JP2008197334A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＬＣＤの動画表示装置は、液晶表示素子がホールド型のため動画表示がぼけるという問題があった。比較的簡単な構成で、ＣＲＴなどのインパルス型に近い動画表示特性を実現する。
【解決手段】 バックライト光源２から出射される所定サイズの光スポット３を、２次元スキャン手段４により液晶パネル１の背面を照射する。なお、タイミングコントローラ５は映像信号に基づき、２次元スキャン手段４と液晶パネル１の画素のデータを更新するドライバ６を制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、バックライト光源からの出射光を液晶パネルに照射して画像を表示する液晶表示装置において、バックライト光源からの出射光を所定径の光スポットとし、さらに液晶パネル上を水平方向と垂直方向に所定のタイミングで２次元スキャンする構成による動画表示特性を改善する装置に関するものである。

液晶表示装置（以下ＬＣＤという）は、「苗村省平：はじめての液晶ディスプレイ技術，工業調査会，Ｐ１８８」にあるようにホールド型であり、一般的に、その動画表示性能がインパルス型である陰極線管表示装置（以下ＣＲＴという）に比べると劣っている。

この改善策として、画像の動きを検出し、動き検出結果に応じた周期、位相またはパルス幅の異なる調光パルスに応じて光源を断続的に駆動することにより、動きの量に応じた最適なタイミングで光源を発光させるものがある（例えば、特許文献１参照。）。また、複数のバックライトを液晶パネルの線順次走査にあわせて順次点滅させるスキャンバックライト方式もある（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００２−２８７７００号公報（段落0019〜0020、段落0091、段落0094〜0096、図１、図３） 苗村省平著、「はじめての液晶ディスプレイ技術」工学調査会、２００４年４月２０日、ｐ．１９０）

しかしながら、従来の動画特性改善による液晶表示装置では、例えば特許文献１による液晶表示装置では、画像の動き検出手段ならびにバックライト調光手段が必要で、これを実現するためには高速な演算処理を行う手段が必要であり、また、非特許文献１による液晶表示装置では、バックライトが複数必要なこと、複数のバックライトに対し各々に調光制御が必要なこと、さらには同文献中にも記述されているが画面輝度が大幅に低下するという問題があった。

本発明は、比較的簡単な構成により、インパルス型の表示装置に近い動画表示特性を有し、かつ、画面輝度の低下が少ない液晶表示装置を提供することを目的とする。

この発明による液晶表示装置は、パネル背面からの入射光を映像信号に基づいて透過あるいは遮断してパネル前面に画像を表示する液晶パネルと、前記液晶パネルを上から下に線順次走査駆動するドライバと、前記ドライバを制御する制御信号を出力するタイミングコントローラと、所定サイズの光スポットを出射する光源と、前記光スポットを前記液晶パネル背面の水平方向と垂直方向に各々所定の周期にて２次元走査する２次元スキャン手段とを備えることを特徴とする。

本発明は、ＬＣＤのバックライトを、光スポットを２次元スキャンする構成としたので、インパルス型と同様な動画特性が得られるという効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明装置の実施の形態１のＬＣＤの概略機能を示す機能ブロック図である。図中、液晶パネル１の背面は、バックライト光源２から出射され、２次元スキャン手段４で走査された光スポット３で照明される。タイミングコントローラ５は、２次元スキャン手段４を制御する走査制御信号と画像信号の垂直同期信号ならびに水平同期信号などに基づき液晶パネル１を上ラインから下ラインへ線順次走査する液晶パネル制御信号を生成し、ドライバ６はこの液晶パネル制御信号に基づき前記液晶パネル１の画素を駆動する。

図２はこの発明の実施の形態１において、光スポット３の液晶パネル１の背面における２次元スキャンの走査の順序の一例を示す模式図である。図中、矢印は光スポット３が液晶パネル１の背面を走査する順序を示している。

