September 12, 2013 ベンキュージャパン株式会社 BenQ.co.jp
Simon Baker, TFTCentral.co.uk
※液晶ディスプレイに関する第一人者 (英国TFTCentral 代表)

BenQ Flicker-free technology white paper

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近年、パーソナルコンピュータや電子通信技術の発展に伴い、LCD ディスプレイを長時間にわたって使用する人が増えている。
薄型化、省エネ化、大画面化、そして魅力的なデザインのLCD ディスプレイは、幅広い分野で活用され、低価格化が進むにつれ、CRT ディスプレイに代わるものとして、人々の生活に不可欠なものとなっている。
これによって、ユーザーのデジタルライフスタイルを快適にする一方、長時間使用することが増え、眼への負担などの健康被害が注目されはじめており、健康問題への関心が高いユーザーの間で懸念が高まっている。

ディスプレイを長時間使用することによる人への影響は、いくつかの要素が指摘されており、画面の明るさは重要な要素の1つである。
全体的に明るいディスプレイは目の疲れ、頭痛などの症状を引き起こし、逆に暗い画面は目のストレスを誘発すると言われている。
つまり、個人の使用状況や周囲の明るさに適したバランスが重要であり、ガンマ補正や色温度、画質などの設定が重要である。
最適な設定や快適なディスプレイ環境を実現するためには、自身の目による細かな調整や専用のデバイスを用いた最適化が必要となる。

フリッカー(ちらつき)

一般に、人の視神経は目に届く光の明るさが短時間で大きく変化する状態が繰り返されると、フリッカーと認識する。
フリッカーの周波数は、明るい光と暗い光との繰り返しが1 秒間に何回発生するかによって定義される。
例えば、1 秒間に3 回の繰り返し(3Hz)はいとも簡単に認識することができ、20Hz くらいまでは非常に目につきやすい。
しかし、20Hz を越えると、周波数が上がるにつれて人の目は認識しづらくなり、50Hz 付近に到達すると多くの人はフリッカーを認識できず、目は一定の光が点灯しているように感じるのである。
一定の光と認識するようになる変化点をフリッカー閾値と呼ぶが、この閾値は人によって異なるとともに、周辺の環境によっても影響を受ける。

ディスプレイのフリッカーは何年も使用し続けていると目のストレスや頭痛を引き起こす要因になることがある。
また、LCDディスプレイのフリッカーはひと昔前のCRT のモニターとは発生の原理が異なる。
CRT 画面のリフレッシュは画面内の一番上から下まで電子線が走査するため、一時刻に光を発している点は画面内で1 点しか存在しない。
そのため、リフレッシュレートが低くなると、フリッカーを認識しやすくなり、フリッカーを低減するには一般的に72Hz 以上の周波数が必要と言われている。


LCD ディスプレイでは状況が異なり、画面上の画像は1 画素ごとに制御されており、CRT モニターではフリッカーを認識できていた60Hz でも、LCD ディスプレイでは多くの人がフリッカーを認識できない。
LCD ディスプレイのフリッカーも、長時間使用するユーザーにとっては問題となることが多い。
LCD ディスプレイでフリッカーを起こす要因としては以下のものが挙げられる。

1) リフレッシュレートの設定・・・

LCD ディスプレイの推奨リフレッシュレートは60Hz である。
他の値を設定することもでき、一般的には75Hz が最大値であることが多い。
しかし、60Hz 以外の設定を指定すると、逆に画質が劣化することがある。
また、ユーザーはグラフィックカードのリフレッシュレートが最適な値に設定されているかよく確認する必要がある。
最近のディスプレイは120Hz やそれ以上のリフレッシュレートをサポートしていることもあり、その場合には問題なくそのリフレッシュレートで動作させることが可能である。

