CN101331417A - 自动聚焦设备和光学装置 - Google Patents

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CN101331417A CNA2007800006595A CN200780000659A CN101331417A CN 101331417 A CN101331417 A CN 101331417A CN A2007800006595 A CNA2007800006595 A CN A2007800006595A CN 200780000659 A CN200780000659 A CN 200780000659A CN 101331417 A CN101331417 A CN 101331417A
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Abstract

提供的是一种通过其对于实际使用能以足够高速度探测聚焦点并且可得到用于优良成像性能的透镜状态的自动聚焦设备。自动聚焦设备设有：液晶透镜，它形成折射率分布；光电转换部分，它把通过液晶透镜形成的光学图像转换成电信号，并且输出图像信号；焦点信号抽取部分，它通过把在第一范围中的电压施加到液晶透镜上改变折射率分布，并且基于图像信号抽取多个焦点信号；焦点辨别单元，用来从抽取焦点信号辨别与焦点相对应的焦点信号；及焦点调节单元，它提供与由焦点辨别单元辨别的焦点信号相对应的折射率分布，并且通过把第二电压施加到液晶透镜上调节焦点。第二电压比在第一范围中并且施加到液晶透镜上以便得到由焦点辨别单元辨别的焦点信号的电压低。

Description

自动聚焦设备和光学装置
技术领域
本发明涉及一种自动聚焦设备和一种光学装置。更明确地说，本发明涉及一种使用用于焦距调节的液晶透镜、从由通过液晶透镜聚焦的光学图像得到的图像信号抽取与聚焦程度对应的多个聚焦信号、及通过探测多个聚焦信号的峰值探测聚焦点的自动聚焦设备，并且本发明也涉及一种用在该设备中的光学装置。
背景技术
通过移动透镜实现聚焦的方法被广泛用来实施用来改变光学系统的焦距或焦点位置的聚焦系统。然而，这种方法要求透镜驱动机构的使用，并因此具有聚焦系统复杂、需要较大量的功率以驱动透镜驱动电机的缺点。另外的缺点是，耐冲击性一般较低。鉴于这点，作为不要求透镜驱动机构的使用的聚焦系统，提出有一种通过改变液晶透镜的折射率实现聚焦的系统(例如，参考专利文件1)。
另一方面，一种轮廓探测方法已知用来实施用于摄像机的自动对焦(自动聚焦)系统，该轮廓控制方法直接从捕获的视频图像抽取与图像离焦状态相对应的信息，并且通过使用登山法控制透镜以使离焦状态最小。提出了使用这样一种登山控制方法的各种自动对焦设备(例如，参考专利文件2、3、4及5)。
专利文件1：日本专利No.3047082(第3至5页、图1至4)
专利文件2：日本实用专利公报No.H02-44248(第4至10页、图7至11)
专利文件3：日本专利No.2742741(第1和第2页、图5至7)
专利文件4：日本已审查专利公报No.H01-15188(第1至3页、图1至5)
专利文件5：日本已审查专利公报No.H02-11068(第3至5页、图1至3)
发明内容
然而，液晶透镜具有探测聚焦点占用相当量的时间的问题，因为液晶的响应速度很慢。
另一方面，液晶具有这样的特性：当高电压施加到液晶上时，响应速度增大，并且在短时间内可探测聚焦点。然而，在高电压存在时，液晶透镜的图像聚焦性能下降。
本发明的目的是提供解决与现有技术有关的上述问题的一种自动聚焦设备和一种光学装置。
本发明的另一个目的是，通过采取与当抽取与聚焦程度相对应的多个聚集信号时施加到液晶透镜上的电压相比减小当调节聚集点时施加到液晶透镜上的电压的措施，提供能以足够高速度探测聚焦点并且可实现具有良好聚焦性能的透镜状态的一种自动聚焦设备和一种光学装置。
根据本发明的一种自动聚焦设备包括：液晶透镜，它形成折射率分布(profile)；光电转换单元，它把通过液晶透镜聚焦的光学图像转换成电信号，并且输出电信号作为图像信号；聚焦信号抽取单元，它通过把第一范围的电压施加到液晶透镜上使折射率分布变化，并且基于图像信号抽取多个聚焦信号；聚焦点辨别单元，它从多个抽取聚焦信号中辨别与聚焦点相对应的聚焦信号；及聚焦点调节单元，它通过把第二电压施加到液晶透镜上调节聚焦点，该第二电压能够产生与由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到液晶透镜上以便得到由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的第一范围的电压。
优选地，根据本发明的自动聚焦设备还包括存储单元，该存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储第一范围的电压和与在第一范围的电压中的每个个别电压相对应的第二电压。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，第一范围的电压包括为每个预置焦距预先规定的多个电压。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，聚焦信号抽取单元获得用于每个预置焦距的聚焦信号。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，聚焦信号抽取单元包括与第一焦距相对应的先前探测的聚焦信号以及与第二焦距相对应的当前探测的聚焦信号以检查聚焦信号是已经增大还是已经减小，并且然后转到抽取与第三焦距相对应的聚焦信号，由此依次把一个聚焦信号与下一个相比较，并且当与聚焦点相对应的聚焦信号由聚焦点辨别单元辨别到时，停止聚焦信号的抽取。
