JP5973536B2 - 液晶レンズ結像装置および液晶レンズ結像方法 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ結像技術分野に係り、具体的に液晶レンズ結像装置および液晶レンズ結像方法に係る。

液晶材料の異方性により、液晶デバイスは、通常偏光にしか対応しない。液晶レンズが結像デバイスに用いられる場合、例えば偏光子などのポラライザの併設が必要となり、入射光を線偏光状態にする。しかし、偏光子の使用により、光の強度が初期強度値の半分以下まで低下する。すると、暗い環境では、画像センサに達する光の量が不足し、信号対雑音比の低下が起こり、結像の品質が低下することがある。

結像システムにおいて、液晶層の初期配向が互いに垂直な複数の液晶レンズを積層して液晶レンズに形成するか、初期配向が互いに垂直な複数の液晶層の積層を含む液晶レンズを設計することにより、偏光子の使用が避けられる。各液晶レンズ又は各液晶層において、それぞれ２つの偏光成分の処理をして、任意の偏光状態環境に対応できる。しかし、このような解決案には、以下の問題が存在する。
（１）複数液晶レンズの積層または複数液晶層の積層により、液晶レンズまたは液晶層の数が増えるため、液晶レンズの生産コストが大幅に増加する。
（２）液晶レンズ又は液晶層の数が増えるため、デバイスの厚さも大幅に増加し、液晶レンズ結像装置の移動デバイスへの搭載が難しくなる。
（３）各液晶レンズまたは各液晶層のシステムにおける位置が異なるため、偏光の２つの成分の伝達行動が完全一致ではなく、システムの結像品質が低下する。

したがって、如何に、偏光子なしに直接液晶レンズにより結像できる問題を解決すると同時にレンズ構造の厚さを減らすことは、解決が急がれる技術問題となっている。

本発明は、上記問題のうちの少なくとも１つに基づいて、新しい液晶レンズ結像装置を提案する。当該液晶レンズ結像装置は、偏光装置の使用がなく、しかも複数液晶レンズ（層）積層方式の採用による結像装置の厚さ増加もない。

本発明は、液晶レンズ結像装置を提案する。当該液晶レンズ結像装置は、少なくとも１つの液晶レンズと、前記液晶レンズに接続し、第１時刻で前記液晶レンズを非レンズ状態にし、第２時刻で前記液晶レンズをレンズ状態にする駆動回路と、第１時刻で前記液晶レンズを透過する第１光信号を採集し、前記第１光信号に基づいて第１画像信号を生成し、第２時刻で前記液晶レンズを透過する第２光信号を採集し、前記第２光信号に基づいて第２画像信号を生成する少なくとも１つの画像採集手段と、前記画像採集手段に接続し、前記第１画像信号と前記第２画像信号を受信し、前記第１画像信号と前記第２画像信号を処理し、処理して得た画像信号を最終結像の画像信号とする画像処理手段とを含む。

上記実施形態において、複数の液晶レンズを積層することはなく（１つの液晶レンズのみで）高品質の画像が得られるため、液晶レンズ結像構造の厚さが減らされる。本発明による液晶レンズ結像装置は、偏光子なしに、高品質の結像画像を取得できるのみならず、液晶レンズ結像装置の厚さを減らすこともできる。

上記技術案において、前記画像処理手段は、前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号を前記第２画像信号から除去して、前記最終結像の画像信号を得る計算手段を含むことが好ましく、前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像は、前記第１画像信号に基づいて得られる。

液晶レンズが一偏光方向上の光成分のみについて変調作用を果たすため、第２時刻で取得する画像信号には、変調されない光信号（すなわち変調される偏光方向に垂直な偏光方向上の光成分）により生成される画像信号を含み、当該画像信号により結像品質に影響を及ぶ。したがって、当該変調されない光信号を第２時刻で取得する光信号全体から除去する必要がある。当該変調されない光信号は、第１時刻で取得する光信号に基づいて得られる。

上記いずれか１つの技術案において、前記計算手段は、下記式に基づいて前記最終結像の画像信号を確定することが好ましい。
Ｉ_３＝Ｉ_２−α・Ｉ_１
ここで、Ｉ_３：前記最終結像の画像信号；Ｉ_１：前記第１画像信号；Ｉ_２：前記第２画像信号；α：偏光状態異方性因子であり、前記液晶レンズに変調されない偏光成分の入射光における割合を表す；α・Ｉ_１：前記液晶レンズに変調されない光信号に基づいて生成する画像信号。

得られた画像信号は、１つの液晶レンズのみに関係し、かつ迷光信号が単に一成分上の光信号であるため、α因子の確定は、入射光の偏光状態の相違のみに関係する。光信号をｘ方向上の成分とｙ方向上の成分に分け、入射光の各方向での成分状況に応じて当該α因子を確定することができる。したがって、入射光の偏光状態の相違をリアルタイムに検出し、それから現在の適切なα因子を確定することができる。

