JP2007086163A - 液晶レンズおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶層を直接加熱するヒーター電極を、液晶レンズの屈折率変化を行うための位相変調電極群の外側の領域に設け、液晶層を所望の温度以上に維持することによって、実用にあたって十分な速さで合焦点を検出することができる液晶レンズおよびそれを搭載した電子機器を提供すること。
【解決手段】可変焦点レンズとして機能し、２枚の透明性基板で液晶層を挟持する液晶レンズにおいて、透明性基板における液晶層側となる表面には、駆動電源を接続して変調電圧を印加することにより液晶層の位相を変調させる位相変調電極群と、位相変調電極群の周囲を囲繞して形成されて、液晶層を直接加熱するためのヒーター電極が配設され、このヒーター電極には、その電極に給電を行うための電極取り出し部が接続されており、さらにヒーター電極の抵抗値は、電極取り出し部より高抵抗に形成された構成を採用した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液晶レンズおよび電子機器に関し、特に簡単な構成であるにも拘わらず、低温環境でも焦点移動速度が低下しない液晶レンズ、およびそれを搭載した電子機器に関する。

従来より、光学系の焦点距離または焦点位置を変化させる合焦点機構として、レンズを移動させることにより焦点を合わせる方式が広く用いられている。しかし、この方式では、レンズ駆動機構が必要であるため、機構が複雑になるという欠点や、レンズ駆動用モータに比較的多くの電力を要するという欠点がある。また、一般に耐衝撃性が低いという欠点もある。そこで、レンズ駆動機構が不要な合焦点機構として、液晶レンズの屈折率を変化させることにより焦点を合わせる方式が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ビデオカメラのオートフォーカス（自動合焦）システムとして、撮影映像信号から直接画像のボケに対応する情報を抽出し、このボケを最小化するようにレンズを山登り制御する輪郭検出方式や、この山登り制御方式を用いた種々のオートフォーカス装置等が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照。）。

そこで、特許文献１における液晶レンズを、特許文献２〜４に示されている山登りを制御する輪郭検出方式に単に適用すると、液晶の応答速度が問題となる。この様に、液晶レンズに充填するネマティック液晶は、低温下では粘度の上昇により応答速度が遅くなることが知られており、液晶の応答速度を早くするために、ベンド配向と呼ばれる配向方法で応答速度を上げる方法が用いられる（特許文献５参照。）。

また、液晶レンズに充填する液晶材料として、高速応答性に優れる強誘電性液晶などを用いる提案もされている。

さらに、液晶レンズとしてではなく、表示用の液晶パネルに対し、低温環境下でも液晶層の温度を所望の温度に保つために、この液晶パネルを加熱するパネルとは別体のヒーターを液晶パネルを構成するガラス基板に当設させて設ける方法が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。

特許第３０４７０８２号公報（第３−５頁、第１−４図） 実公平２−４４２４８号公報（第４−１０頁、第７−１１図） 特許第２７４２７４１号公報（第１−２頁、第５−７図） 特公平１−１５１８８号公報（第１−３頁、第１−５図） 特開昭６１−１１６３２９号公報（第２−３頁、第１図） 特開平６−２０８１００号公報（第２−３頁、第１−３図）

山登り制御方式により液晶レンズの屈折率の変化を制御して焦点を合わせる場合、液晶の応答性が問題となり、特に低温時は液晶の粘度上昇により、液晶の応答速度が著しく低下するため、山登り制御により合焦点を検出するのに長時間を要する。

例えば、近遠景に対して予め設定されている焦点位置が５０ポジションあるとし、ある
方向に、ボケに対応する情報のピークを探しに行き、そのピークが見つかるまでに平均２５ポジション必要になると仮定して、レンズを移動させる方式と液晶レンズを用いる方式とで合焦点を検出するまでに要する時間を比較する。

レンズを移動させる方式では、あるポジションに対応する位置にレンズを移動させ、そのときのボケに対応する情報を取得したら、次のポジションに対応する位置にレンズを移動させてボケに対応する情報を取得する、という動作を繰り返し行う。この場合、１ポジションあたりの処理時間が例えば６７ミリ秒と短いので、合焦点を検出するのに要する時間は平均約１．７秒（＝６７ミリ秒／ポジション×２５ポジション）で済む。

一方、液晶レンズを用いた方式では、液晶レンズを駆動するために液晶レンズに印加する電圧（駆動電圧）を変化させることによって、液晶レンズの屈折率分布を変化させる。従って、あるポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズに印加し、そのときのボケに対応する情報を取得したら、次のポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズに印加して再びボケに対応する情報を取得する、という動作を繰り返し行えばよい。

液晶レンズの場合、室温（２０℃）で１ポジションあたりの処理時間が例えば１００ミリ秒の場合、合焦点を検出するまでに平均約２．５秒（１００ミリ秒／ポジション×２５ポジション）である。

