大画面テレビ技術

大画面テレビ技術（口語的には大画面テレビ）は、1990年代後半から2000年代にかけて急速に発展した。薄型スクリーン技術が開発される前は、大型ディスプレイとしてはリアプロジェクションテレビが標準で、スタジアムやコンサートでは非投影型ビデオディスプレイ技術であるジャンボトロンが使用されていた。さまざまな薄型スクリーン技術が開発されているが、公開されているのは液晶ディスプレイ（LCD）、プラズマディスプレイ（PDP）、デジタル光処理（DLP）のみである。有機発光ダイオード（OLED）などの最新技術や、表面伝導型電子放出ディスプレイ（SED）や電界放出ディスプレイ（FED）などのまだ公開されていない技術が、画質の点で以前のフラットスクリーン技術に取って代わることを目指して開発されている。

大型スクリーン技術は、ブラウン管(CRT) をテレビ販売でほぼ完全に置き換えました。これは、ブラウン管がかさばる必要があるためです。ブラウン管テレビの対角画面サイズは、ブラウン管のサイズ要件により約 100 cm (40 インチ) に制限されています。ブラウン管は、画面に 3 本の電子ビームを発射して表示可能な画像を作成します。大型スクリーン テレビには長い管が必要なため、約 130 ～ 200 cm (50 ～ 80 インチ) の大型スクリーン CRT テレビは非現実的です。最近の大型スクリーン テレビは、比較的薄型になっています。

特定のディスプレイ技術のサイズを決定する前に、どの距離から見るかを決定することが非常に重要です。ディスプレイのサイズが大きくなるにつれて、理想的な視聴距離も長くなります。Bernard J. Lechner は、 RCAで働いていたときに、さまざまな条件での最適な視聴距離を研究し、いわゆるLechner 距離を導き出しました。

経験則として、標準解像度（SD）ディスプレイの場合、視聴距離は画面サイズのおよそ2～3倍にする必要があります。^{[1] [2] [3] [4] [5]}

テレビディスプレイを評価する上で重要な要素は次のとおりです。

• ディスプレイサイズ: ディスプレイの対角線の長さ。
• ディスプレイ解像度: ディスプレイ上の各次元のピクセル数。一般的に、解像度が高いほど、より鮮明でシャープな画像が得られます。
• ドット ピッチ: これは個々のピクセルのサイズで、サブピクセルの長さとサブピクセル間の距離を含みます。ピクセルの水平方向または対角方向の長さとして測定できます。ドット ピッチが小さいほど、特定の領域内のピクセル数が多くなるため、通常は画像が鮮明になります。CRT ベースのディスプレイの場合、ピクセルは蛍光体ドットと同じではなく、LC ディスプレイのピクセル トライアドと同じです。3 つのモノクロ CRT を使用する投影ディスプレイにはドット構造がないため、この仕様は適用されません。
• 応答時間: ディスプレイが特定の入力に応答するのにかかる時間。LC ディスプレイの場合、ピクセルが黒から白に、そして白から黒に遷移するのにかかる合計時間として定義されます。応答時間が遅いディスプレイで動画を表示すると、ぼやけたり歪んだりすることがあります。応答時間が速いディスプレイでは、不要な画像アーティファクトなしで、動くオブジェクトをより適切に表示できます。
• 明るさ: ディスプレイから放射される光の量。輝度という用語と同義である場合もあります。輝度は面積あたりの光の量として定義され、SI 単位ではカンデラ/平方メートルとして測定されます。
• コントラスト比: ディスプレイ上の最も明るい色の輝度と最も暗い色の輝度の比率。高いコントラスト比が望ましいですが、測定方法は多岐にわたります。ディスプレイを環境から隔離して測定することも、室内の照明を考慮して測定することもできます。静的コントラスト比は、ある瞬間の静止画像で測定されます。動的コントラスト比は、一定期間の画像で測定されます。メーカーは、静的コントラスト比と動的コントラスト比のどちらが高いかによって、どちらかを販売できます。
• アスペクト比: ディスプレイの幅と高さの比率。従来のテレビのアスペクト比は 4:3 でしたが、これは廃止されつつあります。テレビ業界では現在、大画面の高解像度テレビで一般的に使用されている 16:9 の比率に移行しています。
• 視野角: ディスプレイを許容できる品質で表示できる最大角度。角度はディスプレイの 1 つの方向から反対方向まで測定され、最大視野角は 180 度です。この角度外では、表示される画像は歪んで見えます。画像の許容できる品質の定義は、メーカーやディスプレイの種類によって異なります。多くのメーカーは、輝度が最大輝度の半分になる点を許容できる品質と定義しています。一部のメーカーは、コントラスト比に基づいて定義し、特定のコントラスト比が実現される角度に注目しています。
• 色再現/色域: ディスプレイが正確に表現できる色の範囲。

