JP5106113B2 - 自動合焦点装置及び光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、自動合焦点装置及び光学素子に関する。特に、本発明は、焦点距離の調整用に液晶レンズを用い、その液晶レンズを通して結像する光学像より得られた画像信号から、焦点整合度に対応した複数の焦点信号を抽出し、それら焦点信号のピーク値を検出することによって合焦点を検出する自動合焦点装置及び光学素子に関する。

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。）。
また、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が知られている。この様な、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、特許文献５参照。）。
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） 特公平２−１１０６８号公報（第３−５頁、第１−３図）

しかしながら、液晶の応答速度が遅いため、合焦点を検出するために、長時間を要してしまうという問題がある。
一方、液晶の特性として、液晶に高電圧を印加すれば応答速度が速くなり、短時間で合焦点の検出を行うことができるようになる。しかしながら、高電圧を印加した状態では、液晶レンズを通した画像の結像性能が劣化してしまうという問題がある。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消する自動合焦装置及び光学素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、焦点整合度に対応した複数の焦点信号を抽出する際の液晶レンズへの印加電圧に対して、合焦点調整時の液晶レンズの印加電圧を小さくすることによって、十分な速さで合焦点を検出することができ、かつ、結像性能が良好なレンズ状態を得ることができる自動合焦点装置及び光学素子を提供することを目的とする。
本発明に係る自動合焦点装置は、屈折率分布を形成する液晶レンズと、液晶レンズを通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換部と、液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ且つ画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出する焦点信号抽出部と、抽出された複数の焦点信号から合焦点に対応した焦点信号を判定する合焦点判定部と、合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ且つ合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために液晶レンズに印加された第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を液晶レンズに印加して合焦点の調整を行う合焦点調整部を有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、第１の範囲の電圧と、第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した第２の電圧とを、対応させて記憶する記憶部を、更に有することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、第１の範囲の電圧は、予め設定された焦点距離毎に用意された複数の電圧を含むことが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、焦点信号抽出部は、予め設定された焦点距離の全てにおける焦点信号を求めることが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、焦点信号抽出部は、前回検出した第１の焦点距離における焦点信号と、今回検出した第２の焦点距離における焦点信号の増減を逐次比較しながら、次の第３の焦点距離における焦点信号を抽出し、合焦点判定部にて合焦点に対応した焦点信号が判定されたら、焦点信号の抽出を中止することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、第２の電圧を印加する前に、液晶レンズに、第２の電圧よりも電位差の大きい切替電圧を印加する切替電圧印加部を、更に有することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、記憶部は、第１の範囲の電圧と、第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した第２の電圧と、第１の範囲の電圧と第２の電圧にそれぞれ対応した切替電圧を、対応させて記憶することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、液晶レンズの近傍の温度を検出するための温度検出部を更に有することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、
焦点信号抽出部は、温度検出部が検出した温度に基づいて、液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ、画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出し、
合焦点調整部は、温度検出部が検出した温度に基づいて、合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ、合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために液晶レンズに印加された第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を液晶レンズに印加する、ことが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、記憶部は、第１の範囲の電圧と、第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した第２の電圧とを、温度毎にそれぞれ対応させて記憶することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、