优选地，根据本发明的自动聚焦设备还包括切换电压施加单元，该切换电压施加单元在施加第二电压之前，把切换电压施加到液晶透镜上，该切换电压的电势差大于第二电压。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储第一范围的电压、与在第一范围的电压中的每个个别电压相对应的第二电压、及与在第一范围的电压中的每个个别电压相对应和与第二电压相对应的切换电压
优选地，根据本发明的自动聚焦设备还包括用来探测液晶透镜附近的温度的温度探测单元。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，聚焦信号抽取单元基于由温度探测单元探测的温度通过把第一范围的电压施加到液晶透镜上使折射率分布变化，并且基于图像信号抽取多个聚焦信号，并且
聚焦点调节单元基于由温度探测单元探测的温度把第二电压施加到液晶透镜上，该第二电压能够产生与由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到液晶透镜上以便得到由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的第一范围的电压。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储第一范围的电压和与在第一范围的电压中的每个个别电压相对应的第二电压。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，聚焦信号抽取单元基于由温度探测单元探测的温度通过把第一范围的电压施加到液晶透镜上使折射率分布变化，并且基于图像信号抽取多个聚焦信号，
聚焦点调节单元基于由温度探测单元探测的温度把第二电压施加到液晶透镜上，该第二电压能够产生与由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到液晶透镜上以便得到由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的第一范围的电压，及
在第二电压施加之前，切换电压施加单元基于由温度探测单元探测的温度，把切换电压施加到液晶透镜上，该切换电压的电势差大于第二电压。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储第一范围的电压、与在第一范围的电压中的每个个别电压相对应的第二电压、及与在第一范围的电压中的每个个别电压相对应和与第二电压相对应的切换电压。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，液晶透镜包括多个环形区和一个液晶层。
优选地，根据本发明的自动聚焦设备还包括与液晶透镜协作的光学透镜。
根据本发明的一种光学装置包括：液晶透镜，它形成折射率分布；聚焦信号抽取单元，它通过把第一范围的电压施加到液晶透镜上使折射率分布变化，并且基于图像信号抽取多个聚焦信号；聚焦点辨别单元，它从多个抽取聚焦信号中辨别与聚焦点相对应的聚焦信号；及聚焦点调节单元，它通过把第二电压施加到液晶透镜上调节聚焦点，该第二电压能够产生与由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到液晶透镜上以便得到由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的第一范围的电压。
根据本发明的一种自动聚焦设备包括：光学透镜装置，包括液晶透镜，光电转换单元，用来把通过光学透镜装置聚焦的光学图像转换成电信号，并且输出电信号作为图像信号；和液晶透镜控制单元，它从图像信号抽取与聚焦程度相对应的聚焦信号，并且控制液晶透镜驱动状态，从而聚焦信号成为最大，其中，液晶透镜控制单元包括：聚焦信号抽取单元，它在通过把第一电压施加到液晶透镜上改变折射率的同时通过在规定频率下取样而抽取多个聚焦信号；聚焦点辨别单元，它从由聚焦信号抽取单元抽取的多个聚焦信号中辨别提供最大值的聚焦信号；及聚焦点调节单元，它通过施加第二电压调节聚焦点，该第二电压小于第一电压，并且能够产生与由聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，该聚焦信号作为提供最大值的聚焦信号。
优选地，在根据本发明的自动聚焦设备中，在存储单元中的对应性表格为每个预置焦距提供。
通过采取与当抽取与聚焦程度相对应的多个聚集信号时施加到液晶透镜上的电压相比减小当调节聚集点时施加到液晶透镜上的电压的措施，提供了能够实现对于实际使用能以足够高速度探测聚焦点并且可实现具有良好聚焦性能的透镜状态的一种自动聚焦设备和一种光学装置的便利效果。
附图说明
图1是方块图，表示根据本发明的自动聚焦设备的基本构造。
图2是前视图，表示液晶透镜的结构。
图3是横截面图，表示液晶透镜的结构。
图4是前视图，表示图形化(patterned)电极的结构。
图5(a)示意表示基于扫描法的自动聚焦操作，并且图5(b)示意表示基于登山法的自动聚焦操作。