図３はこの発明の実施の形態１において、液晶パネル１の線順次走査における液晶パネルの応答時間を考慮した各ラインの画素遷移領域と画素安定領域を示す図である。縦軸は液晶パネル１のラインを、横軸は時間軸を示す。なお、縦軸最上方は液晶パネル１の最上方１ライン目を示し、最下方は液晶パネル１の最下位ラインを示す。

図４はこの発明の実施の形態１において、図３を部分的に拡大した図である。各ラインに対し光スポット３がスキャンしている時間を示すスキャン領域が加筆図示してある。スキャン領域の開始タイミング、言い換えると、垂直同期信号を起点として２次元スキャンを開始する遅延時間の範囲が幾何的に判るような摸式図となっている。

図５はこの発明の実施の形態１において、光スポット３の水平方向の光量積分値が一定でない場合における２次元スキャンの走査の方法を示す模式図である。同図の左側は図２と同様に光スポット３の２次元スキャンの順番と光スポット３のオーバラップを示し、右側は縦軸を液晶パネル１の垂直方向位置、横軸をライン単位の光量積分値とした図を示す。

液晶パネル１はＣＲＴと違い画素データ（透過率）の更新後、画素の透過率が保持されるホールド型である。したがってバックライトを点滅させずに一定に照射すると、動画再生時において、人間の眼の追従動作ならびに視覚系の時間積分効果の相乗作用によってボケが生じる。一方ＣＲＴは１画素が発光している期間が充分短いインパルス型であるので、時間積分効果は無視することができ、画像のボケは発生しない。したがってＬＣＤのバックライトを画素に対しインパルス型にすれば動画においても画像ボケは生じず、ＣＲＴと同等な動画再生性能が実現できることになる。

本発明は、液晶パネル１のバックライトを所定サイズの光スポットにし、さらにＣＲＴと同様に液晶パネル１の背面を上から下の順へライン走査を行うものである。こうすることにより、液晶パネル１の１画素が発光する期間は大幅に短縮され、インパルス型の表示が実現できる。

以下、実施の形態１の動作について、図１から図４の図を用いて詳細に説明する。図１に示す液晶パネル１は、総ライン数Ｎの線順次走査の駆動方式によるものである。本液晶パネル１は、最上位ラインを１ラインとし、最下位ラインをＮラインとする構成とする。そして映像信号の垂直同期信号を起点として、まず最上位ラインを駆動更新し、順次１ラインずつ下方に最下位ラインであるＮラインまで水平同期信号と同期して駆動更新する。従って、１ライン毎のライン更新周期は水平同期信号周期と略同一である。垂直同期信号の周期をＴとすると、１ライン毎の更新周期ｄｔは、水平同期信号ごとにＮライン水平走査を行うので次式となる。

タイミングコントローラ５ならびにドライバ６は、映像信号に基づいて、液晶パネル１を線順次走査駆動する機能を持つ。

光スポット３は、光スポット３の中の光量分布がほぼ一定である場合においては、液晶パネル１の縦方向の総画素長に対し整数分の１の縦寸法をもつサイズをもつものと見なせる。図１、図２に示した例は、光スポット３の縦方向のサイズは液晶パネル１の縦総画素長に対し５分の１に設定している。従ってこの例では、垂直同期信号の１周期毎に５回の水平スキャンを順次上から下へ光スポット３を液晶パネル１の背面を２次元走査する構成となっている。この図では水平スキャンの方向は左から右となっているが、逆でも良い。

例えば液晶パネル１がＨＤ１０８０ｐ規格であると仮定すれば、総ライン数Ｎは１１２５本である。また、光スポット３の縦方向サイズは、本図のように例えば総ライン数の５分の１とすれば２２５本となる。一方、水平総画素数は２２００であり、光スポット３の水平方向サイズは縦方向のサイズと同一とすれば、水平総画素数に対する光スポット３の水平方向サイズは約9.78分の１と計算できる。従って、液晶パネル１の全画素面に対する光スポット３のサイズ（光スポット３の形状は正方形と仮定）は、次式となる。