上記いずれか１つの技術案において、前記画像処理手段は、所定値の範囲内で、第１所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する最終結像画像に対応する偏光状態異方性因子を前記液晶レンズ結像装置の偏光状態異方性因子とする第１異方性因子確定手段をさらに含むことが好ましい。

別の実施形態では、入射光の偏光状態の相違を検出する必要がなく、直接各α因子の値を入力し、それから各α因子に対する画像信号を出力し、各画像信号を比較することによって画像品質が最も優れる画像信号に対応するα因子を取得し、当該α因子がラフに得た正確なα因子である。第１所定間隔が小さければ小さいほど、確定したα因子の値が正確になる。当該過程をα因子の検索過程と称し、初回検索（ラフ検索）の際に、第１所定間隔を大きめにすることによって、適切なα因子の値の範囲を快速に確定することができる。

上記いずれか１つの技術案において、前記画像処理手段は、前記第１偏光状態異方性因子確定手段が前記第１所定間隔で偏光状態異方性因子を選択したとき、選択した偏光状態異方性因子の前後シフト所定値の範囲内で、前記第１所定間隔より小さい第２所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する最終結像画像に対応する偏光状態異方性因子を前記液晶レンズ結像装置の偏光状態異方性因子とする第２異方性因子確定手段をさらに含むことが好ましい。当該品質特徴判定は、画像品質の優劣の評価に用いられる。例えば、正規化分散により画像品質を評価し、主に画像のコントラストと輝度を評価するが、それらに限らず、画像のほかの要素、例えば信号対雑音比なども考慮すること必要がある。

ラフ検索の後に、精確な検索（第２回の検索）をする。第１回検索後に確定したα因子の値を基準として、その前後の所定範囲内で検索する。今回の検索に用いられる第２所定間隔を、第１回検索に用いられる第１所定間隔より僅かに小さくすることによって、より正確なα因子の値を確定する。

上記いずれか１つの技術案において、前記所定値の範囲は、０以上１以下であることが好ましい

上記いずれか１つの技術案において、前記液晶レンズに入射する入射光が自然光である場合、前記偏光状態異方性因子αの値が１／２であることが好ましい。

上記いずれか１つの技術案において、前記液晶レンズに入射する入射光のｘ偏光方向の光強度とｙ偏光方向の光強度との比率が３：７である場合、前記画像処理手段は、前記スケーリング因子αが０．７であるときに前記最終結像の品質が最も優れることを算出する。

上記いずれか１つの技術案において、前記第１時刻と前記第２時刻との間隔は、所定時間より小さいことが好ましい。第１時刻の入射光と第２時刻の入射光との相違が非常に小さいことを保証するために、第１時刻と第２時刻との間隔時間の長さが短ければ短いほどいい。

上記いずれか１つの技術案において、前記画像処理手段は、さらに前記駆動回路に接続し、前記最終結像画像の画像特徴に基づいて前記駆動回路に制御信号を送信し、前記液晶レンズに入力される電圧が前記駆動回路によって前記制御信号に基づいて調節されることが好ましい。

高い品質特徴判定の画像をさらに取得するために、画像プロセッサは、さらに最終的に取得した画像の分析をし、分析結果に基づいて、液晶レンズへの入力電圧を調節して、より優れた効果の画像を取得することができる。

上記いずれか１つの技術案において、前記液晶レンズは、液晶マイクロレンズアレイからなり、前記液晶マイクロレンズアレイにおける全マイクロレンズの配向層の摩擦方向が互いに平行することが好ましい。

上記いずれか１つの技術案において、好ましく、前記第２時刻で前記液晶レンズをレンズ状態にすることは、前記駆動回路の出力電圧を調節して、前記液晶レンズの透過後に形成する画像の品質特徴判定が最大値となるときの状態にすることである。

本発明の別の態様によれば、さらに液晶レンズ結像方法を提供する。この方法は、第１時刻で液晶レンズを非レンズ状態にし、前記第１時刻で前記液晶レンズを透過する第１光信号を採集し、前記第１光信号に基づいて第１画像信号を生成することと、第２時刻で前記液晶レンズをレンズ状態にし、第２時刻で前記液晶レンズを透過する第２光信号を採集し、前記第２光信号に基づいて第２画像信号を生成することと、前記第１画像信号と前記第２画像信号を処理し、処理して得た画像信号を最終結像の画像信号とすることを含む。

本発明による液晶レンズ結像方法は、偏光子なしに、高品質の結像画像を取得できるのみならず、液晶レンズ結像装置の厚さを減らすこともできる。

上記いずれか１つの技術案において、前記第１画像信号と前記第２画像信号を処理することは、具体的に、前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号を前記第２画像信号から除去して、前記最終結像の画像信号を得ることを含むことが好ましく、前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像は、前記第１画像信号に基づいて得られる。

液晶レンズが一偏光方向上の光成分のみについて変調作用を果たすため、第２時刻で取得する画像信号には、変調されない光信号（すなわち変調される偏光方向に垂直な偏光方向上の光成分）により生成される画像信号を含み、当該画像信号により結像品質に影響を及ぶ。したがって、当該変調されない光信号を第２時刻で取得する光信号全体から除去する必要がある。当該変調されない光信号は、第１時刻で取得する光信号に基づいて得られる。