2) ケーブルの接続状況・・・

もしフリッカーが目についたり、画質が悪く感じたりするようであれば、ケーブルの接続状況を確認する必要がある。
DVI、HDMI やDisplayPort などのデジタル接続であれば、容易に最適な画質を得ることができる。
もし、アナログ接続しかできないような場合には、ディスプレイの設定が「自動設定」になっていることを確認する必要がある。
画質に何か気になる点があれば、これらの設定のいずれかを選択するとともに、ケーブル類とその接続状況をよく確認することをお勧めする。

3) グラフィックカード・・・

画質に何か問題を感じたら、グラフィックカードのドライバーと設定を確認し、最新のソフトウェアがインストールされていることを確認しなければならない。
この点についてはグラフィックカード・メーカーのアップデート情報にも注意を払う必要がある。

4) 周辺機器との干渉・・・

周辺のデバイスや電子機器などとの干渉も画質低下の要因となり得る。
周辺機器からの干渉をなくすためには機器とディスプレイとの距離を十分に確保することが必要になる。


フリッカーを引き起こす他の要因‐パルス幅変調方式(PWM)

一般には知られているものの、LCD ディスプレイに採用されているパルス幅変調方式(PWM)がフリッカーの要因となることは、実はよく理解されていない。
この技術はデスクトップモニターのバックライト制御に広く採用されている手法であり、長年の実績もある。
最近では、ほぼ全てのディスプレイがOSD メニューで画面の輝度をコントロールできようになっており、ユーザーは必要に応じて好みの明るさに設定することができる。
この機能を実現しているのがPWM 方式であり、バックライトのオンとオフとをユーザーに分からないように切り替えているのである。
画面の輝度を最大値に設定した場合はこの技術は機能せず、バックライトは一定に点灯したままとなる。
一方、輝度を少し低くしていくと、このPWM 方式を用いて明るさを低下させるのである。
この制御の詳細については次の項目で述べることとする。
PWM 方式の適用範囲は広く、明るい輝度でも低い輝度でも画面の明るさを容易に調整することができる。
また、技術的にも確立されていて長年の実績があり、シンプルな回路で実現できるため低コストで実装することができる。


PWM 方式の制御方法

一般的にPWM の動作周波数は一定に固定されており、バックライトがOn となる期間を負荷サイクルと呼ぶ。
この負荷サイクルを変化させることによって、画面の明るさを制御するのである。
つまり、ユーザーが輝度の設定を低くすれば負荷サイクルは短くなり、結果画面は暗くなる。
また、暗めの設定はバックライトがOff の時間が長くなるため、フリッカーが見えやすくなる。
PWM 方式の動作周波数は、バックライトが1 秒間に何回On とOff を繰り返すかで決まり、この動作周波数が低くなると、原理的にフリッカーが見えやすくなる。
また、振幅もバックライトの特性を決める別の要素である。この振幅については振幅が大きいほど、フリッカーが目につきやすくなる。


LED バックライト

PWM 方式が長年使用されてきたことは先に述べた通りだが、LED (発光ダイオード)のバックライトが一般的に広く使用されるようになったのは最近であり、最近生産されるディスプレイの大部分はこのLED バックライトを採用している。
それまではLCD ディスプレイの普及とともに冷陰極蛍光管(CCFL)が使用されてきたのであるが、環境問題や低消費電力が注目される現在では、LED バックライトに置き換えられている。
重要なことは、これまでPWM 方式はCCFL バックライトで長年使用されてきたにも関わらず、問題として話題に上るようになったのは、最近LED バックライトと組み合わせて利用されるようになったことが要因である。
PWM 方式自体はCCFL バックライトでもLED バックライトでも同じように採用されているのであるが、原理的にLED バックライトと組み合わせたほうがフリッカーが目につきやすい。
なぜなら、LED はOn とOff の切り替えスピードが速く、CCFL のようにOff にしてもOn の状態がしばらく続き、ゆっくり低減するという特性を持たないためである。
つまり、CCFL バックライトはスムーズな輝度変化を示すのに対し、LED バックライトはOn とOff の切り替えが明確でシャープな変化を示す。
LED バックライトが普及するにしたがって、PWM 方式の問題点が指摘されるようになったのはこのためである。


