JP2005025121A - 調光装置及びその駆動方法、並びに撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶分子の配向変化又はその緩和をスムーズに立ち上がらせて、光透過率の応答時間を短縮し、性能、画質、信頼性の向上を図ることができる調光装置及びその駆動方法、並びに撮像装置を提供すること。
【解決手段】 液晶素子と、この液晶素子から射出する光の透過率を現光透過率から目標光透過率へ変化させるためのパルス制御部とを有し、
前記パルス制御部が、
前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過 率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと 、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネ ルギーの第２の制御用駆動パルスとをこの順に予め挿入するように構成されている、
調光装置、及びこの調光装置を前記制御用駆動パルスを用いて駆動する駆動方法。並びに、この調光装置が撮像系の光路中に配される撮像装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光の光量を調節して出射するための調光装置及びその駆動方法、並びにこの調光装置を用いた撮像装置に関するものである。

通常、液晶セルを用いる調光装置には、偏光板が使用される。この液晶セルには、例えばＴＮ（Twisted Nematic）型液晶セルやゲスト−ホスト（ＧＨ（Guest Host））型液晶セルが用いられる。

図１４は、従来の調光装置の動作原理を示す概略図である。この調光装置は、主に偏光板１とＧＨセル２とで構成される。ＧＨセル２は、図示省略したが、２枚のガラス基板の間に封入され、また動作電極や液晶配向膜を有している（以下、同様）。ＧＨセル２には、液晶分子３と二色性染料分子４とが封入されている。

二色性染料分子４は、光の吸収に異方性を有し、例えば分子長軸方向の光を吸収するポジ型（ｐ型）色素分子である。また、液晶分子３は、例えば誘電率異方性が正のポジ型（正型）である。

図１４（ａ）は、電圧を印加していない（電圧無印加）時のＧＨセル２の状態を示す。入射光５は、偏光板１を透過することにより直線偏光される。図１４（ａ）では、この偏光方向と二色性染料分子４の分子長軸方向とが一致するので、光は、二色性染料分子４に吸収され、ＧＨセル２の光透過率が低下する。

そして、図１４（ｂ）で示すように、ＧＨセル２に電圧印加を行うと、液晶分子３が電界方向に向くに伴って二色性染料分子４の分子長軸方向は、直線偏光の偏光方向と直角になる。このため、入射光５はＧＨセル２によりほとんど吸収されずに透過する。

図１４に示したＧＨセル２においては、図１５に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中。液晶セルに加えて偏光板を足したときの光透過率を参照（＝１００％）とした：以下、同様）が増加するが、電圧を１０Ｖにまで上昇させたときの最大光透過率は６０％程度であり、しかも光透過率の変化が緩やかである。

なお、分子短軸方向の光を吸収するネガ型（ｎ型）の二色性染料分子を用いる場合は、上記ポジ型の二色性染料分子４の場合と逆になり、電圧無印加時には光が吸収されず、電圧印加時に光が吸収される。

図１４に示した調光装置では、電圧印加時と電圧無印加時との吸光度の比、即ち、光学濃度の比が約１０である。これは、偏光板１を使用せずにＧＨセル２のみで構成される調光装置に比べて約２倍の光学濃度比を有する。

この光学濃度比（コントラスト比、ダイナミックレンジ）は、ＧＨセルを構成する２枚のガラス基板間の距離（以下、セルギャップと称する。）に左右される。

即ち、図１６に示すように、セルギャップが大きい程、換言すれば液晶層の厚みが厚い程、透明時と遮光時との光透過率の差が大きくなり、光学濃度比（コントラスト比）は大きく取れる。

一方、図１７に示すように、セルギャップが変わると、ＧＨセルによる調光装置としての過渡応答速度も変化する。例えばセルギャップが大きくなると、応答速度は確実に遅くなる傾向をもつ。

また、図１７に示すように、上記した調光装置の駆動において、光透過率を変化させる際に、ステップ状に駆動パルスを変化させるが、用いる液晶セルの構造や液晶材料によっては、透明時（最大光透過率）から遮光時（最小光透過率）への大きなステップ応答、又は遮光時から透明時への大きなステップ応答時に比べて（図１７（ｂ））、中間調で光透過率をわずかに変化させる場合の応答時間が著しく長くなることがあり（図１７（ａ））、問題となっていた。

