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 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。 PW WM 方式の確 確認方法 ほと とんどのディス スプレイはバッ ックライトにＰＷ ＷＭ方式を採 採用しているか かどうかを記載 載していない。 メーカーも気 気付いていない い場 合さ さえある。しか かしながら、幸 幸いなことにＰＷ ＷＭ方式を採 採用しているか かどうかはいく くつかの方法で で確認すること とができる。専 専門 家の の間では正確 確にＰＷＭ信号 号を測定する場 場合もあるが が、これについ いては後述する る。 もち ちろん、ＰＷＭ Ｍ方式は全ての の人に影響す するわけではな なく、一般ユー ーザーの中には何の問題も もなくＰＷＭ方 方式のモニター ーを 使用 用している方も多い。過去に何らかの問 問題を経験した たことのある人 人や、ＰＷＭ方 方式のバックラ ライトを使用し しているかどう うか を是 是非確認したいと思われる る方には、下記 記の簡単なテス ストがお勧めである。また、 、ＰＷＭは最大 大輝度以下の の明るさで動作 作す ると とともに、明る るさの設定が低 低い方が人の の目につきやす すいことも覚え えておいていた ただきたい。 1) 視覚的 的なテスト・・・デ ディスプレイの の前にファンを を置くことで、Ｐ ＰＷＭ方式を使 使用しているか かどうかを判断 断することがで でき る。PWM 方式の場合 合には、バック クライトの点滅 滅とファンが干 干渉し、下図右 右側のようにス ストロボ効果が が見えることに にな 合によっては、 、ディスプレイ イの前で手を振 振っただけでも も、指の間で同 同様の現象を を見ることもでき きる。このよう うな る。場合 容易なテストでもディ ィスプレイのフ フリッカーを確 認することが ができる。 を用いたテスト ト・・・もう少し確 確実な方法と して、画面上の のテストパター ーンをカメラで で撮影すること とによってフリッ 2) カメラを カーを確 確認することが がでる。 真っ黒な画面上に 1 画素 素幅で白く垂直 直なラインを表 表示 輝度設定を を最大輝度（10 00%）、中間値 値（50%）、最低輝 輝度（0%）など どの値に設定す 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% 中間輝度 50% 最低輝度 0% 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。 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 20ms 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。 水平方向の 1 ブロックは 5ms を表している 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 原理的にフリッカーが発生し、人 によって目に見える 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 康被害を引き起こす可能性があ 立されている る 目の疲れ、頭痛、嫌悪感など健 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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