一定周期とは一画面表示に相当する期間を指し、本実施の形態においては１フレーム期間を言う。また、図２において、メモリ１→メモリ２→メモリ３→・・・→メモリｎは、フレーム毎に、メモリ１のデータがメモリ２に移され、メモリ２のデータがメモリ３に移されて、最終的には、メモリｎにデータが移されることを表している。

次いで、求めた最大値について複数のフレーム毎に平均値を算出することによって、Ｐ_ｎの値を求めることができる（ステップ２０２２〜２０２５）。

このように、本実施の形態においては、平滑化して得られるＰ_ｎの値を、図１に示すように、フレーム毎の最大値を再帰的に処理する方法によって求めることもできるし、また、図２に示すように、フレーム毎の最大値について複数のフレーム毎に平均値を算出する方法によって求めることもできる。尚、再帰的に処理する方法によれば、割り算処理を必要としないので、平均値を算出する方法に比べて、より簡単な回路構成とすることができる。また、再帰的な処理による場合には、αの値を変えるだけで平滑化の度合いを変化させることができる。例えば、αを大きくすると、平滑化の度合いを大きくすることができる。これに対して、平均値を算出する場合には、平均化するフレームの数を変えることによって、平滑化の度合いを変化させることができる。但し、この場合、フレームの数によって異なる回路が必要となるために、回路規模の変更が伴われる。例えば、フレーム数を３、４および５と変化させる場合には、３で割る回路、４で割る回路および５で割る回路が別々に必要となる。

一方、ステップ２におけるＰ_ｎの値を、以下の方法で求めたのでは画質の低下を招く。

例えば、フレーム毎に最大値を検出し、この最大値をＰ_ｎとして、ステップ３におけるデータ処理をフレーム毎に更新した場合には、最大値が変化する毎に画面上にちらつきが発生してしまう（比較例１）。また、複数のフレームを１単位と考え、この１単位毎に検出した最大値をＰ_ｎとした場合にも同様のちらつきが発生してしまう（比較例２）。

また、フレーム毎に最大値を検出し、複数のフレームの中での平均値をステップ２におけるＰ_ｎとすると、ちらつきは低減されるようになるが、輝度の急激な変化（暗→明）を伴う画像を応答性よく表示することが困難となる（比較例３）。この場合、平均値を算出する際のフレーム数を少なくすることによって応答性を改善することができるものの、反対に、画面上にちらつきが発生するようになる。

また、フレーム毎に検出した最大値に適当な係数を乗じ、これらの値について複数のフレームの中での平均値をステップ２におけるＰ_ｎとする場合も考えられる（比較例４）。この場合、例えば、直前のフレームにかける係数の値を１０とし、２つ前のフレームにかける係数の値を５とし、３つ前のフレームにかける係数の値を２などとして、時系列にしたがってデータに重み付けを行う。この方法によれば、ちらつきは低減されるようになるが、上記と同様に、輝度の急激な変化（暗→明）を伴う画像を応答性よく表示することが困難となる。また、平均値を算出する際のフレーム数を少なくすることによって応答性を改善することができるが、画面上にちらつきが発生するようになるのも上記と同様である。

上記の比較例１〜４で問題となるちらつきは、液晶パネルの輝度が低いときに顕著となる。そこで、バックライトの発光輝度の最小値を求め、この値より低い輝度とはならないようにすると、ちらつきを低減することができる。そこで、比較例３と同様にしてＰ_ｎを求めた上で、輝度が所定の値より低くならないようにしてバックライトの輝度の変調を行うと、ちらつきは低減されるようになる（比較例５）。しかしながら、輝度の急激な変化（暗→明）を伴う画像を応答性よく表示することが困難となる問題、詳しくは、表示画像が明るくなった際に、一定期間後に明るくなり始めるなどの不連続性の問題については依然として解決されない。この場合、平均値を算出する際のフレーム数を少なくすることによって応答性を改善することができるが、画面上にちらつきが発生するようになるのも比較例３と同様である。

一方、画像データと輝度の関係にヒステリシスを付加し、これにしたがってバックライトの輝度を変調した場合には、データや輝度が急に変化するときにちらつきが発生する（比較例６）。

このように、比較例１〜６のいずれにおいても、画面上にちらつきが発生してしまう。この理由については必ずしも明らかではないが、１つには、実際の表示輝度と計算によって想定される表示輝度との間に誤差があることに起因していると考えられる。また、上記の計算は、いずれも液晶パネルを正面から観察したときを想定しているが、液晶には視野角依存性があるので、想定した位置からずれて観察した場合には、計算で想定した表示輝度とは異なることが予想される。したがって、このことも上記の理由の１つであると考えられる。

画面上のちらつきが上記理由によるものであれば、ちらつきを完全になくすことは困難である。しかしながら、上述したように、（１）デガンマ処理された値についてフレーム毎の最大値を求め、さらに、この最大値を平滑化して得られた値をステップ２におけるＰ_ｎとするとともに、（２）バックライトの最小輝度から最大輝度までを線形補間し、得られた曲線にしたがってバックライトの輝度を変調することによって、画面上でのちらつきを殆ど問題とならないレベルまで目立たなくすることができる。

上記の（２）において、最小輝度から最大輝度までを線形補間するのは、比較例６で述べたように、データや輝度が急に変化するときにちらつきが発生するからである。但し、本実施の形態では、最小輝度から最大輝度までは滑らかな曲線で結ばれていればよく、必ずしも線形補間しなくてもよい。

