JP6019016B2 - 幾何学変換レンズ - Google Patents

Description

本発明は、幾何学変換レンズに関し、例えばディジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に適用して好適なものである。

人間の眼は、単眼左右120度という広視野を有しつつ、中心窩と呼ばれる網膜上の窪みの近傍で最も視力が高く、当該窪み近傍から離れるに従って急激に視力が低下することが知られている。すなわち、人間の眼は、眼球運動を組み合わせて視線方向を変えることにより、必要最小限の情報量でできるだけ詳しく環境を観察できるという非常に優れた機能を有している。

そして、近年では、このような人間の眼球の機能に知見を得て、人間の視力分布に近い拡大率分布を有する広角レンズ（以下、これを広角中心窩レンズと呼ぶ）が考えられており（例えば、特許文献１参照）、市販のCCDカメラやCMOSカメラ等の撮像装置にこの広角中心窩レンズを装着することも考えられている。このような広角中心窩レンズは、画像の情報量を増加させることなく、広い視野を観察でき、かつ画角内に明確な高解像度の中心部分（以下、これを注目領域と呼ぶ）で詳細な観察が行えるため、情報通信分野において有効な光学系レンズとなり得る。

特表２０１０−５３００８６号公報

しかしながら、かかる構成でなる広角中心窩レンズを用いた撮像装置では、画角内に高解像度の注目領域を中心部分にのみ有するため、撮像装置を固定させた場合、詳細に観察したい他の被写体が画角内に存在したときには、モータ等の大掛かりな可動機構でレンズ光軸（これを視線とも呼ぶ）を移動させ、新たな被写体を注目領域に合わせる必要がある。そのため、かかる広角中心窩レンズを用いた場合には、広角中心窩レンズを移動させるメカニカルな可動機構を設置するための収納スペースや、広角中心窩レンズ自体を移動させるための移動スペースが必要となり、その分だけ小型化の向上が図り難く、またメカニカルな可動機構を動かす必要があるため、その分だけ省エネルギー性の向上が図り難いという問題があった。

そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、小型化及び省エネルギー性を図りつつ、被写体像を所望の形態に幾何学変換し得る幾何学変換レンズを提案することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明の請求項１は、第１基板と第２基板との間に設けられ、液晶分子が封入された液晶レンズ層と、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第２基板に設けられた第２電極とを有しており、前記第２電極から前記第１電極へのバイアス電圧が印加されることで、前記第１電極及び前記第２電極間の前記液晶分子を配向制御し、被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させて、広角の視野の広さを保持したまま、一つ又は複数個所を拡大及び又は縮小させることを特徴とする。

また、本発明の請求項２は、前記第１電極には、一又は規則的に配置された複数の拡大・縮小用電極が設けられており、一又は複数の選択された前記拡大・縮小用電極にだけ電圧が印加されることで、前記一又は複数の選択された拡大・縮小用電極に対向する前記液晶分子を配向制御し、前記被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させ被写体像を拡大及び又は縮小させることを特徴とする。

また、本発明の請求項３は、第１基板と第２基板との間に設けられ、液晶分子が封入された液晶レンズ層と、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第２基板に設けられた第２電極とを有しており、前記第１電極は、規則的に配置された複数の回転用電極が設けられており、前記複数の回転用電極に電圧が印加されることで、前記回転用電極に対向する前記液晶分子を配向制御し、前記被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させ被写体像を回転させることを特徴とする。

また、本発明の請求項４は、第１基板と第２基板との間に設けられ、液晶分子が封入された液晶レンズ層と、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第２基板に設けられた第２電極とを有しており、前記第２電極から前記第１電極へのバイアス電圧が印加されることで、前記第１電極及び前記第２電極間の前記液晶分子を配向制御し、前記被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させ被写体像を平行移動させる前記第２電極から前記第１電極へのバイアス電圧が印加されることで、前記第１電極及び前記第２電極間の前記液晶内の分子を配向制御し、前記被写体からの光束を前記液晶内の分子により屈折させ前記被写体像を平行移動させることを特徴とする。

本発明によれば、小型化及び省エネルギー性を図りつつ、被写体像を所望の形態に幾何学変換し得る幾何学変換レンズを提案することができる。

撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 拡大処理前の撮像画像と、一部拡大処理を行い解像度を向上させた撮像画像とを示した写真である。 回転処理前の撮像画像と、回転処理後の撮像画像とを示す写真である。 幾何学変換処理部の全体構成を示す概略図である。 幾何学変換レンズ用液晶レンズの側断面構成を示す概略図である。 ITO電極層の全体構成を示す概略図である。 拡大処理時における液晶内の分子の配向状態と、回転処理時における液晶内の分子の配向状態とを示す概略図である。 電極セルの全体構成を示す概略図である。 他の実施の形態によるITO電極層の分解構成を示す概略図である。 他の実施の形態によるITO電極層の分解構成を示す概略図である。 他の実施の形態によるマイクロ液晶レンズセルの側断面構成を示す概略図である。 初期状態でのマイクロ液晶レンズセルにおける液晶内の分子の配向状態を示す上面図と側断面図である。 拡大処理時のマイクロ液晶レンズセルにおける液晶内の分子の配向状態を示す側断面図である。 回転処理時のマイクロ液晶レンズセルにおける液晶内の分子の配向状態を示す上面図である。