焦点信号抽出部は、温度検出部が検出した温度に基づいて、液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ、画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出し、
合焦点調整部は、温度検出部が検出した温度に基づいて、合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ、合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために液晶レンズに印加された第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を液晶レンズに印加し、
切替電圧印加部は、温度検出部が検出した温度に基づいて、第２の電圧を印加する前に、液晶レンズに、第２の電圧よりも電位差の大きい切替電圧を印加する、ことが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、記憶部は、第１の範囲の電圧と、第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した第２の電圧と、第１の範囲の電圧と第２の電圧にそれぞれ対応した切替電圧を、温度毎に対応させて記憶することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、液晶レンズは、複数の輪帯及び液晶層を有することが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、液晶レンズと協働する光学レンズを、更に有することが好ましい。
本発明に係る光学素子は、屈折率分布を形成する液晶レンズと、液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ且つ画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出する焦点信号抽出部と、抽出された複数の焦点信号から合焦点に対応した焦点信号を判定する合焦点判定部と、合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ且つ合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために液晶レンズに印加された第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を液晶レンズに印加して合焦点の調整を行う合焦点調整部を有することを特徴とする。
また、本発明に係る自動合焦点装置は、液晶レンズを含む光学レンズ手段と、光学レンズ手段を通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換手段と、画像信号から焦点整合度に対応した焦点信号を抽出し、その焦点信号が最大となるように液晶レンズの駆動条件を制御する液晶レンズ制御部とを有する自動合焦点装置であって、液晶レンズ制御部は、液晶レンズに第１の電圧を印加して屈折率分布を変化させて、所定の周期でサンプリングすることにより複数の焦点信号を抽出する焦点信号抽出部と、焦点信号抽出部より抽出された複数の焦点信号から焦点信号の最大値を判定する合焦点判定部と、合焦点判定部により最大値と判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができる、第１の電圧よりも小さな第２の電圧を液晶レンズに印加して、合焦点の調整を行う合焦点調整部と有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、前述した合焦点判定部で決定する第２の電圧が、予め記憶部に記憶された第１の電圧と第２の電圧との対応テーブルに基づいて決められることが好ましい。
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、前述した記憶部における対応テーブルが、予め設定された焦点距離毎に用意されていることが好ましい。
本発明によれば、焦点整合度に対応した複数の焦点信号の抽出時の液晶レンズへの印加電圧に対して、合焦点調整時の液晶レンズへの印加電圧を小さくすることにより、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、かつ、結像性能が良好なレンズ状態を得ることができる自動合焦点装置及び光学素子が得られるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。
図２は、液晶レンズの構成を示す正面図である。
図３は、液晶レンズの構成を示す断面図である。
図４は、パターン電極の構成を示す正面図である。
図５（ａ）はスキャン方式の自動合焦動作を模式的に示す図であり、図５（ｂ）は山登り方式の自動合焦動作を模式的に示す図である。
図６は、液晶レンズへの印加電圧とリタデーションの関係を示す図である。
図７（ａ）はＲｅ１の範囲におけるＭＴＦ値を示す図であり、図７（ｂ）はＲｅ２の範囲におけるＭＴＦ値を示す図である。
図８は、自動合焦動作の処理フローの一例を示す図である。
図９は、図８に示したフローにおいて、各輪帯に印加される電圧の変化を示した図である。
図１０は、自動合焦動作の処理フローの他の例を示す図である。
図１１は、図１０に示したフローにおいて、各輪帯に印加される電圧の変化を示した図である。
図１２は、各輪帯に印加される電圧の変化の他の例を示した図である。
図１３は、本発明に係る自動合焦点装置の他の概略構成を示すブロック図である。
図１４は、図１３に示す自動合焦点装置における自動合焦動作の処理フローの一例を示す図である。
