JP2007248985A - Liquid crystal lens and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a liquid crystal lens and an electronic device, and more particularly to a liquid crystal lens that has a simple configuration but does not decrease a focal movement speed even in a low temperature environment, and an electronic device including the liquid crystal lens.
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。)。 Conventionally, as a focusing mechanism for changing the focal length or focal position of an optical system, a method of focusing by moving a lens has been widely used. However, this method requires a lens driving mechanism, and thus has a drawback that the mechanism is complicated and a lens driving motor requires a relatively large amount of electric power. In addition, there is a drawback that the impact resistance is generally low. Thus, as a focusing mechanism that does not require a lens driving mechanism, a method of focusing by changing the refractive index of the liquid crystal lens has been proposed (for example, see Patent Document 1).
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。)。
By the way, as an autofocus (automatic focusing) system of a video camera, information corresponding to blurring of an image is directly extracted from a captured video signal, and a contour detection method is used in which a lens is climbed and controlled to minimize this blurring. Various autofocus devices have been proposed (see, for example,
そこで、特許文献1における液晶レンズを、特許文献2〜5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。)。
Therefore, when the liquid crystal lens in
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。 In addition, as a liquid crystal material filled in the liquid crystal lens, a proposal has been made to use a ferroelectric liquid crystal having excellent high-speed response.
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。)。 Furthermore, to maintain the temperature of the liquid crystal layer at a desired temperature even in a low temperature environment, rather than as a liquid crystal lens, a liquid crystal panel heater is provided separately from the panel that heats the liquid crystal panel. There has been proposed a method in which the glass substrate is provided by being provided (see, for example, Patent Document 6).
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。
When focusing by controlling the change in the refractive index of the liquid crystal lens by the hill-climbing control method, the responsiveness of the liquid crystal becomes a problem. Especially at low temperatures, the response speed of the liquid crystal significantly decreases due to the increase in the viscosity of the liquid crystal. Therefore, it takes a long time to detect the focal point. For example, suppose that there are 50 positions of the focus position set in advance for the near-distance view, search for a peak of information corresponding to the blur in a certain direction, and an average of 25 positions is required before the peak is found. Thus, the time required to detect the focal point is compared between the method of moving the lens and the method of using the liquid crystal lens.
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。 In the method of moving the lens, when the lens is moved to a position corresponding to a certain position and information corresponding to the blur at that time is acquired, the lens is moved to a position corresponding to the next position and information corresponding to the blur is obtained. The operation of obtaining is repeated. In this case, since the processing time per position is as short as 67 milliseconds, for example, the average time required to detect the in-focus point is about 1.7 seconds (= 67 milliseconds / position × 25 positions).
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。 On the other hand, in a method using a liquid crystal lens, the refractive index distribution of the liquid crystal lens is changed by changing a voltage (drive voltage) applied to the liquid crystal lens in order to drive the liquid crystal lens. Therefore, when a driving voltage corresponding to a certain position is applied to the liquid crystal lens and information corresponding to the blur at that time is obtained, a driving voltage corresponding to the next position is applied to the liquid crystal lens and information corresponding to the blur is again obtained. The operation of obtaining may be repeated.
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。 In the case of a liquid crystal lens, when the processing time per position is, for example, 100 milliseconds at room temperature (20 ° C.), the average is about 2.5 seconds (100 milliseconds / position × 25 positions) until the focal point is detected. .
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。 In general, however, the response of the liquid crystal to a change in drive voltage is delayed as the viscosity of the liquid crystal increases at low temperatures. Therefore, it is necessary to wait until the response of the liquid crystal becomes stable after changing the drive voltage. Therefore, at a low temperature (0 ° C.), the processing time per position becomes long, for example, 500 milliseconds, and it takes about 12.5 seconds (500 milliseconds / position × 25 positions) on average to detect the focal point. End up. In this case, since the response speed of the liquid crystal is too slow, it is impractical to mount and operate the liquid crystal lens on an electronic device.
