Influence on the Physical Characteristics of Medical Color Liquid Crystal
Displays with Increase in Aperture Ratio
Michito Sawada, Akinori Ishikawa,1） Sayoko Matsunaga,1）and Yoko Ishikawa1） Mutsuda Shoukai Corporation, Ltd.
1）Department of Radiology, Anjo Kosei Hospital
Received June 2, 2009; Revision accepted September 18, 2009; Code No. 733
Summary
We measured the physical characteristics of 2-million（2M）and 3-million（3M）color liquid crystal
displays（LCD）whose aperture ratio was increased and compared them with conventional models. The results
showed the influence of the increased aperture ratio on the physical characteristics of the LCDs. We evaluated
resolution by means of modulation transfer function（MTF）and evaluated granularity by means of noise
power spectrum（NPS）. Each of the measurements was done with a high-resolution single-lens reflex-type
digital camera. A decrease of MTF depending on sub-pixel structures was recognized. A decrease in the cross sub-pixel direction was recognized in the 2M model, and a decrease in the sub-pixel direction was recognized in the 3M model. As for NPS, a reduction was recognized in the sub-pixel and the cross sub-pixel direction in both models. As a result, an improvement in granularity was recognized. The improvement in granularity was large with the color LCDs whose aperture ratio was increased. The increase of an aperture ratio influenced both MTF and NPS, and the results depended on the shape and size of the sub-pixel cells.
Key words: liquid crystal display (LCD), modulation transfer function (MTF), noise power spectrum (NPS), aperture ratio, sub-pixel
別刷資料請求先：〒462-0845 名古屋市北区柳原 4 丁目 5 番16号 有限会社ムツダ商会 澤田道人 宛
ピクセル開口率の向上による
医用画像表示用カラー液晶モニタの物理特性の変化
緒 言 近年，医療の現場では3Dボリュームレンダリング やPET/CTのFusion，内視鏡，超音波などのカラー画 像が増加し，これらのカラー画像をモノクロ画像と同 時に表示して診断するケースも増加している．こうし た背景から，1 台でモノクロ画像とカラー画像の適正 な表示ができる医用画像表示用のカラー液晶モニタ （医用カラー liquid crystal display: LCD）が開発され， モノクロとカラー画像が混在する使用環境にも対応 できるようになってきた．モノクロとカラー画像の両 方に対応した医用カラーLCDでは，モノクロモニタと 同等の高輝度と高コントラスト比が要求される．これ らは，透明電極の採用や電極配置によるサブピクセ ル構造の改善によりピクセル開口率（以下，開口率）の 向上をはかることで，実現されている．開口率は，画 素の単位面積に対して光が通過できる画素内の有効 表示面積として定義され，画面の明るさへの影響， 発熱量の低減，低消費電力の達成に重要なファク ターとなる．特に，高精細な医用LCDの場合ではサ ブピクセル・セルの面積が小さくなりがちなので，開 口率を大きくすることは重要な課題となる． モニタの画質に大きく影響する物理的特性の要素 として，鮮鋭度と粒状性が挙げられる．サブピクセル 構造の違いが原因と考えられる，モニタの鮮鋭度や 有限会社ムツダ商会 1）安城更生病院放射線技術科 論文受付 2009年 6 月 2 日 論文受理 2009年 9 月18日 Code No. 733澤田道人・石川晃則
1）・松永沙代子
1）・石川陽子
1）原 著
提供のLCDパネル画像を用いた．各modelの開口率の 値は，定義に従い（光が通過できる画素内の有効表示面 積 / 画素の単位面積）×100％で求めた．また，遮光部を 除くサブピクセル・セル光透過部の幅について（高開口 率タイプ光透過部幅 / 従来タイプ光透過部幅）×100％ でサブピクセルの並び方向（サブピクセル方向）とサブ ピクセルの並び方向と直交する方向（非サブピクセル 方向）で計測した．サブピクセル方向と非サブピクセ ル方向については，Fig. 1に表記した. MTFとNPSは，市川らの方法3∼7）にて高解像度ディジ タルカメラを用いて測定した．測定は，サブピクセル 方向，非サブピクセル方向で行った．ディジタルカメラ は，マクロレンズNikon社製Micro-Nikkor（60mm f/2.8D）を 搭載したNikon D70を使用した．カメラの有効画素数は 3040×2014で，1 画素あたり12bitの階調性能を有し， LCD上に表示されたパターンを十分細かいサンプリン グ間隔で撮影することが可能である．