上記の問題点を解決するために、本出願人は、調光用の液晶素子を中間調で駆動する場合に、液晶の配向変化又はその緩和をスムーズに立ち上がらせて光透過率の応答時間を短縮することができる調光装置を提案した（例えば、後記の特許文献１参照。）。

即ち、特許文献１に係る調光装置によれば、液晶素子の光透過率を現光透過率から目標光透過率へ中間調でわずかに変化させる際に、目標透過率に対応する駆動パルスを与える前に、完全遮光時（最小光透過率）又は完全透明時（最大光透過率）に対応する制御用駆動パルスを予め適度に挿入することにより、単に目標光透過率に対応する駆動パルスをステップ状に与えて駆動する場合に比べて、液晶の配向変化又はその緩和がスムーズに立ち上がるようになり、目標光透過率に達するまでの応答時間を大幅に短縮することができる。

特開２００２−１２２８４３号広報（５頁７欄３１行目〜８欄４９行目、図１及び図２）

しかしながら、本発明者は、上記の特許文献１による調光装置は上記した優れた特長を持ちつつも、なお改善すべき点があることを見出した。

即ち、特許文献１の調光装置において、更なる過渡応答速度の向上を図るために、上記の中間挿入する制御用駆動パルスとしてＧＨセルに過剰に大きな駆動電圧を印加すると、バックフロー（背流）による蹴り返し（optical bounce）が生じ、液晶分子の配向状態が不安定となって光透過率の制御が難しくなったり、目標光透過率をオーバーシュートしてしまい、調光制御に要する時間が増大して、被写体照度が速く変化した場合に追従できなくなる等の不具合が生じることが新たに分かり、その点に付いても、更なる改善を図ることが切望されていた。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、液晶分子の配向変化又はその緩和をスムーズに立ち上がらせて、光透過率の応答時間を短縮し、性能、画質、信頼性の向上を図ることができる調光装置及びその駆動方法、並びに撮像装置を提供することにある。

即ち、本発明は、液晶素子と、この液晶素子から射出する光の透過率を現光透過率から目標光透過率へ変化させるためのパルス制御部とを有し、
前記パルス制御部が、
前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過 率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと 、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネ ルギーの第２の制御用駆動パルスとをこの順に予め挿入するように構成されている、
調光装置に係り、またこの調光装置を前記制御用駆動パルスを用いて駆動する駆動方法、並びに、この調光装置が撮像系の光路中に配される撮像装置に係るものである。

本発明によれば、前記パルス制御部が、前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネルギーの第２の制御用駆動パルスとをこの順に予め挿入するように構成されているので、単に目標光透過率に対応する駆動パルスをステップ状に与えて駆動する場合に比べて、液晶の配向変化又はその緩和がスムーズに立ち上がるようになり、目標光透過率に達するまでの応答時間を大幅に短縮できる。

また、中間調駆動のような狭いレンジの調光動作において、より大きな効果が生まれるが、最大光透過率から最小光透過率への大きなステップ応答であっても、低温環境下の駆動で過渡応答時間が長くなる場合等では、その高速化に大いに効果を発揮する。

従って、本発明は、調光装置及び撮像装置の光学的機能の向上を図ることができ、その性能、画質、信頼性の向上を図るために極めて有効である。

本発明においては、前記第２の制御用駆動パルスの後に、この第２の制御用駆動パルスの駆動エネルギーよりも小さく、かつ前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーと同等又はそれ以上の駆動エネルギーの制御用駆動パルスが付加されることが好ましい。これにより、液晶の配向変化又はその緩和がよりスムーズに立ち上がるようになり、目標光透過率に達するまでの応答時間を一層大幅に短縮できる。

また、前記制御用駆動パルスが制御されたパルス電圧及びパルス数を有することが好ましい。

また、前記制御用駆動パルスが制御されたパルス幅及びパルス数を有していてもよい。

さらに、前記制御用駆動パルスは、上記のパルス電圧又はパルス幅のみならず、パルス密度、さらにはこれらの併用によっても制御可能である。

また、前記液晶素子が、ネガ型液晶分子をホスト材料とし、二色性染料分子をゲスト材料とするゲスト−ホスト型液晶素子であるのがよい。

このような液晶素子は、本出願人が既に提出した特願平１１−３２２１８６号に係る先願発明に依拠したものである。この先願発明によれば、液晶素子と、この液晶素子に入射する光の光路中に配される偏光板とで調光装置を構成し、更に、ネガ型液晶分子をホスト材料とするゲスト−ホスト型液晶を用いることにより、電圧無印加時と電圧印加時の吸光度の比（即ち光学濃度の比）が向上し、調光装置のコントラスト比が大きくなり、明るい場所から暗い場所までにおいて、調光動作を正常に行うことを可能とする。