図１５は、図１４に示したフローにおいて、各輪帯に印加される電圧の変化を示した図である。

以下、図面に基づき本発明に係る自動合焦点装置の好適な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図１は、本発明に係る自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明の自動合焦点装置は、液晶レンズ１、光学レンズ２、撮像素子３、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）４、オートフォーカスコントローラ５及び液晶レンズドライバ６等を有している。液晶レンズ１は、Ｐ波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズを組み合わせた構成を有する。光学レンズ２は、絞り、パンフォーカス組レンズ及び赤外線カットフィルタを有する。撮像素子３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子よりなるイメージセンサとアナログ−デジタル変換器を有する。
液晶レンズ１及び光学レンズ２を通過して結像した光学像は、撮像素子３のイメージセンサにより電気信号に変換される。イメージセンサ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。ＤＳＰ４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５は、ＤＳＰ４から出力された画像信号を所定の周期でサンプリングすることにより、焦点整合度に対応した複数の焦点信号を抽出する。そして、オートフォーカスコントローラ５は、抽出された複数の焦点信号に基づいて、焦点信号が最大となるときを判定し、その判定結果に基づいて、液晶レンズドライバ６を介して液晶レンズ１の駆動制御を行う。
オートフォーカスコントローラ５は、上述した一連の制御を行うマイクロプロセッサ５１と記憶部５２等を有する。記憶部５２は、マイクロプロセッサ５１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５１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）を有する。液晶レンズドライバ６は、オートフォーカスコントローラ５から出力された制御信号に基づいて液晶レンズ１に電圧を印加する。
液晶レンズ１及び液晶レンズ１と協働する光学レンズ２は、光学レンズ手段に相当する。撮像素子３及びＤＳＰ４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５及び液晶レンズドライバ６は、液晶レンズ制御部、又は、後段で詳細に説明する、焦点信号抽出部、合焦点判定部、合焦点調整部、及び切替電圧印加部等に相当する。
次に、液晶レンズの構成について説明をする。図２及び図３は、それぞれ液晶レンズのセル構成を示す正面図及び断面図である。
液晶レンズ１は、液晶パネル１０等から構成される。液晶パネル１０では、一対の対向するガラス基板１１、１２の内側にパターン電極１３と共通電極１４が対向して配置されている。パターン電極１３及び共通電極１４の内側には、配向膜１５、１６が対向して配置されている。配向膜１５、１６の間には、ホモジニアス配向の液晶層１７が封入されているが、他の種類の液晶層を用いることも可能である。
Ｐ波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズの構成は同じであるが、液晶層１７の配向方向が９０°異なる。これは、Ｐ波用液晶レンズの屈折率分布を変化させた場合、Ｐ波用液晶レンズ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からである。Ｓ波用液晶レンズ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波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズが必要となる。Ｐ波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズは、同じ波形の駆動電圧によって駆動される。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。
液晶レンズ１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部１８が設けられている。また、液晶レンズ１の周縁部は、シール部材１９により封止されている。液晶層１７の厚さは、スペーサ部材２０により一定に保たれている。パターン電極１３の電極取り出し部２１には、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）２２が異方性導電膜を用いて接続されている。電極取り出し部２１の一部は、パターン電極１３から絶縁されており、共通電極１４に接続されている。
特に限定しないが、一例として液晶レンズ１の寸法を示す。ガラス基板１１、１２の一辺の長さは１０ｍｍであるが、数ｍｍから十数ｍｍ程度とすることができる。ただし、パターン電極１３側のガラス基板１１については、パターン電極１３の電極取り出し部２１を被う部分を除いた寸法である。ガラス基板１１、１２の厚さは３００μｍであるが、数百μｍ程度とすることができる。液晶層１７の厚さは２３μｍであるが、十数μｍから数十μｍ程度とすることができる。レンズ部１８の直径は２．４ｍｍであるが、数ｍｍ程度とすることができる。
図４は、パターン電極１３の概略構成を示す正面図である。
図４に示すように、パターン電極１３は、円形状の中心部電極２３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２４が配置されたパターンを有する。中心部電極２３と最も内側の輪帯電極２４の間、及び隣り合う輪帯電極２４の間は絶縁されている。なお、図４に示す輪帯電極２４の個数は、表示上の問題から実際の数と異なる。
中心部電極２３、及び、複数の輪帯電極２４からは、それぞれが絶縁された状態で複数の引き出し電極２５が外側まで伸びている。パターン電極１３の図４に示すパターンは、レンズ部１８（図２参照）に重なるように配置される。
