JP2006235417A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像補正演算回路により，液晶表示装置の応答特性を改善し，動画表示における画質を向上させる。
【解決手段】 本発明は，液晶表示装置の制御回路において画像補正演算回路が現フレームの画像データと前フレームの画像データの補間画像を生成し挿入することで、中間階調から中間階調の応答速度が全選択から全非選択の応答速度と同等になり、連続した画像が残像なくスムーズに見えるようになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、情報機器に用いる液晶表示装置の制御駆動回路に関する。詳しくは、単純マトリックス構造を有するＬＣＤパネルの駆動電圧に補正値を加えて駆動補償することで中間階調の応答速度を高速化にした制御回路を提供することにある。

単純マトリックス構造を持つ液晶表示装置の駆動方法として、線順次駆動方法とマルチライン駆動方法がある。以下、図面を参照してこの方式を説明する。液晶の駆動方法電圧平均化法によるマルチプレクス駆動が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。図２は単純マトリックス型の液晶素子等を電圧平均化法によりマルチプレッスス駆動する場合の従来の駆動方法の一例を示す印加電圧波形図であり、図３は単純マトリックス型液晶素子を示す図である。図２の電圧波形２１、電圧波形２２はそれぞれ図３の走査電極Ｙ１、Ｙ２に印加する電圧波形を、電圧波形２３、電圧波形２４はそれぞれ図３の信号電極Ｘ１、Ｘ２に印加する電圧波形、電圧波形２５は図３の走査電極Ｙ１と信号電極Ｘ２が交差する画素に印加される電圧波形を示す。本例は走査電極Ｙ１、Ｙ２‥‥Ｙｎを１ラインずつ順次選択して走査電圧を印加すると共に、その選択された走査電極上の各画素がオンかオフかによって、それに応じた信号電圧を各信号電極Ｘ１、Ｘ２‥‥Ｘｍに印加することによって駆動するものである。

また、線順次駆動方法として低消費電力が可能な駆動法としてＳＡ駆動がある。図４にＳＡ駆動方法の一例を示す電圧波形であり、電圧平均化法とＳＡ駆動方法は、いずれも各行電極を順次１本づつ選択し、選択されるタイミングに合わせて全列電極にＯＮ／ＯＦＦに相当するデータ信号を与えるものであるが、隣り合うフレームのコモンの非選択レベルが前者では異なり、後者では同じである。図４の電圧波形４１、電圧波形４２はそれぞれ図３の走査電極Ｙ１、Ｙ２に印加する電圧波形を、電圧波形４３は図３の信号電極Ｘ２に印加する電圧波形を、電圧波形４４は図３の走査電極Ｙ１と信号電極Ｘ２が交差する画素に印加される合成電圧波形を示す。図２の電圧波形２５および図４の電圧波形４４からわかるように、両者とも電極が交差した画素に印加される合成波形は同じ電圧波形になる。

一方、マルチライン駆動方法は、複数ライン同時選択法とも呼ばれるものであり、複数の行電極を同時に選択することによって駆動の高周波数化を図り、電圧平均化法で問題となるフレーム応答現象の抑制と駆動電圧を低く抑えることが可能になり低消費電力化が可能である。複数の行電極を同時に選択しながら、且つ各画素を独立に表示させるようにするために、ＭＬＡ法には独特の工夫が採用されている。それは、直交関数の組により表される複数の行信号を選択時間毎に組順次で行電極群に印加する組順次走査を行うと共に、直交関数の組と選ばれた画素データの組との積和演算を逐次行い、その結果に応じた電圧レベルを有する列信号を前記組順次走査に同期して前記選択時間中に列電極群に印加するという手法である（例えば、特許文献１、２参照）。