LCDのピクセルは、2 つの偏光フィルタ、電極付きの 2 枚のガラス板、液晶分子という複数の層のコンポーネントで構成されています。液晶はガラス板の間に挟まれ、電極と直接接触しています。2 つの偏光フィルタは、この構造の外側の層です。これらのフィルタの 1 つの極性は水平方向に向いており、もう 1 つのフィルタの極性は垂直方向に向いています。電極はポリマー層で処理されており、液晶分子の特定の方向への配列を制御します。これらの棒状の分子は、片側が水平方向に、もう片側が垂直方向に一致するように配置されており、分子にねじれたらせん構造を与えています。ねじれネマティック液晶は自然にねじれており、温度変化や電流に対して予測どおりに反応するため、LCD によく使用されます。

液晶材料が自然状態にある場合、最初のフィルターを通過する光は、ねじれた分子構造によって (極性の点で) 回転し、2 番目のフィルターを通過できるようになります。電極間に電圧が印加されると、液晶構造は電圧の量によって決まる程度までねじれが解かれます。十分に大きな電圧をかけると、分子のねじれが完全に解かれ、通過する光の極性は回転せず、フィルターの極性に垂直になります。このフィルターは、極性の方向が異なるため光の通過をブロックし、結果としてピクセルは黒になります。各ピクセルで通過できる光の量は、対応する電圧を適宜変更することで制御できます。カラー LCD では、各ピクセルは赤、緑、青のサブピクセルで構成されており、前述のコンポーネントに加えて適切なカラー フィルターが必要です。各サブピクセルを個別に制御して、特定のピクセルで可能な広範囲の色を表示できます。

LCD の片側の電極は列に配置され、もう一方の側の電極は行に配置され、すべてのピクセルを制御する大きなマトリックスを形成します。各ピクセルは一意の行と列の組み合わせで指定され、この組み合わせを使用して制御回路からピクセルにアクセスできます。これらの回路は適切な行と列に電荷を送り、特定のピクセルの電極間に電圧を効果的に適用します。デジタル時計などの単純な LCD は、パッシブ マトリックス構造と呼ばれる構造で動作できます。パッシブ マトリックス構造では、各ピクセルが一度に 1 つずつアドレス指定されます。このため、応答時間が非常に遅くなり、電圧制御が不十分になります。1 つのピクセルに電圧を適用すると、周囲のピクセルの液晶が望ましくない方向にねじれを戻し、画像のこの領域がぼやけてコントラストが低下します。大画面 LCD テレビなどの高解像度の LCD には、アクティブ マトリックス構造が必要です。この構造は、薄膜トランジスタのマトリックスで、各トランジスタはディスプレイ上の 1 つのピクセルに対応します。トランジスタのスイッチング機能により、近くのピクセルに影響を与えることなく、各ピクセルに個別に正確にアクセスできます。各トランジスタは、漏れ電流が非常に少ない状態でコンデンサとしても機能するため、ディスプレイの更新中に電荷を効果的に蓄えることができます。