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ON/OFF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。 In order to solve this problem, it is conceivable to use the bend alignment capable of high-speed response described in the background and the ferroelectric liquid crystal, but both of them have a small change in the refractive index when the liquid crystal is turned on / off. When the means is used for a liquid crystal lens, there is a problem that the variable focus performance is remarkably inferior.
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。 In addition, it is difficult to uniformly heat the liquid crystal layer with a simple structure in a method for providing a practical liquid crystal response speed even at low temperatures by providing a heater separate from the panel to heat the liquid crystal panel. Furthermore, if a heater electrode is attached to the periphery of the liquid crystal panel, the thickness of the liquid crystal lens will increase accordingly, or a light blocking body that blocks the light in the area where the lens is formed cannot be formed. Arise.
そこで、本発明は、上述した背景技術による問題点を解消するため、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を目的とする。 Therefore, the present invention provides a heater electrode for directly heating the liquid crystal layer in a region outside the phase modulation electrode for changing the refractive index of the liquid crystal lens in order to eliminate the above-described problems caused by the background art. An object of the present invention is to provide a liquid crystal lens capable of detecting a focal point at a sufficient speed in practical use by maintaining the temperature at a desired temperature or higher, and an electronic apparatus equipped with the liquid crystal lens.
上述した課題を解決して目的を達成するために、本発明の液晶レンズは、基本的に下記記載の構成要件を採用するものである。
本発明にかかる液晶レンズは、第1の透明性基板に設けた第1のパターン電極と、第2の透明性基板に設けた第2のパターン電極とを対向させて第1の液晶層を挟持する液晶レンズにおいて、第2のパターン電極は、変調電圧を印加することにより第1の液晶層の位相を変調させる位相変調電極と、位相変調電極の周囲を囲繞して形成された、第1の液晶
層を直接加熱するためのヒーター電極と、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、電極取り出し部の途中に設けられた電極取り出し分岐端とを有し、当該電極取り出し分岐端の直上には、第1の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。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the liquid crystal lens of the present invention basically adopts the following constituent elements.
The liquid crystal lens according to the present invention sandwiches the first liquid crystal layer with the first pattern electrode provided on the first transparent substrate facing the second pattern electrode provided on the second transparent substrate. In the liquid crystal lens, the second pattern electrode is formed by surrounding the periphery of the phase modulation electrode with a phase modulation electrode that modulates the phase of the first liquid crystal layer by applying a modulation voltage. A heater electrode for directly heating the liquid crystal layer, an electrode extraction portion for supplying power to the heater electrode, which has a lower resistance than the heater electrode, and an electrode extraction branch end provided in the middle of the electrode extraction portion; And a temperature detecting means for sensing the temperature of the first liquid crystal layer is provided immediately above the branch end of the electrode.
上記発明によれば、低温下でも短時間で合焦点を検出することができ、さらに液晶層の温度変化は、電極取り出し部と電極取り出し分岐端を介すことで効率的に温度検出手段に伝播させることができる。 According to the above invention, the focal point can be detected in a short time even at a low temperature, and the temperature change of the liquid crystal layer is efficiently propagated to the temperature detecting means through the electrode take-out portion and the electrode take-off branch end. Can be made.
また、本発明にかかる液晶レンズは、前述した第2の透明性基板における第1の液晶層とは反対側の面に設けた第3のパターン電極と、第3の透明性基板に設けた第4のパターン電極とを対向させて第2の液晶層を挟持する構成をさらに備え、電極取り出し分岐端に設けられた温度検出手段と、第3のパターン電極に設けた電極取り出し部とが、オーバーラップして配置されていることを特徴とするものである。 The liquid crystal lens according to the present invention includes a third pattern electrode provided on the surface of the second transparent substrate opposite to the first liquid crystal layer, and a third pattern electrode provided on the third transparent substrate. 4 is further provided with a structure in which the second liquid crystal layer is sandwiched so as to face the pattern electrode, and the temperature detection means provided at the electrode extraction branch end and the electrode extraction portion provided in the third pattern electrode are It is characterized by being arranged in a wrapping manner.