上記いずれか１つの技術案において、下記式に基づいて前記最終結像の画像信号を確定することが好ましい。
Ｉ_３＝Ｉ_２−α・Ｉ_１
ここで、Ｉ_３：前記最終結像の画像信号；Ｉ_１：前記第１画像信号；Ｉ_２：前記第２画像信号；α：偏光状態異方性因子であり、前記液晶レンズに変調されない偏光成分の入射光における割合を表す；α・Ｉ_１：前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号。

取得する画像信号は、１つの液晶レンズのみに関係し、かつ迷光信号が単に一成分上の光信号であるため、α因子の確定は、入射光の偏光状態の相違のみに関係する。光信号をｘ方向上の成分とｙ方向上の成分に分け、入射光の各方向での成分状況に応じて当該α因子を確定することができる。したがって、入射光の偏光状態の相違をリアルタイムに検出し、それから現在の適切なα因子を確定することができる。

上記いずれか１つの技術案において、前記偏光状態異方性因子を確定する方法は、所定値の範囲内で、第１所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する画像に対応する異方性因子を前記液晶レンズ結像装置の偏光状態異方性因子とすることを含むことが好ましい。

別の実施形態では、入射光の偏光状態の相違を検出する必要がなく、直接各α因子の値を入力し、それから各α因子に対する画像信号を出力し、各画像信号を比較することによって画像品質が最も優れる画像信号に対応するα因子を取得し、当該α因子がラフに得た正確なα因子である。第１所定間隔が小さければ小さいほど、確定したα因子の値が正確になる。当該過程をα因子の検索過程と称し、初回検索（ラフ検索）の際に、第１所定間隔を大きめにすることによって、適切なα因子の値を快速に確定することができる。

上記いずれか１つの技術案において、前記偏光状態異方性因子を確定する方法は、前記第１所定間隔で偏光状態異方性因子を選択したとき、選択した偏光状態異方性因子の前後シフト所定値の範囲内で、前記第１所定間隔より小さい第２所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する最終結像画像に対応する偏光状態異方性因子を最終の偏光状態異方性因子とすることを含むことが好ましい。当該品質特徴判定は、画像品質の優劣の評価に用いられる。例えば、正規化分散により画像品質を評価し、主に画像のコントラストと輝度を評価するが、それらに限らず、画像のほかの要素、例えば信号対雑音比なども考慮すること必要がある。

ラフ検索の後に、精確な検索（第２回の検索）をすることができる。第１回検索後に確定したα因子の値を基準として、その前後の所定範囲内で検索する。今回の検索に用いられる第２所定間隔を、第１回の検索に用いられる第１所定間隔より僅かに小さくすることによって、より正確なα因子の値を確定する。

本発明の液晶レンズ結像装置は、偏光装置の増設がなく、入射光の強度がそのまま維持されるため、暗い環境で撮影した画像の細部がより豊かであり、単一の液晶レンズにより鮮明に結像でき、液晶レンズ構造の厚さが減少する。

本発明による一実施例の液晶レンズ結像装置の模式図である。 本発明による一実施例で画像品質特徴判定がα因子から影響を受ける模式図である。 本発明による実施例で液晶レンズ結像装置が第１時刻で取得する画像のスクリーンショットである。 本発明による実施例で液晶レンズ結像装置が第２時刻で取得する画像のスクリーンショットである。 本発明による実施例で液晶レンズ結像装置の画像処理を経て生成する画像のスクリーンショットである。 本発明による実施例の液晶レンズ結像方法のフロー図である。

本発明の上記目的、特徴及び利点をより明確に理解するために、以下、図面と具体的な実施形態と結び付けて本発明についてさらに詳細な記載をする。なお、抵触がない限り、本願の実施例及び実施例における特徴は、互いに組み合わせることができる。

以下の記載では、多くの具体的な細部を記述して本発明をより充分に理解するが、本発明は、ここでの記載とは異なるほかの方式により実施することもできる。したがって、本発明は、以下に開示する具体的な実施例によって限定されない。

図１は、本発明による一実施例の液晶レンズ結像装置の模式図である。

図１に示すように、本発明による液晶レンズ結像装置は、主に液晶レンズ１３０と、画像センサ（画像採集手段）１４０と、画像プロセッサ１５０と、駆動回路１２０とを含む。最初の入射光Ｌは、液晶レンズ１３０に入射する。画像センサ１４０は、液晶レンズ１３０を透過する光信号を採集し、当該光信号に基づいて画像信号を生成し、生成した画像信号を画像プロセッサ１５０に伝送する。画像プロセッサ１５０は、画像信号の分析をし、最終結像の画像信号を生成するが、さらに画像構造の分析をして、駆動回路１２０に制御信号を出力する。駆動回路１２０は、画像プロセッサ１５０の制御信号に基づいて、全液晶レンズに印加する電圧を調節する。液晶レンズは、駆動回路１２０の電圧を受信すると、液晶分子が偏向して、入射光に対して変調作用を果たす。画像プロセッサ１５０は、プログラマブルロジックコントローラであってもいい。