液晶パネル１の全画面に対し、４８．９分の１の面積の光スポット３が同一期間で走査することになるから、１画素当りの照射時間は従来の方法に比べ約４８．９分の１となり、大幅な照射時間の短縮が可能となる。結果として、インパルス型に近い特性となり、ボケの無い動画表示性能を実現することが可能となる。

次に、効率的な光スポット３の形状と走査順序について説明する。図２は、液晶パネル１の背面を光スポット３が走査する順序の一例である。この図では光スポット３の形状は方形で定義してある。これは光スポット３の光量分布が均一であったとしても、光スポット３の水平方向長さが不均一であれば、水平走査によって垂直方向の画素の照射時間に差が生じる。光スポット３の水平方向長さが長い領域にて走査された画素（ライン）は明るく、逆に水平方向長さが短い領域にて走査された画素（ライン）は暗くなる。そこで、この実施例では光スポット３の形状を、水平方向の長さが均一な方形としている。

このように、光スポット３の形状は、光スポット３の光量分布が均一な場合は方形が望ましいが、光量分布が均一でない場合においてはこの限りではない。各画素ラインにおける光スポット３の光量分布の水平方向の積分値が一定値となるような形状が最適な解となる。

図２において、光スポット３は垂直同期信号を起点として、液晶パネル１の背面を、最初にａの位置からａａの位置へ走査する。つぎにａａの位置からｂの位置に瞬時に移動する。さらに同様にｂからｂｂそしてｃへ、ｃからｃｃそしてｄへ、と繰り返し、最後にｅからｅｅに移動後、起点のａに瞬時に移動する。これら一連の動作は、垂直同期信号の１周期で完結するように行われる。このように操作軌跡を定義すれば、光スポット３は常に液晶パネル１を消灯することなく走査するので光の利用効率が良く、結果として明るい画面表示が可能となる。さらに走査順序を液晶パネル１の線順次走査と同一方向、すなわち画面上から下へ走査するように定義し、さらに線順次走査と同一周期で定義したので、後に述べる液晶パネル１の液晶パネルの応答時間による影響を受けない構成とすることが出来る。

このような光スポット３の走査は、図１の２次元スキャン手段４によって行われ、具体的には例えば２つのポリゴンミラー（図示せず）によって実現できる。水平方向の走査を行う水平走査用ポリゴンミラーと、垂直方向の走査を行う垂直走査用ポリゴンミラーとを直列に組み合わせることで構成することができる。

バックライト光源２は、強い光量の白色光を出力する機能が要求される。本実施例では点滅の必要が無く、所定の光量を供給するだけで良く、発光指令値に対し高速応答する必要は無い。従って、バックライト光源２は、水銀ランプや白色ＬＥＤなどをはじめ、多種多様な光源で構成できる。

上記は、各画素ラインにおける光スポット３の光量分布の水平方向の積分値が一定値となるような形状を例に説明を行ったが、この条件を満たさない場合においても本発明は適用可能である。図５に、光スポット３の光量分布が一定ではない場合に好適な２次元スキャンの例を示す。

図５において、光スポット３のサイズは、液晶パネル１の縦方向の総画素長に対し１垂直スキャンにおける水平スキャン回数分の１以上の大きさを有している。さらに、その各画素ラインにおける光スポット３の光量分布の水平方向の積分値は、同図右側の点描領域で示されているように、光スポットの中心領域では大きな値で上下両側では小さくなる略台形の特性をしているものとする。

このような場合において、図２の説明と同様に、光スポット３は垂直同期信号を起点として、液晶パネル１の背面を、最初にａの位置からａａの位置へ走査する。つぎにａａの位置からｂの位置に瞬時に移動する。さらに同様にｂからｂｂそしてｃへ、ｃからｃｃそしてｄへ、と繰り返し、最後にｅからｅｅに移動後、起点のａに瞬時に移動する。これら一連の動作は、垂直同期信号の１周期で完結するように行われる。このように操作軌跡を定義すれば、光スポット３は常に液晶パネル１を消灯することなく走査するので光の利用効率が良く、結果として明るい画面表示が可能となる。さらに走査順序を液晶パネル１の線順次走査と同一方向、すなわち画面上から下へ走査するように定義し、さらに線順次走査と同一周期で定義したので、後に述べる液晶パネル１の液晶パネルの応答時間による影響を受けない構成とすることが出来る。これは既に図２で説明した効果と同一である。