データ取得の際は，Digital Imaging and
Communi-cations in Medicine（DICOM）Part14で定められている
Grayscale Standard Display Function（GSDF）に基づい
たキャリブレーションを事前に行い，MTFはTable 2の 粒状性の測定結果が報告1, 2）されているが，開口率を 向上させたモニタでの報告例はまだない．開口率が モニタの物理的特性にどのように影響するかを明確に することは，モニタ特性を理解しておくうえで重要と 考える．また，高輝度と高コントラスト比を兼ね備えた 医用カラーLCDの物理的特性を把握することは，医 療現場で選択・使用していくうえでも有用と考える． 鮮 鋭 度 評 価 とし てmodulation transfer function （MTF）， 粒 状 性 評 価 とし てnoise power spectrum （NPS）を測定し，開口率の違いとこれら物理的特性の 関係を検討したので，その結果について記述する． 1．方 法 今回測定したLCDはすべて株式会社ナナオ社製 （ナナオ社製）で，開口率の向上した2-million（2M） model RX211，3-million（3M）model RX320（以下，高 開口率タイプ）を対象とした．比較には従来modelで 2MのRX210，3MのR31（以下，従来タイプ）を使用し た．各LCDの表面処理はアンチグレア処理で，仕様 はTable 1に記載した． 開口率とサブピクセル構造の比較は，ナナオ社より
Luminance Luminance Temperature input level 128/255 cd/m2 cd/m2 K cd/m2 RX210 240 0.7 7500 30.43 RX211 240 0.7 7500 30.51 R31 250 0.9 8000 32.61 RX320 250 0.9 8000 32.93 Luminance Setting 2
Maximum Minimum Color Measured Luminance Luminance Temperature input level 128/255 Luminance at
cd/m2 cd/m2 K cd/m2
RX211 300 0.5 7500 33.37 RX320 400 0.7 8000 42.65
Fig. 1 Sub-pixels contained in each pixel element.
Fig. 2 Comparison of MTF of the current sub-pixel model（RX210）and MTF of the improved sub-pixel model（RX211）.
（a-1） sub-pixel direction （a-2） cross sub-pixel direction
設定 1（Table 2-1），NPSはTable 2-1，Table 2 の設定 2 （Table 2-2）で測定を行った．キャリブレーションに は，ナナオ社製モニタ品質管理ソフトウェアRadiCS と付属の外付けセンサーを使用した． 2．結 果 Fig. 1に100倍で撮影した，従来model（左）と開口率 を向上させたmodel（右）のサブピクセル構造を示し た．2M高開口率タイプ，3M高開口率タイプともに従 来タイプと比べ，サブピクセル・セル内部の遮光部 面積およびライン間の遮光部面積の減少が認められ た．2M modelに比べ3M modelで開口率の向上が大き い．高開口率タイプのサブピクセル構造は，従来タイ プの「く」の字櫛歯から長方形に形状変更されている． パネル画像から計算した各modelの開口率は，2M 従来タイプが31.3％，高開口率タイプが48.0％，3M従 来タイプが35.1％，高開口率タイプが55.2％を示し た．また，遮光部を除くサブピクセル・セル光透過部 の幅については，2M高効率タイプで，サブピクセル 方向が136％，非サブピクセル方向で121％，3M高開 口率タイプでは，サブピクセル方向が140％，非サブ ピクセル方向で134％の計測値となった． Fig. 2は，2M従来タイプと高開口率タイプのMTF 測定の結果を比較したもので，サブピクセル方向 （a-1）で値の違いはないが，非サブピクセル方向（a-2） において高開口率タイプでは，0.9∼1.852cycles/mm （ナイキスト周波数）の範囲で2.4∼5.6％のMTFの低下 がみられた．3M従来タイプと高開口率タイプのMTF 測定の結果をFig. 3に示した．サブピクセル方向（b-1） では，1.2∼2.372cycles/mm（ナイキスト周波数）の範
囲において，高開口率タイプで2.7∼10.7％のMTFの 低下が認められた．非サブピクセル方向（b-2）では， ほぼ同等の値であった．開口率の向上したモニタで は，2M，3MのいずれのmodelにおいてもMTFの低下 が認められた．2M高開口率タイプと3M高開口率タイ プのMTF低下の比較では，3M高開口率タイプのサブ ピクセル方向での低下が大きかった． Fig. 4に2M modelのNPSの測定結果を示した．デー タの取得は，従来modelと比較するためにTable 2-1の 設定条件で行った．NPSの結果は，画素構造に由来
Fig. 3 Comparison of MTF of the current sub-pixel model（R31）and MTF of the improved sub-pixel model（RX320）.