しかし、一般に、低温下では液晶の粘度上昇に伴い、駆動電圧の変化に対する液晶の応答が遅れるため、駆動電圧を変化させてから液晶の応答が安定するまで待つ必要がある。そのため、低温（０℃）では、１ポジションあたりの処理時間が例えば５００ミリ秒と長くなり、合焦点を検出するまでに平均約１２．５秒（５００ミリ秒／ポジション×２５ポジション）もかかってしまう。これでは、液晶の応答速度が遅過ぎてこの液晶レンズを電子機器に搭載して動作させることは非現実的である。

この問題を解決するために、背景で説明した高速応答が可能なベンド配向や、強誘電性液晶を用いることが考えられるが、どちらも液晶のオン／オフ時の屈折率変化が小さいため、これら手段を液晶レンズに使用した場合、可変焦点性能が著しく劣るという問題がある。

また、パネルとは別体のヒーターを設けて液晶パネルを加熱し、低温下でも実用的な液晶の応答速度を得る方法は、簡単な構成で液晶層を均一に加熱することが困難である。さらに、液晶パネルの外部周辺にヒーター電極を取り付けると、その分液晶レンズの厚さが増したり、レンズが形成された領域の光を遮る遮光体を形成できないため、ヒーターを取り付けることができないという問題が生じる。

そこで、本発明は、上述した問題点を解消するため、効率良く液晶層を所望の温度以上に維持することによって、実用にあたって十分な速さで合焦点を検出することができる液晶レンズおよびそれを搭載した電子機器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決して目的を達成するため、本発明にかかる液晶レンズは、駆動電源を接続して変調電圧を印加することにより液晶層の位相を変調させる位相変調電極群と、この位相変調電極群の周囲を囲繞して形成されて、液晶層を直接加熱するためのヒーター電極と、このヒーター電極よりも低抵抗であり、かつヒーター電極に給電を行うための電極取り出し部とを有することを特徴とするものである。

上記発明によれば、低温下でも液晶の応答速度が所定速度を下回らないため、液晶レン
ズの液晶層に所定電圧が印加され、液晶レンズの応答動作した後に焦点信号がサンプリングされ、それを繰り返すことにより焦点信号の最大値が求められる。つまり、焦点信号のレベルは、被写体にピントが合っているときに最大となり、ピントのずれ具合（ボケ具合）が強くなるに従って小さくなる。従って、液晶に印加する電圧を段階的に変化させ、その都度、液晶の応答が安定するまで待ってから焦点信号をサンプリングしても、短時間で合焦点を検出することができる。

また、本発明にかかる液晶レンズは、前述した位相変調電極群が、複数個の輪帯状パターンにより形成されていることを特徴とするものである。

上記発明によれば、液晶レンズに外部から変調電圧を印可することにより、液晶レンズを所望の凸レンズまたは凹レンズに変化させることができる様になる。

また、本発明にかかる液晶レンズは、前述したヒーター電極が、ほぼ均一の抵抗値で形成されていることを特徴とするものである。

上記発明によれば、前述した位相変調電極群の液晶層を短時間に、且つ均一に加熱することができる様になる。

また、本発明にかかる液晶レンズは、前述したヒーター電極の取り出し電極の直上に、液晶層の温度をセンシングするための温度検出手段が配設されていることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる液晶レンズは、前述した電極取り出し部が、ヒーター電極の温度を制御するため給電とヒーター電極の温度を温度検出手段に伝えるためのヒーター熱伝導との両方の機能を兼ねていることを特徴とするものである。

上記発明によれば、ヒーター電極により加熱させた位相変調電極群の液晶層の温度を効率よく温度検出手段に伝えることができる様になる。

本発明にかかる液晶レンズは、規定された液晶の動作温度範囲となる様に、前述したヒーター電極にヒーター加熱のオンとオフを制御するヒーター制御手段をさらに有することを特徴とするものである。

この発明において、液晶レンズを所望に温度範囲に保持し、規定の応答速度で動作させることができる様になる。

また、本発明にかかる電子機器には、先に記載の液晶レンズが搭載されていることを特徴とするものである。

また、本発明にかかる電子機器は、先に記載した液晶レンズがオートフォーカスレンズであり、このオートフォーカスレンズを搭載してカメラモジュールを構成してなることを特徴とするものである。

上記発明によれば、耐衝撃性が高く、軽量小型の自動焦点機構付の電子機器としてカメラモジュールを作製することができる様になる。

本発明によれば、様々な温度環境下において、実用にあたって十分な速さで合焦点を検出することができる液晶レンズと、それを搭載した電子機器が得られるという効果を奏す
る。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる液晶レンズおよびそれを搭載した電子機器の好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず、本発明の液晶レンズの構成について説明をする。図１および図２は、それぞれ液晶レンズのセル構成を示す正面図および断面図である。