液晶レンズのほかに、他の光学デバイス（たとえばガラスまたはプラスチック光学レンズ）がある。これらの光学デバイスは、従来技術であるため、ここでは繰り返して説明しない。

本実施例では、状態１（第１時刻）で駆動回路１２０により液晶レンズ１３０を非レンズ状態にする。当該液晶レンズ１３０は、ガラスのように、入射光の変調作用を果たさない。このとき、液晶レンズ１３０を透過する光信号はＳ_１である。画像センサ１４０は、光信号Ｓ_１を採集して画像信号Ｉ_１を生成する。状態２（第２時刻）で駆動回路１２０により液晶レンズ１３０をレンズ状態にする。このとき、液晶レンズ１３０を透過する光信号はＳ_２である。画像センサ１４０は、光信号Ｓ_２を採集して画像信号Ｉ_２を生成する。画像プロセッサ１５０は、２つの状態における画像信号を受信し、当該２つの状態における画像信号を処理して最終的な画像信号Ｉ_３を生成する。

本実施例の液晶レンズ結像装置は、ポラライザが用いられていないため、最初の入射光の強度が維持される。同等条件下の画像プロセッサについて、ポラライザを使用しない設計により、光の照射が弱い撮影環境においてより多くの細部を識別できる。また、初期配向が互いに垂直な複数液晶レンズ積層で構成する光学結像システムに比較し、本発明による液晶レンズ結像装置は、より軽くて薄く作製でき、携帯電話、タブレットパソコンなどのモバイルデバイスにより適合できる。

通常、ポラライザを使用しないため、液晶レンズ透過後の光波には、必要の（液晶レンズによって集束又は発散される）偏光成分のほかに、不要の（液晶レンズによる集束又は発散のない）偏光成分も紛れ込んでおり、後者によって最終結像の品質特徴判定が低下する。この難題を解決するために、本発明により提案する液晶レンズ結像装置は、非レンズ状態とレンズ状態の２つの状態での対応する光信号Ｓ_１、Ｓ_２により生成する画像Ｉ_１、Ｉ_２を記録し、当該２枚の画像Ｉ_１、Ｉ_２について特別な画像処理（この部分の作業が画像プロセッサによって行なわれる）をすることによって、不要の光信号による影響を効果的に除去し、高い品質特徴判定の画像Ｉ_３を復元する。

以下、本発明によるポラライザのない液晶レンズ結像装置の稼働原理を詳細に説明する。

第１状態（非レンズ状態）において、駆動回路１２０は、液晶レンズに駆動電圧を印加せず、または、印加した駆動電圧により液晶レンズの焦点距離を無限大にする。このように、液晶レンズは、入射光Ｌに対して変調作用がなく、このとき液晶レンズ透過後の光信号Ｓ_１は、次のように示される。


ここで、ｘ、ｙは、光波の２つの互いに垂直な偏光方向を示す。これにより、光信号Ｓ_１は、当該２つの方向上の成分

に分解できる。なお、本発明の液晶レンズにポラライザ（例えば偏光子）がないため、入射光のｘ成分とｙ成分が維持されて液晶レンズを透過する。

第２の状態（レンズ状態）において、駆動回路１２０は、液晶レンズに駆動電圧を印加して、液晶レンズにより変調される偏光により生成した像を画像プロセッサに位置させる。このように、液晶レンズは、入射光Ｌの一偏光方向に対して集束又は発散の変調作用を果たす。この方向を通常のようにｘ方向と仮定すると、液晶レンズは、ｘ方向に垂直なｙ方向の成分に対して変調作用を果たさない。このとき、液晶レンズ透過後の光信号Ｓ_２は、次のように示される。

ここで、

は、液晶レンズにより変調された後の入射光のｘ成分であり、液晶レンズによる変調のないｙ成分

は、画像の品質特徴判定を低下させる。

液晶レンズの電圧に対する反応速度が充分に速い場合、第１状態と第２状態の時間間隔を充分に短くすることができる。なるべく第１時刻と第２時刻の間隔時間が所定時間より小さくなるようにコントロールする。当該所定時間内に、撮影する場面に明らかな変化（光の強度の変化、場面における物体の変位、結像装置の移動などの変化要素）がない。このように、当該２つの状態下の入射光Ｌに変化がなく、または無視できるほどの僅かな変化しか起こっていないと合理的に仮定できる。また、当該２つの状態において液晶レンズがｙ方向の光成分に対して変調作用を果たさないため、次の式が成立する。

最後に、光信号Ｓ_１とＳ_２について以下の信号処理をする。αは、スケーリング因子であり、入射光におけるｙ成分（第２状態で液晶レンズによる変調のない光成分）の割合を示す。