フリッカーの認知

多くの場合、PWM は高速で動作するため、ほとんどのユーザーはフリッカーを認知することはできない。
PWM の動作周波数が上がるにしたがって、人の目はフリッカーを認識しにくくなるのである。
実はPWM の周波数は様々な値で使用されており、標準的な周波数は180-300Hz であるが、低くは90Hz から、2500Hz 以上で使用されることもある。
また、人が目を動かした場合にはフリッカーが目につきやすいという特性もある。
例えば、フリッカーのない日光のような一定の光を見る場合には、人が目を動かしたとしても画像は滑らかかつ自然にぼける。
しかし、PWM 方式を用いて表現した光の場合には、像が何重にも見えるような現象が見られる。
バックライト方式についてはこれまでも様々な解析が行われてきたが、たとえ元の画像が白黒であったとしても、擬似的に色が見えてしまうという現象も知られている。
下記は異なるバックライトを使用した際に、目を水平方向に動かしたときに見えるであろう像をシミュレートした図である。




ここで重要なことは、ディスプレイ自身は一定の同じ像を表示しているにも関わらず、バックライトの特性によってこのような違いが発生するということである。
画面上で文字を読む際に目を動かしても、数百Hz の動作周波数であればフリッカーを認識することもある。
このフリッカーを認識するか否かは個人によるところが大きいが、周辺視野で認識しやすいとも言われており、個人によってはPWM のフリッカーが非常に目についてしまうという例も報告されている。
PWM 方式のバックライトでフリッカーが気になるようであれば、唯一の解決策はモニターの輝度を最大まで上げることである。
最大輝度の設定ではPWM の振幅はなくなるためフリッカーは回避できる。
その一方、モニターが必要以上に明るくなり、それが問題となる。グラフィックカードのソフトウェアを用いて明るさを変更することもできるが、コントラスト比や画質が犠牲になることもあり、最大輝度の設定は消費電力の面でも不利となる。


健康上の懸念

バックライトのフリッカーは人が認知する、しないに関わらず、多くの人へ影響を与えることが知られている。
PWM 方式によるフリッカーはユーザーが認識できなくても、目の疲れ、ストレス、頭痛や嫌悪感などの症状を引き起こすことがある。
もちろん、人によってその影響度は異なるが、LED バックライトの普及が広まるにつれ、これらの問題も広く認識されつつある。
蛍光管の100-120Hz のフリッカーは実際、一部で深刻な目のストレスや頭痛を引き起こす要因となってきた。
そのため、高周波数の安定化回路が開発され、連続的な光を実現できるようになったのであるが、PWM はそれよりも低い周波数のフリッカーを発生させるため、高性能な安定化回路を無意味にしてしまう。
また、PWM は蛍光灯内部の安定化回路の品質がよくないと耳に聞こえるようなノイズを発生することもある。
最近の電子機器は消費電力によって動作周波数を上げることも可能であるが、PWM を使用しているかぎりは問題が残るのである。
フリッカーの影響は誰にでもあるものであるが、長時間ディスプレイを使用する人にとっては特に問題になりやすい。
例えて言えば、ウェブ開発者、編集者、デザイナー、作家、学生、会社員など長時間ディスプレイの前で作業する人々にとっては、PWM方式によるフリッカーは深刻な問題になり得るのである。