この図２に示すように、本発明の液晶レンズは、例えば３枚の対向するガラス基板２１〜２３の内側に表面に所定のパターンが形成されたパターン電極２４〜２７がそれぞれ対向して配置されて各ガラス基板２１〜２３の間に例えばホモジニアス配向の液晶層２８ａ、２８ｂが封入された液晶パネルにより構成されている。

そして、液晶で光の位相変調を行って可変焦点レンズを実現するためには、Ｐ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂの２層構成となる。両液晶レンズは共に構成は同じであるが、液晶層２８ａ、２８ｂの配向方向が９０°異なる。これは、Ｐ波用液晶レンズ１ａの屈折率分布を変化させた場合、Ｐ波用液晶レンズ１ａの配向方向と同じ方向の偏光面を有する光は、屈折率分布の変化の影響を受けるが、Ｐ波用液晶レンズ１ａの配向方向に対して直交する方向の偏光面を有する光は、屈折率分布の変化の影響を受けない様にするためである。Ｓ波用液晶レンズ１ｂについても同様である。

従って、配向方向が９０°異なる２枚の液晶レンズ、すなわちＰ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂが必要となる。Ｐ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂは、同じ波形の駆動電圧によって駆動される。ここで用いる駆動電圧は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である。

また、液晶レンズを構成するパターン電極２４、２７の中央部には、印加電圧に応じて屈折率が変化するレンズパターン領域１１に配した、ここでは図示しない共通電極とこのレンズパターン領域１１の周辺を囲う、ヒーター電極１５が導電体で設けられている。それと対向するパターン電極２５、２６の中央部には、パターン電極２４、２７に形成され、共通電極と対向して配置されたここでは図示しない輪帯状のパターンとヒーター電極１５とがそれぞれ設けてある。これらパターンの配置形態については、後段で詳細に説明をする。そして、上記共通電極と輪帯状のパターンによって位相変調電極群が構成されて、共通電極と輪帯状のパターン間に挟持をする液晶に給電を行って、液晶レンズに入射する光を屈折させて可変焦点レンズとして動作させる。

さらに、液晶レンズの周縁部は、シール部材１２により封止され、Ｐ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂにおける液晶層２８ａ、２８ｂの厚さは、シール部材１２の内側領域に散布された図示しないスペーサ部材により一定に保たれている。またさらに、対向するガラス基板２１〜２３にそれぞれ配したレンズパターン領域１１及びヒーター電極１５から導出して形成された電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃには、スプリングコネクタまたはフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）からなる外部信号入出力手段１７がそれぞれ接続されている。そして、レンズパターン領域１１及びヒーター電極１５が形成されたパターン電極２４、２７は、コモン転移電極２９を用いて電極取り出し部１４ａ〜１４ｃに接続されている。電極取り出し部１４ａ〜１４ｃの一部は、パターン電極２５、２６から絶縁されており、パターン電極２４、２７に接続されている。

なお、上記説明におけるヒーター電極１５は、先に示した様にレンズパターン領域１１の外周部に近接させて取り囲み、このレンズパターン領域１１に存在する液晶、言い換え
れば、ヒーター電極１５の内側に存在する液晶を効率良く加熱できるようになっている。このような形態とすることで、レンズとして機能させる液晶のみを局所的に、効率良く加熱することができ、様々な温度環境において常に安定した可変焦点レンズとして機能させることができる様になる。

そして、ヒーター電極１５の両端から導出して形成された電極取り出し部１３ａ、１３ｂの少なくとも一方の直上には、ヒーター電極１５の温度をセンシングするための温度検出手段８０が配設されており（本図面においては、電極取り出し部１３ａに温度検出手段８０を設けた形態を示している。）、この電極取り出し部１３ａは、ヒーター電極１５の温度を制御するための給電と、ヒーター電極１５を介してレンズパターン領域１１に近接して存在する液晶の温度を検出できる様になっている。

本発明の液晶レンズでは特に限定しないが、一例として液晶レンズの寸法を下記に示す。
ガラス基板２１〜２３の一辺の長さは、数ｍｍから十数ｍｍ程度、例えば５ｍｍである。ただし、パターン電極２５、２６側のガラス基板２２については、パターン電極２５、２６の電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃを被う部分を除いた寸法である。ガラス基板２１〜２３の厚さは、数百μｍ程度、例えば３００μｍである。液晶層２８ａ、２８ｂの厚さは、数μｍから数十μｍ程度、例えば２５μｍである。レンズパターン領域１１の直径は数ｍｍ程度、例えば１．５６ｍｍである。

次に、本発明の液晶レンズを構成するレンズパターン領域１１に配した電極パターンの具体的な構成例について説明をする。図３は、図１、２に示したパターン電極２５、２６におけるレンズパターン領域１１に配した電極パターンの構成例を示す正面図である。