上記発明によれば、温度検出手段を設けていない側の第2の液晶層の温度変化を、第3のパターンに設けた電極取り出し部と第2の透明性基板を介して、第1の液晶層側に設けた温度検出手段へ効率的に伝播させることができる。 According to the above invention, the temperature change of the second liquid crystal layer on the side where the temperature detecting means is not provided is transmitted to the first liquid crystal via the electrode extraction portion provided in the third pattern and the second transparent substrate. It can be efficiently propagated to the temperature detecting means provided on the layer side.
また、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、ヒーター電極にヒーター加熱のONとOFF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。 In addition, the liquid crystal lens according to the present invention is characterized in that the heater electrode further includes heater control means for controlling ON / OFF of the heater heating so that the operating temperature range of the liquid crystal is specified.
上記発明によれば、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。 According to the above invention, the liquid crystal lens can be kept in a desired temperature range and operated at a specified response speed.
また、本発明にかかる電子機器には、前述した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。 The electronic device according to the present invention is characterized in that the above-described liquid crystal lens is mounted.
また、本発明にかかる電子機器は、前述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。 An electronic apparatus according to the present invention is characterized in that the liquid crystal lens described above is an autofocus lens, and the autofocus lens is mounted to constitute a camera module.
上記発明において、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。 In the above-described invention, the camera module can be manufactured as an electronic device having a high impact resistance and a lightweight and small autofocus mechanism.
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。 According to the present invention, it is possible to obtain a liquid crystal lens capable of detecting a focal point at a sufficiently high speed in practical use under various temperature environments, and an electronic device equipped with the liquid crystal lens.
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。 Exemplary embodiments of a liquid crystal lens and an electronic apparatus having the liquid crystal lens according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. First, the configuration of the liquid crystal lens of the present invention will be described. 1 and 2 are a front view and a cross-sectional view showing a cell configuration of a liquid crystal lens, respectively.
図2に示すように、液晶レンズ1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。このガラス基板21〜23は、「透明性基板」に相当する。
As shown in FIG. 2, the
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。
In order to realize a variable focus lens by performing phase modulation of light with liquid crystal, a two-layer configuration of a P-wave
従って、配向方向が90°異なる2枚の液晶レンズ1、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。
Therefore, two
また、図1、図2に示す様に、液晶レンズ1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の周辺を囲うようにヒーター電極15が導電体でそれぞれ設けられている。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に形成された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とがそれぞれ設けられている。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が構成されて、共通電極と輪帯状のパターン間で挟持する液晶に給電を行うことで、液晶レンズ1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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the central portion of the
さらに、液晶レンズ1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に配した共通電極または輪帯状のパターン、ヒーター電極15、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が接続されている。そして、共通電極、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から絶縁されている。
Further, the peripheral edge portion of the
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、かつ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。
In addition, the
そして、パターン電極25、26が設けられたガラス基板22の少なくとも一方の面上には、温度をセンシングするための温度検出手段80が配設されている。なお、図2においては、パターン電極25が設けられた方のガラス基板22の面上に温度検出手段80を設けた例を示している。また、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。
And the temperature detection means 80 for sensing temperature is arrange | positioned on the at least one surface of the
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1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7mm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3mmである。
Although it does not specifically limit in the liquid crystal lens of this invention, The dimension of the
The length of one side of the
次に、本発明の液晶レンズ1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する。図3は、図1、図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。
Next, a specific configuration example of the electrode pattern arranged in the
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、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。