PWM方式の確認方法

ほとんどのディスプレイはバックライトにPWM方式を採用しているかどうかを記載していない。
メーカーも気付いていない場合さえある。
しかしながら、幸いなことにPWM方式を採用しているかどうかはいくつかの方法で確認することができる。
専門家の間では正確にPWM信号を測定する場合もあるが、これについては後述する。
もちろん、PWM方式は全ての人に影響するわけではなく、一般ユーザーの中には何の問題もなくPWM方式のモニターを使用している方も多い。
過去に何らかの問題を経験したことのある人や、PWM方式のバックライトを使用しているかどうかを是非確認したいと思われる方には、下記の簡単なテストがお勧めである。
また、PWMは最大輝度以下の明るさで動作するとともに、明るさの設定が低い方が人の目につきやすいことも覚えておいていただきたい。

1) 視覚的なテスト・・・

ディスプレイの前にファンを置くことで、PWM方式を使用しているかどうかを判断することができる。
PWM方式の場合には、バックライトの点滅とファンが干渉し、下図右側のようにストロボ効果が見えることになる。
場合によっては、ディスプレイの前で手を振っただけでも、指の間で同様の現象を見ることもできる。
このような容易なテストでもディスプレイのフリッカーを確認することができる。

2) カメラを用いたテスト・・・

  • 真っ黒な画面上に1画素幅で白く垂直なラインを表示
  • 輝度設定を最大輝度(100%)、中間値(50%)、最低輝度(0%)などの値に設定する。
  • カメラのシャッタースピードを長めに設定する。1/8秒程度が適当である。
  • もし手動でシャッタースピードを設定できない場合でも、テスト自体は可能である。
  • カメラをディスプレイの手前60センチほどの位置に設置または構え、シャッターボタンを押しながらカメラをゆっくりと水平方向に画面を横切るように移動させる。
  • 実際に有意な画像を取得するには、何度かスピードを変えてカメラを移動させる必要があるかもしれない。
  • 撮影した画像の明るさを調整し、フリッカーのパターンを見やすいように加工する。


このように撮影した写真を使用すれば、バックライトの明るさ調整にPWM方式が採用されているかどうかを判断することができる。
典型的なPWM方式では、撮影した画像は下図のようになる。これらはBenQ製の旧モデルGW2750HMをテストした際の画像である。尚、このときのシャッタースピードは1/8秒である。

最大輝度100%の設定では、PWMの振幅は発生することなく、白い線は連続的に一定の値を示す。
一方、中間輝度50%の設定では線の連続性は分断され、PWMによって発生するOffの期間が黒い筋となって見える。
また、最低輝度0%の設定ではOffの期間が長くなり、負荷サイクル(バックライトがOnになっている期間)が短くなっているのが分かる。
このテストでは、カメラを動かすことによって時間方向の変化を空間方向に展開しているのである。

このテストにより、最大輝度100%以下の設定でバックライトにPWM方式を採用していることが確認された。
また、この方法をもとに下のような計算を行えば、PWMの動作周波数を確認することもできる。

  • 撮影された画像上に目に見える線の本数を数える
  • この本数とシャッタースピードの逆数を掛けることで動作周波数を計算することが可能である。
    例えば、上の例で30本の線が見えるのであれば、シャッタースピードは1/8秒であったので、30×8=240Hzという計算になる。
PWMの動作周波数が非常に高い場合には、このカメラを使用した方法で正確にPWMの有無を確認することは難しいかもしれない。
なぜなら、変化が速すぎると、線が一つにつながって連続的に見えてしまう可能性があるからである。
その場合でも、もしシャッタースピードを更に遅く設定することができれば、いくらか助けにはなるはずである。

3) オシロスコープによるテスト・・・

ディスプレイのバックライトを正確に計測する機器としてオシロスコープが挙げられる。
専門家によるディスプレイ評価では、バックライトの明るさ調整技術およびPWM方式の動作周波数を計測する際にオシロスコープが使用されている。