図３に示すように、レンズパターン領域１１は、円形状の中心部電極３１の回りに、半径の異なる複数の同心円の円周に沿って複数のＣ字状の輪帯電極３２、３３が配置されたパターンを有する。中心部電極３１と最も内側の輪帯電極３２の間、および隣り合う輪帯電極３２、３３の間は、絶縁された空間となっている。そして、中心部電極３１と最も内側の輪帯電極３２、および隣り合う輪帯電極３２、３３は、中心部電極３１、輪帯電極３２、外周部電極３３よりも高抵抗とした輪帯接続部３４を介して互いに接続されている。

中心部電極３１からは、中心部引き出し電極３５が、他の輪帯電極３２、３３および輪帯接続部３４から離れて（すなわち、絶縁された状態で）最外周の輪帯電極３３（以下、外周部電極３３とする）の外側まで伸びている。一方、外周部電極３３からは、その外側まで、外周部引き出し電極３６が他の電極から絶縁された状態で伸びている。なお、パターン電極２５、２６（図２参照）における図３に示す輪帯状のパターンは、レンズパターン領域１１に重なるように配置される。

この中心部引き出し電極３５と外周部引き出し電極３６にそれぞれ印加された電圧に応じて、共通電極であるパターン電極２４、２７に対する中心部電極３１、中心部電極３１と外周部電極３３との間の各輪帯電極３２、および外周部電極３３のそれぞれの電圧値が異なる状態となる。つまり、パターン電極２５、２６によってレンズパターン領域１１に電圧分布が生じる。この電圧分布を変化させることによって、液晶レンズの屈折率の分布が変化し、液晶レンズを凸レンズの状態にしたり、平行ガラスの状態にしたり、凹レンズの状態にすることができる。

ここで、本発明の液晶レンズにおいては特に限定しないが、一例としてレンズパターン領域１１の各部の寸法や特性値を示す。
中心部電極３１、外周部電極３３およびその間の輪帯電極３２の総数は、例えば３０本
である。また、中心部電極３１の径、各輪帯電極３２の幅および外周部電極３３の幅は、レンズパターン領域１１において所望の屈折率の分布が得られるように選択される。中心部電極３１、輪帯電極３２および外周部電極３３の隣り合うもの同士の間にある絶縁された空間の幅は、例えば３μｍである。また、各輪帯接続部３４の抵抗値は、例えば１０ＫΩである。

次に、本発明の液晶レンズにおける各パターンの具体的な配置形態について説明をする。図４及び図５は、パターン電極２４〜２７（図２参照）と電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃとを光の入射方向２０４（図２参照）側から見た正面図である。図４は、図２における輪帯状のパターンを含むパターン電極２５、２６と電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃを示している。図５は、共通電極を含むパターン電極２４、２７の形態を示している。

ガラス基板２２の両面には、図４に示すパターンが形成されている。ここの示されている電極パターンは、ヒーター電極１５と、電極取り出し部１３ａ、１３ｂと、ヒーター電極１５と電極取り出し部１３ａ、１３ｂとの間に接続されたヒーター配線部１６とが、ともにクロム（Ｃｒ）により形成され、それを除くパターンである、輪帯状のパターンとこれに接続される中心部引き出し電極３５、外周部引き出し電極３６、電極取り出し部１４ａ〜１４ｃが酸化インジウム錫（Ｉｎ_２Ｏ_５＋ＳｎＯ_２）により形成されている。そして、レンズパターン領域１１には、図３に示す輪帯状のパターンが形成され、中心部引き出し電極３５（図３参照）は電極取り出し部１４ａに、外周部引き出し電極３６（図３参照）は電極取り出し部１４ｂに接続されている。

一方、ガラス基板２１、２３における液晶層２８ａ、２８ｂに接する面には、図５に示すベタ電極である共通電極４０が酸化インジウム錫（Ｉｎ_２Ｏ_５＋ＳｎＯ_２）により、ヒーター電極１５がクロム（Ｃｒ）により形成され、輪帯状のパターンが形成されたレンズパターン領域１１に重なるように配置され、さらに領域４２にて共通電極４０は、電極取り出し部４４とコモン転移電極２９（図２参照）とを介して、対向するガラス基板２２に設けた領域５２で電極取り出し部１４ｃに接続されている。

また、輪帯状のパターンと共通電極４０の周囲には、図５に示したと同様に、この共通電極４０と隣接してヒーター電極１５が形成され、一端はヒーター配線部１６を介して電極取り出し部４３ａに、他端もヒーター配線部１６を介して電極取り出し部４３ｂに接続されている。そして、共通電極４０の引き回しと同様に、ヒーター電極１５に接続された電極取り出し部４３ａ、４３ｂは、ガラス基板２２に設けた電極取り出し部１３ａ、１３ｂに接続されている。