（b-1） sub-pixel direction （b-2） cross sub-pixel direction
Fig. 4 Comparison of NPS of the current sub-pixel model（RX210）and NPS of the improved sub-pixel model（RX211）. Setting 240 cd/m2
of the luminance. （a-1） sub-pixel direction （a-2） cross sub-pixel direction
する周期成分とランダムノイズで表現されるが，粒状 性はランダムノイズで評価した．a-1の3.7cycles/mm でのピークは，画素ピッチ0.27mmに相当する周波数 （1/0.27=3.7）と一致する周期成分．2M modelでは，サ ブピクセル，非サブピクセルいずれの方向でも，高開 口率タイプのNPS値が低くなった．3M modelの測定 結 果はFig. 5に示した．デ ータ取 得は2Mと同 様に Table 2-1の設定条件で行った．3M modelにおいても サブピクセル，非サブピクセルの両方向で，高開口 率タイプのNPS値が低くなった．2M，3M modelとも，
ル構造の比較からわかるように，高開口率タイプの非 サブピクセル方向での開口率の向上に起因する．ピク セルの輝度分布が先鋭でなくなったことが原因と考え る．一方，同様に開口率の改善が認められたサブピ クセル方向では，MTFの低下は認められなかった （Fig. 2，a-1）．このことは，従来タイプのサブピクセ ル構造が「く」の字櫛歯形状であるため，ピクセルの 輝度分布がジグザグとなり，高開口率タイプのピクセ ル輝度分布と同等であったためと考える． 3M高開口率タイプでは2Mとは違い，サブピクセル 方向でのMTFが低下している（Fig. 3，b-1）．この原因 は，従来タイプがサブピクセル方向で高い値をとった ことによる．これは，従来タイプのサブピクセル・セ ル中央部の遮光部面積が大きいことで，「く」の字櫛 歯形状の中央部がくびれ，輝度分布が数珠状にな り，ピクセルの輝度分布が先鋭となったことが原因と 考える．非サブピクセル方向で，ほぼ同等の値を示し た（Fig. 3，b-2）のは，遮光部を含めたサブピクセルの 幅（非サブピクセル方向）がほぼ等しく，同様のピクセ ル輝度分布になったことによる． これらの傾向より，開口率の向上は，基本的には鮮 鋭度の低下につながるが，低下の程度と方向はサブ ピクセル・セルの形状，面積に依存するものと考える． NPS（Fig. 4，5）は，2M高開口率タイプ，3M高開口率 タイプの両modelで，サブピクセル方向，非サブピクセ ル方向ともに低下し，ノイズ特性の改善が認められた． NPSの低下は，2M，3M modelともにサブピクセル 方向が大きく，非サブピクセル方向での低下は少な
Fig. 5 Comparison of NPS of the current sub-pixel model（R31）and NPS of the improved sub-pixel model（RX320）. Setting 250 cd/m2 of the luminance.
（b-1） sub-pixel direction （b-2） cross sub-pixel direction
サブピクセル方向でNPS値の低下割合がやや大きい． Table 2-2に示した設定条件で測定した，2M高開口 率タイプ，3M高開口率タイプの結果を，Table 2-1の 設定条件で測定した結果と比較し，Fig. 6，7に示し た．両modelとも，サブピクセル，非サブピクセル方 向でNPSは同等の値をとった． 3．考 察 Fig. 1の画像より，2M，3M modelともにサブピクセ ル・セルの形状の変化（「く」の字櫛歯から長方形）， 面積の変化が認められ，新しい医用カラーLCDでは 従来modelと比べ，2M高開口率タイプで1.53倍，3M 高開口率タイプで1.57倍の開口率を実現している． IPS方式では，高精細化することでピクセルに対する 制御部分の比率が高くなり，開口率が低下して画面 が暗くなる傾向にある．2M高開口率タイプ，3M高開 口率タイプでは，透明電極の採用や電極配置の改善 で開口率を向上させ，透過率を高くすることで高輝 度，高コントラスト比を実現している．これらは， Table 1の数値からも明らかであった． 遮光部面積の減少が大きい方向に開口率は向上 し，サブピクセル方向と非サブピクセル方向ともに向 上が認められた．しかし，今回比較した2M modelと 3M modelでMTFの傾向は異なっていた．このことか ら，サブピクセル・セルの形状もMTF値に影響して いるものと推測された． 2M高開口率タイプにおける非サブピクセル方向で のMTFの低下（Fig. 2，a-2）は，Fig. 1の2Mサブピクセ
Fig. 6 Comparison of NPS with setting luminance 240 cd/m2 in improved
sub-pixel model（RX211）and setting luminance 300 cd/m2.