水平方向の1ブロックは20msを表している

最大輝度設定100%

バックライトに一定の電流が負荷され、バックライトが連続的に点灯しており、真っ直ぐな直線がそれを表している。

水平方向の1ブロックは20msを表している

中間輝度設定50%

バックライトがOnとOffを繰り返しており、PWM方式が使用されていることがはっきりと確認できる。上側のピークがOn、下側の谷がOffを表現している。

水平方向の1ブロックは20msを表している

最低輝度設定0%

Onの期間が短く、Offの期間が長くなっており、PWM方式がさらにはっきりと確認できる。結果、画面は暗くなっている。

水平方向の1ブロックは5msを表している

最低輝度設定0%(ズーム画像)

オシロスコープの倍率を上げてズームをすると、PWM方式のパターンが一層はっきりと確認できる。

オシロスコープを使用すれば、計測期間内に現れたピークの数を数えることによってPWMの動作周波数を計算することができる。
この例ではPWMの動作周波数は240Hzである。この結果は上記同様BenQの旧モデルGW2750HMのLEDバックライトのパターンである。

CCFLバックライトとLEDバックライトとの比較

先にも述べたように、CCFLバックライトのパターンはLEDバックライトと比べ波形がなだらかである。
これはCCFLバックライトがOffにした後もしばらく点灯が続く「グロー」という特性によるものである。
上図左側は典型的なCCFLバックライトのパターンであり、右側はLEDバックライトである。
ここでもLEDバックライトのPWM方式の方がシャープで急峻な変化を示すことが確認できる。
その結果、ユーザーはLEDバックライトのフリッカーを認知しやすいのである。

バックライトの明るさ調整の代替技術

バックライトの明るさ調整技術については、未だ広くは使用されていないものの、別の手法が存在する。
その1つがバックライトをOn/Offせずに明るさをコントロールする直流(DC)制御であり、実装にはより複雑な技術が必要になる。
また、暗い輝度レベルで色を調整することが難しく、DC調光方式はこれまで一般に使用されてこなかった。

しかし、フリッカーの影響を取り除き、長時間のモニター作業における目の疲れを和らげるにはDC調光方式が有効であるということが研究によっても示されており、PWM方式とDC制御それぞれの長所、短所をまとめると以下のようになる。


バックライトの調光技術 長所 短所
パルス幅変調方式(PWM)
  • モニターの明るさや輝度を広い範囲で制御可能
  • シンプルで低コストでの回路設計
  • 長年実績があり、技術的にも確立されている
  • 原理的にフリッカーが発生し、人によって目に見える
  • 目の疲れ、頭痛、嫌悪感など健康被害を引き起こす可能性がある
  • フリッカーは目に見えなくとも人に影響を及ぼす可能性がある
直流制御(DC)
  • フリッカーが原理的に発生しない
  • 複雑な回路設計
  • PWMに比べて歴史が浅く、技術的に実装が困難
  • 低い輝度レベルで色の制御に技術が必要

BenQのフリッカーフリーディスプレイラインナップ

ディスプレイのフリッカーは世の中の認知が進むにつれ、医学的観点からも注目を集めるようになっている。そこで、BenQは”フリッカーフリー“ディスプレイのラインナップを幅広く取り揃えた。これらのディスプレイは目の疲れや、フリッカーに起因する症状をもつユーザー向けに設計されている。一連のラインナップはDC調光方式のバックライトを採用し、PWM方式は使用していない。結果、ディスプレイのフリッカーは解消され、ディスプレイ使用時の眼の負担について厳しい目をお持ちのユーザーにも満足してもらえると考えている。実際にオシロスコープを用いて「フリッカーフリー」であるBenQの新モデルGW2760HSのパターンを確認してみると、下図の通りPWMの振幅がないことが確認できる。

水平方向の1ブロックは20msを表している

最大輝度設定100%

真っ直ぐなラインはバックライトが最大輝度で一定に点灯していることを示す。

中間輝度設定50%

輝度を中間値50%に低下させたとしても一定のラインを示し、PWMのような振幅がないことが確認できる。

最低輝度設定0%

最低輝度の場合でも、もちろんPWMのようなパターンは現れない。

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