１ 撮像装置
２ 幾何学変換処理部
１５ 幾何学変換レンズ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 幾何学変換レンズ用液晶レンズ
２１ 第１基板
２２ 第２基板
２３ 液晶レンズ層（屈折率変化層）
３５ 液晶内の分子（屈折率変化手段）
３０ 基準電極（第２電極）
３１ ITO電極層（第１電極）
EL_2,mn 拡大・縮小用電極（拡大用電極、縮小用電極）
EL_1,mn 回転用電極

以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。

（１）撮像装置の概略
図１において、１は撮像装置を示し、この撮像装置１は、幾何学変換処理部２と、撮像部３と、入力画像補正部４と、表示部５と、電源６と、操作部７とが制御部８に接続された構成を有し、電源６から供給される電力により各種回路部が動作し得る。制御部８は、マイクロコンピュータの構成を有し、主にCPU（Central Processing Unit）、メモリ及びROM（Read Only Memory）等を備え、ROMに格納されるプログラムを読み出し、当該プログラムをCPUで実行することによって、各種機能を実現する。

操作部７は、拡大指令ボタンや、縮小指令ボタン、回転指令ボタン等を含む各種ボタンの他、表示部５に表示される撮像画像内の所定領域を拡大領域や縮小領域等としてカーソルで指定し得るマウス等を備えており、各種ボタンやマウス等に対するユーザの入力操作に応答して、制御部８に各種動作を実現させる。

例えば、制御部８は、ユーザが操作部７に対し入力操作することにより与えられた拡大指令命令や縮小指令命令、回転指令命令を当該操作部７から受け取ると、これに応じて拡大指令信号や、縮小指令信号、回転指令信号を生成し、これを幾何学変換処理部２に送出する。ここで、幾何学変換処理部２は、幾何学変換レンズ（後述する）を備えており、被写体からの光束が幾何学変換レンズに入射し、幾何学変換レンズからの出射光を撮像部３の個体撮像素子（図示せず）に結像させ得る。

この際、幾何学変換処理部２は、制御部８から拡大指令信号や、縮小指令信号、回転指令信号を受け取っていると、幾何学変換レンズに設けられた液晶レンズ層（後述する）内の液晶内の分子が、当該拡大指令信号や、縮小指令信号、回転指令信号に応じて配向状態を変化させ、当該液晶レンズ層の屈折率が変化し得る。これにより幾何学変換処理部２は、被写体からの光束を液晶内の分子により屈折させ、一又は複数箇所を拡大又は縮小させたり、或いは光束全体を回転させ、拡大、縮小又は回転された被写体像を撮像部３の個体撮像素子に結像させ得る。

撮像部３は、個体撮像素子に結像された被写体像の露光（光電変換による電荷蓄積）を行い、当該被写体像に係る画像信号を生成し、これを入力画像補正部４に送出し得る。ここで、入力画像補正部４は、幾何学変換処理部２により例えば一部が拡大処理された画像信号を、撮像部３から受け取ると、補正処理を行い、被写体像のうち幾何学変換処理部２により拡大処理された箇所を縮小して元の倍率へと補正し、これを図示しないメモリ等に記憶するとともに、表示部５に送出する。これにより、表示部５には全体の倍率が揃った撮像画像が表示され得る。この際、表示部５に表示される撮像画像のうち、幾何学変換処理部２により光学的に一度拡大された箇所は、解像度が向上しており、より詳細な被写体像をユーザに提示し得る。

具体的に、撮像装置１は、拡大指令命令や、縮小指令命令、回転指令命令が操作部７を介して行われていないとき、図２Ａに示すように、被写体像が拡大も縮小も回転もされていない撮像画像１１Ａを表示部５に表示し得る。これに対して、撮像装置１は、図２Ａに示す撮像画像１１Ａ内の例えば顔部分Ｆだけ全て解像度の高い撮像画像を得ようとした場合、操作部７の入力操作により顔部分Ｆの領域がカーソル等により指定され拡大指令命令が与えられる。これにより撮像装置１では、幾何学変換処理部２により顔部分Ｆに相当する箇所の光束を屈折させ光学的に拡大し、この光束を基に撮像部３により得られた画像信号を入力画像補正部４に送出する。

撮像装置１は、幾何学変換処理部２により拡大された顔部分Ｆを、入力画像補正部４によって幾何学変換処理部２での拡大率と同じ倍率分だけ縮小して元の倍率に戻した画像信号を生成し、これを表示部５に送出する。これにより、表示部５には、図２Ｂに示すように、全体的に倍率が同じであって、顔部分Ｆだけ解像度が高い拡大処理領域ＥＲ１が形成され、これら顔部分Ｆ以外の他の領域の解像度が低くなった撮像画像１１Ｂが表示され得る。なお、ここで、図２Ｂにおいて、顔部分Ｆの拡大処理領域ＥＲ１以外の領域では、液晶レンズ層内の液晶内の分子の配向状態が、拡大処理領域ＥＲ１内を拡大させるための配向状態となっていることから、その影響で被写体からの光束が屈折して解像度が低下している。

