JP2008122840A - 画像表示装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フリッカーと呼ばれる画像のちらつきや、直流電圧印加による液晶材料の劣化を抑制することが可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】液晶ＬＣを有する画素をマトリクス状に形成した表示部４２に、画像信号の各フレームを複数のサブフレームにより構成し、所望のサブフレームを選択的にオン・オフして画像を複数の階調で表示する画像表示装置の駆動方法において、各サブフレームの表示期間を前半表示期間部と後半表示期間部とに区分して前半表示期間部と後半表示期間部とで極性を逆転し、各サブフレームにおける前半表示期間部の長さと画素電極−対向電極間の電位差との積の総和と、各サブフレームにおける後半表示期間部の長さと画素電極−対向電極間の電位差との積の総和とが同じになるように、各サブフレームにおける前半表示期間部の長さの総和と、各サブフレームにおける後半表示期間部の長さの総和との比を設定する。
【選択図】図９

Description

本発明は、家庭用、事務用、および産業用の情報表示端末と普及している液晶プロジェクタおよびプロジェクションＴＶに用いる画像表示装置の駆動方法に関する。

一般に、液晶を用いた画像表示装置の駆動方法としては、主に振幅変調を用いたアナログ駆動方式およびパルス幅変調を用いたデジタル駆動方式の２つがある。デジタル駆動方式はアナログ駆動方式と比較して、電気的な調整が簡単であるなどの優位性を持っている。

デジタル駆動方式では、画像信号の各フレームを、１フレーム期間より短時間である異なる表示期間を持つ複数のサブフレームで構成し、各サブフレームを順に選択的にオン、オフ制御することにより１フレームを表示している。この場合、各サブフレームにおいては、前半と後半とで液晶に印加する電圧の正負を反転させて交流駆動を行うようにしており、これより液晶に加わる直流成分をキャンセルしてフリッカーと呼ばれる画像のちらつきや、直流電圧印加による液晶材料の劣化を抑制するようにしている（特許文献１、２）。

この方法では、画素電極に印加する画素電極電圧Ｖ＿ｐｉｘおよび対向電極に印加する対向電極電圧Ｖ＿ｃｏｍの値を各サブフレームで正極性印加時間ｔ１と負極性印加時間ｔ２とに、時間的に２等分して反転駆動を行う。このとき、入力信号レベルにおいて、正極性側の飽和電圧｜Ｖ＿ｐｉｘ−Ｖ＿ｃｏｍ｜について、下記の式を満たすような信号を入力することで、入力信号の対称性を図っている。尚、ここでＶｐは正極性を示し、Ｖｎは負極性を示す。
｜Ｖｐ＿ｐｉｘ−Ｖｐ＿ｃｏｍ｜−｜Ｖｎ＿ｐｉｘ−Ｖｎ＿ｃｏｍ｜＝０

米国２００４／０１７４３２８Ａ１公報 特開２００５−３５２４５７号公報 ２０００ Ｓ１Ｄ，ＩＳＳＮ１０８３−１３１２／００／２００１−０００１．［Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｎｅｍａｔｉｃ ＬＣ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ＬＣＯＳ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ］ｂｙ Ｍｉｎｈｕａ Ｌｕ，Ｋ．Ｈ．ｙａｎｇ，ＩＢＭ Ｔ．Ｊ．Ｗａｔｓｏｎ Ｒｅｓｅｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ

上述したように、従来の画像表示装置では入力信号レベルにおいて駆動信号の対称性を図っている。しかしながら、画素電極、対向電極、液晶材料、配向膜から形成される反射型の画像表示装置においては、液晶層を挟み込む材料が異種材料により構成されていることから、これに起因して電圧レベルシフトが発生するため（非特許文献１）、液晶層に印加される電圧の対称性が崩れてしまう、という問題があった。このような問題は、画素電極が透明になされた透過型の画像表示装置にあっても発生していた。

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、各サブフレームにおいて前半と後半とで極性を反転させて印加する際に、印加する正極性電圧及び負極性電圧の対称性をフレーム単位で最適化することにより、液晶層に印加される電圧の対称性を向上させ、フリッカーと呼ばれる画像のちらつきや、直流電圧印加による液晶材料の劣化を抑制することが可能な画像表示装置の駆動方法を提供するものである。