As shown in FIG. 3, in the
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の図3に示すパターンは、レンズパターン領域11に重なるように配置される。
From the
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1の屈折率の分布が変化し、液晶レンズ1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。
Depending on the voltages applied to the
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。
Here, although it does not specifically limit in the liquid crystal lens of this invention, The dimension and characteristic value of each part of the lens pattern area |
The total number of the
次に、本発明の液晶レンズ1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、図5、図6は、図2のパターン電極24〜27を光の入射方向204から見た正面図である。まず、図4を用いてパターン電極25が形成された面のパターンについて説明する。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の構成例を示
している。なお、ここでいうパターン電極とは、輪帯状のパターンまたは共通電極と、ヒーター電極15と、ヒーター配線部16と、電極取り出し部13a、13b、14a〜14cのことを指す。
Next, a specific arrangement form of each pattern in the
図4に示す様に、ガラス基板22の一方の面には、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、電極取り出し部13aから分岐する電極取り出し分岐端100とが、ともにクロム(Cr)により形成される。そして、それを除くパターンである、図3に示した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(図3参照)、電極取り出し部14a〜14cが、酸化インジウム錫(In2O5+SnO2)により形成される。この様に、ヒーター配線部16と電極取り出し部13aに、熱伝導率の高い材料、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)膜等で形成すれば、液晶層28a、28bの熱を、効率良く温度検出手段80に伝えるとともに、液晶層28a、28bを加熱することができる。
As shown in FIG. 4, on one surface of the
また、本発明の液晶レンズは、図1、2を用いて説明した様に、この電極取り出し分岐端100の直上に、レンズパターン領域11の直上に位置する液晶の温度を検出するために配置された温度検出手段80を有する。この様に構成すれば、ヒーター配線部16、電極取り出し部13a、電極取り出し分岐端100を経由して、ヒーター電極15により加熱した液晶層28aの温度を効率良く検出できる。なお、図4では、電極取り出し部13aに電極取り出し分岐端100を設けた形態を示したが、電極取り出し部13bにこの電極取出し分岐端100を設けても構わない。
The liquid crystal lens of the present invention is arranged to detect the temperature of the liquid crystal positioned directly above the
次に、図5を用いて、図2で示すパターン電極26の構成例について説明する。図5は、輪帯状のパターンを含むパターン電極26の構成例を示している。
Next, a configuration example of the
図5に示す様に、ガラス基板22の表面には、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(図3参照)、電極取り出し部14a〜14cが、酸化インジウム錫(In2O5+SnO2)により形成されている。
As shown in FIG. 5, on the surface of the
このパターン電極で特徴的であるのが、図5に示す電極取り出し部13aが、図4で示したガラス基板22に設けられた温度検出手段80の位置50とオーバーラップして設けられている点である。この様に位置50とオーバーラップさせて電極取出し部13aを構成すれば、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とガラス基板22を経由して、本図面に示すヒーター電極15の内側領域の液晶(液晶28b)の温度を、図4に示した温度検出手段80で検出できる。
A characteristic of this pattern electrode is that the electrode take-out
次に、パターン電極24、27の構成例について説明する。図6は、共通電極を含むパターン電極24、27の構成例を示している。
Next, a configuration example of the
図6に示す様に、ガラス基板22に対向する位置で配置される、ガラス基板21、23における液晶層28a、28bに接する面には、図6に示すベタ電極である共通電極40が酸化インジウム錫(In2O5+SnO2)により形成され、ヒーター電極15がクロム(Cr)により形成されている。この共通電極40は、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(図4、図5参照)で電極取り出し部14cに接続される。
As shown in FIG. 6, the
また、輪帯状のパターンと共通電極40の周囲には、図4、図5に示した形態と同様に、この共通電極40と隣接するヒーター電極15が形成され、そのヒーター電極15の一端は、ヒーター配線部16を介して電極取り出し部43aに接続され、ヒーター電極15の他端は、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に接続される。
In addition, a
なお、上記説明で、図4、図5、図6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、かつ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1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。
In the above description, the
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、先に説明したヒーター配線部16を電極取り出し部13a、13b、14a〜14cよりも抵抗を小さくしたのと同じ理由に基づく。
The
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。
As a method of forming the resistance value of the
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するのが好ましい。これは、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てしまうからである。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1に入射する光に所望の屈折を与えることができなくなる。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。
The
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。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ができる。
In this way, the resistance value of the
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に形成し、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の両面に形成し、輪帯状のパターンを外側のガラス基板21、23に形成した構成としてもよい。
In the present embodiment, the
ここで、液晶レンズ1における前述したヒーター電極15の駆動方法について説明をする。
本発明の液晶レンズにおける液晶の加熱は、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、所望の温度にレンズパターン領域11に存在する液晶を加熱できるように、電圧一定として電流値を可変にして給電する。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。
Here, a driving method of the
In the liquid crystal lens of the present invention, the liquid crystal is heated at a constant voltage so that the liquid crystal existing in the
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。
Here, the resistance value when the
When the thickness of the chromium metal film is about 3200 mm, the width of the
次に、可変焦点レンズである本発明の液晶レンズ1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。
Next, the operation of the