LC ディスプレイ技術の種類は次のとおりです。

• ツイスト ネマティック (TN): このタイプのディスプレイは最も一般的で、ツイスト ネマティック相結晶を使用します。この結晶は自然ならせん構造を持ち、電圧を印加するとねじれが解けて光が通過できるようになります。これらのディスプレイは製造コストが低く、応答時間が速いですが、視野角が限られており、多くのディスプレイでは色域が限られているため、高度なグラフィック カードを最大限に活用できません。これらの制限は、液晶分子の角度が深さによって異なるために発生し、ピクセルから光が放出される角度が制限されます。
• インプレーン スイッチング (IPS): 従来の TN ディスプレイの電極配置とは異なり、ピクセルに対応する 2 つの電極は両方とも同じガラス板上にあり、互いに平行です。液晶分子はらせん構造を形成せず、互いに平行です。自然または「オフ」状態では、分子構造はガラス板と電極に対して平行に配置されます。IPS ディスプレイではねじれた分子構造が使用されていないため、光がピクセルを離れる角度はそれほど制限されず、そのため視野角と色再現は TN ディスプレイに比べて大幅に改善されています。ただし、IPS ディスプレイは応答時間が遅くなります。IPS ディスプレイも当初はコントラスト比が低いという問題がありましたが、Advanced Super IPS (AS – IPS) の開発により大幅に改善されました。
• マルチドメイン垂直配向 (MVA): このタイプのディスプレイでは、液晶はガラス板に対して垂直に配置されていますが、回転させて通過する光を制御することができます。また、ガラス基板にはピラミッド状の突起があり、液晶の回転を制御して光がガラス板に対して斜めに導かれるようにします。この技術により、広い視野角が得られ、TN および IPS ディスプレイよりも優れたコントラスト比と高速な応答時間を誇ります。主な欠点は、明るさが低下することです。
• パターン化垂直配向 (PVA): このタイプのディスプレイは MVA のバリエーションであり、パフォーマンスは MVA と非常に似ていますが、コントラスト比がはるかに高くなります。

プラズマディスプレイは、2枚のガラス板、2組の電極、誘電体、保護層の間に挟まれた何千ものガス充填セルで構成されています。アドレス電極は、背面ガラス板と保護層の間に垂直に配置されています。この構造は、ディスプレイの背面のセルの後ろにあり、保護層はセルと直接接触しています。ディスプレイの前面には、酸化マグネシウム (MgO) 保護層と絶縁誘電体層の間にある水平ディスプレイ電極があります。MgO 層はセルと直接接触し、誘電体層は前面ガラス板と直接接触しています。水平電極と垂直電極は、個々のセルにアクセスできるグリッドを形成します。個々のセルは周囲のセルから壁で仕切られているため、1つのセルのアクティビティが他のセルに影響を与えません。セル構造は、長方形のセルを除いてハニカム構造に似ています。^{[6] [7] [8] [9]}

特定のセルを照らすには、セルで交差する電極が制御回路によって充電され、電流がセルを流れ、セル内のガス原子（通常はキセノンとネオン）を刺激します。これらのイオン化されたガス原子、つまりプラズマは、セルの内壁にある蛍光体材料と相互作用する紫外線光子を放出します。蛍光体原子が刺激され、電子はより高いエネルギーレベルにジャンプします。これらの電子が自然の状態に戻ると、エネルギーが可視光の形で放出されます。ディスプレイ上のすべてのピクセルは、3 つのサブピクセル セルで構成されています。1 つのサブピクセル セルは赤色蛍光体でコーティングされ、もう 1 つは緑色蛍光体でコーティングされ、3 つ目のセルは青色蛍光体でコーティングされています。サブピクセル セルから放出される光は、ピクセルの全体的な色を作成するために混合されます。制御回路は、各セルから放出される光の強度を操作できるため、幅広い色域を生成できます。各セルからの光は、高品質の動画を生成するために、制御および高速で変更することができます。^{[10] [11] [12] [13]}