請求項１に係る発明は、表面に配向膜が形成された複数の画素電極と表面に配向膜が形成されて共通になされた対向電極とを、間に液晶を介して対向配置することにより複数の画素をマトリクス状に形成した表示部に、デジタル化された画素信号を印加して画像を表示するに際して、前記画像信号の各フレームを１フレーム期間より短時間である表示期間をもつ複数のサブフレームにより構成し、所望のサブフレームを選択的にオン、又はオフして１フレームの画像を複数の階調で表示する画像表示装置の駆動方法において、前記各サブフレームの表示期間を前半表示期間部と後半表示期間部とに区分して前記前半表示期間部と後半表示期間部とで極性を逆転し、各サブフレームにおける前記前半表示期間部の長さと前記画素電極−対向電極間の電位差との積の総和と、各サブフレームにおける前記後半表示期間部の長さと前記画素電極−対向電極間の電位差との積の総和とが同じになるように、前記各サブフレームにおける前記前半表示期間部の長さの総和と、前記各サブフレームにおける前記後半表示期間部の長さの総和との比を設定するようにしたことを特徴とする画像表示装置の駆動方法である。

本発明に係る画像表示装置の駆動方法によれば、各サブフレームにおいて前半と後半とで極性を反転させて印加する際に、印加する正極性電圧及び負極性電圧の対称性をフレーム単位で最適化することにより、液晶層に印加される電圧の対称性を向上させ、フリッカーと呼ばれる画像のちらつきや、直流電圧印加による液晶材料の劣化を抑制することができる。

以下に、本発明に係る画像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。
図１は画像表示装置の一例としての投射型表示装置の概略構成を示す図、図２は液晶を駆動する駆動電圧と出射光強度との関係を示すグラフ、図３は本発明における画像表示装置の駆動部と表示部を示す概略構成図、図４は本発明に適用される画像表示装置の表示部の概略ブロック構成図、図５は本発明に適用される画像表示装置の表示部における画素駆動回路の概略ブロック構成図、図６は本発明に適用される画素電極及び対向電極に与える電圧の概略的なタイミングを示すタイミングチャート、図７は階調レベルとサブフレームとの間の表示パターンの一例を示す図、図８は従来の画像表示装置の問題点を説明するための説明図、図９は本発明の画像表示装置の駆動方法の一例を示す説明図である。

本発明は、複数の画素がマトリクス状に配列された表示部を備えるＬＣＤ,Ｐ ＤＰ，ＤＬＰ，ＦＥＤ，ＥＬの如くのパネル型の画像表示装置に適用できるも のである。本実施形態では表示部としてアクティブマトリクス型の液晶素子を備えた投射型の表示部を例にとって説明する。

図１において、図示しない光源から発生した入射光Ｌｉｎは、偏光ビームスプリッタ１１に入射される。入射光Ｌｉｎは“●”にて示すＳ偏光成分と、“−”にて示すＰ偏光成分とを含む。偏光ビームスプリッタ１１の接合面１１１はＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させるよう構成されている。従って、偏光ビームスプリッタ１１の接合面１１１で反射した入射光ＬｉｎはＳ偏光成分のみとなり、表示部４２に入射される。表示部４２は、それぞれの画素Ｐｘに対応して設けられた反射型の画素電極ＰＥが形成された半導体基板１０１と透明な対向電極ＣＥが形成された透明基板１０２とを画素電極ＰＥと対向電極ＣＥとが互いに内側に向くように対向させ、半導体基板１０１と透明基板１０２との間に液晶層ＬＣを設けた構成である。尚、上記画素電極ＰＥや対向電極ＣＥの液晶層ＬＣ側には、図示しない配向膜がそれぞれ形成されている。