一方、この撮像装置１では、例えば幾何学変換処理部２により一部が縮小処理された画像信号を、撮像部３から入力画像補正部４が受け取ると、入力画像補正部４により縮小された箇所を元の倍率に戻す補正処理を行われる。すなわち、入力画像補正部４は、撮像部３から受け取った画像信号に補正処理を行い、幾何学変換処理部２により縮小処理された箇所を拡大して元の倍率へと補正し、これをメモリ等に記憶するとともに、表示部５に送出する。これにより、表示部５には全体の倍率が揃った撮像画像が表示され得る。この際、表示部に表示される撮像画像のうち、幾何学変換処理部２により光学的に一度縮小された箇所は、解像度が低下しており、撮像画像全体のデータ量を低減し得る。

また、この撮像装置１は、例えば図３Ａに示すような撮像画像１１Ｃに対し、幾何学変換処理部２において光学的な回転処理が行われた場合、図３Ｂに示すように、被写体像全体が所定角度に回転した撮像画像１１Ｄが表示部５に表示され得る。この際、撮像装置１では、幾何学変換処理部２における液晶内の分子により、被写体からの光束全体が屈折されて回転され、この光束全体が回転された出射光に基づく被写体像が撮像部３の個体撮像素子に結像され得る。撮像部３は、個体撮像素子に結像された被写体像の露光（光電変換による電荷蓄積）を行い、当該被写体像に係る画像信号を生成して、これを入力画像補正部４に送出し、当該入力画像補正部４にて補正処理等を行うことなく画像信号をそのまま表示部５に送出し得る。これにより、表示部５には、図３Ｂに示すような被写体像全体が所定角度に回転した撮像画像１１Ｄが表示され得る。

（２）幾何学変換処理部の構成
次に、光学的な拡大処理、縮小処理及び回転処理を行える幾何学変換処理部２について、以下具体的に説明する。図４に示すように、幾何学変換処理部２は、光学系の幾何学変換レンズ１５と、駆動回路１６とを備えており、当該駆動回路１６が制御部８に接続された構成を有する。幾何学変換レンズ１５は、入力レンズ部１７と、内部レンズ部１８と、出力レンズ部１９とからなり、被写体からの光束が入力レンズ部１７、内部レンズ部１８及び出力レンズ部１９の順に通過し、撮像部３の固定撮像素子に被写体像を結像させる。

ここで、入力レンズ部１７は、広い視野を持つ超広角レンズや絞りを含み、広角の視野の広さを保持したまま被写体からの光束を集光して整光し得るようになされている。入力レンズ部１７を通過した光束が入射される内部レンズ部１８は、例えば２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂからなる入力側レンズ群１８ａと、同じく２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃ，２０ｄからなる出力側レンズ群１８ｂと、これら入力側レンズ群１８ａ及び出力側レンズ群１８ｂ間に配置された集光レンズ２４とを備えており、各幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに駆動回路１６が接続されている。

ここで、駆動回路１６は、拡大率指令電圧、縮小率指令電圧又は回転指令電圧を幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに印加することにより、第１基板２１及び第２基板２２間にある液晶レンズ層２３内に密封された液晶内の分子の配向状態を変化させ、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの屈折率を液晶内の分子により変化させ得る。

実際上、この駆動回路１６は、基準電圧配線２５が幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの基準電極３０にそれぞれ接続されているとともに、第１配線群２６及び第２配線群２７が幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのITO（Indium Tin Oxide）電極層３１にそれぞれ接続されている。これにより各幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、基準電圧配線２５、第１配線群２６及び第２配線群２７を介して駆動回路１６から基準電極３０及びITO電極層３１間に、配向した液晶内の分子のプレチルト角を補償する電圧が印加されると、液晶レンズ層２３内における全ての液晶内の分子を液晶レンズ面に平行かつ基本配向方向の一方向に揃えて配向し得る。

ここで、この実施の形態の場合、内部レンズ部１８では、入力側レンズ群１８ａ及び出力側レンズ群１８ｂにそれぞれ設けられた幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの構成が同一構成からなり、入力側レンズ群１８ａにて２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂを積層させた２層構造となっており、出力側レンズ群１８ｂでも２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃ，２０ｄを積層させた２層構造となっている。

これは、入力側レンズ群１８ａにて、各幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂの液晶レンズ層２３の液晶内の分子がそれぞれ基本配向方向に関し異方性を生じているため、これら２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂを積層させた複数層の構造として液晶内の分子の異方性を低減し得るようになされている。具体的に、この実施の形態のように、入力側レンズ群１８ａにて２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂが２層に積層された構造となっている場合には、例えば第１層目の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａの液晶内の分子と、第２層目の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｂの液晶内の分子との基本配向方向を直交（90度）させることにより、液晶内の分子の異方性を低減させる構造になっている。