なお、図４、図５に示したヒーター電極１５を、ヒーター配線部１６を介して電極取り出し部１３ａ、１３ｂと接続したのは、電極取り出し部１３ａ、１３ｂからヒーター電極１５に至るまでの間で、ヒーター配線部１６の膜抵抗による熱損失を出来るだけ低減し、ヒーター電極１５に少ない給電で効率良く加熱するためである。したがって、このヒーター配線部１６は、ヒーター電極１５と電極取り出し部１３ａ、１３ｂとが近接しているものであり、レンズパターン領域１１に存在する液晶以外も同時に加熱したいものに関しては、必ずしも必要なものではなく、特に、前述した液晶レンズの寸法よりもさらに小型とする場合は、ヒーター電極１５が直接電極取り出し部１３ａ、１３ｂに接続された形態としても構わない。

また、前述のヒーター電極１５は、輪帯状のパターンと共通電極４０の周囲を囲むようＣ字形状に設けられ、またヒーター電極１５の抵抗値は、ヒーター配線部１６や電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃの抵抗値よりも高抵抗になるように形成されてい
る。この様に、電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃよりもヒーター電極１５の抵抗値を高く設定したのは、先に説明をしたヒーター配線部１６を電極取り出し部よりも抵抗を小さくしたのと同じ理由に基づく。

このヒーター電極１５の抵抗値を電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃの抵抗値よりも高抵抗となるように形成する方法として、例えばヒーター電極１５のパターンの幅を電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃの幅よりも狭くする方法や、抵抗値を変化させたいパターンの膜厚を薄くする方法、また膜質を変える方法などがある。

また、このヒーター電極１５は、できるだけ均一な抵抗値となるように形成されるのが好ましい。ヒーター電極１５の抵抗値が均一でないと、ヒーター電極１５における抵抗値が低い箇所が高い箇所に比べて加熱温度が低くなり、液晶に掛ける加熱温度ムラが生じることとなるからである。この様に、この領域において均一に加熱ができずに液晶に温度ムラ（温度分布）が生じると、所望の電流値がヒーター電極１５に給電されたとしても、液晶レンズに入射する光に所望の屈折を与えることができなる。したがって、ヒーター電極１５は、できるだけ均一な抵抗値とするのが好ましい。

この様にヒーター電極１５の抵抗値を均一にし、また、ヒーター配線部１６と電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃよりも、ヒーター電極１５の抵抗を高抵抗にすることで、レンズパターン領域１１に配した輪帯状のパターンと共通電極４０との間に封入され、かつヒーター電極１５で囲まれた液晶の温度を効率的に加熱することができる様になる。もちろん、ヒーター電極１５は、液晶層２８ａ、２８ｂを挟持するガラス基板２１、２３のどちらか一方のみに形成する構成としても液晶を加熱することはできる。

なお、本実施例では、レンズパターン領域１１に配した共通電極４０を外側のガラス基板２１、２３に、輪帯状のパターンをガラス基板２２の両面に形成した例を示したが、レンズパターン領域１１における共通電極４０をガラス基板２２の両面に、輪帯状のパターンを外側のガラス基板２１、２３に形成した形態としてもよい。

ここで、液晶レンズにおける前述したヒーター電極１５の駆動について説明をする。
このヒーター電極１５に導通する電極取り出し部に１３ａ、１３ｂには、レンズパターン領域１１に存在する液晶を所望の温度に加熱できるように、電圧一定として電流値を可変にして給電が行われる。具体的には、電圧値を例えば２．8Ｖとした給電期間と、給電を行わない休止期間とを繰り返して設けて、それぞれの期間のデューティ比を変えることにより、ヒーター電極１５への給電量を変える駆動方法により行うことができる。

ここで、一例としてヒーター電極１５をクロムの金属膜にて形成したときの抵抗値を示す。
クロムの金属膜の厚みは約３２００Å、ヒーター電極１５の幅を０．２ｍｍとし、ヒーター配線部１６と電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃの幅を０．４ｍｍとした場合、ヒーター電極１５の抵抗値は約３９Ω、ヒーター配線部１６と電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃの全体の抵抗が約３０Ωとなり、ヒーター電極１５の抵抗値がヒーター配線部１６より高抵抗となる。このときのレンズパターン領域の径は１．５６ｍｍとした。

また、ガラス基板２２の両面に形成された電極取り出し部１３ａ、１３ｂ、１４ａ〜１４ｃには、スプリングコネクタまたはフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）からなる外部信号入出力手段１７（図１、図２参照）が接続され、電極取り出し部１４ａ〜１４ｃには所定の液晶レンズ駆動波形が印加され、電極取り出し部１３ａ、１３ｂには先に示した所望の給電が行われる。