図１４に示したゲスト−ホスト型液晶セル（ＧＨセル）２において、ホスト材料３として誘電率異方性（Δε）が正のポジ型の液晶分子を用い、ゲスト材料４には二色性を有する光吸収異方性（ΔＡ）が正のポジ型染料分子４を用い、偏光板１をＧＨセル２の入射側に配し、矩形波を駆動波形として動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中。液晶セルに加えて偏光板を足したときの透過率を参照（＝１００％）とした：以下、同様）が増加するが、電圧を１０Ｖにまで上昇させたときの最大光透過率は６０％程度であり、しかも光透過率の変化が緩やかである。

これは、ポジ型のホスト材料を用いる場合、電圧無印加時に液晶セルの液晶配向膜との界面での液晶分子の相互作用（interaction）が強いため、電圧を印加してもダイレクタの向きが変化しない（或いは、変化し難い）液晶分子が残ってしまうからであると考えられる。

これに対し、先願発明では、図６に示すように、ゲスト−ホスト型液晶セル（ＧＨセル）１２において、ホスト材料１３として、誘電率異方性（Δε）が負のネガ型の液晶分子であるＭｅｒｃｋ社製のＭＬＣ−６６０８を一例として用い、ゲスト材料には二色性を有するポジ型染料分子であるＢＤＨ社製のＤ５を一例として用いることにより、偏光板１１をＧＨセル１２の入射側に配し、矩形波を駆動波形として動作電圧印加時の光透過率の変化を計測したところ、図７に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が最大光透過率約７５％から数％にまで減少し、しかも光透過率の変化が比較的急峻となる。

これは、ネガ型のホスト材料を用いる場合、電圧無印加時に液晶セルの液晶配向膜との界面での液晶分子の相互作用（interaction）が非常に弱いため、電圧無印加時に光が透過し易く、また電圧印加と共に液晶分子のダイレクタの向きが変化し易くなるからであると考えられる。

このようにして、本発明において、ネガ型のホスト材料を用いてＧＨセルを構成すれば、光透過率（特に透明時）が向上し、ＧＨセルを撮像光学系中にそのまま位置固定して使用できるコンパクトな調光装置が実現可能となる。この場合、液晶素子への入射光の光路中に偏光板を配することにより、電圧無印加時と電圧印加時の吸光度の比（即ち光学濃度の比）が一層向上し、調光装置のコントラスト比が更に大きくなり、明るい場所から暗い場所までにおいて、調光動作をより正常に行うことができる。

なお、本発明においては、前記液晶素子のネガ型液晶分子の誘電率異方性は負であるのがよいが、ゲスト材料は、ポジ型又はネガ型の二色性染料分子からなっていてよい。また、ホスト材料はネガ型であるのがよいが、ポジ型でも差支えはない。

本発明において、ネガ型（又はポジ型）のホスト材料、ポジ型（又はネガ型）のゲスト材料は公知の材料から選択して用いることができる。但し、実際の使用の場合は、実使用温度範囲でネマチック性を示すように選択し、ブレンドした組成物を用いてよい。

上述したＧＨセル１２からなる調光装置２３は、例えば図８に示すように、ズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ前群１５とレンズ後群１６との間に配置される。レンズ前群１５を透過した光は、偏光板１１を介して直線偏光された後、ＧＨセル１２に入射する。ＧＨセル１２を透過した光は、レンズ後群１６で集光され、撮像面１７に映像として映し出される。

この調光装置２３を構成する偏光板１１は、本出願人による上述した先願発明と同様に、ＧＨセル１２に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能である。具体的には、偏光板１１を仮想線で示す位置に移動させることにより、光の有効光路の外へ出すことができる。この偏光板１１を出し入れする手段として、図９に示すような機械式アイリスが用いられても良い。

この機械式アイリスは、一般にデジタルスチルカメラやビデオカメラ等に用いられる機械式絞り装置であり、主として２枚のアイリス羽根１８、１９と、アイリス羽根１８に貼付された偏光板１１とからなる。アイリス羽根１８、１９は、上下方向に移動させることができる。矢印２１で示される方向に、図示せぬ駆動モーターを用いてアイリス羽根１８、１９を相対的に移動させる。