图6表示在对于液晶的施加电压与延迟之间的关系。
图7(a)表示在Re1范围中的MTF值，并且图7(b)表示在Re2范围中的MTF值。
图8表示自动聚焦过程流程的一个例子。
图9表示施加到相应环形电极上的电压在图8中表示的流程中如何变化。
图10表示自动聚焦过程流程的另一个例子。
图11表示施加到相应环形电极上的电压在图10中表示的流程中如何变化。
图12表示施加到相应环形电极上的电压如何变化的另一个例子。
图13是方块图，表示根据本发明的另一种自动聚焦设备的基本构造。
图14表示在图13中表示的自动聚焦设备中进行的自动聚焦过程的一个例子。
图15表示施加到相应环形电极上的电压在图14中表示的流程中如何变化。
具体实施方式
下面参照附图将详细描述根据本发明的自动聚焦设备的优选实施例。然而，应该注意，本发明不由这里给出的描述所限制，而是覆盖在附属权利要求书和其等效物中描述的本发明。
图1是方块图，表示根据本发明的自动聚焦设备的基本构造。
如图1中所示，本发明的自动聚焦设备包括液晶透镜1、光学透镜2、成像装置3、DSP(数字信号处理器)4、自动对焦控制器5、及液晶透镜驱动器6。液晶透镜1通过把用于P波的液晶透镜与用于S波的液晶透镜相组合而建造。光学透镜2包括光圈、一组全焦点透镜元件、及红外截止滤波器。成像装置3包括由固态成像装置，如CCD或CMOS成像器，建造的图像传感器、和模数转换器。
通过液晶透镜1和光学透镜2聚焦的光学图像由在成像装置3中的图像传感器转换成电信号。从图像传感器输出的电信号由模数转换器转换成数字信号。DSP 4对于从模数转换器输出的数字信号进行图像处理。当图像信号从DSP 4输出时，自动对焦控制器5通过在规定频率下取样图像信号而抽取与聚焦程度相对应的多个聚焦信号。然后，基于如此抽取的多个聚焦信号，自动对焦控制器5辨别在其处聚焦信号电平成为最大的点，并且基于辨别结果，借助于液晶透镜驱动器6控制液晶透镜1的驱动。
自动对焦控制器5包括进行以上序列的控制操作的微处理器51、和存储单元52。存储单元52包括：只读存储器区域(ROM区域)，它存储由微处理器51执行的程序、为得到最佳驱动电压必需的各种关系、等等；和可写存储器区域(RAM区域)，微处理器51把它用作工作区域。液晶透镜驱动器6基于从自动对焦控制器5接收的控制信号把电压施加到液晶透镜1上。
液晶透镜1和与液晶透镜1协作的光学透镜2与光学透镜装置相对应。成像装置3和DSP 4一起与光电转换装置相对应。自动对焦控制器5和液晶透镜驱动器6一起与液晶透镜控制单元或与以后将详细描述的聚焦信号抽取单元、聚焦点辨别单元、聚焦点调节单元、切换电压施加单元、等等相对应。
其次，下面将描述液晶透镜的结构。图2和3分别是前视图和横截面图，表示液晶透镜的单元结构。
液晶透镜1包括液晶面板10、等等。在液晶面板10中，图形化电极13和共用电极14彼此面对地布置在一对相对玻璃基片11和12的内表面上。对准膜15和16彼此面对地布置在图形化电极13和共用电极14的内表面上。均匀对准的液晶层17密封在对准膜15和16之间，但是另一种液晶层可以被替代地使用。
用于P波的液晶透镜和用于S波的液晶透镜在结构上是相同的，但它们的液晶层17彼此以90°定向。当改变用于P波的液晶透镜的折射率分布时，其偏振平面与用于P波的液晶透镜的定向方向相重合的光受折射率分布变化的影响，但其偏振平面与用于P波的液晶透镜的定向方向成直角的光不受折射率分布变化的影响。这同样适于用于S波的液晶透镜。
为此，必须提供彼此以90°定向的两个液晶透镜，即用于P波的液晶透镜和用于S波的液晶透镜。用于P波的液晶透镜和用于S波的液晶透镜都由相同波形的驱动电压驱动。驱动电压例如是脉冲高度调制(PHM)或脉冲宽度调制(PWM)直流电压。
其折射率随施加电压变化的透镜区域18提供在液晶透镜1的中心中。液晶透镜1绕其周缘由密封部件19密封。液晶层17的厚度借助于垫片部件20保持恒定。柔性印刷电路板(FPC)22通过使用各向异性导电膜连接到图形化电极10的电极引线21上。电极引线21的一些与图形化电极13电气隔离，并且连接到共用电极14上。
液晶透镜1的尺寸下面通过例子给出，尽管它们不具体地限于这里给出的值。玻璃基片11和12每个是10毫米的方形，但大小范围可从几个毫米至十几毫米左右。然而，对于其上形成图形化电极13的玻璃基片11，这个尺寸排除覆盖图形化电极13的电极引线21的部分。玻璃基片11和12的每一个的厚度是300μm，但在几百微米范围中的厚度是允许的。液晶层14的厚度是23μm，但范围可从十几微米至几十微米。透镜区域18的直径是2.4mm，但在几毫米范围中的直径是允许的。
图4是前视图，示意表示图形化电极13的结构。
如图4中所示，图形化电极13具有包括多个C形环形电极24的图形，该C形环形电极24以绕圆形中心电极23的不同半径的同心圆形成。绝缘空间提供在中心电极23与最内环形电极24之间、以及在每对相邻环形电极24之间。为了说明的原因，在图4中表示的环形电极24的数量与实际数量不同。
多个引导电极25从中心电极23和多个环形电极24以彼此电气绝缘的这样一种方式径向向外延伸。在图4中表示的图形化电极13形成为重叠在透镜区域18(见图2)上。
当把不同的电压施加到相应引导电极25上时，把中心电极23和环形电极24带到相对于共用电极14分别不同的电位，产生跨过透镜区域18的电压分布。当这种电压分布被改变时，液晶透镜1的折射率分布变化，并因而可使液晶透镜7起凸透镜、平行玻璃板、或凹透镜的作用。