さらに、光スポット３の光量分布の水平方向の積分値において、下側光量減少領域を次の水平走査の上側光量減少領域とオーバラップさせる構成とする。同図右側の縦線領域が前回水平スキャン分の下側光量不足分と、今回水平スキャンの上側光量不足分のオーバラップを示すものである。このオーバラップ量は単純にライン単位の光量積分値に加算することができるので同図横軸に加算され、液晶パネル１の垂直方向位置に寄らず略一定の光量を実現することができる。このことから、液晶パネル１の全画素に対し一定光量の２次元スキャンが可能となる。

次に、液晶パネル１の液晶の光学応答時間に対する対応について説明する。この光学応答時間とは、液晶パネル１の液晶に駆動電圧を印加したときに透過光強度が駆動電圧に対して充分に時間を経過した最終値に対し誤差が所定値（例えば１０％）以内になるまでの時間と定義する。従って、ドライバ６から駆動信号が印加されても、直ぐには液晶パネル１の画素は反応せず、液晶パネルの応答時間後に透過光強度がほぼ駆動信号通りの画素が確定することになる。ここでは、液晶パネル１の画素が応答中である状態を画素遷移領域、応答時間後の画素が確定した状態を画素安定領域と定義する。

図３は、液晶パネル１の線順次走査において液晶パネルの応答時間を考慮した各ラインの画素遷移領域と画素安定領域を示す図である。縦軸は液晶パネル１のラインを、横軸は時間軸を示す。なお、縦軸最上方は液晶パネル１の最上方１ライン目を示し、最下方は液晶パネル１の最下位ラインを示す。また、縦軸には、有効画素の領域を示す有効画素ラインと、総画素の領域を示す総画素ライン（総画素ライン数はＮ）を示している。有効画素ラインでない領域はいわゆる垂直走査信号の帰線期間である。また本図において、ｔｄは液晶パネルの応答時間である。

同図より、垂直走査信号を起点として１ライン目を光スポット３にて照射しても画素遷移領域となり、画素の透過率が確定しておらず、正確な画素情報を表示できない。正確な画素情報を得るには、光スポット３の照射タイミングを同図の画素遷移領域ではなく、画素安定領域にて行う必要がある。以下に、光スポット３が画素安定領域を走査する条件について詳細に説明する。

図４は、図３を部分的に拡大したもので、図３における１ライン単位の状態遷移が判るようにしてある。同図では、ライン１からラインｋまで、さらにライン（Ｎ−２）から最終ラインＮまでを拡大表示している。縦軸、横軸は図３と同一で、同図縦斜線部は画素遷移領域、無色部分は画素安定領域である。

光スポット３の垂直方向のサイズがライン換算でｋライン分であると仮定する。この場合、１垂直同期期間における水平走査の回数ｎは、総画素ライン数Ｎをｋで除算したものであり、次式で表される。

また、１ライン当りの光スポット３の走査時間Ｔｈは、垂直同期周期Ｔを水平走査の回数ｎで除算したものであり、次式となる。

光スポット３の水平走査によってラインが照射される期間をスキャン領域として定義し、同図に点描部で表示する。前述の通り、スキャン領域は、同図の画素遷移領域ではなく、画素安定領域にて行う必要がある。したがってスキャン領域が画素安定領域に配置される条件を求める。スキャン領域は、縦方向サイズは光スポット３の垂直方向サイズであるｋライン、水平方向サイズはＴｈとなる。

スキャン領域が画素遷移領域にならずに画素安定領域に配置される条件において、垂直同期信号を起点として最も遅延時間が小さい例、即ち２次元スキャン動作開始領域が同図中のＡに示している。同様に最も遅延時間が大きい例、即ち２次元スキャン動作開始領域がＢとして示してある。Ａの条件を以下に示す。