また、出力側レンズ群１８ｂにおいても、入力側レンズ群１８ａと同様に、各幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃ，２０ｄにおいてそれぞれ液晶レンズ層２３の液晶内の分子が基本配向方向に関する異方性を生じているため、例えば第１層目の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃの液晶内の分子と、第２層目の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｄの液晶内の分子との基本配向方向を直交（90度）させることにより、液晶内の分子の異方性を低減させる構造になっている。

なお、この実施の形態の場合においては、２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂを積層させた２層構造の入力側レンズ群１８ａと、同じく２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃ，２０ｄを積層させた２層構造の出力側レンズ群１８ｂを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、３つや４つ等その他複数の幾何学変換レンズ用液晶レンズを積層させて、液晶内の分子の異方性を低減させた複数層構造の入力側レンズ群及び出力側レンズ群を適用してもよい。

このような構成のもと駆動回路１６は、例えば制御部８からの拡大指令命令又は縮小指令命令に基づいて第１配線群２６により拡大率指令電圧又は縮小率指令電圧を幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのITO電極層３１にそれぞれ印加し得る。さらに、駆動回路１６は、制御部８からの回転指令命令に基づいて第２配線群２７により回転指令電圧を幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのITO電極層３１にそれぞれ印加し得る。

ここで、入力側レンズ群１８ａの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂや、出力側レンズ群１８ｂの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃ，２０ｄは、上述したように基本的構成が同一であることから、説明の重複を避けるため、以下、入力側レンズ群１８ａの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂのうち１つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａに着目して説明する。図５に示すように、実際上、本発明による幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａは、ガラス等の透明部材でなる第１基板２１上に、透明電極部材からなる基準電極３０と、液晶レンズ層２３と、第１基板２１と同じく透明部材でなる第２基板２２とが順に積層された構成を有し、当該第２基板２２にITO電極層３１が設けられた構成を有する。

因みに、この実施の形態の場合、図４に示したように、入力側レンズ群１８ａの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂは、ITO電極層３１が入力レンズ部１７側に配置され、入力レンズ部１７を通過した光束がITO電極層３１、第２基板２２、液晶レンズ層２３、基準電極３０及び第１基板２１の順に通過し得る。一方、出力側レンズ群１８ｂの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃ，２０ｄは、第１基板２１が集光レンズ２４側に配置されるとともに、ITO電極層３１が出力レンズ部１９側に配置され、入力側レンズ群１８ａの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ及び集光レンズ２４を通過した光束が、第１基板２１、基準電極３０、液晶レンズ層２３、第２基板２２及びITO電極層３１の順に通過し得る。

ここで、この実施の形態の場合、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａの入射面全面に設けられるITO電極層３１には、図６に示すように、例えば縦8個、横8個の合計8×8個の拡大・縮小用電極EL_2,mn（mは行列の行数を示し、nは行列の列数を示し、この場合m,nは1〜8のいずれかの整数を表す）がマトリックス状に配置されており、各拡大・縮小用電極EL_2,mnにそれぞれ拡大・縮小電圧配線L₂が接続されている。ITO電極層３１には、例えば制御部８からの拡大指令信号に基づいて、拡大率指令電圧V_2,mn（m,nは対応する拡大・縮小用電極EL_2,mnを表し、この場合m,nは1〜8のいずれかの整数を示す）が駆動回路１６から拡大・縮小電圧配線L₂を介して所定の拡大・縮小用電極EL_2,mnに印加され得る。

例えば、ITO電極層３１の縦n列目での拡大・縮小用電極EL_2,1n〜EL_2,8nに着目した場合には、図５に示すように、1行目の拡大・縮小用電極EL_2,1nに拡大率指令電圧V_2,1n、2行目の拡大・縮小用電極EL_2,2nに拡大率指令電圧V_2,2n、3行目の拡大・縮小用電極EL_2,3nに拡大率指令電圧V_2,3n、4行目の拡大・縮小用電極EL_2,4nに拡大率指令電圧V_2,4n、5行目の拡大・縮小用電極EL_2,5nに電圧V_2,5n、6行目の拡大・縮小用電極EL_2,6nに拡大率指令電圧V_2,6n、7行目の拡大・縮小用電極EL_2,7nに拡大率指令電圧V_2,7n、8行目の拡大・縮小用電極EL_2,8nに拡大率指令電圧V_2,8nが、拡大指令信号に基づき必要に応じて駆動回路１６から印加され得る。なお、拡大・縮小用電極EL_2,mn、拡大・縮小電圧配線L₂及び拡大率指令電圧V_2,mnのうち、下付文字「2」の表記は、後述する回転用電極等と区別するために付した符号である。

幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａは、拡大率指令電圧V_2,mnが駆動回路１６から一又は複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnに印加されると、この拡大・縮小用電極EL_2,mnに対向する液晶レンズ層２３内の液晶内の分子のチルト角の配向状態が拡大率指令電圧V_2,mnの電圧値に応じて変化し、これら液晶内の分子の配向状態が被写体像を光学的に拡大し得る非球面凸レンズ（焦点距離が中心から離れるに連れて短くなる非球面凸レンズ）と同じ働きをする屈折率分布の状態となり得る。