以下に上述のマルチプレックス駆動方法を利用して液晶表示素子に画像表示する場合について具体的に図面を参照して説明する。図５は画像を液晶素子に表示する場合の回路ブロック図である。液晶表示素子５９のドットごとに画像を表示する場合、画像出力プロセッサー５１からＬＣＤコントローラ５３へ画像データ５２を転送する。画像データ５２はシリアル通信またはパラレル通信で高速転送する。ＬＣＤコントローラ５３は、データ信号５４を生成しＸ駆動回路５７へ転送する。Ｘ駆動回路５７は、駆動電圧回路５６から定電圧が供給され適切な駆動波形を液晶表示素子５９の列電極へ印加する。同時にＬＣＤコントローラ５３は、走査信号５５からＹ駆動回路５８へ転送する。Ｙ駆動回路５８は、駆動電圧回路５６から定電圧が供給され適切な走査駆動波形を液晶表示素子５９の行電極へ印加する。この動作がＬＣＤコントローラ５３で同期しながら駆動することで、Ｘ駆動回路およびＹ駆動回路で印加する波形の合成波形が液晶表示素子５９へ印加され、画像として表示をする。この合成駆動波形は、図２の走査電極Ｙ１と信号電極Ｘ２の合成電極電圧波形２５と同様な波形を示す。通常１枚の画像を表示する場合、画像出力プロセッサーが常に出力制御を行う場合と、ＬＣＤコントローラが１枚分の画像を保存する記憶素子を有し、画像を参照しながら信号を駆動回路へ一定期間毎に出力する。一般的には、蛍光灯等の干渉を避けるために、７０Ｈｚ程度の周期で行っている。低粘度の液晶材料や狭ギャップにした液晶表示素子の場合は、フレーム応答という課題があるので周期を７０Ｈｚ〜３００Ｈｚにする場合もある。１枚以上の連続した画像を表示する場合、画面の切り換わりまでに印加を完了する必要がある。通常動画表示の場合、秒間に１０枚以上とすると違和感なく動画として表示する。たとえば１秒間に１０枚表示する場合は表示１００ｍｓｅｃ毎に表示が切り換わる。１秒間に２０枚の場合は、５０ｍｓｅｃ毎に表示が切り換わる。１秒間に３０枚の場合は３３ｍｓｅｃ毎に表示が切り換わる。秒間６０枚までは１画面書き換える周波数が７０Ｈｚ程度でも問題なく出力可能である。９０°ねじれのＴＮ液晶にＴＦＴ素子を具備した液晶表示素子では、応答速度が速い為に３０ｍｓｅｃ程度であれば問題なく表示可能で残像も発生しないスムーズな動画表示が可能である。しかし液晶表示素子が単純マトリックス型の液晶のねじれが１８０°〜２７０°あるスーパーネマティック液晶（ＳＴＮ）は、応答速度が遅く画像の切り換えに追従しない場合もあり、連続画像を表示した場合残像が発生しぼやけた動画表示にみえてしまう。その場合は、液晶材料の低粘度化や狭Ｇａｐにすることで高速化が可能であり、画像の切り換わり期間内に応答が完了すれば残像が発生ぜずスムーズな動画表示が可能である。
日本学術振興会第１４２委員会編「液晶デバイスハンドブック」第６章第２節 特開平５−１００６４２号公報 特開平６−２７９０７号公報

解決しようとする問題点は、連続した画像を表示する場合に全ＯＮ、全ＯＦＦの応答が次の画面へ切り換わるまでに完了したとしても実際の動画表示する場合、残像が発生してしまうことである。すなわち、連続した画像の切り換わり期間内に液晶層の光学特性（例えば、透過率）を完全に変化させることは，表示画像によっては困難な場合がある。例えば、透過率２５％の黒色表示の状態から透過率７５％の中間色表示の状態まで変化させるためには、０％から１００％の応答速度より比較的長い時間を要してしまう。すなわち、残像が発生し動画がスムーズに見えない。これは、液晶の応答速度は電界強度に比例することから、中間階調から中間階調へ切り換わる応答は遅くなる傾向にある。

本発明の表示装置は、単純マトリクス型の液晶表示パネルと、液晶表示パネルを駆動制御する制御回路を備える液晶表示装置であって、現フレームの画像データと前フレームの画像データから表示用駆動データを生成する画像補正回路部を有し、画像補正回路部は、現フレームの画像データと前フレームの画像データの組合せに対応して補間した表示用画像データを１フレーム以上出力する。さらに、この画像補正回路部は、現フレームの画像と前フレームの画像の差を演算し、現フレームの画像から全階調の５％以上の差を有する画像を出力する。また、画像補正回路部は前フレーム画像を保存する１画面分の記憶素子を備えている。また、画像補正回路部は、立ち上がりまたは立下り応答速度３０ｍｓｅｃ以上の場合、２フレーム以上の補正画像を出力する。