图形化电极13的各个部分的尺寸下面通过例子给出，尽管它们不具体地限于这里给出的值。电极，即中心电极23和环形电极24，的总数量是20。这里，通过假定中心电极23由n＝1代表并且环形电极24由n＝2至n＝20代表按这种顺序从最内电极到最外电极，考虑从中心到中心电极23的外周缘的距离和从中心到每个环形电极24的外周缘的距离。图形化电极13这样形成，从而保持关系n＝Arn 2(A：常数)，其中rn是从中心到每个电极的距离。在本实施例中使用的尺寸表示在下面的表1中。在中心电极23和环形电极24的相邻电极之间提供的空隙宽度是3μm。在表1中表示的尺寸和在中心电极23和环形电极24的相邻电极之间提供的空隙宽度仅仅是例子，并不限于这里给出的值。
表1
Figure A20078000065900131
其次，下面将描述液晶透镜控制单元或聚焦信号抽取单元、聚焦点辨别单元、聚焦点调节单元、及切换电压施加单元。
首先，将给出在根据本发明的自动聚焦设备中提供的聚焦信号抽取单元和聚焦点辨别单元中自动对焦控制器5进行的自动对焦操作的描述。
图5(a)示意表示自动对焦控制操作(基于扫描法)，并且图5(b)示意表示自动对焦控制操作(基于登山法)。在图5(a)和5(b)中，纵坐标代表聚焦信号电平，并且横坐标代表透镜级。这里，透镜级是指透镜状态的设置值(透镜状态与焦距相对应)，该透镜状态由聚焦信号抽取单元和聚焦点辨别单元通过控制液晶透镜1而得到，从而实现预定焦距的希望的一种，如以后将描述的那样。
在扫描法的情况下，首先聚焦信号抽取单元对于所有透镜级(0至8)得到聚焦信号电平(f0至f8)，如图5(a)中所示，并且然后，聚焦点辨别单元辨别最靠近焦点中状态的透镜级(在这种情况下，聚焦信号电平成为最大的透镜级)。在这种扫描法中，用来对于所有透镜级得到聚焦信号电平的过程与聚焦信号抽取过程相对应，并且用来辨别与所获得的所有聚焦信号电平的最大聚焦信号电平相对应的透镜级的过程与焦点辨别过程相对应。扫描法进一步分类成两种方法：一种其中在规定电压施加到在液晶透镜1中的中心电极23和多个环形电极24上之后等待直到液晶分子的行为稳定之后依次取样聚焦信号电平的方法；和一种其中在把规定电压施加到在液晶透镜1中的中心电极23和多个环形电极24上的同时当液晶分子处于响应施加电压的过程中时在过渡响应时段期间取样多个聚焦信号的方法。
在登山法的情况下，如图5(b)中所示，把与第一透镜级(例如，透镜级0)相对应的以前探测的聚焦信号电平(f0)与同第一透镜级不同的第二透镜级(例如，透镜级1)相对应的当前探测聚焦信号电平(f1)相比较，以检查聚焦信号电平已经增大还是减小，并且随后抽取与第三透镜级(例如，透镜级2)相对应的聚焦信号电平(f2)，由此把一个聚焦信号与下一个依次相比较。在这种过程中，如果聚焦点辨别单元探测到与在其下聚焦信号电平达到最大的透镜级(例如，透镜级4)相对应的聚焦信号电平(f4)，则终止聚焦信号抽取过程。在这种登山法中，用来把对于一定透镜级得到的聚焦信号与以前得到的聚焦信号依次相比较以检查信号电平已经增大还是减小、和然后转到下个透镜级的过程，与聚焦信号抽取过程相对应；并且用来辨别与当前透镜级相对应的聚焦信号电平是否大于在当前透镜级之前和之后的透镜级相对应的那些聚焦信号电平的过程与聚焦点辨别过程相对应。
下面通过使用扫描法将描述本实施例。首先，将描述液晶透镜1的透镜级。在本实施例中，通过定义与液晶透镜1的焦距相对应的透镜级和通过设置透镜级，可得到希望的焦距。表2表示在透镜级与焦距之间的关系。透镜级的数值和在表1中表示的数值仅仅是例子，并且不限于这里表示的例子。
表2
  透镜级   焦距：f[mm]
  0   273
  1   365
  2   547
  3   1095
  4   ∞
  5   -1095
  6   -547
  7   -365
  8   -273
为了解释方便，在本实施例中，当液晶透镜1设置为起凸透镜作用时的焦距f由正数值表达，并且当液晶透镜1设置为起凹透镜作用时的焦距f由负数值表达。在这种情况下，当液晶透镜1的焦距f在正或负无穷处时，液晶透镜1起平行玻璃板的作用。
如表2中所示，在本实施例中，实现273mm的焦距的透镜级定义为“0”，并且以相同方式定义实现其它焦距的透镜级，即365mm的焦距定义为“1”、547mm的焦距定义为“2”、1095mm的焦距定义为“3”、焦距∞定义为“4”、-1095mm的焦距定义为“5”、-547mm的焦距定义为“6”、-365mm的焦距定义为“7”、及-273mm的焦距定义为“8”。
其次，将给出在根据本发明的自动聚焦设备中提供的聚焦点调节单元的描述，同时进行聚焦信号抽取单元施加到中心电极23和环形电极24上的电压的比较。
图6表示根据本实施例在施加到液晶上的电压与延迟值之间的关系。在图6中，纵坐标代表液晶透镜1的延迟(nm)，并且横坐标代表均方根电压(Vrms)。
当分别不同的电压施加到中心电极23和相应环形电极24上时，得到从一个电极到下一个变化的折射率分布。这里，考虑到其中分别施加落在图6中的“V1范围”内的电压和落在“V2范围”内的电压的情形。当施加落在图6中的“V1范围”内的电压时，在中心电极23和相应环形电极24处得到的延迟值落在图6中的“Re1范围”内。另一方面，当施加落在图6中的“V2范围”内的电压时，在中心电极23和相应环形电极24处得到的延迟值落在图6中的“Re2范围”内。在中心电极23和相应环形电极24处的延迟值的数值在这两种情况之间不同。然而，可使在中心电极23与每个环形电极24之间的延迟值的差的数值在两种情况之间相同。通过以这种方式使在延迟值的差的数值相同，在任一种情况下跨过透镜区域18可产生相同的折射率分布。如果折射率分布对于“Re1范围”与对于“Re2范围”相同，那么液晶透镜1的焦距变得相同。另一方面，知道对于在“Re2范围”中得到的透镜状态比在“Re1范围”中得到的透镜状态可实现更好的聚焦性能。