プロジェクション テレビは、プロジェクターを使用してビデオ信号から小さな画像を作成し、この画像を表示可能なスクリーンに拡大します。プロジェクターは明るい光線とレンズ システムを使用して、画像をはるかに大きなサイズに投影します。フロント プロジェクション テレビは、適切に準備された壁などのスクリーンとは別のプロジェクターを使用し、プロジェクターをスクリーンの前に配置します。リア プロジェクション テレビのセットアップは、プロジェクターがテレビ ボックス内に収められ、スクリーンの後ろから画像を投影するという点で、従来のテレビと似ています。

以下は、プロジェクターの種類と画像（投影前）の作成方法によって異なる、さまざまなタイプのリアプロジェクションテレビです。

• CRT リアプロジェクションテレビ: 小型のブラウン管が、従来の CRT テレビと同じ方法で画像を作成します。つまり、電子ビームを蛍光体コーティングされたスクリーンに照射して、画像が大きなスクリーンに投影されます。これは、通常の直視型 CRT テレビの最大サイズである約 100 cm (40 インチ) というブラウン管のサイズ制限を克服するために行われます (図を参照)。投影ブラウン管は、さまざまな方法で配置できます。1 つの配置は、1 つのチューブと 3 つの蛍光体 (赤、緑、青) コーティングを使用することです。または、1 つの白黒チューブを回転するカラーホイールと共に使用することもできます。3 番目のオプションは、赤、緑、青にそれぞれ 1 つずつ、合計 3 つの CRT を使用することです。
• LCD リアプロジェクションテレビ: ランプが、個々のピクセルで構成された小さな LCD チップに光を透過して画像を作成します。LCD プロジェクターは、ダイクロイックミラーを使用して光を取り込んで、3 つの別々の赤、緑、青のビームを作成し、3 つの別々の LCD パネルに通します。液晶は、電流を使用して操作され、通過する光の量を制御します。レンズ システムは、3 つのカラー画像を組み合わせて投影します。
• DLP リアプロジェクションテレビ: DLP プロジェクターは、デジタル マイクロミラー デバイス(DMD チップ)を使用して画像を作成します。DMDチップの表面には、それぞれが画像の 1 つのピクセル (またはサブピクセル) に対応する微細なミラーの大きなマトリックスが含まれています。各ミラーを傾けて光を反射し、ピクセルを明るく表示したり、ミラーを傾けて光を他の場所 (光が吸収される場所) に向け、ピクセルを暗く表示したりできます。ミラーは明るい位置と暗い位置の間を移動するため、サブピクセルの明るさは、ミラーが明るい位置にある時間を比例して変化させることによって制御されます (パルス幅変調)。ミラーはアルミニウム製で、ねじり支持ヨークに取り付けられています。ヨークの両側には電極があり、静電引力を使用してミラーの傾きを制御します。電極は各ピクセルの下にあるSRAMセルに接続され、SRAM セルからの電荷によってミラーが移動します。色は、回転するカラー ホイール (シングル チップ プロジェクターで使用) または 3 チップ (赤、緑、青) プロジェクターによって作成されます。カラー ホイールはランプ光源と DMD チップの間に配置され、通過する光が色付けされてミラー アレイで反射され、明るさが決定されます。カラー ホイールは、赤、緑、青のセクターと、明るさを制御するか 4 番目の色を含める 4 番目のセクターで構成されます。シングル チップ配置のこの回転するカラー ホイールは、赤、緑、青の発光ダイオード (LED) に置き換えることができます。3 チップ プロジェクターは、プリズムを使用して光を 3 つのビーム (赤、緑、青) に分割し、それぞれが独自の DMD チップに向けられます。3 つの DMD チップの出力は再結合されてから投影されます。

2010 年 6 月に InfoComm で初めて実演されたレーザー リン光体ディスプレイ技術では、テレビの背面にあるレーザーを使用して画像が生成され、高速で移動するミラー バンクで反射されて、ブラウン管と同様にテレビ画面上のピクセルが励起されます。ミラーは画面全体にレーザー ビームを反射し、必要な数の画像ラインを生成します。ガラス内部のリン光体の小さな層は、ソフト UV レーザーによって励起されると、赤、緑、または青の光を発します。レーザーは強度を変えたり、完全にオンまたはオフにしたりしても問題ありません。つまり、暗いディスプレイでは、画像を投影するために必要な電力が少なくて済みます。