複数の引き出し電極２５のそれぞれに異なる電圧を印加すると、共通電極１４に対する中心部電極２３、各輪帯電極２４のそれぞれの電圧値が異なる状態となり、レンズ部１８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。
特に限定しないが、本実施形態におけるパターン電極１３の各部の寸法を示す。中心部電極２３、輪帯電極２４の総数は２０である。また、中心部電極２３をｎ＝１として、各輪帯電極２４の内側から、ｎ＝２からｎ＝２０とした場合における中心からの中心部電極２３及び各輪帯電極２４の外周までの距離を考える。中心から各電極までの距離をｒ_ｎとした場合に、ｎ＝Ａｒ_ｎ ^２（Ａ：定数）の関係が成り立つように、パターン電極１３を形成する。本実施形態において用いた寸法を以下の表１に示す。また、中心部電極２３、輪帯電極２４の隣り合うもの同士の間にある空間の幅は、３μｍとした。なお、表１に示す寸法及び中心部電極２３、輪帯電極２４の隣り合うもの同士の間にある空間の幅は一例であって、これに限定されるものではない。

次に、液晶レンズ制御部、又は、焦点信号抽出部、合焦点判定部、及び合焦点調整部について説明する。
最初に、本発明に係る自動合焦点装置における焦点信号抽出部及び合焦点判定部におけるオートフォーカスコントローラ５の自動合焦点処理について説明する。
図５（ａ）は自動合焦制御の動作（スキャン方式）を模式的に示す図であり、図５（ｂ）は自動合焦制御の動作（山登り方式）を模式的に示す図である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、縦軸は焦点信号レベルを示し、横軸はレンズレベルを示している。ここで、レンズレベルとは、後述するように、予め決められた所望の焦点距離を得るために、焦点信号抽出部及び合焦点調整部により液晶レンズ１を制御して得られるレンズ状態（焦点距離に対応したレンズ状態）の設定値のことを指す。
スキャン方式の場合、焦点信号抽出部は、図５（ａ）に示す様に、全レンズレベル（０〜８）の焦点信号レベル（ｆ_０〜ｆ_８）を求めてから、合焦点判定部で最も合焦点状態に近いレンズレベル（ここでは、焦点信号レベルが最大値となるもの）を求める。このスキャン方式においては、全レンズレベルにおける焦点信号レベルを求める処理が焦点信号抽出処理に相当し、求めた焦点信号レベルから最も焦点信号レベルが大きくなるレンズレベルを求める処理が合焦点判定処理に相当する。尚、このスキャン方式は、液晶レンズ１における中心部電極２３及び複数個の輪帯電極２４に所定電圧を印加して、液晶分子の動きが安定状態になってから順次焦点信号レベルをサンプリングする方式と、液晶レンズ１における中心部電極２３及び各輪帯電極２４に所定電圧を印加して、液晶分子が安定した状態となるまでの過渡応答動作中に、複数個の焦点信号をサンプリングする方式がある。
山登り方式の場合、図５（ｂ）に示す様に、前回検出した第１のレンズレベル（例えば、レンズレベル０）における焦点信号レベル（ｆ_０）と、今回検出した第１のレンズレベルとは異なる第２のレンズレベル（例えば、レンズレベル１）における焦点信号レベル（ｆ_１）の増減を逐次比較しながら、次の第３のレンズレベル（例えは、レンズレベル２）における焦点信号レベル（ｆ_２）を抽出する。そして、合焦点判定部にて最大値となるレンズレベル（例えば、レンズレベル４）における焦点信号レベル（ｆ_４）を検出したら、この焦点信号抽出部を中止する。この山登り方式おいては、あるレンズレベルでの焦点信号とその前に得た焦点信号の増減を逐次比較しながら次のレンズレベルに設定する繰り返しの処理が焦点信号抽出処理に相当し、前後のレンズレベルよりも現在のレンズレベルでの焦点信号が大きいと判断する処理が合焦点判定処理に相当する。
本実施形態においては、スキャン方式に基づいて以下説明を行う。ここで、上述した液晶レンズ１におけるレンズレベルについて説明する。本実施形態においては、液晶レンズ１の焦点距離に対応するレンズレベルを定義し、レンズレベルを設定することにより、所望の焦点距離を得ることができる。表２に、レンズレベルと焦点距離との関係を示した。なお、表２に示すレンズレベルの段階数及び数値は一例であって、これに限定されるものではない。

尚、本実施形態では、説明の便宜上、液晶レンズ１が凸レンズの状態であるときの焦点距離ｆを正の数値で表し、液晶レンズ１が凹レンズの状態であるときの焦点距離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。
表２に示すように、本実施形態においては、焦点距離２７３ｍｍとなるレンズレベルを”０”として、同様に、焦点距離３６５ｍｍを”１”、焦点距離５４７ｍｍを”２”、焦点距離１０９５ｍｍを”３”、焦点距離∞を”４”、焦点距離−１０９５ｍｍを”５”、焦点距離−５４７ｍｍを”６”、焦点距離−３６５ｍｍを”７”、焦点距離−２７３ｍｍを”８”として定義している。
次に、本発明に係る自動合焦点装置における合焦点調整部について、焦点信号抽出部での中心部電極２３及び各輪帯電極２４への印加電圧と比較しながら説明する。
図６は、本実施形態における液晶への印加電圧とリタデーション値の関係を示す図である。図６の縦軸は液晶レンズ１のリタデーション（ｎｍ）を示し、横軸は実効値電圧（Ｖｒｍｓ）を示している。
中心部電極２３と各輪帯電極２４のそれぞれに異なる電圧を印加することにより、各電極間での屈折率分布が得られる。ここで、図６の”Ｖ１の範囲の”電圧、及び”Ｖ２の範囲”の電圧を印加する場合を考える。図６の”Ｖ１の範囲の”電圧を印加する場合に中心部電極２３や各輪帯電極２４上で得られるリタデーション値は、図６の”Ｒｅ１の範囲”の値となる。また、図６の”Ｖ２の範囲の”電圧を印加する場合に中心部電極２３各輪帯電極２４上で得られるリタデーションは、図６の”Ｒｅ２の範囲”の値となる。それぞれの場合において、中心部電極２３及び各輪帯電極２４におけるリタデーション値の絶対値は異なる。しかし、中心部電極２３に対する各輪帯電極２４でのリタデーション値の差という点では同じにすることできる。リタデーション値の差を同じ状態にすることにより、レンズ部１８においては同じ屈折率分布を得ることができる。”Ｒｅ１の範囲”でも”Ｒｅ２の範囲”でも、屈折率分布が同じであれば、液晶レンズ１の焦点距離は同じとなる。一方、後述するように、”Ｒｅ１の範囲”で得られるレンズ状態よりも、”Ｒｅ２の範囲”で得られるレンズ状態の方が、結像性能が良好であることが分かっている。