これにより、図９で示すように、アイリス羽根１８、１９は部分的に重ねられ、この重なりが大きくなると、アイリス羽根１８、１９の中央付近に位置する有効光路２０上の開口部２２が、偏光板１１により覆われる。

図１０は、有効光路２０付近の機械式アイリスの部分拡大図である。アイリス羽根１８が下方に移動すると同時に、アイリス羽根１９が上方に移動する。これに伴って、図１０（ａ）に示すように、アイリス羽根１８に貼付された偏光板１１も有効光路２０の外へと移動する。逆に、アイリス羽根１８を上方に、またアイリス羽根１９を下方に移動させることにより、互いのアイリス羽根１８、１９が重なる。これに従って、図１０（ｂ）に示すように、偏光板１１は有効光路２０上に移動し、開口部２２を次第に覆う。アイリス羽根１８、１９の互いの重なりが大きくなると、図１０（ｃ）に示すように、偏光板１１は開口部２０を全て覆う。

次に、この機械式アイリスを用いた調光装置２３の調光動作について説明する。

図示せぬ被写体が明るくなるにつれて、図１０（ａ）で示したように、上下方向に開いていたアイリス羽根１８、１９は、図示せぬモーターにより駆動され、重なり始める。これによって、アイリス羽根１８に貼付されている偏光板１１は、有効光路２０上に入り始め、開口部２２の一部を覆う（図１０（ｂ））。

このとき、ＧＨセル１２は光を吸収しない状態にある（なお、熱的揺らぎ、又は表面反射等のため、ＧＨセル１２による若干の吸収はある。）。このため、偏光板１１を通過した光と開口部２２を通過した光は、ほぼ強度分布が同等となる。

その後、偏光板１１は、完全に開口部２２を覆った状態になる（図１０（ｃ））。さらに、被写体の明るさが増す場合は、ＧＨセル１２への電圧を上昇し、ＧＨセル１２で光を吸収することにより調光を行う。

これとは逆に、被写体が暗くなる場合は、まず、ＧＨセル１２への電圧を減少又は無印加とすることにより、ＧＨセル１２による光の吸収効果を無くする。さらに被写体が暗くなった場合は、図示せぬモーターを駆動することにより、アイリス羽根１８を下方へ、またアイリス羽根１９を上方へ移動させる。こうして、偏光板１１を有効光路２０の外へ移動させる（図１０（ａ））。

図８〜図１０に示したように、偏光板１１（透過率例えば４０％〜５０％）を光の有効光路２０から外に出すことができるので、偏光板１１に光が吸収されない。従って、調光装置の最大透過率を例えば２倍以上に高めることができる。具体的には、この調光装置を、従来の固定されて設置される偏光板及びＧＨセルからなる調光装置と比較すると、最大透過率は例えば約２倍になる。なお、最低透過率は両者で等しい。

また、デジタルスチルカメラ等に実用化されている機械式アイリスを用いて、偏光板１１の出し入れが行なわれるので、調光装置は容易に実現可能となる。また、ＧＨセル１２を用いるので、偏光板１１による調光に加えて、ＧＨセル１２自体が光を吸収することにより、調光を行うことができる。

このようにして、この調光装置は、明、暗のコントラスト比を高めると共に、光量分布をほぼ均一に保つことができるものとなる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面参照下に説明する。

実施例１
まず、ゲスト−ホスト型液晶（ＧＨ）セルを用いる調光装置の一例を説明する。

この調光装置は、図８に示すように、ＧＨセル１２と偏光板１１とからなる。そして、ＧＨセル１２は、透明電極と配向膜をそれぞれ形成した２枚のガラス基板（いずれも図示せず）の間に、ネガ型の液晶分子（ホスト材料）とポジ型又はネガ型の二色性染料分子（ゲスト材料）との混合物が封入されている。

液晶分子には、例えば誘電率異方性が負のネガ型液晶であるＭｅｒｃｋ社製のＭＬＣ−６６０８を一例として用い、また二色性染料分子４には、光の吸収に異方性を有し、例えば分子長軸方向の光を吸収するポジ型染料であるＢＤＨ社製のＤ５を一例として用いた。偏光板１１の光吸収軸は、ＧＨセル１２に電圧を印加した時の光吸収軸と直交させた。