大画面のCRTテレビ/モニターは存在するが、その画面サイズは実用的ではないため制限されている。画面が大きくなるほど、重量が増し、CRTの奥行きが深くなる。一般的な80cm（32インチ）のテレビの重量は約70kg（150ポンド）以上になることがある。ソニーのPVM-4300モニターは重量が200kg（440ポンド）で、対角110cm（43インチ）のディスプレイを備えた史上最大のCRTを備えていた。^[14]スリムフィットテレビも存在するが、一般的ではない。

利点

• スリムなプロファイル
• リアプロジェクションテレビよりも軽量でかさばらない
• 焼き付きが発生しにくい: 焼き付きとは、テレビで画像を長時間表示し続けると、ゴーストのような画像が永久的に表示されてしまうことです。発光蛍光体は時間の経過とともに輝度が低下し、頻繁に使用すると輝度の低い部分が永久的に見えるようになります。
• LCD は光をほとんど反射しないため、明るい部屋でもコントラスト レベルを維持し、グレアの影響を受けません。
• 同サイズのプラズマディスプレイよりもわずかに電力消費が少ない。
• 壁掛けも可能です。

デメリット

• 黒レベルが低い: 液晶が完全にねじれていないときでも、いくらかの光が通過するため、実現できる最良の黒色はさまざまな濃淡のダークグレーとなり、画像のコントラスト比とディテールが悪くなります。この問題は、照明として LED マトリックスを使用することで軽減され、ほぼ真の黒のパフォーマンスが得られます。
• 競合技術よりも視野角が狭い。画像の歪みを起こさずに LCD を使用することはほぼ不可能です。
• LCD は薄膜トランジスタに大きく依存しており、薄膜トランジスタが損傷してピクセルに欠陥が生じる可能性があります。
• 通常、プラズマよりも応答時間が遅いため、動きの速い画像を表示する際にゴーストやぼやけが発生する可能性があります。この問題もLCDのリフレッシュレートを上げることで改善されています。 ^[15]

利点

• スリムなキャビネットプロファイル
• 壁掛け可能
• リアプロジェクションテレビよりも軽量で体積も小さい
• LCDよりも正確な色再現性; 680億色（2の^36乗）対1670万色（2の^24乗）^[16]
• 深みのある真の黒を生成し、優れたコントラスト比（+ 1:1,000,000）を実現します^{[16] [17] [18]}
• LCDよりも広い視野角（+178°）; LCDのように高い角度から見ても画像が劣化（暗くなったり歪んだり）しない^{[16] [17]}
• モーションブラーなし。リフレッシュレートが高く、応答時間が速い（最大1.0マイクロ秒）ため、モーションブラーがなくなり、動きの速い映画やスポーツの映像を見るのに理想的なプラズマテレビ技術となっています。

デメリット

• 製造中止
• 画面の焼き付きや残像が発生しやすい。最新型のプラズマテレビには、ピクセルシフトなどの補正技術が搭載されている^[13]
• 蛍光体の輝度は時間の経過とともに低下し、その結果、画像の絶対的な明るさが徐々に低下する。これは、現代のプラズマテレビ技術の寿命が60,000時間（CRT技術よりも長い）であることで補正される^[13]
• 対角94cm（37インチ）未満のサイズは製造されていません
• 明るい部屋では反射光の影響を受けやすく、画像が暗くなります。
• 電力消費率が高い
• ガスを封じ込めるガラススクリーンのため、同等の液晶テレビよりも重い。
• 画面の修理費用が高い。プラズマテレビのガラス画面は永久的に損傷する可能性があり、液晶テレビのプラスチック画面よりも修理が難しい^{[16] [17]}

利点

• フラットパネルに比べて大幅に安価
• フロントプロジェクションの画質は映画館に迫る
• フロントプロジェクションテレビは、プロジェクタースクリーンが非常に薄いため、場所をほとんど取らず、適切に準備された壁でも使用できます。
• ディスプレイのサイズは非常に大きくなる可能性があり、通常は部屋の高さによって制限されます。