本発明に係る自動合焦装置では、図６の”Ｖ１の範囲の”電圧を印加して焦点信号抽出部における処理を行っている。一方、合焦点調整部における処理では、”Ｖ１の範囲の”電圧よりも低い電圧の”Ｖ２の範囲の”電圧を印加して、合焦点判定部で求めたレンズレベルに設定している。
ここで、一例として本実施形態のおけるレンズレベル２（例えば、図５（ａ）参照）の状態にするための印加電圧を説明する。表３は、レンズレベル２における焦点信号抽出部における各電極への印加電圧と合焦点調整処理時における各電極への印加電圧を示している。なお、表３に示す印加電圧値は一例であって、これに限定されるものではない。

表３に示すように、焦点信号抽出部での印加電圧（”Ｖ１の範囲”の電圧）に対して、合焦点調整部での印加電圧（”Ｖ２の範囲”の電圧）の方が低いことが分かる。ここでは一例としてレンズレベル２の場合を示したが、全レンズレベルにおいて焦点信号抽出部での印加電圧（”Ｖ１の範囲”の電圧）よりも合焦点抽出手段での印加電圧（”Ｖ２の範囲”の電圧）の方が低くなっている。
つぎに、本実施形態における焦点信号抽出処理に要する時間について説明する。液晶レンズ１のレンズレベルが変化する際の応答時間について説明する。表４に、２５°Ｃにおいて、”Ｖ１の範囲”の電圧と”Ｖ２の範囲”の電圧におけるレンズレベルを変更した場合の液晶レンズ１が安定するまでの時間の一例を示した。

本実施形態においては、図５（ａ）に示したスキャン方式により焦点信号抽出処理が行われるため、まず、レンズレベル０から焦点信号の抽出処理を開始して、レンズレベル１、２、３、４、５、６、７、８の順に焦点信号を抽出する。すなわち、焦点信号抽出処理には、表４の”計”欄に示す時間が必要となる。表４に示したデータから、”Ｖ２の範囲”の電圧での焦点信号抽出処理では、３秒以上もかかってしまうため、実用的とは言えない。一方、”Ｖ１の範囲”の電圧では、１秒強で焦点信号抽出処理が終了し、実用的なものとなることが分かる。
つぎに、上述した図６における”Ｒｅ１の範囲”の屈折率分布で得られるレンズ状態と、”Ｒｅ２の範囲”の屈折率分布で得られるレンズ状態における結像性能について説明する。
図７は、レンズレベル２となる屈折率分布で得られるレンズ状態におけるＭＴＦを示す図である。ここで、図７（ａ）は、”Ｒｅ１の範囲”の屈折率分布で得られるレンズレベル２の状態におけるＭＴＦを示し、図７（ｂ）は、”Ｒｅ２の範囲”の屈折率分布で得られるレンズレベル２の状態におけるＭＴＦを示す図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、横軸は空間周波数（ｃｙｃｌｅ／ｍｍ：１ｍｍ当たりのラインペア）を示し、縦軸は像面上での光学的コントラスト（ＭＴＦ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示している。なお、図７（ａ）に示す３１及び図７（ｂ）に示す３３は、像高０％におけるＭＴＦであり、図７（ａ）に示す３２及び図７（ｂ）に示す３４は像高４０％におけるＭＴＦである。ここで、像高とは、ＭＴＦを測定するポイントの画角中央から画角端までを１００％とした場合の割合のことを言う。
図７に示すように、像高０％の場合においては、”Ｖ１の範囲”の印加電圧に対応した”Ｒｅ１の範囲”の場合のＭＴＦ３１及び”Ｖ２の範囲”の印加電圧に対応した”Ｒｅ２の範囲”の場合のＭＴＦ３３もほぼ同じである。しかしながら、像高４０％の場合においては、”Ｒｅ１の範囲”の場合のＭＴＦ３２と比べて、”Ｒｅ２の範囲”の場合のＭＴＦ３４が高くなることが分かる。これは、”Ｖ２の範囲”の印加電圧に対応した”Ｒｅ２の範囲”での屈折率分布により得られるレンズ状態の方が、結像性能が優れていることを意味する。
以上のような理由から、本実施形態において、焦点信号抽出処理時には液晶レンズ１に対して”Ｖ１の範囲”の電圧を印加し、合焦点調整処理時には液晶レンズ１に対して”Ｖ２の範囲”の電圧を印加している。
図８は、自動合焦処理のフローの一例を示す図である。
図８に示すフローは、マイクロプロセッサ５１が、予め記憶部５２に記憶されたプログラムに従い、本発明に係る自動合焦装置の各要素と協働しながら実行する。また、以下のフローは、前述したスキャン方式に基づくものである。
最初に、マイクロプロセッサ５１は、Ｎ＝０と設定する（Ｓ１）。
次に、マイクロプロセッサ５１は、レンズレベル０に対応した（”Ｖ１の範囲”の）電圧を、ＬＣレンズドライバ６から中心部電極２３及び各輪帯電極２４（Ｒ１〜Ｒ２０）へ印加するように制御し（Ｓ２）、そのときの焦点信号レベルを撮像素子３から抽出する（Ｓ３）。次に、マイクロプロセッサ５１は、Ｎ＝Ｎ＋１と設定し（Ｓ４）、Ｎが８より大きいか否かの判断を行う（Ｓ５）。このようにして、マイクロプロセッサ５１は、ステップＳ１〜Ｓ５によって、全てのレンズレベル０〜８についての焦点信号レベルを抽出する（焦点信号抽出処理）。例えば、レンズレベル２における、中心部電極２３及び各輪帯電極２４（Ｒ１〜Ｒ２０）へ印加される（”Ｖ１の範囲”の）電圧例は、表３に示されている。なお、レンズレベルの設定数は一例であって、９段階に限定されるものではない。
次に、マイクロプロセッサ５１は、抽出した焦点信号レベルが最大となるレンズレベルを判定する（合焦点判定処理）（Ｓ６）。図５（ａ）の例では、レンズレベル４において、抽出した焦点信号レベルが最大となる。
次に、マイクロプロセッサ５１は、判定レンズレベルに対応した（”Ｖ２の範囲”の）電圧を、ＬＣレンズドライバ６から中心部電極２３及び各輪帯電極２４（Ｒ１〜Ｒ２０）へ印加するように制御して（Ｓ７）、自動合焦動作を終了する。例えば、レンズレベル２における、中心部電極２３及び各輪帯電極２４（Ｒ１〜Ｒ２０）へ印加される（”Ｖ２の範囲”の）電圧例は、表３に示されている。