（３）と（４）から、下記式（５）が得られる。

次の仮定をすると、

式（５）は、式（７）に簡略化できる。

ここで、

は、液晶レンズによる変調後の必要光信号であり、Δは、さらに除去されるべき干渉信号である。式（７）によれば、画像プロセッサにより処理して得た最終の画像信号は、一方向上の集束光または発散光のみに関係することが分かる。

入射光Ｌが自然光であり、すなわち入射光波が等方性を有するとき、干渉信号Δを除去するために、次のように導くことができる。

すなわち、入射光が自然光である場合、スケーリング因子α＝０．５を設定することにより、式（４）の信号処理により、光信号Ｓ_１、Ｓ_２から必要の光信号

を効果的に復元することができる。α＝０．５のとき、このとき最終結像画像の品質特徴判定が最も高く、最適な画像効果を取得する。

前後２つの状態の時間間隔が非常に短いため、画像プロセッサに入射する光信号の強度は、ほとんど変化がなく、ゆえにＳ_１とＳ_２がほぼ同一であり、ほぼ画像プロセッサの光強度応答カーブの同一区間内に位置する。したがって、感応して生成した画像信号Ｉ_１、Ｉ_２は、光信号Ｓ_１、Ｓ_２と同一の信号特性を有する。したがって、実際の操作において、第１と第２状態で取得した画像Ｉ_１、Ｉ_２について式（９）の画像処理をすることによって、Ｉ_２に紛れ込んだ不要の画像信号を除去して、高い品質特徴判定を有する画像Ｉ_３を復元することができる。

入射光が異方性の特徴を有し、すなわちｘ成分とｙ成分が等しくないとき、α＝０．５が適切ではなくなる。如何に適切なα値を選択するかは、高い品質の画像を復元するポイントとなる。本実施例では、処理後の画像Ｉ_３の品質特徴に基づいて適切な偏光状態異方性因子αを判断して最終的に高い品質の画像を生成する方法をさらに開示している。

偏光状態異方性因子αの範囲は、０以上１以下である。式（９）で各異方性因子αの値を入力し、それから各異方性因子αの場合の画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最も高い異方性因子αの値を選択して、最終的に確定する適切なα値とする。

例えば、０．１おきに数値を取ると、１０個のα値を得る。各α値に対応する画像の正規化分散又は当該生成した画像の品質特徴判定を計算する。第８個の画像の品質特徴判定が最も高いであれば、第８個の画像に対応するα値の０．８を最終の適切なα値とする。

より正確なα値を得るために、上記検索過程に基づいてさらに一回の検索過程を行い、第１回検索過程で得たα値を基にその前後の所定範囲内に精確な検索してもいい。

例えばα値が０．８であると確定した後に、０．８の前後の所定範囲内に、例えば０．７５と０．８５の間で精確な検索をする。今回の検索の間隔が０．０１であり、０．７５から０．８５まで、対応する１０枚の画像の品質特徴判定を計算する必要がある。第３個の画像の品質特徴判定が最も高いであれば、最終的に適切なα値を０．７８と確定する。計算速度の許容範囲内に、第３回の検索過程をすることができる。

入射光が異方性である場合、α値がこのような異方性具合を反映することを実験で検証できる。実験で最初の入射光のｘ成分強度とｙ成分強度の比率が３：７とシミュレーションするときに、異なるα値を取る場合で生成したＩ_３画像について品質特徴判定を計算し、α値が０．７であるとき（すなわち７／（３＋７））に生成したＩ_３画像の品質特徴判定が最大に達することが分かる。図２は、この実験結果を示しており、使用する品質特徴判定が画像全体の規格化分散である。

上記に分析によれば、式（９）で異なるα値を設定することによって、異なるＩ_３画像を取得し、生成した各Ｉ_３画像について、その画像品質を評価する特徴判定（例えば上記実験で使用する規格化分散）を計算する。特徴判定が極値に達したとき、対応するα値が実の偏光異方性具合を反映し、対応する画像も最適な効果に達する。

図３は、第１状態で取得した画像であり、このとき入射光が液晶レンズに変調されていない。図４は、第２状態で取得した画像であり、このとき入射光の一偏光方向での成分が液晶レンズに変調される。図５は、本発明により開示した方法で最適なα値を選択して式（９）のような画像処理をして最終的に生成した画像である。図５から、画像全体の輝度が高められ、より鮮明になっていることが分かる。

従来の液晶レンズ結像システムは、液晶レンズの前に例えば偏光子などのポラライザを増設する。通常のようにｙ方向の光信号がポラライザに遮断され、ｘ方向の光信号のみがポラライザを透過して液晶レンズによって集束又は発散されると仮定する。すなわち、画像プロセッサは、最後に受信する光信号が式（２）での

である。しかし、これは、光信号がポラライザを透過した後に光強度が大幅に低下したことを意味する。画像センサが受信した光信号が非常に弱いとき、感応する電気信号も弱く、場合によって信号の強度が雑音の強度より低い。これにより、光が暗い撮影環境では、結像の細部が失われ、画像の信号対雑音比も低下し、後続で画像処理をしても復元が困難である。