このＧＨセル１２からなる調光装置２３は、例えば図８に示したように、ズームレンズのように複数のレンズで構成されるレンズ前群１５とレンズ後群１６との間に配置された。レンズ前群１５を透過した光は、偏光板１１を介して直線偏光された後、ＧＨセル１２に入射する。ＧＨセル１２を透過した光は、レンズ後群１６で集光され、撮像面１７に映像として映し出される。

そして、この調光装置２３を構成する偏光板１１は、本出願人による上述した先願発明と同様に、ＧＨセル１２に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能である。具体的には、偏光板１１を仮想線で示す位置に移動させることにより、光の有効光路の外へ出すことができる。この偏光板１１を出し入れする手段として、図９に示した機械式アイリスが用いられても良い。

このＧＨセル１２に、矩形波を駆動波形として入力し、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測したところ（図６）、図７に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が最大光透過率約７５％から数％にまで減少した。用いる液晶セル構造や構成材料によっても異なるが、ＧＨセル１２は、±５Ｖ（１ｋＨｚ）以上のパルス電圧印加で、ほぼ最小光透過率に達した。

しかしながら、０Ｖ→±５Ｖ、±５→０Ｖのように、透明状態から完全遮光状態へ、又は完全遮光状態から透明状態へと変化させた場合、光透過率は、ある程度高速に応答するが、中間調で光透過率をわずかに変化させようとした場合は、数倍の応答時間を要する場合があった。

例えば、２５℃の室温下でセルギャップ約４．１μｍの液晶光学素子に対して、０Ｖ→±５Ｖのパルス電圧変化を加えると、図１に示すように、光透過率が約２３ｍｓで応答した場合に、±２Ｖ→±３Ｖで中間調の駆動を行うと、応答時間が約８７ｍｓ程度まで悪化した。

また、この過渡応答速度は、素子環境温度の影響を大きく受け、低温環境下では液晶分子の運動と粘性が低下するため、応答時間が一層増加してしまう。

例えば、図１及び図４（ａ）に示すように、環境温度が０℃まで低下すると、０Ｖ→±５Ｖの駆動パルス電圧変化に対しても、光透過率の応答時間が約９０ｍｓまで遅くなった。さらに、０℃の環境温度下で±２Ｖ→±３Ｖで中間調の駆動を行うと、図１及び図４（ｂ）に示すように、応答時間は更に約３０５ｍｓ程度まで悪化してしまう。

液晶セルを調光素子に用いて撮像装置を実現しようとする場合、こうした応答速度の低下は自動露出調整に支障をきたしてしまうことになる。

これを解決するために、本出願人は上記の特許文献１にて、液晶素子の光透過率を現光透過率から目標光透過率へ中間調でわずかに変化させる場合、目標透過率に対応する駆動パルスを与える前に、完全遮光時（最小光透過率）又は完全透明時（最大光透過率）に対応する制御用駆動パルスを予め適度に挿入することにより、応答時間を大幅に短縮できることを初めて知見した。

例えば、図１及び図４（ｃ）に示すように、０℃の素子環境温度の下で±２Ｖ→±３Ｖで駆動する場合に、最初に完全遮光状態（最小光透過率）に対応する±５Ｖの制御用駆動矩形波を４１ｍｓ分だけ、±３Ｖの駆動波形の前に挿入したところ、光透過率の応答時間は、約３０５ｍｓから約４１ｍｓへと、大幅に短縮することができた。

しかしながら、本発明者は、上記の特許文献１による調光装置は上記した優れた特長を持ちつつも、なお改善すべき点があることを見出した。

即ち、特許文献１の調光装置において、更なる過渡応答速度の向上を図るために、上記の中間挿入する制御用駆動パルスとしてＧＨセルに過剰に大きな駆動電圧を印加すると、図５（ｄ）及び（ｅ）に示すように、バックフロー（背流）による蹴り返し（optical bounce）が生じ、液晶分子の配向状態が不安定となって光透過率の制御が難しくなったり、目標光透過率をオーバーシュートしてしまい、調光制御に要する時間が増大して、被写体照度が速く変化した場合に追従できなくなる等の不具合が生じることを見出した。

そこで、過渡応答速度の更なる改善検討を鋭意進めたところ、前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネルギーの第２の制御用駆動パルスとをこの順に予め挿入すれば、単に目標光透過率に対応する駆動パルスをステップ状に与えて駆動する場合に比べて、液晶の配向変化又はその緩和がスムーズに立ち上がるようになり、目標光透過率に達するまでの応答時間を大幅に短縮できることを初めて知見した。