表示部４２に入射したＳ偏光成分のみとなった光はそれぞれの画素電極ＰＥで反射し、液晶層ＬＣの液晶によって映像信号に応じて変調される。液晶層ＬＣによる変調の結果、表示部４２より出射する光はＳ偏光成分の一部がＰ偏光成分となり、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含む光として偏光ビームスプリッタ１１の接合面１１１に入射する。偏光ビームスプリッタ１１の接合面１１１に入射した光はＰ偏光成分のみとなり、このＰ偏光成分のみの光が投射レンズ１２を介してスクリーン１３に投射される。このようにして画像信号に応じた画像がスクリーン１３上に表示されることとなる。ここで液晶層ＬＣからの出射光は、図２に示すように与えられる。図２中で出射光強度の閾値を与える電圧をＶｔｈ、最大値（飽和電圧）を与える電圧をＶｓａｔとする。またＶｄｄは飽和電圧Ｖｓａｔよりも少し大きい電圧である。

次に、図３及び図４を参照して画像表示装置の構成について説明する。図３は本実施例における画像表示装置の駆動部４１と表示部４２を示す概略構成図である。画像信号を信号処理回路４４によりデジタル信号であるサブフレームデータに変換し、表示部４２のサンプルホールド部５０に与える。基準電圧発生回路４６では、電極Ｖ０、Ｖ１用の電圧を発生し、この電圧を表示部４２のセレクタ４８に与える。また、画素電極ＰＥの電圧としては、サンプルホールド部５０に書き込まれるサブフレームデータに応じて、上記セレクタ４８により電極Ｖ０、Ｖ１のいずれかの電圧が選択出力される。また上記基準電圧発生回路４６は、液晶に与える実効値電圧と出射光強度の関係から対向電極ＣＥに与える電圧Ｖｃｏｍを発生する。この電圧Ｖｃｏｍは、タイミング回路５２からのタイミング信号に応じてセレクタ５４によって対向電極ＣＥに与えらえる。

図４は上記表示部４２の全体を示しており、この表示部４２は、列信号電極駆動回路１４、行走査電極駆動回路１６、表示手段１８からなる。ここで、列信号電極駆動回路１４は、内部に水平方向に延びるデータシフトレジスタ１４Ａを有し、各列信号電極Ｄ（Ｄ１、Ｄ２、・・・、Ｄｉ）に対して、そのデータを反転した反転データを画素に供給する反転列信号電極ＸＤ（ＸＤ１、ＸＤ２、・・・、ＸＤｉ）を有しており、対応する列信号電極と平行に設けられている。また、行走査電極駆動回路１６は、内部に全表示行数に相当する段数のラインシフトレジスタ１６Ａを有し、全表示行数に相当する行走査電極Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｊ）が列信号電極Ｄ、ＸＤとは直行して配列される。各列信号電極Ｄと行走査電極Ｗの交差部には、画素Ｐｘが配置されており、従って、画素Ｐｘは全体としてマトリクス状に配列されている。尚、外部入力電極Ｖ１、Ｖ０は全画素Ｐｘに対して共通に接続される。

このような構成の列信号電極駆動回路１４では、図示しない駆動タイミングパルス発生回路により供給される水平スタ−ト信号ＨＳＴ及び水平シフトクロックＨＣＫにより水平方向のデータシフトレジスタが駆動され、各サブフレーム毎に入力された表示データを順次列信号電極Ｄ１、ＸＤ１、Ｄ２、ＸＤ２，・・・・、Ｄｉ、ＸＤｉにサンプリングする。一方、行走査電極駆動回路１６は、全表示行数に相当する段数を有するラインシフトレジスタ１６Ａを含んで構成されている。ラインシフトレジスタ１６Ａ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各サブフレームのスタート信号と同期した垂直スタ−ト信号ＶＳＴ及び水平期間に同期した垂直シフトクロックＶＣＴにより駆動され、行走査電極Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｊに対して１水平期間毎に順次パルスを出力する。その結果、行走査電極Ｗ１、Ｗ２、・・・Ｗｊに接続された画素Ｐｘのサンプルホ−ルド部５０（図５参照）に１行ずつ表示デ−タが保持される。