従来の液晶レンズ結像装置は、ポラライザを増設しない場合、複数の液晶レンズの積層を採用する。このような方法により、液晶レンズ結像装置全体の厚さが増加することとなり、デバイスに対する軽薄化の要求に符合しない。

本発明による液晶レンズ結像システムは、ポラライザを使用していない。第１状態と第２状態において、液晶レンズを透過する光信号Ｓ_１、Ｓ_２は、全偏光方向のエネルギーが維持される。強い光信号について、画像センサは、光信号の些細な変化をより感応しやすく、生成した画像の細部もより豊かである。したがって、ポラライザを使用した従来の液晶レンズ結像システムに比較し、本発明は、光が暗い環境での撮影効果を効果的に改善できる。

本発明による液晶レンズ結像システムは、液晶レンズがアレイ状に設置してあるため、複数液晶レンズ積層の従来の液晶レンズ結像システムに比較し、本発明は、液晶レンズ結像システムの厚さが大幅に低下し、軽薄化なデバイスへの応用が便利になる。

当該液晶レンズは、液晶マイクロレンズアレイからなることができる。当該液晶マイクロレンズアレイにおける全マイクロレンズの配向層の摩擦方向が互いに平行する。液晶マイクロレンズアレイを使用すると、以下の利点を有する。結像装置がより軽薄になり、液晶レンズの電圧への応答速度がより速くなる。

図６は、本発明による実施例の液晶レンズ結像方法のフロー図である。

図６に示すように、本発明による実施例の液晶レンズ結像方法は、以下のステップを含んでいい。

ステップ６０２において、第１時刻で液晶レンズを非レンズ状態にし、第１時刻で液晶レンズを透過する第１光信号を採集し、第１光信号に基づいて第１画像信号を生成する。ステップ６０４において、第２時刻で液晶レンズをレンズ状態にし、第２時刻で液晶レンズを透過する第２光信号を採集し、第２光信号に基づいて第２画像信号を生成する。ステップ６０６において、第１画像信号と第２画像信号を処理し、処理して得た画像信号を最終結像の画像信号とする。

各画像採集手段が１つのレンズ群の液晶レンズに対応する。レンズ群には、液晶レンズのほかに、その他の補助的光学デバイスがある。画像プロセッサは、１つのレンズ群の液晶レンズを透過する光信号に基づいて、高品質の画像を取得できる。１つのレンズ群には１つの液晶レンズを含むことができ、すなわち複数の液晶レンズによる積層がない場合（１つの液晶レンズ又は１つの液晶層のみを必要とする）高品質の画像を取得することができる。したがって、液晶レンズ結像構造の厚さが減らされる。一方、偏光子のない場合で高品質の画像を取得できるように、上記の実施形態では、特別な制御方式が採用されている。すなわち、第１時刻で、駆動回路により液晶レンズを非レンズ状態にする。このときの液晶レンズは、入射光に対して集束または発散の作用を果たさず、一枚のガラスに類似する。第２時刻で、駆動回路により液晶レンズをレンズ状態にし、このときの液晶レンズは、入射光に対して集束又は発散の作用を果たすことができる。この２つの時刻でそれぞれ取得した画像を処理し、偏光子の未使用による結像への影響を除去して高品質の結像を取得する。したがって、本発明による液晶レンズ結像方法は、偏光子なしに、高品質の結像画像を取得できるのみならず、液晶レンズ結像装置の厚さを減らすこともできる。

上記いずれか１つの技術案において、前記第１画像信号と前記第２画像信号を処理することは、具体的に、前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号を前記第２画像信号から除去して、前記最終結像の画像信号を得ることを含むことが好ましく、前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像は、前記第１画像信号に基づいて得られる。

液晶レンズが一偏光方向上の光成分のみについて変調作用を果たすため、第２時刻で取得する画像信号には、変調されない光信号（すなわち変調される偏光方向に垂直な偏光方向上の光成分）により生成される画像信号を含み、当該画像信号により結像品質に影響を及ぶ。したがって、当該変調されない光信号を第２時刻で取得する光信号全体から除去する必要がある。当該変調されない光信号は、第１時刻で取得する光信号に基づいて得られる。

上記いずれか１つの技術案において、下記式に基づいて前記最終結像の画像信号を確定することが好ましい。
Ｉ_３＝Ｉ_２−α・Ｉ_１
ここで、Ｉ_３：前記最終結像の画像信号；Ｉ_１：前記第１画像信号；Ｉ_２：前記第２画像信号；α：偏光状態異方性因子であり、液晶レンズに変調されない偏光成分の入射光における割合を表す；α・Ｉ_１：前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号。

取得する画像信号は、１つの液晶レンズのみに関係し、かつ迷光信号が単に一成分上の光信号であるため、α因子の確定は、入射光の偏光状態の相違のみに関係する。光信号をｘ方向上の成分とｙ方向上の成分に分け、入射光の各方向での成分状況に応じて当該α因子を確定することができる。したがって、入射光の偏光状態の相違をリアルタイムに検出して、現在の適切なα因子を確定することができる。