１ライン毎の画素更新時間ｄｔは、次式の通り。

ｋライン目の画素更新の総時間ｋｄｔは、次式の通り。

Ａの場合における前記遅延時間をＴｄ（Ａ）とすると、応答時間ｔｄと前記ｋｄｔとの和であり、次式となる。

一方、Ｂの場合における前記遅延時間をＴｄ（Ｂ）とすると、垂直走査期間Ｔから１ライン当りの光スポット３の走査時間Ｔｈを減算したものであるから、次式となる。

従って、スキャン領域が画素遷移領域にならずに画素安定領域に配置される条件は、垂直同期信号を起点とし２次元スキャン動作開始までの遅延時間をＴｄとすれば、Ｔｄ（Ａ）とＴｄ（Ｂ）の間に設定すればよいので、以下となる。

上記の式に基づいて、２次元スキャンを開始するタイミングを設定すれば、光スポット３は必ず画素安定領域を走査するので、正確な画像表示が可能となる。

以上、本発明の実施の形態１によれば、液晶パネル１の背面を光スポット３が２次元スキャンするように構成したので、ボケのない動画表示性能を実現できる。さらに２次元スキャンの開始タイミングを、液晶パネル１の液晶の光学応答時間を考慮した演算式に基づいて遅延させるように設定したため、常に正確な画像表示が可能となる。

この発明の実施の形態１のＬＣＤの概略機能を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の光スポット３の液晶パネル１の背面における２次元スキャンの走査の順序の一例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１の液晶パネル１の線順次走査において液晶パネルの応答時間を考慮した各ラインの画素遷移領域と画素安定領域を示す図である。 図３を部分的に拡大した図である。 光スポット３の光量分布が一様でない場合に好適な、液晶パネル１の背面における２次元スキャンの走査の順序の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ 液晶パネル、 ２ バックライト光源、 ３ 光スポット、 ４ ２次元スキャン手段、 ５ タイミングコントローラ、 ６ ドライバ。

Claims (6)

1. パネル背面からの入射光を映像信号に基づいて透過あるいは遮断してパネル前面に画像を表示する液晶パネルと、
   前記液晶パネルを上から下に線順次走査駆動するドライバと、
   前記ドライバを制御する制御信号を出力するタイミングコントローラと、
   所定サイズの光スポットを出射する光源と、
   前記光スポットを前記液晶パネル背面の水平方向と垂直方向に各々所定の周期にて２次元走査する２次元スキャン手段とを備えることを特徴とした液晶表示装置。
2. 前記光スポットの形状を、各画素ラインにおける前記光スポットの光量分布の水平方向の積分値が一定値となるように設定することを特徴とした請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記光スポットの形状を、略方形とすることを特徴とした請求項２記載の液晶表示装置。
4. 前記光スポットの光量分布において、各画素ラインの水平方向の積分値が、光スポット中心部が大きく周辺が小さい場合、水平スキャンを直前のスキャンとオーバラップさせることを特徴とした請求項１記載の液晶表示装置。
5. 前記２次元スキャン手段において、２次元スキャンの垂直スキャン周期は、映像信号の垂直同期信号の周期であり、２次元スキャンの水平スキャン周期は前記垂直スキャン周期の整数分の１倍に設定し、さらに２次元スキャンの順番は、前記液晶パネルの上方から下方の順に走査することを特徴とした請求項１記載の液晶表示装置。
6. 前記２次元スキャン手段において、前記液晶パネルの応答期間をｔｄ、映像信号の垂直同期信号の周期をT、２次元スキャンの水平スキャン周期を前記垂直スキャン周期の1/ｎ倍（ｎは自然数）に設定した場合、前記２次元スキャン手段のスキャン開始起点は、前記垂直同期信号から次式の遅延時間Tｄにて設定されることを特徴とした請求項２記載の液晶表示装置。
   

   

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