このように、本発明は、単純マトリックス駆動において画像出力プロセッサーから連続した画像を出力する場合、ＬＣＤコントローラへ画像データを転送する間に、１フレーム期間以上表示補正が可能な画像演算出力回路部手段を具備したことである。画像演算出力回路部は、階調から階調への画像切り換わり時に現画面と前画面を比較した後補正画面を生成する。切り換わり変化量がプラスの場合は通常変化量よりも高い階調データを、マイナスの場合は通常変化量よりも低い階調データを、変化がない場合は補正をしない画像データを１フレーム期間以上挿入し表示する演算出力回路である。

本発明の画像補正演算出力回路を用いることで、階調間で画像の変化する応答速度が、たとえば透過率２５％の黒表示状態から透過率７５％の中間調表示に変化させた場合、透過率０％黒表示から透過率１００％へ変化させた時と同等の応答速度が可能になるので、動画表示を行っても残像が発生しなくスムーズに見える。また、本発明は現在量産しているＬＣＤドライバーでも利用可能であり、本発明の回路を追加することで同じ効果を得ることが出来る。

本発明の画像表示装置は、画像出力プロセッサーから連続した画像が転送する場合直接ＬＣＤコントローラに転送するのではなく、画像補正演算回路部を具備することである。画像演算出力回路部は、階調から階調への画像切り換わり時に現画面と前画面とを比較した補正画面を生成し、切り換わり変化量がプラスの場合は通常変化量よりも高い実効値電圧となる階調データを、マイナスの場合は通常変化量よりも低い実効値電圧となる階調データを、変化がない場合は補正をしないデータを１フレーム期間以上表示する演算回出力回路である。

このような構成にすれば、たとえば透過率２５％の黒表示状態から、透過率７５％の中間調表示に変化させた場合、透過率０％黒表示から透過率１００％へ変化させた時と同等の応答速度が可能になる。このような方法にすれば、連続した画像を残像なくスムーズに表示可能となる。ここで、パルス変調駆動の場合バイアス値ａとすると選択波形において、選択パルス期間中にａの２倍の電圧値を階調数で割った幅を１階調とし、６４階調の場合透過率０％は幅なし、透過率１００％は全選択パルス幅となるので透過率２５％は全選択パルスの１６／６４、７５％は４８／６４の幅を変化させることで実効電圧を調節し階調表現が可能となる。したがって、２５％から７５％へ変化した場合４８／６４の波形前に高い実効値電圧、たとえば５１／６４の幅にした波形を挿入印加すれば応答速度が通常より速くなる。