上記いずれか１つの技術案において、前記偏光状態異方性因子を確定する方法は、所定値の範囲内で、第１所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する画像に対応する異方性因子を前記液晶レンズ結像装置の偏光状態異方性因子とすることを含むことが好ましい。

別の実施形態では、入射光の偏光状態の相違を検出する必要がなく、直接各α因子の値を入力し、それから各α因子に対する画像信号を出力し、各画像信号を比較することによって画像品質が最も優れる画像信号に対応するα因子を取得し、当該α因子がラフに得た正確なα因子である。第１所定間隔が小さければ小さいほど、確定したα因子の値が正確になる。当該過程をα因子の検索過程と称し、初回検索（ラフ検索）の際に、第１所定間隔を大きめにすることによって、適切なα因子の値の範囲を快速に確定することができる。

上記いずれか１つの技術案において、前記偏光状態の異方性因子を確定する方法は、前記第１所定間隔で偏光状態異方性因子を選択したとき、選択した偏光状態異方性因子の前後シフト所定値の範囲内で、前記第１所定間隔より小さい第２所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する最終結像画像に対応する偏光状態異方性因子を最終の偏光状態異方性因子とすることを含むことが好ましい。当該品質特徴判定は、画像品質の優劣の評価に用いられる。例えば、正規化分散により画像品質を評価し、主に画像のコントラストと輝度を評価するが、それらに限らず、画像のほかの要素、例えば信号対雑音比なども考慮すること必要がある。

ラフ検索の後に、精確な検索（第２回の検索）をする。第１回検索後に確定したα因子の値を基準として、その前後の所定範囲内で検索する。今回の検索に用いられる第２所定間隔を、第１回検索に用いられる第１所定間隔より僅かに小さくすることによって、より正確なα因子の値を確定する。

上記いずれか１つの技術案において、前記所定値の範囲は、０以上１以下であることが好ましい。

上記いずれか１つの技術案において、前記液晶レンズに入射する入射光が自然光である場合、前記偏光状態異方性因子αの値が１／２であるとき、前記最終結像画像の品質特徴判定が最も高い。

上記いずれか１つの技術案において、前記第１時刻と前記第２時刻との間隔は、所定時間より小さいことが好ましい。第１時刻の入射光と第２時刻の入射光との相違が非常に小さいことを保証するために、第１時刻と第２時刻との間隔時間の長さが短ければ短いほどいい。

上記いずれか１つの技術案において、前記液晶レンズは、液晶マイクロレンズアレイからなり、前記液晶マイクロレンズアレイにおける全マイクロレンズの配向層の摩擦方向が互いに平行することが好ましい。

上記いずれか１つの技術案において、前記第２時刻で前記液晶レンズをレンズ状態にすることは、前記駆動回路の電圧を調節して、前記液晶レンズの透過後に形成する画像の品質特徴判定が最大値となるときの状態にすることである。

本発明の液晶レンズ結像方法は、偏光装置の増設がなく、入射光の強度がそのまま維持されるため、暗い環境で撮影した画像の細部がより豊かであり、単一の液晶レンズにより鮮明に結像でき、液晶レンズ構造の厚さが減少する。