在根据本发明的自动聚焦设备中，在聚焦信号抽取单元中的处理通过施加落在图6中的“V1范围”内的电压而进行。另一方面，在聚焦点调节单元中进行的处理中，通过施加比在“V1范围”内的电压低的在“V2范围”内的电压，把透镜设置到由聚焦点辨别单元得到的透镜级。
作为例子，下面将描述在本实施例中为实现与透镜级2(参考例如图5(a))相对应的状态而施加的电压。表3表示聚焦信号抽取单元施加到相应电极上以实现透镜级2的电压、以及施加到用于聚焦点调节的相应电极上的电压。在表3中表示的施加电压值仅仅是例子，并且不限于这里给出的值。
表3
Figure A20078000065900171
如可从表3看到的那样，由聚焦点调节单元施加的电压(在“V2范围”中的电压)低于由聚焦信号抽取单元施加的电压(在“V1范围”中的电压)。尽管以上已经表示透镜级2的情形作为例子，但要理解，对于所有透镜级，由聚焦点抽取装置施加的电压(在“V2范围”中的电压)低于由聚焦信号抽取单元施加的电压(在“V1范围”中的电压)。
其次，将给出在本实施例中完成聚焦信号抽取需要的时间的描述。将描述响应时间，即响应液晶透镜1的透镜级变化占用的时间。表4通过例子表示分别对于在“V1范围”中的电压和在“V2范围”中的电压，当透镜级在25℃下变化时液晶透镜1稳定占用的时间。
表4
  透镜级   V1：聚焦信号抽取[ms]   V2：聚焦点调节[ms]
  0→1   200   600
  1→2   100   500
  2→3   80   300
  3→4   60   150
  4→5   120   250
  5→6   150   350
  6→7   200   500
  7→8   300   700
  总计   1210   3350
在本实施例中，由于聚焦信号抽取使用在图5(a)中表示的扫描法进行，所以聚焦信号抽取在透镜级0下开始，并且按透镜级1、2、3、4、5、6、7、及8的顺序进行。就是说，完成聚焦信号抽取需要在“总计”条目中表示的时间。如可从表4看到的那样，借助于在“V2范围”中的电压的聚焦信号抽取占用多于三秒，这是不实用的。另一方面，借助于在“V1范围”中的电压，聚焦信号抽取在稍大于1秒中完成，这是实用的。
其次，将给出通过进行在通过在图6中表示的“Re1范围”中的折射率分布得到的透镜状态与在通过在“Re2范围”中的折射率分布得到的透镜状态之间的比较的聚焦性能的描述。
图7表示在通过实现透镜级2的折射率分布得到的透镜状态中的MTF。这里，图7(a)表示在与通过在“Re1范围”中的折射率分布得到的透镜级2相对应的状态中的MTF，并且图7(b)表示在与通过在“Re2范围”中的折射率分布得到的透镜级2相对应的状态中的MTF。在图7(a)和7(b)中，横坐标代表空间频率(循环/mm：线对每毫米)，并且纵坐标代表在图像平面上的光学对比度(MTF：调制传递函数)。这里，在图7(a)中表示的31和在7(b)中表示的33每个指示在0％的图像高度处的MTF，并且在图7(a)中表示的32和在7(b)中表示的34每个指示在40％的图像高度处的MTF。图像高度这里表达为当从在其处测量MTF的视场角的中心到视场角的边缘的高度当作100％时的百分比。
如图7中所示，在0％的图像高度处，用于与在“V1范围”中的施加电压相对应的“Re1范围”的情形的MTF 31和用于与在“V2范围”中的施加电压相对应的“Re2范围”的情形的MTF 33近似相同。然而，可看到，在40％的图像高度处，用于“Re2范围”的情形的MTF 34比用于“Re1范围”的情形的MTF 32高。这意味着，借助于通过在与在“V2范围”中的施加电压相对应的“Re2范围”中的折射率分布得到的透镜状态可实现更好的聚焦性能。
为了以上原因，在本实施例中，当进行聚焦信号抽取时把在“V1范围”中的电压施加到液晶透镜1上，并且当进行聚焦点调节时把在“V2范围”中的电压施加到液晶透镜1上。
图8表示自动聚焦过程流程的一个例子。
在图8中表示的流程中，微处理器51按照在存储单元52中预存储的程序通过与本发明的自动聚焦设备的各种元件协作进行处理。如下流程基于较早描述的扫描法。
首先，微处理器51把N设置到0(S1)。
其次，微处理器51进行控制，从而把与透镜级0相对应的电压(在“V1范围”中)从LC透镜驱动器6施加到中心电极23和相应环形电极(R1至R20)上(S2)，并且从成像装置3获得生成聚焦信号电平(S3)。其次，微处理器51把N设置到N+1(S4)，并且检查N是否大于8(S5)。通过重复步骤S1至S5，微处理器51对于所有透镜级0至8抽取聚焦信号电平(聚焦信号抽取)。例如为实现透镜级2施加到中心电极23和相应环形电极24(R1至R20)上的电压(在“V1范围”中)的例子表示在表3中。这里给出的透镜级的数量仅仅是例子，并且不限于9个。
其次，微处理器51辨别在其处抽取聚焦信号电平成为最大的透镜级(聚焦点辨别)(S6)。在图5(a)的例子中，抽取聚焦信号电平在透镜级4处成为最大。