例えば、図１及び図２に示すように、０℃の素子環境温度の下で±２Ｖ→±３Ｖで駆動する場合に、±３Ｖの駆動波形の前に、±４．５Ｖの制御用駆動波形を７．５ｍｓ分、次いで±７Ｖの制御用駆動波形を７．５ｍｓ分、そして±５Ｖの制御用駆動波形を７．５ｍｓ分だけ挿入したところ、過渡応答時間を約１５ｍｓにまで短縮することができた。

また、０→±５Ｖの電圧変化で駆動するような、透明（最大光透過率）から遮光（最小光透過率）への大きなステップ応答であっても、上記と同様にして前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネルギーの第２の制御用駆動パルスをこの順に予め挿入すれば、過渡応答時間を一層短縮することができる。

例えば、図１及び図３に示すように、０℃の素子環境温度の下で０Ｖ→±５Ｖで駆動する場合に、±５Ｖの駆動波形の前に、±４．５Ｖの制御用駆動波形を７ｍｓ分、次いで±７Ｖの制御用駆動波形を７ｍｓ分、そして±６Ｖの制御用駆動波形を７ｍｓ分だけ挿入したところ、過渡応答時間を約１４ｍｓにまで大幅に短縮することができた。

以上より明らかなように、本発明に基づく調光装置及びその駆動方法は、前記パルス制御部が、前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネルギーの第２の制御用駆動パルスとをこの順に予め挿入するように構成されているので、中間調駆動のような狭いレンジの調光動作、特に低温環境下での中間調駆動のような、もともとの過渡応答速度が長い場合にほど、液晶の配向変化又はその緩和がスムーズに立ち上がるようになり、目標光透過率に達するまでの応答時間を大幅に短縮できる。また、低温環境下以外の比較的過渡応答時間が短い場合であっても、上記と同様の効果が奏せられ、調光動作の向上を図ることができる。

さらに、最大光透過率から最小光透過率への大きなステップ応答であっても、低温環境下の駆動で過渡応答時間が長くなる場合等では、その高速化に大いに効果を発揮する。

従って、本発明は、調光装置及び撮像装置の光学的機能の向上を図ることができ、その性能、画質、信頼性の向上を図るために極めて有効である。

なお、本実施例で、中間挿入する波形の時間幅や電圧は、制御し易いように、ある程度自由に選択できる。しかし、光透過率の過渡応答が目標値をオーバーシュートするような設定で駆動することは、やはり好ましくないので、セルギャップ等のセル構造や素子環境温度に応じて、より最適な制御用駆動パルスを選択することが好ましい。

実施例２
図１１は、上記実施例による調光装置２３をＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラに組み込んだ例を示すものである。

即ち、ＣＣＤカメラ５０において、一点鎖線で示す光軸に沿って、前記のレンズ前群１５に相当する１群レンズ５１及び２群レンズ（ズーム用）５２、前記のレンズ後群１６に相当する３群レンズ５３及び４群レンズ（フォーカス用）５４、ＣＣＤパッケージ５５が適宜の間隔をおいてこの順に配設されており、ＣＣＤパッケージ５５には赤外カットフィルタ５５ａ、光学ローパスフィルタ系５５ｂ、ＣＣＤ撮像素子５５ｃが収納されている。

２群レンズ５２と３群レンズ５３との間には、３群レンズ５３寄りに、上述した本発明に基づくＧＨセル１２と偏光板１１からなる調光装置２３が光量調節（光量絞り）のために同じ光路上に取り付けられている。なお、フォーカス用の４群レンズ５４は、リニアモータ５７により光路に沿って３群レンズ５３とＣＣＤパッケージ５５との間を移動可能に配設され、またズーム用の２群レンズ５２は、光路に沿って１群レンズ５１と調光装置２３との間を移動可能に配設されている。

図１２には、このカメラシステムにおける調光装置２３による光透過率制御のシーケンスのアルゴリズムを示す。

この実施例によると、２群レンズ５２と３群レンズ５３の間に本発明に基づく調光装置２３が設けられているので、上述したように電界の印加によって光量を調節でき、システムを小型化でき、実質的に光路の有効範囲の大きさまで小型化できる。従って、ＣＣＤカメラの小型化を達成することが可能である。また、パターン化された電極への印加電圧の大きさによって光量を適切に制御できるので、従来のような回折現象を防止し、撮像素子へ十分な光量を入射させ、像のぼやけをなくせる。