図９は、図８に示したフローにおいて、各輪帯電極に印加される電圧の変化を示した図である。図９において、縦軸は印加電圧を示し、横軸は各輪帯電極の位置を示している。ここで、Ｒ１は最も内側の輪帯電極を示し、Ｒ２０は最も外側の輪帯電極を示している。図９に示される曲線１００及び１１０は、各輪帯電極（１〜２０）へ印加される電圧をプロットし、各プロットを結んで曲線として示したものである。
図９において、曲線１００は、スキャン方式において最後のレンズレベルを測定した時に、各輪帯に印加された”Ｖ１の範囲”の電圧に相当する（図５（ａ）のレンズレベル８参照）。
また、図９において、曲線１１０は、図８のＳ６で判定された焦点信号レベルが最大となるレンズレベルに対応する”Ｖ２の範囲”の電圧に相当する。例えば、図８のＳ６において、レンズレベル２が焦点信号レベルを最大とすると判定された場合には、表３に示される”Ｖ２の範囲”の電圧に対応する。
即ち、図８のＳ７では、マイクロプロセッサ５１の制御によって、ＬＣレンズドライバ６は、各輪帯電極への印加電圧を、曲線１００に示す状態から曲線１１０に示す状態に変更することとなる（矢印Ａ参照）。
ところで、全てのレンズレベルを求めるための各輪帯電極に印加される”Ｖ１の範囲”の電圧及び”Ｖ２の範囲”の電圧は、予め記憶部５２に記憶されているものとする。例えば、レンズレベルが９段階の場合（レンズレベル０〜８）、各輪帯電極（例えば、１〜２０）について９×２＝１８通りの印加電圧が記憶されていることとなる。
以上のように、焦点信号抽出処理では、液晶の動作速度が速い（”Ｖ１の範囲”の）電圧を利用し、合焦点判定処理で焦点信号最大となるレンズレベルを判定した後は、結像性能を損なわない（”Ｖ２の範囲”の）電圧を利用している。したがって、本実施形態では、合焦時の結像性能を損なわずに、かつ、高速に自動合焦処理を行うことができる。
図１０は、自動合焦処理のフローの他の例を示す図である。
図１０に示すフローは、マイクロプロセッサ５１が、予め記憶部５２に記憶されたプログラムに従い、本発明に係る自動合焦装置の各要素と協働しながら実行する。また、以下のフローは、前述したスキャン方式に基づくものである。
図８に示す処理フローでは、スキャン方式において最後のレンズレベルを測定した時の”Ｖ１の範囲”の電圧（図９の曲線１００）から、図８のＳ６で判定された焦点信号レベルが最大となるレンズレベルに対応する”Ｖ２の範囲”の電圧（図９の曲線１１０）に変更する。しかしながら、図８のＳ６で判定された焦点信号レベルが最大となるレンズレベルに対応する”Ｖ２の範囲”の電圧（図９の曲線１１０）が印加されても、液晶分子はすぐに印加電圧に対応した安定した状態に変化することができない。したがって、タイムラグが生じる。そこで、図１０の処理フローでは、タイムラグを減少させるために、判定された焦点信号レベルが最大となるレンズレベルに対応する”Ｖ２の範囲”の電圧（図９の曲線１１０）を印加する前に、切替電圧を印加するように構成した。
図１０において、図８と同じステップには同じ番号を付して説明を省略する。即ち、図１０の処理フローでは、図８のＳ６とＳ７との間に、新たにＳ１０を設けた点のみが新しい。
図１１は、図１０に示したフローにおいて、各輪帯電極に印加される電圧の変化を示した図である。図１１において、縦軸は印加電圧を示し、横軸は各輪帯電極の位置を示している。ここで、Ｒ１は最も内側の輪帯電極を示し、Ｒ２０は最も外側の輪帯電極を示している。図１１に示される曲線１００、１１０及び１２０は、各輪帯電極（１〜２０）へ印加される電圧をプロットし、各プロットを結んで曲線として示したものである。
図１１において、曲線１００及び１１０は、図９に示したものと同様である。また、図１１において、曲線１２０は、図１０のＳ１０で印加される切替電圧である。
曲線１２０として示された切替電圧は、過渡応答動作の原理を応用したものであって、目標電圧（曲線１１０）よりも電位差の大きい電圧を一旦印加し、液晶分子がより早く目標電圧（曲線１１０）に対応した安定した状態に変化するように促す役目を果たす。
図１０のＳ１０では、マイクロプロセッサ５１の制御によって、ＬＣレンズドライバ６は、各輪帯電極への印加電圧を、一旦曲線１００に示す状態から曲線１２０に示す状態に変更する（矢印Ｂ参照）。即ち、オートフォーカスコントローラ５及び液晶レンズドライバ６が、切替電圧印加部として機能することとなる。
次に、図１０のＳ７では、マイクロプロセッサ５１の制御によって、ＬＣレンズドライバ６は、各輪帯電極への印加電圧を、曲線１２０に示す状態から曲線１１０に示す状態に変更する（矢印Ｃ参照）。
このように、図１０に示す処理フローでは、開始電圧（曲線１００）に対して、目標電圧（曲線１１０）より電位差が大きい切替電圧（曲線１２０）を印加後、目標電圧（１１０）を印加するように構成したので、液晶分子が印加電圧に対応した安定した状態に変化するまでのタイムラグを減少させることが可能となった。
なお、切替電圧（曲線１２０）は、切替電圧（曲線１２０）から目標電圧（曲線１１０）へ切替えた場合に、全ての輪帯電極（例えば１〜２０）がほぼ同様にタイムラグを減少させられるように設定された値であるので、開始電圧（曲線１００）と目標電圧（曲線１１０）の組み合わせの個数だけ予め用意されていることが好ましい。
例えば、レンズレベルが９段階の場合（レンズレベル０〜８）、スキャン方式であれば、開始電圧（曲線１００）は１通り、目標電圧（曲線１１０）は９通りであるので、１×９＝９通りの切替電圧（曲線１２０）を予め用意して、記憶部５１に記憶させておく必要がある。また、山登り方式であれば、開始電圧（曲線１００）は９通り、目標電圧（曲線１１０）は９通りであるので、９×９＝８１通りの切替電圧（曲線１２０）を予め用意して、記憶部５１に記憶させておく必要がある。
ところで、切替電圧としてＧＮＤ電圧を利用することも可能である。しかしながら、ＧＮＤ電圧を利用すると、目標電圧に切り替えた場合に、液晶分子が目標電圧に対応した状態で安定するまでの時間が輪帯電極毎に異なってしまう。そこで、輪帯電極毎に切替電圧から目標電圧に切替えるタイミングをずらせるようにして、液晶分子が目標電圧に対応した状態で安定するまでの時間を短くすることもできる。