本実施例の構成を図１に示す。図１の画像出力プロセッサー１１は連続した画像データ１２およびタイミング信号１１０を画像補正演算回路部１１３へ入力する。画像補正演算回路部は、現在より１つ前の画像データが保存されている。前画像から現画像へ画面が切り換わるときを監視し、画像補正演算回路部はメモリに保存されている画像データと現在の画像データを比較演算する。単純マトリックス駆動の階調表示を行う場合、たとえば５万６千５３６色では赤３２階調、緑６４階調、青３２階調が可能である。この画像データは、赤５ｂｉｔ、緑６ｂｉｔ青５ｂｉｔのトータル１６ｂｉｔで構成されている。ちなみに画像プロセッサーが２４ｂｉｔの画像を有する場合は、赤２５６階調、緑２５６階調、青２５６階調が可能でトータル１６７７７２１６色の表現が可能である。したがって５万６千色表示の場合２４ｂｉｔから１６ｂｉｔへ画像を減色する必要があり、画像出力プロセッサー１１で減色するか、または画像補正演算回路部１１３で減色する手段が必要である。前者の場合、画像データ１２は１６ｂｉｔで１画素の情報となり、後者の場合画像データ１２は２４ｂｉｔで１画素の情報となる。この画像データはシリアルまたはパラレル通信でも転送可能である。また前記画像データ１２は、タイミング信号１１０と同期しながら転送している。画像補正演算回路部１１３は、タイミング信号１１０と同期しながら画像データ１２を取り込むことが出来る機能を有し、液晶表示素子に表示する１画面分の記憶素子を具備する。画像データ１２が１６ｂｉｔの場合、たとえば透過率２５％の暗いグレー画像データを赤、青のデータがそれぞれ３２階調あるうちの８階調目、緑は１６階調目とする。透過率７５％の明るいグレー画像データを３２階調あるうちの２４階調目と４８階調目とする。透過率２５％の画像データ１２は１６進数で４１０８ｈとなる。ここで、前記画像データの構造は、上位１６から１２ｂｉｔまでの５ｂｉｔ分を赤色データ、１１ｂｉｔから６ｂｉｔまでの６ｂｉｔ分を緑色データ、５ｂｉｔから下位１ｂｉｔまでの５ｂｉｔ分を青データとして１６進数で表す。透過率７５％の画像データ１２は、１６進数でＣ６１８ｈとなる。通常１画素を０％から１００％へ画像変化させた場合、画像データ１２は、００００ｈからＦＦＦＦｈ、１００％から０％へ画像を変化させた場合ＦＦＦＦｈから００００ｈへ切り換えを行う。また、２５％から７５％へ画像を変化させた場合、画像データ１２は４２０８ｈからＣ６１８ｈへまたその逆はＣ６１８ｈから４２０８ｈへ切り換わる。この動作が秒間１０回以上で連続的におこなわれると、画像として点滅したように見える。ちなみに、この透過率変化した時間を応答速度とよぶ。応答速度は、全非選択波形を印加した時の透過率を０％レベル、全選択波形を印加したときの透過率を１００％レベルと規格しレベル１０％〜レベル９０％の透過率変化時間をＴｏｎ、レベル９０％からレベル１０％の透過率変化時間をＴｏｆｆと定義する。同様に透過率２５％をレベル０％、透過率７５％をレベル１００％として透過率変化時間を定義する。通常応答速度は全選択波形から全非選択波形へ切り換わるＴｏｎと全非選択波形から全選択波形への切り換わりＴｏｆｆで定義されるが、実際の連続した画像は中間階調も多く使われており、たとえば透過率２５％から透過率７５％の応答速度は透過率０％から透過率１００％より遅くなる。この原因は電界強度が低くなるためと考えられる。一般的に応答速度の理論式を下記に示す。
Ｔ_ｏｆｆ＝γ_１ｄ^２／（π^２Ｋ）
Ｔｏｎ＝γ_１／（ε_０ΔεＥ^２−（π^２Ｋ／ｄ^２））
Ｋ＝Ｋ_１１＋［Ｋ_３３＋２（γ−１）Ｋ_２２］（φ_ｔ／π）^２
γ＝２πｄ／ｐ_０φ_ｔ
ここで、φ_ｔ はツイスト角度、ｐ_０ は液晶のダイレクターのねじれ配向の固有ピッチ、Ｋは液晶の弾性定数、γ１は回転粘度、Ｅは電圧強度、ｄはＧａｐ（ＬＣＤパネルの隙間の厚さ）を表す。

したがって上記式から、階調から階調への応答速度は液晶の立ち上がり時に有効な電圧強度が低くなるため極めて遅くなる傾向になると考えられている。したがって、中間階調の応答速度を速める為には、電圧強度を大きくする必要がある。電界強度を大きくする方法として分割数を少なくし実効値差を大きくするか、または予定実効値以上の電圧印加を強制的に行うかである。前者の場合は、表示情報量が減ってしまう為、たとえば分割数が半分の場合はＸ電極側の回路１７を倍にする方法や同じ回路を２個用意して同時に駆動することで情報量を維持する必要があるため、液晶表示装置のＬＣＤコントローラ１３やＸ駆動回路１７、Ｙ駆動回路１８および液晶表示素子１９を変更する必要がある。後者では、画像の加工を行うだけで簡単に高速化が可能であり、既存の液晶モジュールを利用することが可能である。