図１３は、上記のＣＣＤカメラの駆動回路ブロック図である。これによれば、調光装置２３の光出射側に配されたＣＣＤ撮像素子５５ｃの駆動回路部６０を有し、ＣＣＤ撮像素子５５ｃの出力信号がＹ／Ｃ信号処理部６１で処理され、輝度情報（Ｙ信号）としてＧＨセル駆動制御回路部６２にフィードバックされ、この制御回路部からの制御信号により、駆動回路部６０の基本クロックと同期して、上述した如くにパルス電圧又はパルス幅が制御された駆動パルスがパルス発生回路部６３から得られるようになっている。制御回路部６２と、パルス発生回路部６３とで、パルス電圧又はパルス幅の制御のためのＧＨ液晶駆動制御部６４が構成されている。

なお、このカメラシステムとは別のシステムにおいても、調光装置２３の出射光をフォトディテクタ（又はフォトマル）で受け、ここから出射光の輝度情報を制御回路部６２へフィードバックし、ＧＨセル駆動回路部（図示せず）のクロックと同期して、パルス発生回路部からパルス電圧又はパルス幅が制御された駆動パルスを得ることができる。

以上、本発明を実施の形態及び実施例について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。

例えば、液晶素子や調光装置の構造や材質、その駆動機構、駆動回路、制御回路の構成などは種々に変更が可能である。また、駆動波形は矩形波、台形波、三角波、正弦波のいずれでも駆動可能であり、両電極間の電位差に応じて液晶分子の傾きが変化し、光透過率が制御される。

本発明の調光装置及び撮像装置は、前記液晶光学素子の駆動電極が少なくとも有効光透過部の全域にわたって形成されている場合に好適であり、そのように形成された駆動電極への駆動パルスの制御によって有効光路幅全体にわたって光透過率の一括制御を高精度に行うことができる。

また、液晶セルの駆動法を上記に説明したパルス電圧変調（ＰＨＭ）からパルス幅変調（ＰＷＭ）に変更することも可能である。

また、ＧＨセルとして、上述したもの以外に、２層構造等のＧＨセルも使用可能である。偏光板１１のＧＨセル１２に対する位置は、レンズ前群１５とレンズ後群１６との間としたが、この配置に限らず、撮像レンズの設定条件から最適となる位置に配置されれば良い。即ち、位相差フィルム等の偏光状態が変化する光学素子を用いない限り、偏光板１１は、例えば撮像面１７とレンズ後群１６との間等、被写体側又は撮像素子側の任意の位置に置くことができる。さらにまた、偏光板１１は、レンズ前群１５又はレンズ後群１６に代わる単一のレンズ（単レンズ）の前又は後に配置されてもよい。

また、アイリス羽根１８、１９は２枚に限られず、より多くの枚数を用いることにしてもよいし、逆に１枚でもよい。また、アイリス羽根１８、１９は、上下方向に移動することにより重ねられるが、他の方向に移動しても良く、周囲から中央に向けて絞り込むことにしてもよい。

また、偏光板１１は、アイリス羽根１８に貼付されているが、アイリス羽根１９の方に貼付されてもよい。

また、被写体が明るくなるにつれて、先に偏光板１１の出し入れによる調光を行った後、ＧＨセル１２による光の吸収を行ったが、逆に、先にＧＨセル１２の光吸収による調光を行うことにしてもよい。この場合、ＧＨセル１２の透過率が所定の値まで低下した後に、偏光板１１の出し入れによる調光を行う。

また、偏光板１１を有効光路２０から出し入れする手段として、機械式アイリスを用いたが、これに限られない。例えば、偏光板１１が貼付されたフィルムを駆動モーターに直接設置することにより、偏光板１１を出し入れしても良い。

また、上記の例では偏光板１１を有効光路２０に対し出し入れしたが、有効光路中に位置固定することも勿論可能である。

また、本発明の調光装置は、公知の他のフィルター材（例えば、有機系のエレクトロクロミック材、液晶、エレクトロルミネッセンス材等）と組み合わせて用いることも可能である。

更に、本発明の調光装置は、記述したＣＣＤカメラ等の撮像装置の光学絞り以外にも、各種光学系、例えば、電子写真複写機や光通信機器等の光量調節用としても広く適用が可能である。更に、本発明の調光装置は、光学絞りやフィルター以外に、キャラクターやイメージを表示する各種の画像表示素子に適用することができる。