次に、レンズパターン領域の温度を検出するために配置された温度検出手段の設置形態について説明する。図６は、温度検出手段の配置形態を示す図面である。

図６に示すように、温度検出手段８０は、ヒーター電極１５の一方の電極取り出し部１３ａの直上に配置する。この様に構成すれば、ヒーター電極１５に接続されている、ヒーター配線部１６と電極取り出し部１３ａとを経由して、ヒーター電極１５により加熱された液晶層２８ａ、２８ｂの温度を検出できる様になる。なお、この様に、ヒーター配線部１６と電極取り出し部１３ａとを伝達手段として使用する場合、ヒーター電極１５は熱伝導率の高い材料として、例えば、ヒーター電極１５、ヒーター配線部１６をともにクロム（Ｃｒ）膜などの金属膜を使用することで、液晶層の熱を効果的に温度検出手段８０に伝えることができるようになる。また、温度検出手段８０は、他方の電極取り出し部１３ｂの直上に配置しても同じ効果を得ることができる。さらに、レンズパターン領域１１に、より隣接させてこの温度検出手段８０を配置することができれば、より効果的に液晶層２８ａ、２８ｂの温度を検出できるようになる。

次に、可変焦点レンズである本発明の液晶レンズの動作について説明をする。図７は、液晶の配向方向と同じ方向の偏光面を有する光が液晶を透過している状態で、液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化について説明するための図面である。

図７に示すように、液晶に外部から駆動電圧Ｖ_０が印加されると（同図（ａ））、液晶の屈折率は、その駆動電圧Ｖ_０の立ち上がりのタイミングからｔｆの時間だけ遅れて駆動電圧Ｖ_０に対応した状態となる（同図（ｂ））。また、液晶の屈折率は、駆動電圧Ｖ_０の立ち下がりのタイミングからｔｒの時間だけ遅れて元の状態に戻る（同図（ｂ））。このｔｆおよびｔｒの時間は、液晶が過渡応答動作をしている期間であり、屈折率が漸次変化する。ここで、上述した通り、駆動電圧Ｖ_０は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である。

例えば、各部の寸法や特性値が上述した値の液晶レンズおよびレンズパターン領域１１を用いるとする。また、液晶層２８ａ、２８ｂとして、異常光線についての屈折率ｎｅおよび通常光線についての屈折率ｎｏがそれぞれ１．７５および１．５であり、複屈折Δｎが０．２５であるネマティック液晶を用いるとする。この場合、例えば駆動電圧Ｖ_０の０Ｖから５Ｖへの立ち上がりに対する液晶の応答動作時間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ_０の５Ｖから０Ｖへの立ち下がりに対する液晶の応答動作時間ｔｒは、室温（２０℃）でともに１００ミリ秒程度である。

次に、本発明の液晶レンズの様々な温度と応答速度との関係について説明をする。図８は、液晶の応答時間の温度依存性を示すグラフである。

本図面に示す曲線７１は０℃の測定値、曲線７２は１０℃の測定値、曲線７３は２０℃の測定値、曲線７４は３０℃の測定値、曲線７５は４０℃の測定値、曲線７６は５０℃の測定値を示す。本図面から、室温（２０℃）以上では１００ミリ秒以下の応答時間が得られているものの、０℃では５００ミリ秒程度に悪化してしまっていることが判る。

それに対して、先に説明をしたヒーター電極１５を配した液晶レンズは、下記に示す作用を有するものとなる。図９は、液晶レンズのレンズパターン領域１１の周囲に形成したヒーター電極１５に電圧を印加し、液晶層２８ａ、２８ｂを加熱した１例の測定結果を示す図面である。

例えば、ヒーター電極１５をガラス基板２２（図２参照）の両側に形成し、２．８Ｖの
電圧を印加し、約１００ミリアンペアの電流を流すと、液晶レンズのレンズパターン領域１１の中央の温度は、７秒後に常温（測定開始温度２８℃）から約３０℃上昇する。つまり、本構成を採用することにより、この液晶レンズを０℃の環境下であったとしても、液晶層２８ａ、２８ｂを＋３０℃の環境下とすることができ、液晶の応答時間を０℃環境下で動作した場合に対して約１／４〜１／５に高速化するが可能となる。この様に、予め液晶レンズにおける液晶層２８ａ、２８ｂの温度と、ヒーター電極１５に印加する電圧と電流値との関係を記憶しておき、そのときの液晶層２８ａ、２８ｂの温度に応じてヒーター電極１５を制御すれば、様々な温度環境下において液晶層２８ａ、２８ｂが所定の温度となるように制御することができる。

次に、本発明の液晶レンズにおける可変焦点レンズの挙動について説明する。図１０には、駆動電圧の立ち上がり時の応答動作期間ｔｆにおける液晶の屈折率の変化の様子と、液晶レンズの焦点距離の変化の様子が示されている。

例えば、図１０（ａ）に示すように、液晶の屈折率は、過渡応答動作期間ｔｆ中に変化し、応答動作期間ｔｆが経過すると一定になるので、液晶レンズの中心部電極３１、各輪帯電極３２および外周部電極３３のそれぞれに対応する液晶部分の屈折率も一定となる。従って、過渡応答動作期間ｔｆが経過した時点で、液晶レンズの屈折率分布がある分布に定まり、図１０（ｂ）に示すように、液晶レンズの焦点距離ｆは、その屈折率分布に応じたある一定値に収束する。