ここで、図７Ａと、図７Ａの側断面構成を示す図７Ｂは、例えば表示部５に表示される撮像画像中の所定の１点が拡大指定位置P1として指定されたときの液晶レンズ層２３全体での液晶内の分子３５の配向状態を仮想的にイメージした概略図である。なお、実際上、液晶内の分子３５は、液晶レンズ層２３内に複数積層されているが、図７Ａ及び図７Ｂでは一列に並んだ液晶内の分子に着目して簡略的に図示している。また、これら図７Ａ及び図７Ｂは、例えば第１層目の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａと、液晶内の分子の基本配向方向が第１層目に直交した第２層目の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｂとを積層させたものを単層の液晶層に見立てたときの仮想的なイメージ図である（そのため拡大指定位置から放射状に液晶内の分子３５が配向しているように表現されている）。

この場合には、拡大指定位置P1に対応する拡大・縮小用電極EL_2,mnに拡大率指令電圧V_2,mnが印加され、これに応じて液晶レンズ層２３内の液晶内の分子３５のチルト角の配向状態が制御され得る。このような液晶内の分子３５は、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａを最低でも２層積層することによって仮想的にイメージされるものであり、単層の場合、第１基板２１あるいは第２基板２２に近くなるほど液晶の性質から基本配向方向に拘束され得る。

すなわち、ラビング処理を施した第１基板２１又は第２基板２２に近い液晶内の分子３５ほど、拡大率指令電圧によりチルト角のみを変化させる単屈折性を有した楕円形状の構造体となり得る。一方、ラビング処理を施した第１基板２１又は第２基板２２から離れた位置にある液晶分子３５は、ラビング処理を施した第１基板２１又は第２基板２２から離れるに従って、基本配向方向への拘束が弱まり、短軸方向の屈折率と、長軸方向の屈折率とが異なる複屈折性を有した楕円形状の構造体とみなすことができ、配向状態が制御されることで、液晶レンズ層２３内を通過する光束を所望の方向へ屈折させ得る。

この実施の形態の場合、液晶レンズ層２３では、一方向（液晶レンズ層２３の面方向と直交した光軸方向）に揃って配向されていた液晶分子３５が、拡大指定位置P1と対向した拡大・縮小用電極EL_2,mnに拡大率指令電圧V_2,mnが印加されることで、図７Ａに示すように、拡大指定位置P1を拡大中心として放射状に配向される（液晶内の分子が直交するように配置された２層を単層の液晶層に見立てたときの仮想的なイメージである）。

また、この際、液晶レンズ層２３では、図７Ｂに示したように、拡大指定位置P1に対向した液晶内の分子３５の長軸方向が、液晶レンズ層２３の面方向とほぼ平行となるように配向され、当該拡大指定位置P1から離れるに従って液晶内の分子３５の長軸方向が次第に光軸方向に傾いてゆき、拡大指定位置P1から遠く離れ拡大率指令電極V_2,mnの影響を受けない液晶内の分子３５の長軸方向が光軸方向に揃った状態になっている。

これにより、液晶レンズ層２３では、拡大指定位置P1が非球面凸レンズの凸部に相当し、当該拡大指定位置P1を拡大中心としてそこから離れるに連れて焦点距離が短くなる非球面凸レンズと同じ働きをする屈折率分布になるよう液晶内の分子３５が配向され得る。かくして、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、被写体からの光束が入射されると、拡大指定位置P1を中心としそこから離れるに連れて焦点距離が短くなる非球面凸レンズを実現した液晶内の分子３５により光束を屈折し、拡大指定位置P1を中心に拡大された被写体像を固体撮像素子に結像させ得る。

因みに、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａは、縮小率指令電圧V´_2,mnが駆動回路１６から一又は複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnに印加されると、この拡大・縮小用電極EL_2,mnに対向する液晶レンズ層２３内における液晶内の分子３５の配向状態が縮小率指令電圧V´_2,mnの電圧値に応じて変化し、これら液晶内の分子３５の配向状態が被写体像を光学的に縮小し得る非球面凹レンズ（焦点距離が中心から離れるに連れて長くなる非球面凹レンズ）と同じ働きをする屈折率分布の状態となり得る。

具体的に、この実施の形態の場合、液晶レンズ層２３では、基準電圧により一方向に揃って配向されていた液晶内の分子３５が、縮小指定位置と対向した拡大・縮小用電極EL_2,mnに縮小率指令電圧V´_2,mnが印加されることで、縮小指定位置を縮小中心として放射状に配向される（液晶内の分子が直交するように配置された２層を単層の液晶層に見立てたときの仮想的なイメージである）。

また、この際、液晶レンズ層２３では、縮小指定位置に対向した液晶内の分子３５の長軸方向が非球面凸レンズのケースとは異なり、図７Ｂを転地逆にしたような並びとなるように配向され、当該縮小指定位置から離れるに従って液晶内の分子３５の長軸方向が次第に光軸方向に傾いてゆき、縮小指定位置から遠く離れ縮小率指令電極の影響を受けない液晶内の分子３５の長軸方向が光軸方向に揃っている。これにより、液晶レンズ層２３では、縮小指定位置が非球面凹レンズの凹部に相当し、当該縮小指定位置を縮小中心としてそこから離れるに連れて焦点距離が長くなる非球面凹レンズと同じ働きをする屈折率分布になるよう液晶内の分子３５が配向され得る。