（a-1） sub-pixel direction （a-2） cross sub-pixel direction
Fig. 7 Comparison of NPS with setting luminance 250 cd/m2 in improved
sub-pixel model（RX320）and setting luminance 400 cd/m2.
（b-1） sub-pixel direction （b-2） cross sub-pixel direction
かった．3M modelのサブピクセル方向の低下割合が 大きい．これらの傾向は，≪遮光部を除くサブピクセ ル・セルの光透過部の幅≫のサブピクセル，非サブ ピクセル方向での増加傾向（結果に示した）と良く一 致した．≪遮光部を除くサブピクセル・セルの光透過 部の幅≫の意味合いは，開口率をサブピクセル，非 サブピクセル方向に表現するものと近似で，開口率の 向上がサブピクセル，非サブピクセル両方向の粒状 性の改善に寄与していることを意味している． 開口率が小さい（サブピクセル・セル面積が小）従 来タイプでは，表面パネル上で高開口率タイプと同一 輝度とする場合，より輝度の高い光が必要となる．ま た，遮光部の面積も大きいため，粒粒の輝度の高い 光がアンチグレア処理の表面パネルに入射して，乱 反射・拡散することになる．このことが，ランダムノ イズを増加させていると思われる． これらの傾向より，開口率の向上は粒状性の改善 につながり，改善の程度はサブピクセル・セルの面
積に依存するものと考える． Fig. 6，7では，2M高開口率タイプ，3M高開口率タ イプの推奨輝度（Table 2-2）でのNPSの測定結果を， Table 2-1の設定条件で測定した結果と比較した．両 modelとも，サブピクセル，非サブピクセル方向で NPS値はよく一致した．NPS測定時には画像の振幅を 合わせる必要がある．確認のため設定輝度に違いが ある測定系を比較したが，ノーマライズしたNPS値に は，特に違いは認められなかった． 4．結 語 開口率を向上させた医用カラーLCDの物理的特性 を測定し，鮮鋭度と粒状性で従来modelとの比較を 行った．この結果から，医用カラーLCDでの，開口率 の向上と物理特性の関係を明らかにした． 開口率を向上させた医用カラーLCDの物理特性で は，鮮鋭度と粒状性の両方にその影響がみられた が，特に粒状性の改善効果が大きかった．物理的特 性の変化は，サブピクセル・セルの形状，面積が影 響したものと考えられた． モニタの開発が進むなか，新しい技術が盛り込ま れた場合での性能，特にそれらモニタの物理特性を 明らかにすることは，より高性能な製品を生み出すこ とにもつながり，医療現場で提供される診断画像の 画質向上にもつながってくるものと考える． 参考文献 1） 澤田道人．快適なモニタ診断環境のために．モニタの特 性と管理．4 医療用高精細モニタの性能．Innervision 2006；21（6）：70-74． 2） 小田耕司．ソフトコピー診断．医療用高精細モニタの物理 的画質特性．日本放射線技術学会画像分科会 画像通信 2006；29（2）：11-16．
3） Ichikawa K, Fujita H, Sawada M. Novel MTF measurement method for medical image viewers using a bar pattern image. Proc. SPIE 2003; 5029: 624-631.
4） 市川勝弘，藤田広志．バーパターンを用いた医用画像ビュー アのMTF測定法．日本写真学会誌 2004；67（2）：184-190．
5） 市川勝弘，藤田広志，澤田道人，他．高解像度ディジタル カメラを用いたディスプレイ性能評価システムの開発．医用 画像情報会誌 2004；21（3）：261-266．
6） Ichikawa K, Kodera Y, Fujita H. MTF measurement method for medical displays by using a bar-pattern image. Journal of the Society for Information Display 2006; 14 （10）: 831-837.
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