其次，微处理器51进行控制，从而把与如此辨别的透镜级相对应的电压(在“V2范围”中)从LC透镜驱动器6施加到中心电极23和相应环形电极(R1至R20)上(S7)，并且终止自动聚焦过程。例如为实现透镜级2，施加到中心电极23和相应环形电极24(R1至R20)上的电压(在“V2范围”中)的例子表示在表3中。
图9表示施加到相应环形电极上的电压在图8中表示的流程中如何变化。在图9中，纵坐标代表施加电压，并且横坐标代表环形电极位置。R1指示最内环形电极，并且R20指示最外环形电极。在图9中表示的曲线100和110每条通过画出施加到相应环形电极(1至20)上的电压并且连结画出点而画出。
在图9中，曲线100代表当最后透镜级由扫描法测量时(参考在图5(a)中的透镜级8)施加到相应环形电极上的在“V1范围”中的电压。
而且，在图9中，曲线110代表与在图8的S6中辨别为是在其处聚焦信号电平成为最大的透镜级相对应的在“V2范围”中的电压。例如，如果透镜级2在图8中的S6中辨别为是在其处聚焦信号电平成为最大的透镜级，则曲线代表在表3中表示的“V2范围”中的电压。
换句话说，在图8的S7中，在微处理器51控制下的LC透镜驱动器6把施加到相应环形电极上的电压从由曲线100代表的那些变化到由曲线110代表的那些(见箭头A)。
这里，假定为了得到所有透镜级而施加到相应环形电极上的在“V1范围”中的电压和在“V2范围”中的电压预存储在存储单元52中。例如，当有9个透镜级(透镜级0至8)时，对于环形电极(例如，1至20)存储施加电压的总共9×2＝18种组合。
如以上描述的那样，当进行聚焦信号抽取时，施加用来增大液晶的操作速度的电压(在“V1范围”中)，并且在聚焦点辨别过程中辨别到在其处聚焦信号成为最大的透镜级之后，施加不降级聚焦性能的电压(在“V2范围”中)。相应地，在本实施例中，自动聚焦能以高速度完成并且不降级在聚焦时的聚焦性能。
图10表示自动聚焦过程流程的另一个例子。
在图10中表示的流程中，微处理器51按照在存储单元52中预存储的程序通过与本发明的自动聚焦设备的各种元件协作进行处理。如下流程基于较早描述的扫描法。
在图8中表示的过程流程中，在最后透镜级由扫描法测量之后，施加电压从为实现该透镜级施加的在“V1范围”中的电压(在图9中的曲线100)变到与在图8中的S6中辨别为是在其处聚焦信号电平成为最大的透镜级相对应的在“V2范围”中的电压(在图9中的曲线110)。然而，如果施加与在图8中的S6中辨别为是在其处聚焦信号电平成为最大的透镜级相对应的在“V2范围”中的电压(在图9中的曲线110)，则液晶分子不能立即响应施加电压变到稳定状态。时间滞后因而发生。鉴于这点，在图10的过程流程中，为了减小时间滞后，在施加与辨别为是在其处聚焦信号电平成为最大的透镜级相对应的在“V2范围”中的电压之前，施加切换电压。
在图10中，与在图8中的那些相同的步骤由相同步骤号指示，并且这里不重复这样的步骤的描述。换句话说，图10的过程流程的不同之处在于，在图8中的S6与S7之间提供另外的步骤S10。
图11表示施加到相应环形电极上的电压在图10中表示的流程中如何变化。在图11中，纵坐标代表施加电压，并且横坐标代表环形电极位置。R1指示最内环形电极，并且R20指示最外环形电极。在图11中表示的曲线100、110及120每条通过画出施加到相应环形电极(1至20)上的电压并且连结画出点而画出。
在图11中，曲线100和110与在图9中表示的那些相同。在图11中，曲线120代表在图10的S10中施加的切换电压。
由曲线120代表的切换电压利用过渡响应的原理；就是说，预先施加其电势差比目标电压(曲线110)的电势差大的电压，使得液晶分子响应目标电压(曲线110)变到稳定状态较容易。
在图10的S10中，在微处理器51的控制下，LC透镜驱动器6首先把施加到相应环形电极上的电压从由曲线100代表的那些变到由曲线120代表的那些(见箭头B)。换句话说，自动对焦控制器5和液晶透镜驱动器6起切换电压施加单元的作用。
其次，在图10的S7中，在微处理器51的控制下，LC透镜驱动器6把施加到相应环形电极上的电压从由曲线120代表的那些变到由曲线110代表的那些(见箭头C)。
以这种方式，在图10中表示的过程流程中，由于采取在施加其相对于开始电压(曲线100)的电势差大于目标电压(110)的电势差的切换电压(曲线120)之后施加目标电压(110)的措施，所以有可能减小液晶分子响应施加电压变到稳定状态的时间滞后。
这里，切换电压(曲线120)挑选成具有这样的值，从而当进行从切换电压(曲线120)到目标电压(110)的切换时，对于所有环形电极(例如，1至20)几乎相等地减小时间滞后；因此，优选的是，预先提供与开始电压(曲线100)和目标电压(110)的组合总数一样多组切换电压。
例如，当有9个透镜级(透镜级0至8)时，由于在扫描法的情况下有开始电压(曲线100)的一种可能组合和目标电压(110)的9种可能组合，所以预先应该创建总共1×9＝9组切换电压(曲线120)并且存储在存储单元51中。另一方面，在登山法的情况下，有开始电压(曲线100)的9种可能组合和目标电压(110)的9种可能组合，所以预先应该创建总共9×9＝81组切换电压(曲线120)并且存储在存储单元51中。
这里，GND电压可以用作切换电压。然而，如果使用GND电压，那么当进行到目标电压的切换时，液晶分子响应目标电压而稳定需要的时间对于每个环形电极变得不同。鉴于这点，如果用来从切换电压切换到目标电压的计时从一个环形电极到下一个交错，则可缩短液晶分子响应目标电压而稳定需要的时间。