かくして、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、被写体からの光束が入射されると、縮小指定位置を中心としそこから離れるに連れて焦点距離が長くなる非球面凹レンズを実現した液晶内の分子３５により光束を屈折し、縮小指定位置を中心に縮小しそこから離れるにつれて拡大率が大きくなる被写体像を固体撮像素子に結像させ得る。

かかる構成に加えて、図６に示すように、ITO電極層３１には、例えば１つの拡大・縮小用電極EL_2,51に着目した場合、拡大・縮小用電極EL_2,51を中心に縦2個、横2個の2×2の合計４個の回転用電極EL¹¹ _1,51，EL¹² _1,51，EL²¹ _1,51，EL²² _1,51が配置されており、これら１つの拡大・縮小用電極EL_2,51と４つの回転用電極EL¹¹ _1,51，EL¹² _1,51，EL²¹ _1,51，EL²² _1,51とで１組の電極セル３７を構成している。

すなわち、このようにITO電極層３１には、各拡大・縮小用電極EL_2,mnを中心に縦2個、横2個の2×2の合計４個の回転用電極EL^xy _1,mn（m,nは、行列の行数m個目、行列の列数n個目の拡大・縮小用電極EL_2,mnに対応付けられていることを表し、この場合1〜8のいずれかの整数を示す。x,yは１又は２の整数であり回転用電極の配置位置を行列で表している）がそれぞれ配置され、これにより全体として当該回転用電極EL^xy _1,mnが規則的に配置されている。

図８Ａに示すように、この実施の形態の場合、電極セル３７は、中心部に円形状の拡大・縮小用電極EL_2,mnを有し、この拡大・縮小用電極EL_2,mnを中心に四辺状の回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnが四隅に配置された構成を有する。そして、電極セル３７には、各回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnに回転電圧配線L₁がそれぞれ接続されており、駆動回路１６から各回転電圧配線L₁を介して回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，L²² _1,mnに回転指令電圧V¹¹ _1,mn，V¹² _1,mn，V²¹ _1,mn，V²² _1,mnがそれぞれ印加され得る。 これにより回転用電極EL¹¹ _1,mn〜EL²² _1,mnは、回転指令電圧V¹¹ _1,mn〜V²² _1,mnが印加されることで、液晶内の分子３５を所定角度に回転させ、液晶レンズ層２３の屈折率を変化させ得る。この際、回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn間と、回転用電極EL¹² _1,mn，EL²² _1,mn間と、回転用電極EL²² _1,mn，L²¹ _1,mn間と、回転用電極EL²¹ _1,mn，EL¹¹ _1,mn間の４つの領域に対向する各位置では、液晶レンズ面に対して平行な方向に平行移動し得る。

また、この際、電極セル３７と対向する液晶レンズ層２３内では、基板（ラビング処理を施した第１基板２１又は第２基板２２）から離れた位置で、液晶の配向方向の拘束からある程度自由になった液晶内の分子３５が、通常の回転の他に液晶レンズ面に直交する軸周りの方向へ回転し得る。このようにして電極セル３７は、液晶内の分子３５の平行移動と、通常の回転に軸周り方向の回転が加わった回転により、固体撮像素子に結像される被写体像を、液晶内の分子３５により回転させ得るようになされている。

ここで、図６及び図８Ａにおいては、理解を容易にするために一方向に配向された液晶１層の場合に注目して電極構成の説明を行っているが、実際の動作を説明するには、配向方向の異方性を考慮し、同じ電極パターンに対して配向方向が直交する２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂを積層させた２層構造の入力側レンズ群１８ａや、２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｃ，２０ｄを積層させた２層構造の出力側レンズ群１８ｂのように、配向方向が直交する２層を同時に考慮する必要がある。なお、図６では、各回転用電極EL^xy _1,mnにそれぞれ接続されている回転電圧配線L₁については省略して図示していない。また、回転用電極EL^xy _1,mn、回転電圧配線L₁及び回転指令電圧V^xy _1,mnのうち、下付文字「1」の表記は、上述した拡大・縮小用電極EL_2,mn等と区別するために付した符号である。

例えば、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、拡大処理が施され液晶内の分子３５の配向状態が変化している撮像画像全体を、拡大指定位置P1を回転中心位置として回転させる場合には、操作部からの入力操作に基づいて回転指令電圧V^xy _1,mnが各回転用電極EL^xy _1,mnにそれぞれ印加され得る。これにより、図７Ｃ及び図７Ｄに示すように、液晶レンズ層２３では、拡大率指令電圧V_2,mnが印加された拡大・縮小用電極EL_2,mnを中心として放射状に配向された液晶内の分子３５が、その状態のまま回転中心位置P2を中心に所定角度回転して配向状態が変化し得る。