次に１つの画素に対応する画素駆動回路の一例を図５を参照して説明する。この画素駆動回路は、列信号電極駆動回路１４より供給される表示データを保持するサンプルホールド部５０と、サンプルホールド部５０からの出力データをスイッチ部６０を通じて画素電極ＰＥに電圧を出力する。サンプルホールド部５０は、１個または複数のＤＲＡＭ回路またはＳＲＡＭ回路からなる。
スイッチ部６０は、サンプルホールド部５０から出力されるデータにより、２本の外部入力電極Ｖ０、Ｖ１のいずれか一方を選択出力する。２本の外部入力電極Ｖ０、Ｖ１は全画素共通に配線され、画像表示装置の駆動部４１（図３参照）の基準電圧生成回路４６から与えられる。スイッチ部６０はサンプルホールド部５０のデータにより２本の外部入力電極Ｖ０、Ｖ１に入力された電圧を選択し、画素電極ＰＥに与える。

さて、以上のように構成された画像表示装置の駆動方法について、図６及び図７も参照して説明する。図６は画素駆動回路中の各部の電圧波形をそれぞれ示すタイミングチャート、図７は階調レベルとサブフレームとの間の表示パターンの一例を示す図である。図７においては、１フレームはＳＦ１〜ＳＦ８までの８つの表示期間の異なるサブフレームによって構成されており、各サブフレームの表示を選択的にオン又はオフすることにより、パルス幅変調がなされて階調レベル０〜２５５までの２５６種類の階調レベルを表示できるように設定されている。例えば１つの画素に対してある階調レベルで１つのフレームを表示する場合には、当該階調レベルの表示パターンでＳＦ１から順にＳＦ８まで表示することにより、当該階調レベルが表示されることになる。尚、縦軸の階調レベルの数が飛んでいる箇所は記載を省略している。

また表示期間の単位は、例えば”μｓｅｃ”である。表示パターンの”０”は”ロー”（オフ）を示し、”１”は”ハイ”（オン）を示す。例えば階調レベル０は”真白”を示し、全てのサブフレームＳＦ１〜ＳＦ８で表示は”０”となり、これに対して、階調レベル２５５は”真黒”を示し、全てのサブフレームＳＦ１〜ＳＦ８で表示は”１”となっている。ここでは、２本の外部入力電極Ｖ０、Ｖ１に与えられるデジタル電圧のハイ状態の電圧をＶｄｄ、ロー状態の電圧を０Ｖとする。

まず、各サブフレームは、列信号電極駆動回路１４から全画素にデータが転送されるデータアドレス期間と、その転送されたデータに基づき液晶を駆動させデータを表示する表示期間からなる。各サブフレームにおいてデータアドレス期間は同一であり、表示期間は異なる。ここで前述したようにサブフレームはＳＦで示され、１フレームを８個で構成した場合、ＳＦ１〜ＳＦ８まで、サブフレーム毎に予め対応させて設定した表示期間でオン・オフ表示される。

図６は画素電極ＰＥと対向電極ＣＥに与える電圧の概略的なタイミングチャートを示す。図６に示すように、画素電極ＰＥに加わる電圧は、サブフレームＳＦのデータが”Ｈｉｇｈ”の時は表示期間の前半が電極Ｖ１の電圧で、後半が電極Ｖ０の電圧となり、サブフレームＳＦのデータが”Ｌｏｗ”の時は上記とは逆に表示期間の前半が電極Ｖ０の電圧で、後半が電極Ｖ１の電圧となる。またデータアドレス期間では電極Ｖ０の電圧となる。一方、対向電極ＣＥに加わる電圧は、表示期間の前半はＶｐ＿ｃｏｍとなり、後半はＶｎ＿ｃｏｍとなる。

次に、上記各サブフレームの内容を１つのサブフレームを例に取り上げて詳しく説明する。ここでは１つのサブフレームの表示期間の長さを代表してＴとし、且つその内の前半表示期間部の長さ（以下「前半表示期間」とも称す）をＴｐとし、後半表示期間部の長さ（以下「後半表示期間」とも称す）をＴｎとする。上記ｐは正極性電圧を示し、ｎは負極性電圧を示すものとする。
図６中ではＳＦ３に上記各期間の長さを一例として示している。図８は上記サブフレームの表示期間の部分を取り出して各電極間の電位を組み合わせて表示しており、画素電極と対向電極との間の電位差の推移が示されている。ここでは、代表として３つのサブフレームＳＦ１〜ＳＦ３を取り出して記載しており、各サブフレームの表示期間はＴ１〜Ｔ３となっている。また前半表示期間部の長さはＴｋ＿ｐ（＝Ｔ１＿ｐ、Ｔ２＿ｐ、Ｔ３＿ｐ…）等で表され、後半表示期間部の長さはＴｋ＿ｎ（＝Ｔ１＿ｎ、Ｔ２＿ｎ、Ｔ３＿ｎ…）等で表される。尚、ｋは自然数を表す。そして、対向電極の電位の正極性と負極性の電位をそれぞれＶｐ＿ｃｏｍとＶｎ＿ｃｏｍとして表している。