尚、ステップ２の平滑化に対して、図２の平均値を算出する方法を適用する場合には、平均値の算出に用いるフレーム数は、３２以上であることが好ましく、６４以上であることがより好ましく、１２８以上であることがさらに好ましい。フレーム数が大きいほど、ちらつきを目立たなくすることができるからである。尚、比較例３や４で述べたように、フレーム数が多くなると、輝度の急激な変化（暗→明）を伴う画像を応答性よく表示することが困難となる。しかし、フレーム数が１２８であるときに生じる応答性の低下は、画面上で視認できる程のものではないので、殆ど問題にならないと考えられる。

また、本実施の形態におけるバックライトの最小輝度は、バックライトの最大輝度を１００としたときに、２５〜５０程度であることが好ましい。この範囲より最小輝度が低くなるとちらつきが大きくなり、また、輝度の急激な変化（暗→明）を伴う画像を応答性よく表示することが困難となる。一方、この範囲より最小輝度が高くなると消費電力が大きくなる。例えば、フレーム数が１２８であって、輝度が２５程度であるときに、ちらつきが許容下限である低消費電力モードの液晶表示素子とすることができる。また、フレーム数が１２８であって、輝度が５０程度であるときに、ちらつきが殆どなく応答性のよい低消費電力モードの液晶表示素子とすることができる。

本実施の形態で行うガンマ処理では、液晶表示素子の階調と輝度との関係に合うように、γ値を２〜３の任意の値とすることができる。一般的には、γ値を２．２に設定する。また、階調と輝度の関係を実測によって求め、この関係からデガンマ処理およびガンマ処理を行ってもよい。後者の方がより実際のモードに近くなるので、前者よりちらつきを低減することが可能となる。

図２は、本実施の形態における液晶表示素子の回路のブロック図の一例である。この図に示すように、液晶パネル１は、ゲートドライバ２とソースドライバ３とから構成される駆動回路によって駆動される。ここで、ゲートドライバ２とソースドライバ３は、電源回路４によって駆動される。また、ゲートドライバ２とソースドライバ３の駆動タイミングは、タイミングコントローラ５によって決定される。

画像データ処理手段としてのバックライトトリミング６に画像データが入力されると、図１または図２で説明したステップ１〜４の処理が行われる。そして、処理後の画像データをソースドライバ３に送ることによって、液晶パネル１上に所定の画像が表示される。一方、画像データに対応するバックライト７の輝度信号はバックライトドライバ８に送られ、ステップ２で検出したＰ_ｎに対応する輝度となるように、バックライト７の発光輝度が制御される。本実施の形態におけるバックライトとしては、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などが用いられる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

本実施の形態における液晶表示素子の駆動方法を示すフローチャートの一例である。 本実施の形態における液晶表示素子の駆動方法を示すフローチャートの他の例である。 本実施の形態における液晶表示素子の回路のブロック図の一例である。

符号の説明

１ 液晶パネル
２ ゲートドライバ
３ ソースドライバ
４ 電源回路
５ タイミングコントローラ
６ バックライトトリミング
７ バックライト
８ バックライトドライバ

Claims (7)

1. 駆動回路によって駆動される液晶パネルと、
   前記液晶パネルに所定の光を照射する照明装置と、
   前記照明装置を駆動する照明装置用ドライバと、
   画像データをデガンマ処理して所定の周期毎の最大値を検出し、この最大値が透過率１００％となるようにデータ処理した後に、前記デガンマ処理されたデータをガンマ処理して元の画像データに戻す画像データ処理手段とを有し、
   前記画像データ処理手段から出力された画像データを前記駆動回路に入力するとともに、前記画像データ処理手段で検出した最大値のデータを前記照明装置用ドライバに入力することを特徴とする液晶表示素子。
2. 駆動回路によって駆動される液晶パネルと、
   前記液晶パネルに所定の光を照射する照明装置とを有する液晶表示素子の駆動方法において、
   画像データをデガンマ処理する第１の工程と、
   前記デガンマ処理されたデータについてフレーム毎の最大値を求め、この最大値を平滑化して得られた値Ｐ_ｎを検出する第２の工程と、
   前記デガンマ処理されたデータに対して、Ｐ_ｎが透過率１００％となるようにデータ処理する第３の工程と、
   前記第３の工程の後に、前記デガンマ処理されたデータをガンマ処理して元の画像データに戻す第４の工程とを有し、
   前記第４の工程で得られた画像データを前記駆動回路に入力するとともに、前記第２の工程で検出したＰ_ｎのデータから、前記照明装置がＰ_ｎに対応した輝度となるように前記照明装置の発光輝度を制御することを特徴とする液晶表示素子の駆動方法。
3. 前記平滑化は、前記最大値を再帰的に処理する方法であることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子の駆動方法。
4. 前記平滑化は、前記最大値について複数のフレーム毎に平均値を算出する方法であることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子の駆動方法。
5. 前記複数のフレームは、３２個以上のフレームであることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示素子の駆動方法。
6. 前記照明装置の発光輝度の制御は、所定の最小輝度から最大輝度までを結ぶ滑らかな曲線にしたがって行うことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の液晶表示素子の駆動方法。
7. 前記最大輝度を１００としたときに、前記最小輝度は２５〜５０の範囲内であることを特徴とする請求項６に記載の液晶表示素子の駆動方法。

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