例えば、図７Ｃでは、回転前の液晶内の分子３５を薄い棒状線A1で示し、回転後の液晶内の分子３５を濃い棒状線A2で示しており、回転指令電圧V^xy _1,mnが各回転用電極EL^xy _1,mnに印加されることで、液晶内の分子３５が回転中心位置P2を中心に逆時計回りに僅かに回転している。これにより、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、被写体からの光束が入射されると、回転中心位置P2を中心に所定角度回転された液晶内の分子３５により光束を屈折し、回転中心位置P2を中心に回転した被写体像を固体撮像素子に結像させ得る。

なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば、上述した実施の形態においては、図８Ａに示すように、小径の拡大・縮小用電極EL_2,mnを中心に四辺状の回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnを四隅に配置し、これら拡大・縮小用電極EL_2,mnと、回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnとの間に、配線スペースを大きく形成させた電極セル３７を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これら拡大・縮小用電極EL_2,mnや、回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnを種々の形状とし、種々の配置構成として配線スペースを小さく形成してもよい。

例えば、図８Ｂに示すように、他の構成の電極セル３７ａとしては、径が大きく枠周辺の近傍付近まで形成された円形状の拡大・縮小用電極ELa_2,mnを中心に有し、この拡大・縮小用電極ELa_2,mnを取り囲むように４つの回転用電極ELa¹¹ _1,mn，ELa¹² _1,mn，ELa²¹ _1,mn，ELa²² _1,mnを四隅に配置させた構成であってもよい。

この場合、回転用電極ELa¹¹ _1,mn，ELa¹² _1,mn，ELa²¹ _1,mn，ELa²² _1,mnは、拡大・縮小用電極ELa_2,mnの湾曲状の外郭形状に合わせて、一辺が湾曲状に形成されており、当該拡大・縮小用電極ELa_2,mnの外郭形状に沿って一辺が配置され得る。これにより電極セル３７ａは、拡大・縮小用電極ELa_2,mnと回転用電極ELa¹¹ _1,mn，ELa¹² _1,mn，ELa²¹ _1,mn，ELa²² _1,mnとの隙間が、図８Ａに示す電極セル３７に比して格段的に小さくなり配線スペースを小さくし得るとともに、枠内の領域に亘って拡大・縮小用電極ELa_2,mnと回転用電極ELa¹¹ _1,mn，ELa¹² _1,mn，ELa²¹ _1,mn，ELa²² _1,mnとを配置し得る。

この電極セル３７ａでは、拡大・縮小用電極ELa_2,mnを大きく形成している分だけ、１つの拡大・縮小用電極ELa_2,mnによって広範囲の液晶内の分子３５のチルト角の配向状態を制御し得、拡大・縮小処理を実行し得る。

また、上述した実施の形態においては、図６に示すように、被写体像を拡大・縮小及び平行移動させるための複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnと、被写体像を回転させるための複数の回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnとを１層のITO電極層３１に全て形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図９Ａに示すように、被写体像を拡大・縮小及び平行移動させるための複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnだけを１層のITO電極層３１ａに形成し、図９Ｂに示すように、これとは別に被写体像を回転させるための複数の回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnだけを１層のITO電極層３１ｂに形成し、図６に示すITO電極層３１を複数のITO電極層３１ａ,３１ｂで形成するようにしてもよい。

この場合、ITO電極層３１ａ,３１ｂでは、回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mn又は拡大・縮小用電極EL_2,mnを省いた分だけ、配線パターンを簡素化し得、その分、製造時に加工が容易になり得る。また、ITO電極層３１ａ,３１ｂでは、回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mn又は拡大・縮小用電極EL_2,mnを省いた分だけ、電極から引き出される配線数を減らすことができ、当該配線を引き回す配線スペースを小さくして集積化を向上し得る。

さらに、このITO電極層３１ａでは、拡大・縮小用電極EL_2,mnだけを設けたことから、拡大・縮小処理や平行移動処理を行う際、回転処理に用いる回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnへ印加される電圧制御とは全く別に、拡大・縮小用電極EL_2,mnの電圧制御を行え、その分、電圧制御を簡素化し得る。また、ITO電極層３１ｂでも、回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnだけを設けたことから、回転処理を行う際、拡大・縮小処理や平行移動処理に用いる拡大・縮小用電極EL_2,mnへ印加される電圧制御とは全く別に、回転用電極EL¹¹ _1,mn，EL¹² _1,mn，EL²¹ _1,mn，EL²² _1,mnの電圧制御を行え、その分、電圧制御を簡素化し得る。

また、その他の実施の形態としては、図１０Ａに示すような平行移動処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズと、図１０Ｂに示すような拡大処理及び又は縮小処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズと、図１０Ｃに示すような回転処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズとを積層させて内部レンズ部を構成するようにしてもよく、このうちいずれか２種の幾何学変換レンズ用液晶レンズを組み合わせてもよい。なお、このような３種類の幾何学変換レンズ用液晶レンズを積層させる際には、上述の実施例と等価な被写体像を得るには、平行移動処理、拡大処理及び又は縮小処理、回転処理の順番に留意する必要がある。