図８は従来の画像表示装置の場合を示しており、図８（Ａ）に示すように各サブフィールドにおいて前半表示期間部Ｔｋ＿ｐと後半表示期間部Ｔｋ＿ｎとは、同じになるように設定されている。具体的には、Ｔ１＿ｐ＝Ｔ１＿ｎ、Ｔ２＿ｐ＝Ｔ２＿ｎ、Ｔ３＿ｐ＝Ｔ３＿ｎである。ここで基板材料に起因する電圧レベルシフトが何ら発生しない場合には、Ｖｔｈ、Ｖｓａｔが以下の式を満たすように、各電極の電位が設定される。
Ｖｔｈ＝Ｖ０−Ｖｐ＿ｃｏｍ＝−（Ｖ１−Ｖｎ＿ｃｏｍ）
Ｖｓａｔ＝Ｖ１−Ｖｐ＿ｃｏｍ＝−（Ｖ０−Ｖｎ＿ｃｏｍ）
すなわち、”Ｈ１×Ｔｋ＿ｐ（前半の斜線部分）＝Ｈ２×Ｔｋ＿ｎ（後半の斜線部分）”となる。各サブフレームにおいて、前半の斜線部分と後半の斜線部分との面積が等しくなっている。具体的には、Ｓ１ｐ＝Ｓ１ｎ、Ｓ２ｐ＝Ｓ２ｎ、Ｓ３ｐ＝Ｓ３ｎである。尚、この面積は、前半表示期間部或いは後半表示期間部の長さと画素電極−対向電極の電位差との積で与えられる。

しかしながら、実際の画像表示装置にあっては、図８（Ｂ）に示すように基板材料に起因する電圧レベルシフトＶｓｆｔが発生するので上記関係は成立せず、図８（Ｂ）に示すような状態となる。すなわち、Ｖｎ＿ｃｏｍ及びＶｐ＿ｃｏｍの電位が、図示例のように同じように下方向へＶｓｆｔだけ電圧レベルシフトが発生することは避けられない。このため、Ｈ１≠Ｈ２となって、”Ｈ１×Ｔｋ＿ｐ≠Ｈ２×Ｔｋ＿ｎ”となっており、前半の斜線部分と後半の斜線部分の面積が異なってしまう（液晶に印加される電圧が異なる）。具体的には、Ｓ１ｐ≠Ｓ１ｎ、Ｓ２ｐ≠Ｓ２ｎ、Ｓ３ｐ≠Ｓ３ｎである。この結果、サブフレームの前半と後半とで液晶に対する印加電圧の対称性が崩れてしまい、先に説明したように、フリッカー等の発生原因となっていた。

そこで、本発明では、図９に示すように各サブフレームにおける前記前半表示期間部の長さと前記画素電極−対向電極間の電位差との積の総和と、各サブフレームにおける前記後半表示期間部の長さと前記画素電極−対向電極間の電位差との積の総和とが同じになるように、前記各サブフレームにおける前記前半表示期間部の長さの総和と、前記各サブフレームにおける前記後半表示期間部の長さの総和との比を設定する。
上記関係を式で表すと次のような式１になる。
Ｓ１ｐ＋Ｓ２ｐ＋Ｓ３ｐ＋ … ＋Ｓ（ｍ−１）ｐ＋Ｓｍｐ＝Ｓ１ｎ＋Ｓ２ｎ＋Ｓ３ｎ＋ … ＋Ｓ（ｍ−１）ｐ＋Ｓｍｎ … （１）
ここでｍは１フレーム中のサブフレームの数を示し、ｐは正極性電圧を示し、ｎは負極性電圧を示す。