デメリット

• フロントプロジェクションはプロジェクターが別で、スクリーンの前（通常は天井）に設置する必要があるため、セットアップがより困難です。
• 頻繁に使用するとランプの交換が必要になる場合があります
• 画像の明るさに問題があるため、部屋を暗くする必要があるかもしれません。

利点

• フラットパネルに比べて大幅に安価
• 蛍光体ベースではないプロジェクター（LCD/DLP）は焼き付きが発生しにくい
• リアプロジェクションはグレアの影響を受けない

デメリット

• リアプロジェクションテレビはフラットパネルテレビよりもはるかに大きい
• 頻繁に使用するとランプの交換が必要になる場合があります
• リアプロジェクションはフラットパネルディスプレイよりも視野角が狭い

利点:

• 優れた黒レベルとコントラスト比を実現
• 優れた色再現を実現
• CRTは一般的に寿命が非常に長い
• LCDよりも広い視野角

デメリット:

• 重くて大きい、特に奥行きが広い
• 1つのCRTが故障した場合、最適な色と明るさのバランスを保つために他の2つを交換する必要があります。
• CRTは蛍光体ベースなので焼き付きやすい
• 毎年（またはセットの移転後）「収束」（原色をカラーフリンジなしで重ね合わせる）する必要がある
• 色の輪が現れたり、焦点が合わなくなることがある

利点:

• CRTプロジェクターよりも小さい
• LCDチップは簡単に修理または交換できます
• 焼き付きが発生しにくい

デメリット:

• スクリーンドア効果: 個々のピクセルが大きな画面で見える場合があり、視聴者はスクリーンドアを通して見ているように見えます。
• 欠陥ピクセルの可能性
• 黒レベルが低い: 液晶が完全にねじれても光が多少は通過するため、実現できる最良の黒色は非常に暗いグレーとなり、画像のコントラスト比とディテールが悪くなります。一部の新しいモデルでは、これを補うために調整可能な絞りを使用しています。
• DLPプロジェクションテレビほどスリムではない
• 照明にはランプを使用しますが、ランプの交換が必要になる場合があります
• ピクセル数は固定で、他の解像度はこれに合うように調整する必要がある
• 視野角が限られている

利点:

• あらゆるタイプのプロジェクションテレビの中で最も薄い
• 優れた黒レベルとコントラスト比を実現
• DMDチップは簡単に修理または交換できます
• 焼き付きが発生しにくい
• CRTプロジェクターよりも優れた視野角
• 画像の明るさはランプの経年劣化により低下する
• 欠陥ピクセルはまれ
• 網戸効果は発生しない

デメリット:

• 照明にはランプを使用します。ランプは平均して 1 年半から 2 年に 1 回交換する必要があります。^[要出典] LED ランプを搭載した現在のモデルでは、この手間が軽減または解消されています。LED ランプの推定寿命は 100,000 時間以上です。
• ピクセル数は固定されており、他の解像度はこれに合わせて調整する必要があります。これは CRT ディスプレイと比較した場合のみの制限です。
• レインボー効果: これは、視聴者がディスプレイの端から端まで見たときに見える、色のついた光のフラッシュとして説明される、望ましくない視覚的アーティファクトです。このアーティファクトは、シングル チップ DLP プロジェクターに特有のものです。レインボー効果は、赤、緑、青のコンポーネントの表示と同期する「カラー ホイール」を備えた単一の白色ランプを使用する DLP ディスプレイでのみ顕著です。赤、緑、青のコンポーネントの表示と連動して、高周波数で個別の赤、緑、青の LED を使用する LED 照明システムでは、レインボー効果を軽減するか、完全に排除します。

• ディスプレイ技術の比較
• ビデオウォール
• LEDテレビ
• TFT-LCD、LCDパネル技術の詳細な説明

• 「プラズマ ディスプレイ パネル」 Plasmacoalition.org。プラズマ科学連合。2007 年 3 月 20 日