図１２は、上記のように調整した場合における各輪帯電極に印加される電圧の変化を示した図である。図１２において、縦軸は印加電圧を示し、横軸は各輪帯電極の位置を示している。ここで、Ｒ１は最も内側の輪帯電極を示し、Ｒ２０は最も外側の輪帯電極を示している。図１２に示される曲線１００、１１０及び１３０（切替電圧として利用されるＧＮＤ電圧）は、各輪帯電極（１〜２０）へ印加される電圧をプロットし、各プロットを結んで曲線（又は直線）として示したものである。
即ち、図１２に示す様に、Ｒ１（最も内側の輪帯電極）についてのＧＮＤ電圧から目標電圧に切替タイミング（矢印Ｄ参照）と、Ｒ２０（最も外側の輪帯電極）についてのＧＮＤ電圧から目標電圧に切替タイミング（矢印Ｅ参照）とを異ならせるように制御する。
図１３は、本発明に係る他の自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す自動合焦点装置との相違点は、温度センサ７を有している点のみである。他の構成は図１に示す自動合焦点装置と同様であるので、説明を省略する。
温度センサ７は、液晶レンズ１近傍の温度を検出し、検出信号をマイクロプロセッサ５１へ送信する。したがって、マイクロプロセッサ５１では、液晶レンズ１近傍の温度を判別することが可能となる。
図１４は、図１３に示す自動合焦点装置における自動合焦処理のフローの一例を示す図である。
図１４に示すフローは、マイクロプロセッサ５１が、予め記憶部５２に記憶されたプログラムに従い、本発明に係る自動合焦点装置の各要素と協働しながら実行する。また、以下のフローは、前述したスキャン方式に基づくものである。
図１４に示す処理フローと図１０に示す前述した処理フローとの相違点は、全てのレンズレベルにおける焦点信号レベルを取得する前に、液晶レンズ１の近傍の温度検出を行い、温度情報を取得する点のみである。
ただし、Ｓ２で印加する焦点信号レベルの抽出時に印加する”Ｖ１の範囲”の電圧、Ｓ１０で印加する切替電圧、及びＳ７で印加する判定レンズレベルに対応した”Ｖ２の範囲”の電圧は、全てＳ１１で取得した温度に対応したものが採用される。具体的には、−２０℃から６０℃までの範囲内で５℃単位毎に温度に対応した各輪帯電極（１〜２０）への電圧を予め記憶部５２へ記憶させておく。
図１４に示す自動合焦点装置では、液晶層の屈折率は温度依存性があり、また液晶分子が印加電圧に対応した安定状態になるまでの時間も温度依存性があるので、液晶レンズ１近傍の温度を検出し、環境温度に応じて液晶層への印加電圧を調整している。
図１５は、図１４に示したフローにおいて、各輪帯電極に印加される電圧の変化を示した図である。図１４において、縦軸は印加電圧を示し、横軸は各輪帯電極の位置を示している。ここで、Ｒ１は最も内側の輪帯電極を示し、Ｒ２０は最も外側の輪帯電極を示している。図１５に示される曲線は、各輪帯電極（１〜２０）へ印加される電圧をプロットし、各プロットを結んで曲線として示したものである。
図１５において、曲線１００は２５℃における開始電圧（スキャン方式によって最後のレンズレベルに対応した焦点信号レベルを測定した時に印加された”Ｖ１の範囲”の電圧）であり、曲線１０１は−２０℃における開始電圧である。同様に、曲線１１０は２５℃における目標電圧（判定レンズレベルに対応した”Ｖ２の範囲”の電圧）であり、曲線１１１は−２０℃における目標電圧である。さらに、曲線１２０は曲線１００及び１１０に対応した切替電圧であり、曲線１２１は曲線１０１及び１１１に対応した切替電圧である。なおここでは、−２０℃での応答速度が２５℃の応答速度に比べて遅いために、−２０℃での切替電圧を、２５℃での切替電圧より低くすることで、この応答速度の遅れを改善している。
図１４及び図１５に示す場合であっても、マイクロプロセッサ５１の制御によって、ＬＣレンズドライバ６は、各輪帯電極への印加電圧を、一旦開始電圧から切替電圧に変更した後に、切替電圧から目標電圧に変更する。このように、図１４に示す処理フローでも、開始電圧に対して、目標電圧より電位差が大きい切替電圧を印加後、目標電圧を印加するように構成したので、液晶分子が印加電圧に対応した安定した状態に変化するまでのタイムラグを減少させることが可能となった。
例えば、レンズレベルが９段階（レンズレベル０〜８）で温度レベルが１７段階（−２０℃〜６０℃の範囲で５℃単位）の場合、スキャン方式であれば、開始電圧（曲線１００等）は１×１７＝１７通り、目標電圧（曲線１１０等）は９×１７＝１５３通り、切替電圧（曲線１２０等）は１７×１５３＝２６０１通りを予め用意して、記憶部５１に記憶させておく必要がある。また、山登り方式であれば、開始電圧（曲線１００等）は９×１７＝１５３通り、目標電圧（曲線１１０等）は９×１７＝１５３通り、切替電圧（曲線１２０等）は１５３×１５３＝２３４０９通りを予め用意して、記憶部５１に記憶させておく必要がある。
図１及び１３に示した自動合焦点装置においては、液晶レンズ１と別体のオートフォーカスコントローラ５及び液晶レンズドライバ６が、焦点信号抽出部、合焦点判定部、合焦点調整部、及び／又は切替電圧印加部として機能した。しかしながら、液晶レンズドライバ６にＲＯＭ等の記憶部を保持させ、液晶レンズドライバ６のみを焦点信号抽出部、合焦点判定部、合焦点調整部、及び／又は切替電圧印加部として機能させるようにしても良い。また、その場合に、液晶レンズ１と液晶レンズドライバ６を一体的に構成した光学素子とし、光学素子とは別体の撮像素子３からの画像信号が直接液晶レンズドライバ６へ入力されるように構成しても良い。
図１及び１３に示した自動合焦点装置においては、液晶レンズ１と協働する光学レンズ２を設けたが、光学レンズ２は必須な構成ではなく、状況に応じて省略することも可能である。
本発明に係る自動合焦点装置は、オートフォーカス機能を有する装置に有用であり、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。

Claims (16)

1. 屈折率分布を形成する液晶レンズと、
   前記液晶レンズを通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換部と、
   前記液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ、前記画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出する焦点信号抽出部と、