上記各Ｓは図９中の斜線部分の面積を表し、一般式ではＳｋｐ（１≦ｋ≦ｍ）、Ｓｋｎ（１≦ｋ≦ｍ）と表示される。
この場合、１フレーム単位で上記式１が成立するように制御されるので、サブフレームによっては、Ｔｋ＿ｐ≠Ｔｋ＿ｎとなる場合も生ずるし、或いはＴｋ＿ｐ＝Ｔｋ＿ｎとなる場合も生ずることになる。図９に示すＳＦ１〜ＳＦ３に関しては、全てＴｋ＿ｐ≠Ｔｋ＿ｎとなっている。すなわち、Ｔ１＿ｐ≠Ｔ１＿ｎ、Ｔ２＿ｐ≠Ｔ２＿ｎ、Ｔ３＿ｐ≠Ｔ３＿ｎである。

このように処理することにより、上記電圧レベルシフトＶｓｆｔが生じた量を補償することができ、電圧レベルシフトが生じても１フレーム中に直流成分が発生することを防止することができる。
ここで経験的に電圧レベルシフトＶｓｆｔの量が推測できるので、上記式１を満足するように各サブフレームにおける前半表示期間部の長さＴｋ＿ｐや後半表示期間部の長さＴｋ＿ｎは制御系（図示せず）のコンピュータ等によって容易に求めることができる。また上記図７は表示パターンの一例を示したに過ぎず、表示パターンによっては、異なるサブフレームでも表示期間が同じになるように設定する場合もある。

このように、各サブフレームにおいて前半と後半とで極性を反転させて印加して表示する際に、正極性電圧と負極性電圧の対称性をフレーム単位で最適化することにより、印加電圧の対称性を向上させ、フリッカーと呼ばれる画像のちらつきや、直流電圧印加による液晶材料の劣化を抑制することができる。

画像表示装置の一例としての投射型表示装置の概略構成を示す図である。 液晶を駆動する駆動電圧と出射光強度との関係を示すグラフである。 本発明における画像表示装置の駆動部と表示部を示す概略構成図である。 本発明に適用される画像表示装置の表示部の概略ブロック構成図である。 本発明に適用される画像表示装置の表示部における画素駆動回路の概略ブロック構成図である。 本発明に適用される画素電極及び対向電極に与える電圧の概略的なタイミングを示すタイミングチャートである。 階調レベルとサブフレームとの間の表示パターンの一例を示す図である。 従来の画像表示装置の問題点を説明するための説明図である。 本発明の画像表示装置の駆動方法の一例を示す説明図である。

符号の説明

４１…駆動部、４２…表示部、５０…サンプルホールド部、６０…スイッチ部、１０１…半導体基板、１０２…透明基板、ＣＥ…対向電極、ＬＣ…液晶層、ＰＥ…画素電極、Ｐｘ…画素。

Claims (1)

1. 表面に配向膜が形成された複数の画素電極と表面に配向膜が形成されて共通になされた対向電極とを、間に液晶を介して対向配置することにより複数の画素をマトリクス状に形成した表示部に、デジタル化された画素信号を印加して画像を表示するに際して、前記画像信号の各フレームを１フレーム期間より短時間である表示期間をもつ複数のサブフレームにより構成し、所望のサブフレームを選択的にオン、又はオフして１フレームの画像を複数の階調で表示する画像表示装置の駆動方法において、
   前記各サブフレームの表示期間を前半表示期間部と後半表示期間部とに区分して前記前半表示期間部と後半表示期間部とで極性を逆転し、各サブフレームにおける前記前半表示期間部の長さと前記画素電極−対向電極間の電位差との積の総和と、各サブフレームにおける前記後半表示期間部の長さと前記画素電極−対向電極間の電位差との積の総和とが同じになるように、前記各サブフレームにおける前記前半表示期間部の長さの総和と、前記各サブフレームにおける前記後半表示期間部の長さの総和との比を設定するようにしたことを特徴とする画像表示装置の駆動方法。
   

Images