次に強制的に高い実効値を印加する方法について説明する。透過率０％から透過率１００％へ変化した時の応答速度は、液晶表示装置のＬＣＤパネル隙間の厚さ（ギャップ）やツイストによるが、実験結果によるとギャップ５μｍ、ツイスト角度２４０度で低粘度液晶を利用した場合立ち上がりＴｏｎは５５ｍｓｅｃ、Ｔｏｆｆは７０ｍｓｅｃでトータル１２５ｍｓｅｃになる。しかし透過率２５％から透過率７５％へ変化させたときＴｏｎは１２５ｍｓｅｃ、Ｔｏｆｆ９５ｍｓｅｃでトータル２３０ｍｓｅｃまで遅くなり約１．８５倍遅くなっていることがわかる。そこで、秒間２０枚の連続表示の時に切り換わりのタイミングで前画像と現画像の比較を行い、実効値が高くなる場合は現在の画像よりさらに高い、たとえば３階調高い実効値電圧となる画像データを挿入する。図６、図７に前記内容の波形を示す。図６は従来の駆動による電圧波形を示し、ＸとＹの交差部波形６１において、１フレーム期間６４の周期で中間階調２５％の選択波形６２から７５％の中間諧調選択波形６３の切り換わるタイミングの全体像の波形である。図７は本発明の画像補正演算回路を挿入した場合の全体像の波形である。図６と比べ前画面から現画面に切り換わるタイミングで画像補正演算回路から補正用画像が２フレーム分挿入されている。図７のＸとＹの交差部波形７１において、１フレーム期間７２の周期で前画面の透過率２５％の中間階調波形７３から切り換わった画像は、現画像より３階調分実効電圧が高い補正用画像波形７４が２フレーム目まで挿入している。その後３フレーム目に現画面用７５％透過７５の波形に切り換わる。実際の画像データでは、４１０８ｈから２フレーム目でＤ６７Ａｈへ切り換わり３フレーム後にＣ６１８ｈへ切り換わる処理を行う。前記のような波形を印加すると従来駆動よりも本発明の駆動の方が高速に応答することが実験で確かめられている。しかし実効値たとえば６階調を与え過ぎると狙い透過率より立ち上がりすぎて逆に応答が遅くなる事もあるので注意が必要である。次に実験した測定データをもとに説明する。画像を挿入する時秒間２０枚で駆動周波数７０Ｈｚの場合、約３．５回書き換わる。この場合画像データを加工し１枚から３枚程度変更することが可能である。上記実験データは２枚程度変更した結果で１枚だけ変更した場合はＴｏｎ８０ｍｓｅｃ、Ｔｏｆｆ７０ｍｓｅｃ、トータル１５０ｍｓｅｃとなり２回書き込むより効果が半分になっている。これは、応答速度が遅い為に液晶分子の移動量が追従しきれないためだと推測する。したがって、１回書き込みで行う為には液晶の立ち上がり速度を今の半分約３０ｍｓｅｃ以下の応答が必要となる。以上のことから液晶の応答速度によって書き換え回数を最適にする必要があり、３０ｍｓｅｃ以下の応答では１回以上の書き換え、３０ｍｓｅｃ以上では２回の書き換えが理想といえる。上記方法を液晶表示装置のドット毎に行う必要があり、１画面の情報量を保存する記憶素子および画像を比較する演算装置を具備した画像補正演算回路部でドット毎に処理を行った後に画像１１１を１１２のタイミング信号で転送する。転送した画像データはＬＣＤコントローラ１３に取り込み走査信号１５とデータ信号１４に変換し各々Ｙ駆動回路１８、Ｘ駆動回路１７から液晶表示素子１９へ図７の合成波形７１として電圧が印加される。画像挿入後は、画像補正演算回路部内の記憶素子に保存している画像を出力する。この一連の処理を画像が変化する毎に行う。挿入された画像は、画像補正されているため正規の画像とは違っているが、応答速度が追従していない為表示としては応答速度が速くなった効果で残像なくスムーズな動画として見える。図８に従来と本発明の光学的応答速度測定結果を示す。通常駆動した場合の光強度８３を平均化した光強度８４の応答速度時間８７に比べて、本発明の駆動方法で行った光強度８１を平均化した光強度８２の応答速度８６の方が速くなる。１フレーム書き換え期間８５の間に通常より高い実効値を加えると、光強度振幅が大きくなって応答速度が速くなっているのが確認できる。