以上に記載したのは、単に本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を制限するためのものではない。本分野の技術者にとって、本発明には様々な変更と変化を有してもいい。本発明の精神と原則内に為したあらゆる修正、同等の差し替え、改良などは、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるものとする。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの液晶レンズと、
   前記液晶レンズに接続し、第１時刻で前記液晶レンズを非レンズ状態にし、第２時刻で前記液晶レンズをレンズ状態にする駆動回路と、
   前記第１時刻で前記液晶レンズを透過する第１光信号を採集し、前記第１光信号に基づいて第１画像信号を生成し、前記第２時刻で前記液晶レンズを透過する第２光信号を採集し、前記第２光信号に基づいて第２画像信号を生成する少なくとも１つの画像採集手段と、
   前記画像採集手段に接続し、前記第１画像信号と前記第２画像信号を受信し、前記第１画像信号と前記第２画像信号を処理し、処理して得た画像信号を最終結像の画像信号とする画像処理手段と
   を含み、
   前記画像処理手段は、
   前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号を前記第２画像信号から除去して、前記最終結像の画像信号を得る計算手段を含み、
   前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像は、前記第１画像信号に基づいて得られることを特徴とする液晶レンズ結像装置。
2. 請求項１に記載の液晶レンズ結像装置において、
   前記計算手段は、下記式に基づいて前記最終結像の画像信号を確定することを特徴とする液晶レンズ結像装置。
   Ｉ_３＝Ｉ_２−α・Ｉ_１
   ここで、Ｉ_３：前記最終結像の画像信号；Ｉ_１：前記第１画像信号；Ｉ_２：前記第２画像信号；α：偏光状態異方性因子であり、前記液晶レンズに変調されない偏光成分の入射光における割合を表す；α・Ｉ_１：前記液晶レンズに変調されない光信号に基づいて生成する画像信号。
3. 請求項２に記載の液晶レンズ結像装置において、
   前記画像処理手段は、
   所定値の範囲内で、第１所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する画像に対応する異方性因子を前記液晶レンズ結像装置の偏光状態異方性因子とする第１異方性因子確定手段をさらに含み、
   前記所定値の範囲は、０以上１以下であり、
   前記品質特徴判定は画像品質を評価するためのものであって、当該品質特徴判定が極値に達したとき、対応する偏光状態異方性因子αの値が実の偏光異方性具合を反映し、対応する画像も最適な効果に達することを特徴とする液晶レンズ結像装置。
4. 請求項３に記載の液晶レンズ結像装置において、
   前記画像処理手段は、
   前記第１異方性因子確定手段が前記第１所定間隔で偏光状態異方性因子を選択したとき、選択した偏光状態異方性因子の前後シフト所定値の範囲内で、前記第１所定間隔より小さい第２所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する最終結像画像に対応する偏光状態異方性因子を前記液晶レンズ結像装置の偏光状態異方性因子とする第２異方性因子確定手段をさらに含むことを特徴とする液晶レンズ結像装置。
5. 請求項２に記載の液晶レンズ結像装置において、
   前記液晶レンズに入射する入射光が自然光である場合、前記偏光状態異方性因子αの値が１／２であることを特徴とする液晶レンズ結像装置。
6. 請求項１に記載の液晶レンズ結像装置において、
   前記第１時刻と前記第２時刻との間隔は、撮影する場面に明らかな変化がない所定時間より小さいことを特徴とする液晶レンズ結像装置。
7. 請求項１に記載の液晶レンズ結像装置において、
   前記液晶レンズは、液晶マイクロレンズアレイからなり、前記液晶マイクロレンズアレイにおける全液晶マイクロレンズの配向層の摩擦方向が互いに平行することを特徴とする液晶レンズ結像装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶レンズ結像装置において、
   前記第２時刻で前記液晶レンズをレンズ状態にすることは、前記駆動回路の出力電圧を調節して、前記液晶レンズの透過後に形成する画像の品質特徴判定が最大値となるときの状態にすることであることを特徴とする液晶レンズ結像装置。
9. 第１時刻で液晶レンズを非レンズ状態にし、前記第１時刻で前記液晶レンズを透過する第１光信号を採集し、前記第１光信号に基づいて第１画像信号を生成することと、
   第２時刻で前記液晶レンズをレンズ状態にし、第２時刻で前記液晶レンズを透過する第２光信号を採集し、前記第２光信号に基づいて第２画像信号を生成することと、
   前記第１画像信号と前記第２画像信号を処理し、処理して得た画像信号を最終結像の画像信号とすることを含み、
   前記第１画像信号と前記第２画像信号を処理することは、具体的に、
   前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号を前記第２画像信号から除去して、前記最終結像の画像信号を得ることを含み、
   前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像は、前記第１画像信号に基づいて得られることを特徴とする液晶レンズ結像方法。
10. 請求項９に記載の液晶レンズ結像方法において、
    下記式に基づいて前記最終結像の画像信号を確定することを特徴とする液晶レンズ結像方法。
    Ｉ_３＝Ｉ_２−α・Ｉ_１
    ここで、Ｉ_３：前記最終結像の画像信号；Ｉ_１：前記第１画像信号；Ｉ_２：前記第２画像信号；α：偏光状態異方性因子であり、前記液晶レンズに変調されない偏光成分の入射光における割合を表す；α・Ｉ_１：前記液晶レンズに変調されない光信号で生成する画像信号。
11. 請求項１０に記載の液晶レンズ結像方法において、
    前記偏光状態異方性因子を確定する方法は、
    所定値の範囲内で、第１所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節し、各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する画像に対応する異方性因子を液晶レンズ結像装置の偏光状態異方性因子とすることを含み、
    前記所定値の範囲は、０以上１以下であり、
    前記品質特徴判定は画像品質を評価するためのものであって、当該品質特徴判定が極値に達したとき、対応する偏光状態異方性因子αの値が実の偏光異方性具合を反映し、対応する画像も最適な効果に達することを特徴とする液晶レンズ結像方法。
12. 請求項１１に記載の液晶レンズ結像方法において、
    前記偏光状態異方性因子を確定する方法は、
    前記第１所定間隔で偏光状態異方性因子を選択したとき、選択した偏光状態異方性因子の前後シフト所定値の範囲内で、前記第１所定間隔より小さい第２所定間隔で前記偏光状態異方性因子の値を調節することと、
    各偏光状態異方性因子の値に基づいて取得する最終結像画像の品質特徴判定を計算し、品質特徴判定が最大に達する最終結像画像に対応する偏光状態異方性因子を最終の偏光状態異方性因子とすることをさらに含むことを特徴とする液晶レンズ結像方法。