本発明の実施例における本発明に基づく調光装置及びその駆動方法による過渡応答時間を比較して示す図である。 同、本発明に基づく調光装置及の駆動方法の一例、及びその過渡応答時間を示すグラフである。 同、本発明に基づく調光装置及の駆動方法の他の例、及びその過渡応答時間を示すグラフである。 従来例による調光装置の駆動方法及びその過渡応答時間を示すグラフである。 同、調光装置の駆動方法及びその過渡応答時間を示すグラフである。 本発明による調光装置の一例の動作原理を示す概略図である。 同、調光装置の光透過率と駆動印加電圧との関係を示すグラフである。 同、液晶光学素子を用いた調光装置の概略側面図である。 同、調光装置の機械式アイリスの正面図である。 同、調光装置の有効光路付近の機械式アイリスの動作を示す概略部分拡大図である。 同、調光装置を組み込んだカメラシステムの概略断面図である。 同、カメラシステムにおける光透過率制御のアルゴリズムである。 同、駆動回路を含むカメラシステムのブロック図である。 従来の調光装置の動作原理を示す概略図である。 同、調光装置の光透過率と駆動印加電圧との関係を示すグラフである。 同、調光装置の光透過率とセルギャップとの関係を示すグラフである。 同、調光装置の過渡応答時間とセルギャップとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１、１１…偏光板、２、１２…ＧＨセル、３…ポジ型液晶分子、４…ポジ型染料分子、５…入射光、１３…ネガ型液晶分子、１５、１６…レンズ群、１７…撮像面、
１８、１９…アイリス羽根、２０…有効光路、５０…ＣＣＤカメラ、５１…１群レンズ、５２…２群レンズ、５３…３群レンズ、５４…４群レンズ、５５…ＣＣＤパッケージ、
５５ｂ…光学ローパスフィルタ、５５ｃ…ＣＣＤ撮像素子、６０…ＣＣＤ駆動回路部、
６１…Ｙ／Ｃ信号処理部、６２…制御回路部、６３…パルス発生回路部、
６４…パルス電圧又はパルス幅の制御部（ＧＨ液晶駆動制御装置）

Claims (11)

1. 液晶素子と、この液晶素子から射出する光の透過率を現光透過率から目標光透過率へ変化させるためのパルス制御部とを有し、
   前記パルス制御部が、
   前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過 率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと 、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネ ルギーの第２の制御用駆動パルスとをこの順に予め挿入するように構成されている、
   調光装置。
2. 前記第２の制御用駆動パルスの後に、この第２の制御用駆動パルスの駆動エネルギーよりも小さく、かつ前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーと同等又はそれ以上の駆動エネルギーの制御用駆動パルスが付加される、請求項１に記載した調光装置。
3. 前記制御用駆動パルスが制御されたパルス電圧及びパルス数を有している、請求項１又は２に記載した調光装置。
4. 前記制御用駆動パルスが制御されたパルス幅及びパルス数を有している、請求項１又は２に記載した調光装置。
5. 前記液晶素子が、ネガ型液晶分子をホスト材料とし、二色性染料分子をゲスト材料とするゲスト−ホスト型液晶素子である、請求項１に記載した調光装置。
6. 液晶素子からなる調光装置を駆動する方法であって、前記液晶素子から射出する光の透過率を現光透過率から目標光透過率へ変化させる際に、前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも小さな駆動エネルギーの第１の制御用駆動パルスと、前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーよりも大きな駆動エネルギーの第２の制御用駆動パルスとをこの順に予め挿入する、調光装置の駆動方法。
7. 前記第２の制御用駆動パルスの後に、この第２の制御用駆動パルスの駆動エネルギーよりも小さく、かつ前記最小光透過率又は最大光透過率に対応する駆動エネルギーと同等又はそれ以上の駆動エネルギーの制御用駆動パルスを付加する、請求項６に記載した調光装置の駆動方法。
8. 前記制御用駆動パルスをパルス電圧及びパルス数によって制御する、請求項６又は７に記載した調光装置の駆動方法。
9. 前記制御用駆動パルスをパルス幅及びパルス数によって制御する、請求項６又は７に記載した調光装置の駆動方法。
10. 前記液晶素子として、ネガ型液晶分子をホスト材料とし、二色性染料分子をゲスト材料とするゲスト−ホスト型液晶素子を用いる、請求項６に記載した調光装置の駆動方法。
11. 請求項１〜５のいずれか１項に記載した調光装置が撮像系の光路中に配されている、撮像装置。
    

Images