図7に示すように、液晶に外部から駆動電圧V0が印加されると(同図(a))、液晶の屈折率は、その駆動電圧V0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V0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V0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V0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。 As shown in FIG. 7, when the drive voltage V 0 is applied to the liquid crystal from the outside (FIG. 7A), the refractive index of the liquid crystal is delayed by a time tf from the rising timing of the drive voltage V 0. a state corresponding to the drive voltage V 0 (FIG. (b)). Further, the refractive index of the liquid crystal returns to the original state with a delay of tr time from the falling timing of the drive voltage V 0 ((b) in the figure). The times tf and tr are periods in which the liquid crystal is in a transient response operation, and the refractive index gradually changes. Here, as described above, the drive voltage V 0 is, for example, an AC voltage that has been subjected to pulse height modulation (PHM) or pulse width modulation (PWM).
例えば、各部の寸法や特性値が上述した値の液晶レンズ1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V0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V0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。
For example, it is assumed that the
次に、本発明の液晶レンズ1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。
Next, the relationship between various temperatures and response speeds of the
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℃)以上では屈折率変化量を100%とするのに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1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1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に電圧を印加して、液晶層28a、28bを加熱したときの測定結
果を示す図面である。
On the other hand, the
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1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1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1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。
For example, when the
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1の焦点距離の変化の様子が示されている。
Next, the behavior of the variable focus lens in the liquid crystal lens of the present invention will be described. FIG. 10 shows how the refractive index of the liquid crystal changes during the response operation period tf when the drive voltage rises, and how the focal length of the
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、図3に示した液晶レンズ1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、変化液晶レンズ1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1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。
For example, as shown in FIG. 10A, the refractive index of the liquid crystal changes during the transient response operation period tf and becomes constant when the response operation period tf elapses. Therefore, the center of the
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1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1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1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1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1は平行ガラスの状態となる。
The lines drawn above and below the horizontal axis in FIG. 10B represent changes in the focal length f when the
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。 Next, an autofocus device (autofocus device) which is an electronic device equipped with the liquid crystal lens of the present invention will be described. FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of the automatic focusing device.
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とする。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。
As shown in FIG. 11, the automatic focusing apparatus includes a liquid
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。
An optical image formed through the liquid
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。
The
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、ヒータ制御回路107が液晶レンズ1に設けられたヒーター電極15をON/OFFすることにより、液晶レンズ1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。
When the temperature signal output from the
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。
As described above, according to the present embodiment, after the response operation of the liquid
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。
Further, according to the present embodiment, since a movable part such as an actuator for driving the lens is not necessary, the apparatus can be reduced in size. In addition, power consumption can be reduced. Furthermore, since it is excellent in impact resistance, the effect that reliability is high is also acquired. Further, since the liquid
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。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, values such as dimensions, characteristic values, and time described in the embodiments are examples, and the present invention is not limited to these values. The type of liquid crystal is not limited to nematic liquid crystal.