图12表示当进行以上布置时施加到相应环形电极上的电压如何变化。在图12中，纵坐标代表施加电压，并且横坐标代表环形电极位置。R1指示最内环形电极，并且R20指示最外环形电极。在图12中表示的曲线100和110及直线130(代表用作切换电压的GND电压)每条通过画出施加到相应环形电极(1至20)上的电压并且连结画出点而画出。
换句话说，如图12中所示，进行控制，从而对于R1(最内环形电极)用来从GND电压切换到目标电压的计时(由箭头D指示)与对于R20(最外环形电极)用来从GND电压切换到目标电压的计时(由箭头E指示)不同。
图13是方块图，表示根据本发明的另一种自动聚焦设备的基本构造。与在图1中表示的自动聚焦设备的唯一差别是包括温度传感器7。否则，构造与在图1中表示的自动聚焦设备的构造相同，并因此，这里不重复描述。
温度传感器7探测液晶透镜1附近的温度，并且把探测信号发送到微处理器51。微处理器51因而可确定液晶透镜1的温度。
图14表示在图13中表示的自动聚焦设备中进行的自动聚焦过程的一个例子。
在图14中表示的流程中，微处理器51按照在存储单元52中预存储的程序通过与本发明的自动聚焦设备的各种元件协作进行处理。如下流程基于较早描述的扫描法。
在图14中表示的过程流程与以前参照图10描述的过程流程之间的唯一差别是，在对于所有透镜级获得聚焦信号电平之前通过探测液晶透镜1附近的温度获得温度信息。
然而，应该注意，当抽取聚焦信号电平时在S2中施加的在“V1范围”中的电压、在S10中施加的切换电压、及在S7中为实现辨别透镜级施加的在“V2范围”中的电压都按照在步骤S11中获得的温度被挑选。为此目的，施加到相应环形电极(1至20)上的电压对于在-20℃与60℃之间的每5℃温度范围预先存储在存储单元52中。
在图14中表示的自动聚焦设备中，由于液晶层的折射率是依赖温度的，并且液晶分子响应施加电压变到稳定状态需要的时间也是依赖温度的，所以探测液晶透镜1附近的温度，并且按照环境温度调节施加到液晶层上的电压。
图15表示施加到相应环形电极上的电压在图14中表示的流程中如何变化。在图15中，纵坐标代表施加电压，并且横坐标代表环形电极位置。R1指示最内环形电极，并且R20指示最外环形电极。在图15中表示的曲线每条通过画出施加到相应环形电极(1至20)上的电压并且连结画出点而画出。
在图15中，曲线100代表对于25℃的开始电压(当与最后透镜级相对应的聚焦信号电平由扫描法测量时施加的在“V1范围”中的电压)，并且曲线101代表对于-20℃的开始电压。同样，曲线110代表对于25℃的目标电压(与确定透镜级相匹配的在“V2范围”中的电压)，并且曲线111代表对于-20℃的目标电压.而且，曲线120代表与曲线100和110相对应的切换电压，而曲线121代表与曲线101和111相对应的切换电压。这里要注意，由于在-20℃下的响应速度比在25℃下的响应速度慢，所以通过把对于-20℃的切换电压设置为比对于25℃的切换电压低改进响应速度。
也在图14和15中，在微处理器51的控制下，LC透镜驱动器6首先把施加到相应环形电极上的电压从开始电压变到切换电压，并且然后把施加电压从切换电压变到目标电压。以这种方式，也在图14中表示的过程流程中，由于采取在施加其相对于开始电压的电势差大于目标电压的电势差的切换电压之后施加目标电压的措施，所以有可能减小液晶分子响应施加电压变到稳定状态的时间滞后。
例如，当有9个透镜级(透镜级0至8)和17个温度级(在-20℃至60℃的范围中按5℃的增量)时，那么在扫描法的情况下，1×17＝17种开始电压组合(曲线100等等)、9×17＝153种目标电压组合(曲线110等等)、及17×153＝2601种切换电压组合(曲线120等等)必须预先创建并且存储在存储单元51中。另一方面，在登山法的情况下，9×17＝153种开始电压组合(曲线100等等)、9×17＝153种目标电压组合(曲线110等等)、及153×153＝23409种切换电压组合(曲线120等等)必须预先创建并且存储在存储单元51中。
在图1和13中表示的自动聚焦设备中，都与液晶透镜1分离地提供的自动对焦控制器5和液晶透镜驱动器6已经构造成起聚焦信号抽取单元、聚焦点辨别单元、聚焦点调节单元、及/或切换电压施加单元的作用。然而，诸如ROM之类的存储装置可以并入液晶透镜驱动器6中，并且只有液晶透镜驱动器6可以构造成起聚焦信号抽取单元、聚焦点辨别单元、聚焦点调节单元、及/或切换电压施加单元的作用。在该情况下，液晶透镜1和液晶透镜驱动器6可以在一个光学装置中组合，并且可以构造成使来自与光学装置分离地提供的成像装置3的图像信号直接输入到液晶透镜驱动器6。
在图1和13中表示的自动聚焦设备中，已经提供与液晶透镜1协作的光学透镜2，但光学透镜2不是基本元件并且依据目的可以省去。
如以上描述的那样，根据本发明的自动聚焦设备对于在具有自动对焦功能的设备中的使用是便利的，并且特别适于在胶片摄影机、数字摄影机、电影摄影机、建造到移动电话中的摄影机、安装在车辆等上用于后部视野监视的摄影机、适于用在内诊镜中的摄影机、具有用来改变透镜光学能力的功能的护目镜、等等中实施自动对焦功能。

Claims (16)

1.一种自动聚焦设备，包括：
液晶透镜，形成折射率分布；
光电转换单元，把通过所述液晶透镜聚焦的光学图像转换成电信号，并且输出所述电信号作为图像信号；
聚焦信号抽取单元，通过把第一范围的电压施加到所述液晶透镜上使所述折射率分布变化，并且基于所述图像信号抽取多个聚焦信号；