図１０（ｂ）の横軸よりも上側および下側に描かれた線は、それぞれ液晶レンズが凸レンズの状態および凹レンズの状態のときの焦点距離ｆの変化の様子を表している。本実施の形態では、説明の便宜上、液晶レンズが凸レンズの状態になるときの焦点距離ｆを正の数値で表し、液晶レンズが凹レンズの状態になるときの焦点距離ｆを負の数値で表している。このように表すと、液晶レンズの焦点距離ｆが正または負の無限大であるとき、液晶レンズは平行ガラスの状態となる。

次に、本発明の液晶レンズを搭載した電子機器である自動焦点装置（オートフォーカス装置）について説明をする。図１１は、自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。

図１１に示すように、この自動合焦点装置は、液晶レンズ系１０１、光学レンズ系１０２、撮像素子１０３、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１０４、オートフォーカス（ＡＦ）コントローラ１０５および液晶レンズドライバー１０６、ヒーター制御回路１０７、温度センサー１０８を備えている。このヒーター制御回路１０７は、「ヒーター制御手段」に相当する。液晶レンズ系１０１は、Ｐ波用液晶レンズ１ａ（図２参照）とＳ波用液晶レンズ１ｂ（図２参照）を組み合わせた構成を有する。光学レンズ系１０２は、絞り、パンフォーカス組レンズおよび赤外線カットフィルタを有する。撮像素子１０３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子よりなるイメージセンサーとアナログ−デジタル変換器を有する。温度センサー１０８は例えばサーミスタであり、液晶レンズ系１０１の温度を検出するために、その近傍の配置されている。

液晶レンズ系１０１および光学レンズ系１０２を通過して結像した光学像は、撮像素子１０３のイメージセンサーにより、電気信号に変換される。イメージセンサーから出力された電気信号は、アナログ−デジタル変換器によりデジタル信号に変換される。ＤＳＰ１０４は、アナログ−デジタル変換器から出力されたデジタル信号に対して画像処理を行う。オートフォーカスコントローラ１０５は、液晶レンズへ所定電圧設定後に、ＤＳＰ１０４から出力された画像信号をサンプリングすることにより、焦点整合度に対応した焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を抽出する。そして、オートフォーカスコント
ローラ１０５は、抽出されたオートフォーカス信号に基づいてオートフォーカス信号のレベルが最大となるように、液晶レンズ系１０１の駆動条件の制御を行う。

オートフォーカスコントローラ１０５は、上述した一連の制御を行うマイクロプロセッサ１０５１と記憶手段１０５２を有する。記憶手段１０５２は、マイクロプロセッサ１０５１が実行するプログラムや最適な駆動電圧を求めるために必要な種々の関係などを格納した読み出し専用メモリ部（ＲＯＭ部）と、マイクロプロセッサ１０５１が作業領域として使用する書き込み可能なメモリ部（ＲＡＭ部）とを有する。

液晶レンズドライバー１０６は、温度センサー１０８から出力された温度信号が規定値以下に低下した場合、回路１０７が液晶レンズに設けられたヒーター電極１５をオン／オフすることにより、液晶レンズが規定値以上の応答速度で動作する状態を維持し、オートフォーカスコントローラ１０５から出力された制御信号に基づいて液晶レンズ系１０１に所定の電圧を印加する。

なお、この液晶レンズ系１０１および光学レンズ系１０２は、光学レンズ手段に相当する。撮像素子１０３およびＤＳＰ１０４は、光電変換手段に相当する。オートフォーカスコントローラ１０５は、液晶レンズ制御手段の焦点信号抽出手段および合焦点判定手段に相当する。液晶レンズドライバー１０６は、液晶レンズ制御手段の電圧印加手段に相当する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、液晶レンズ系１０１の応答動作後に画像信号をサンプリングしてオートフォーカス信号を抽出することを繰り返し、合焦点を検出する場合に、実用にあたって十分な速さで合焦点を検出することができる電子機器である自動合焦点装置が得られる。

また、本実施の形態によれば、レンズを駆動するためのアクチュエータ等の可動部が不要であるので、装置の小型化を図ることができる。また、消費電力を低減することができる。さらに、耐衝撃性に優れるので、信頼性が高いという効果も得られる。また、液晶レンズ系１０１が光学レンズ系１０２の外側の防護用窓ガラスを兼ねるので、より一層、装置の小型化を図ることができる。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や特性値や時間などの値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、液晶の種類もネマティック液晶に限定されるものではない。

また、液晶の過渡応答動作時間ｔｆおよびｔｒは、室温（２０℃）で１００ミリ秒程度であるわけではない。例えば、液晶の駆動方式がパルス高さ変調方式であるか、パルス幅変調方式であるか、ということによって、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりに対する液晶の応答速度が変化するので、ｔｆやｔｒが変化する。

また、用いる液晶の材料によって液晶の特性が異なるので、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりに対する液晶の応答速度が変化し、ｔｆやｔｒが変化する。特に、ＴＮ（ツイストネマティック）液晶を用いる場合には、回転粘性等による影響が大きい。