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。 Further, the transient response operation times tf and tr of the liquid crystal are not about 100 milliseconds at room temperature (20 ° C.). For example, depending on whether the liquid crystal driving method is a pulse height modulation method or a pulse width modulation method, the response speed of the liquid crystal to the rise and fall of the drive voltage changes, so tf and tr change. To do.
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。 Further, since the characteristics of the liquid crystal differ depending on the liquid crystal material used, the response speed of the liquid crystal with respect to the rise and fall of the drive voltage changes, and tf and tr change. In particular, when TN (twisted nematic) liquid crystal is used, the influence of rotational viscosity or the like is large.
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。 Liquid crystal alignment methods include homogeneous (horizontal) alignment, homeotropic (vertical) alignment, hybrid alignment, twist alignment, and bend alignment. The rise and fall of the drive voltage depends on the alignment method. The response speed of the liquid crystal to changes, and tf and tr change. Also, tf and tr vary depending on the cell configuration and the like.
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1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1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。
Further, the liquid crystal lens driver and the heater control circuit may be integrated in the same IC. Further, the liquid crystal lens driver, the heater control circuit, and the temperature sensor may be integrated in the same IC. In order to efficiently detect the temperature of the
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。 As described above, the liquid crystal lens according to the present invention and the electronic device using the liquid crystal lens are useful for an automatic focusing device having an autofocus function, and in particular, for a camera, a digital camera, a movie camera, and a camera-equipped mobile phone. It is suitable for an autofocus function such as a camera unit, a camera mounted on a car or the like and used for a rear confirmation monitor, a camera unit of an endoscope, or glasses having a function of changing the lens degree.
1 液晶レンズ
1a P波用液晶レンズ
1b S波用液晶レンズ
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
50 位置
52 領域
71〜76 曲線
80 温度検出手段
100 電極取り出し分岐端
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
204 入射方向
1051 マイクロプロセッサ
1052 記憶手段
DESCRIPTION OF
34 ring
105 Autofocus (AF)
Claims (5)
前記第2のパターン電極は、
変調電圧を印加することにより前記第1の液晶層の位相を変調させる位相変調電極と、
前記位相変調電極の周囲を囲繞して形成された、前記第1の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外部から給電を行うための電極取り出し部と、
前記電極取り出し部の途中に設けられた電極取り出し分岐端と、を有し、
前記電極取り出し分岐端の直上には、前記第1の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液晶レンズ。 The first liquid crystal layer is sandwiched between the first pattern electrode provided on the first transparent substrate and the second pattern electrode provided on the second transparent substrate so as to function as a variable focus lens. In liquid crystal lenses,
The second pattern electrode is
A phase modulation electrode for modulating the phase of the first liquid crystal layer by applying a modulation voltage;
A heater electrode for directly heating the first liquid crystal layer formed around the phase modulation electrode;
An electrode take-out portion that is lower in resistance than the heater electrode and that feeds power to the heater electrode from the outside;
An electrode extraction branch end provided in the middle of the electrode extraction portion,
A liquid crystal lens, characterized in that a temperature detecting means for sensing the temperature of the first liquid crystal layer is disposed immediately above the electrode lead-out branch end.
前記電極取り出し分岐端に設けられた前記温度検出手段と、前記第3のパターン電極に設けた電極取り出し部とが、オーバーラップして配置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。 The liquid crystal lens includes a third pattern electrode provided on a surface of the second transparent substrate opposite to the first liquid crystal layer, and a fourth pattern electrode provided on a third transparent substrate. Further comprising a configuration in which the second liquid crystal layer is sandwiched by facing each other,
2. The liquid crystal according to claim 1, wherein the temperature detection means provided at the electrode extraction branch end and the electrode extraction portion provided in the third pattern electrode are arranged so as to overlap each other. lens.
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