聚焦点辨别单元，从所述多个抽取聚焦信号中辨别与聚焦点相对应的聚焦信号；及
聚焦点调节单元，通过把第二电压施加到所述液晶透镜上来调节聚焦点，该第二电压能够产生与由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到所述液晶透镜上以便得到由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的所述第一范围的电压。
2.根据权利要求1所述的自动聚焦设备，还包括存储单元，该存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储所述第一范围的电压和与在所述第一范围的电压中的每个个别电压相对应的所述第二电压。
3.根据权利要求1所述的自动聚焦设备，其中，所述第一范围的电压包括为每个预置焦距预先规定的多个电压。
4.根据权利要求3所述的自动聚焦设备，其中，所述聚焦信号抽取单元获得用于每个预置焦距的所述聚焦信号。
5.根据权利要求3所述的自动聚焦设备，其中，所述聚焦信号抽取单元把与第一焦距相对应的先前探测的聚焦信号同与第二焦距相对应的当前探测聚焦信号相比较以检查所述聚焦信号是已经增大还是已经减小，并且然后转到抽取与第三焦距相对应的聚焦信号，由此依次把一个聚焦信号与下一个相比较，并且当与所述聚焦点相对应的聚焦信号由所述聚焦点辨别单元辨别到时，停止所述聚焦信号的抽取。
6.根据权利要求1所述的自动聚焦设备，还包括切换电压施加单元，该切换电压施加单元在施加所述第二电压之前，把切换电压施加到所述液晶透镜上，该切换电压相对于所述第一范围的电压的电势差大于所述第二电压。
7.根据权利要求6所述的自动聚焦设备，其中，所述存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储所述第一范围的电压、与在所述第一范围的电压中的每个个别电压相对应的所述第二电压、及与在所述第一范围的电压中的每个个别电压相对应和与所述第二电压相对应的所述切换电压。
8.根据权利要求1所述的自动聚焦设备，还包括用来探测所述液晶透镜附近的温度的温度探测单元。
9.根据权利要求8所述的自动聚焦设备，其中，所述聚焦信号抽取单元基于由所述温度探测单元探测的温度通过把所述第一范围的电压施加到所述液晶透镜上使所述折射率分布变化，并且基于所述图像信号抽取所述多个聚焦信号，并且
所述聚焦点调节单元基于由所述温度探测单元探测的温度把所述第二电压施加到所述液晶透镜上，该第二电压能够产生与由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到所述液晶透镜上以便得到由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的所述第一范围的电压。
10.根据权利要求9所述的自动聚焦设备，其中，所述存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储所述第一范围的电压和与在所述第一范围的电压中的每个个别电压相对应的所述第二电压。
11.根据权利要求6所述的自动聚焦设备，还包括用来探测所述液晶透镜附近的温度的温度探测单元。
12.根据权利要求11所述的自动聚焦设备，其中，所述聚焦信号抽取单元基于由所述温度探测单元探测的温度通过把所述第一范围的电压施加到所述液晶透镜上使所述折射率分布变化，并且基于所述图像信号抽取所述多个聚焦信号，
所述聚焦点调节单元基于由所述温度探测单元探测的温度把所述第二电压施加到所述液晶透镜上，该第二电压能够产生与由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到所述液晶透镜上以便得到由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的所述第一范围的电压，及
在所述第二电压的施加之前，所述切换电压施加单元基于由温度探测单元探测的温度，把所述切换电压施加到所述液晶透镜上，该切换电压相对于所述第一范围的电压的电势差大于所述第二电压。
13.根据权利要求12所述的自动聚焦设备，其中，所述存储单元按每个指定温度分别对应起来地存储所述第一范围的电压、与在所述第一范围的电压中的每个个别电压相对应的所述第二电压、及与在所述第一范围的电压中的每个个别电压相对应和与所述第二电压相对应的所述切换电压。
14.根据权利要求1所述的自动聚焦设备，其中，所述液晶透镜包括多个环形区和一个液晶层。
15.根据权利要求1所述的自动聚焦设备，还包括与所述液晶透镜协作的光学透镜。
16.一种光学装置，包括：
液晶透镜，形成折射率分布；
聚焦信号抽取单元，通过将第一范围的电压施加到所述液晶透镜上使所述折射率分布变化，并且基于所述图像信号抽取多个聚焦信号；
聚焦点辨别单元，从所述多个抽取聚焦信号中辨别与聚焦点相对应的聚焦信号；及
聚焦点调节单元，通过将第二电压施加到所述液晶透镜上来调节聚焦点，该第二电压能够产生与由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到所述液晶透镜上以便得到由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的所述第一范围的电压。
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