上述した実施例では、線順次選択の駆動方法で説明したが、マルチライン選択の駆動方法にも応用することは可能である。

液晶装置に画像補正回路部を挿入することで応答が遅い単純マトリックス型液晶装置でも連続する動画表示で残像なくスムーズに見えることが可能であり、低消費電力や低コストで動画表示が実現できる。また、一般的なＬＣＤドライバーに画像補正回路部を挿入するだけで利用可能であるためすぐに実現可能である。

本発明の液晶表示装置のブロック図である。 従来の駆動波形である。 単純マトリックス型液晶素子の画素構成を示す模式図である。 ＳＡ駆動における駆動波形である。 従来の液晶表示装置のブロック図である。 従来の駆動波形の拡大図である。 本発明の駆動波形を示す拡大図である。 本発明の液晶表示装置の光学応答速度を示す説明図である。

符号の説明

１１ 画像出力プロセッサー
１２ 画像データ
１３ ＬＣＤコントローラ
１４ データ信号
１５ 走査信号
１６ 定電圧回路
１７ Ｘ駆動回路
１８ Ｙ駆動回路
１９ 液晶表示素子
１１０ タイミング信号
１１１ 補正後の画像データ
１１２ タイミング信号
１１３ 画像補正演算回路
２１ 通常駆動のＹ１走査電極電圧波形
２２ 通常駆動のＹ２走査電極電圧波形
２３ 通常駆動のＸ１信号電極電圧波形
２４ 通常駆動のＸ２信号電極電圧波形
２５ 通常駆動のＸ１とＹ２の合成電極電圧波形
４１ ＳＡ駆動のＹ１走査電極波形
４２ ＳＡ駆動のＹ２走査電極波形
４３ ＳＡ駆動のＸ２走査電極波形
４４ ＳＡ駆動のＹ１とＸ２の合成電極電圧波形
５１ 画像出力プロセッサー
５２ 画像データ
５３ ＬＣＤコントローラ
５４ データ信号
５５ 走査信号
５６ 定電圧回路
５７ Ｘ駆動回路
５８ Ｙ駆動回路
５９ 液晶表示素子
５１０ タイミング信号
６１ Ｘ１とＹ１交差部の合成電極電圧波形
６２ 透過率２５％の階調波形
６３ 透過率７５％の階調波形
６４ １フレーム期間
７１ Ｘ１とＹ１交差部の合成電極電圧波形
７２ １フレーム期間
７３ 透過率２５％の階調波形
７４ 透過率２５％＋３レベル上げたときの階調波形
７５ 透過率７５％の階調波形
８１ 本発明の光強度
８２ 本発明した駆動の光強度の平均値
８３ 通常駆動した光強度
８４ 通常駆動した光強度の平均値
８５ １フレーム(１画面の書き換え時間)
８６ 発明した駆動の応答速度時間
８７ 通常駆動の応答速度時間

Claims (6)

1. 複数の走査電極と複数の信号電極が液晶層を介して交差する部分に形成された画素がマトリクス状に配列された単純マトリクス型の液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルを駆動制御する制御回路を備える液晶表示装置であって、現フレームの画像データと前フレームの画像データから表示用駆動データを生成する画像補正回路部を有し、前記画像補正回路部は、現フレームの画像データと前フレームの画像データの組合せに対応して補間した表示用画像データを１フレーム以上出力することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記画像補正回路部は、現フレームの画像と前フレームの画像の差を演算し、現フレームの画像から全階調の５％以上の差を有する画像を出力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. 前記画像補正回路部は、前フレーム画像を保存する１画面分の記憶素子を有する請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 前記画像補正回路部は、立ち上がりまたは立下り応答速度３０ｍｓｅｃ以上の場合、２フレーム以上の補正画像を出力する請求項１に記載の液晶表示装置。
5. 前記駆動制御が線順次選択の駆動方法であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
6. 前記駆動制御はマルチライン選択の駆動方法であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶表示装置。

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