また、液晶の配向方法には、ホモジニアス（水平）配向、ホメオトロピック（垂直）配向、ハイブリッド配向、ツイスト配向またはベンド配向などがあるが、これらの配向方法の違いにより、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりに対する液晶の応答速度が変化し、ｔｆやｔｒが変化する。また、セルの構成等によってもｔｆやｔｒが変化する。

また、液晶レンズドライバーとヒーター制御回路は同じＩＣに集積化してもよい。また、液晶レンズドライバーと、ヒーター制御回路と、温度センサーを、同じＩＣに集積化しても良い。そして、液晶レンズの温度を効率良く検出し、実装サイズを小さくする上で、この集積化したＩＣは、液晶レンズを形成するガラス基板上に直接実装することが望ましい。

以上のように、本発明にかかる液晶レンズと、それを用いた電子機器は、オートフォーカス機能を有する自動合焦点装置に有用であり、特に、カメラ、デジタルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話のカメラ部、車等に搭載されて後方確認用モニターなどに用いられるカメラ、内視鏡のカメラ部、レンズの度を変化させる機能を有する眼鏡などのオートフォーカス機能に適している。

本発明にかかる液晶レンズの構成を示す正面図である。 本発明にかかる液晶レンズの構成を示す断面図である。 本発明にかかる液晶レンズの他方のパターン電極に形成される輪帯状のパターン形状を示す正面図である。 本発明にかかる液晶レンズの一方のパターン電極の構成を示す正面図である。 本発明にかかる液晶レンズの他方のパターン電極の構成を示す正面図である。 本発明にかかる液晶レンズの温度検出手段の配置位置を示す正面図である。 本発明にかかる液晶レンズの液晶層に電圧を印加したときの屈折率の変化を示す説明図である。 本発明にかかる液晶レンズの液晶層に電圧を印加したときの屈折率変化量を示す温度依存データである。 本発明にかかる液晶レンズへのヒーター加熱時間と温度上昇との関係を示すデータである。 本発明にかかる液晶レンズの液晶応答動作期間における液晶の屈折率の変化と液晶レンズの焦点距離の変化を示す説明図である。 本発明にかかる電子機器である自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 液晶レンズ
１１ レンズパターン領域
１２ シール部材
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 電極取り出し部
１５ ヒーター電極
１６ ヒーター配線部
１７ 外部信号入出力手段
２１〜２３ ガラス基板
２４〜２７ パターン電極
２８ａ、２８ｂ 液晶層
２９ コモン転移電極
３１ 中心部電極
３２ 輪帯電極
３３ 輪帯電極（外周部電極）
３４ 輪帯接続部
３５ 中心部引き出し電極
３６ 外部引き出し電極
４０ 共通電極
４２ 領域
４３ａ、４３ｂ、４４ 電極取り出し部
５２ 領域
７１〜７６ 曲線
８０ 温度検出手段
１０１ 液晶レンズ系
１０２ 光学レンズ系
１０３ 撮像素子
１０４ ＤＳＰ
１０５ オートフォーカス（ＡＦ）コントローラ
１０６ 液晶レンズドライバー
１０７ ヒーター制御回路
１０８ 温度センサー
１１１ 輪帯ヒーター電極
２０４ 入射方向
１０５１ マイクロプロセッサ
１０５２ 記憶手段

Claims (8)

1. 可変焦点レンズとして機能し、２枚の透明性基板で液晶層を挟持する液晶レンズにおいて、
   駆動電源を接続して変調電圧を印加することにより前記液晶層の位相を変調させる位相変調電極群と、
   前記位相変調電極群の周囲を囲繞して形成されて、前記液晶層を直接加熱するためのヒーター電極と、
   前記ヒーター電極よりも低抵抗であり、かつ前記ヒーター電極に給電を行うための電極取り出し部と、を有することを特徴とする液晶レンズ。
2. 前記位相変調電極群は、複数個の輪帯状パターンにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
3. 前記ヒーター電極は、ほぼ均一の抵抗値で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶レンズ。
4. 前記電極取り出し部の直上に、前記液晶層の温度をセンシングするための温度検出手段が配設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の液晶レンズ。
5. 前記電極取り出し部は、前記ヒーター電極の温度を制御するための給電と、前記ヒーター電極の温度を前記温度検出手段に伝えるためのヒーター熱伝導との両方の機能を兼ねていることを特徴とする請求項４に記載の液晶レンズ。
6. 規定された液晶の動作温度範囲となる様に、前記ヒーター電極にヒーター加熱のオンとオフを制御するヒーター制御手段をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の液晶レンズ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の液晶レンズが搭載されたことを特徴とする電子機器。
8. 前記液晶レンズはオートフォーカスレンズであり、このオートフォーカスレンズを搭載してカメラモジュールを構成してなることを特徴とする請求項７に記載の電子機器。

Images