   抽出された前記複数の焦点信号から合焦点に対応した焦点信号を判定する合焦点判定部と、
   前記合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ、前記合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために前記液晶レンズに印加された前記第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を、前記液晶レンズに印加して合焦点の調整を行う合焦点調整部と、
   を有することを特徴とする自動合焦点装置。
2. 前記第１の範囲の電圧と、前記第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した前記第２の電圧とを、対応させて記憶する記憶部を、更に有する請求項１に記載の自動合焦点装置。
3. 前記第１の範囲の電圧は、予め設定された焦点距離毎に用意された複数の電圧を含む、請求項１に記載の自動合焦点装置。
4. 前記焦点信号抽出部は、予め設定された焦点距離の全てにおける前記焦点信号を求める、請求項３に記載の自動合焦点装置。
5. 前記焦点信号抽出部は、前回検出した第１の焦点距離における焦点信号と、今回検出した第２の焦点距離における焦点信号の増減を逐次比較しながら、次の第３の焦点距離における焦点信号を抽出し、前記合焦点判定部にて合焦点に対応した焦点信号が判定されたら、前記焦点信号の抽出を中止する、請求項３に記載の自動合焦点装置。
6. 前記第２の電圧を印加する前に、前記液晶レンズに、前記第１の範囲の電圧に対して、前記第２の電圧よりも電位差の大きい切替電圧を印加する切替電圧印加部を、更に有する請求項１に記載の自動合焦点装置。
7. 前記記憶部は、前記第１の範囲の電圧と、前記第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した前記第２の電圧と、前記第１の範囲の電圧と前記第２の電圧にそれぞれ対応した切替電圧を、対応させて記憶する、請求項６に記載の自動合焦点装置。
8. 前記液晶レンズの近傍の温度を検出するための温度検出部を更に有する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
9. 前記焦点信号抽出部は、前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ、前記画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出し、
   前記合焦点調整部は、前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ、前記合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために前記液晶レンズに印加された前記第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を前記液晶レンズに印加する、
   請求項８に記載の自動合焦点装置。
10. 前記記憶部は、前記第１の範囲の電圧と、前記第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した前記第２の電圧とを、温度毎にそれぞれ対応させて記憶する、請求項９に記載の自動合焦点装置。
11. 前記液晶レンズの近傍の温度を検出するための温度検出部を更に有する、請求項６に記載の自動合焦点装置。
12. 前記焦点信号抽出部は、前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ、前記画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出し、
    前記合焦点調整部は、前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ、前記合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために前記液晶レンズに印加された前記第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を前記液晶レンズに印加し、
    前記切替電圧印加部は、前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第２の電圧を印加する前に、前記液晶レンズに、前記第１の範囲の電圧に対して、前記第２の電圧よりも電位差の大きい切替電圧を印加する、
    請求項１１に記載の自動合焦点装置。
13. 前記記憶部は、前記第１の範囲の電圧と、前記第１の範囲の電圧のそれぞれに対応した前記第２の電圧と、前記第１の範囲の電圧と前記第２の電圧にそれぞれ対応した切替電圧を、温度毎に対応させて記憶する、請求項１２に記載の自動合焦点装置。
14. 前記液晶レンズは、複数の輪帯及び液晶層を有する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
15. 前記液晶レンズと協働する光学レンズを、更に有する請求項１に記載の自動合焦点装置。
16. 屈折率分布を形成する液晶レンズと、
    前記液晶レンズに第１の範囲の電圧を印加して屈折率分布を変化させ、前記液晶レンズを通して結像する光学像を電気信号に変換した画像信号に基づいて複数の焦点信号を抽出する焦点信号抽出部と、
    抽出された前記複数の焦点信号から合焦点に対応した焦点信号を判定する合焦点判定部と、
    前記合焦点判定部により判定された焦点信号に対応する屈折率分布を得ることができ、前記合焦点判定部により判定された焦点信号を得るために前記液晶レンズに印加された前記第１の範囲の電圧よりも小さな第２の電圧を、前記液晶レンズに印加して合焦点の調整を行う合焦点調整部と、
    を有することを特徴とする光学素子。

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