実際上、図１０Ａに示すように、平行移動処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズは、第１層５０ａと第２層５０ｂで構成されており、第１層５０ａのラビング方向と、第２層５０ｂのラビング方向とが直交するように積層され得る。ここで、図１０Ａは、第１層５０ａ及び第２層５０ｂの上面構成を示すものであり、第１層５０ａは、一側部に配置されたITO電極層５１ａと、他側部に配置された対向電極５２ａとの間に液晶層５３ａが設けられており、ITO電極層５１ａに電圧が印加されることで液晶層５３ａにおける液晶内の分子が配向状態を変化させ得る。

また、第２層５０ｂも、同様に一側部に配置されたITO電極層５１ｂと、他側部に配置された対向電極５２ｂとの間に液晶層５３ｂが設けられおり、ITO電極層５１ｂに電圧が印加されることで液晶層５３ｂにおける液晶内の分子が配向状態を変化させ得る。これにより、図１０Ａに示す幾何学変換レンズ用液晶レンズは、ラビング方向が直交する第１層５０ａと第２層５０ｂの液晶内の分子の配向状態をそれぞれ任意に変化させ、固体撮像素子に結像される被写体像を平行移動し得る。

また、図１０Ｂに示すように、拡大処理及び又は縮小処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズは、第１層５５ａと第２層５５ｂで構成されており、第１層５５ａのラビング方向と、第２層５５ｂのラビング方向とが直交するように積層され得る。ここで、図１０Ｂは、第１層５５ａ及び第２層５５ｂの上面構成を示すものであり、第１層５５ａは、ITO電極層５６ａと、このITO電極層５６ａと対向した対向電極（図示せず）との間に液晶層が設けられており、ITO電極層５６ａに電圧が印加されることで液晶層における液晶内の分子が配向状態を変化させ得る。

第２層５５ｂも、同様にITO電極層５６ｂと、ITO電極層５６ｂに対向した対向電極（図示せず）との間に液晶層が設けられおり、ITO電極層５６ｂに電圧が印加されることで液晶層における液晶内の分子が配向状態を変化させ得る。これにより、図１０Ｂに示す幾何学変換レンズ用液晶レンズは、ラビング方向が直交する第１層５５ａと第２層５５ｂの液晶内の分子の配向状態をそれぞれ任意に変化させ、固体撮像素子に結像される被写体像を拡大・縮小し得る。

さらに、図１０Ｃに示すように、回転処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズは、第１層６０ａと第２層６０ｂで構成されており、第１層６０ａのラビング方向と、第２層６０ｂのラビング方向とが直交するように積層され得る。ここで、図１０Ｃは、第１層６０ａ及び第２層６０ｂの上面構成を示すものであり、第１層６０ａは、一側部に対向電極６１ａとITO電極層６２ａとが平面部を直線状に配置させるように設けられている。

また、第１層６０ａには、他側部にもITO電極層６３ａと対向電極６４ａとが平面部を直線状に配置させるように設けられ、一側部の対向電極６１ａと対向するようにITO電極層６３ａが配置されているとともに、同じく一側部のITO電極層６２ａと対向するように対向電極６４ａが配置されている。

第１層６０ａには、対向電極６１ａ及びITO電極層６２ａの対と、ITO電極層６３ａ及び対向電極６４ａの対との間に液晶層が設けられており、ITO電極層６２ａ,６３ａに電圧が印加されることで液晶層における液晶内の分子が配向状態を変化させ得る。

一方、第２層６０ｂにも、一側部に対向電極６１ｂとITO電極層６２ｂとが平面部を直線状に配置させるように設けられている。また、第２層６０ｂには、他側部にもITO電極層６３ｂと対向電極６４ｂとが平面部を直線状に配置させるように設けられ、一側部の対向電極６１ｂと対向するようにITO電極層６３ｂが配置されているとともに、同じく一側部のITO電極層６２ｂと対向するように対向電極６４ｂが配置されている。

第２層６０ｂには、対向電極６１ｂ及びITO電極層６２ｂの対と、ITO電極層６３ｂ及び対向電極６４ｂの対との間に液晶層が設けられており、ITO電極層６２ｂ,６３ｂに電圧が印加されることで液晶層における液晶内の分子が配向状態を変化させ得る。これにより、図１０Ｃに示す幾何学変換レンズ用液晶レンズは、ラビング方向が直交する第１層６０ａと第２層６０ｂの液晶内の分子の配向状態をそれぞれ任意に変化させ、固体撮像素子に結像される被写体像を回転し得る。

（３）動作及び効果
以上の構成において、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、第１基板２１と第２基板２２との間に、液晶内の分子３５を一方向に配向させた液晶レンズ層２３を設け、拡大・縮小用電極EL_2,mnがマトリックス状に配置されたITO電極層３１を液晶レンズ層２３上に設けるようにした。また、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、撮像画像のうち一又は複数の箇所が拡大指定がされると、拡大指定位置P1に対応した一又は複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnに拡大率指令電圧V_2,mnが印加され、当該拡大・縮小用電極EL_2,mnに対向した液晶レンズ層２３内の液晶内の分子３５が指定位置から離れるに連れて焦点距離が短くなる非球面凸レンズと同じ働きをする屈折率分布となるよう配向される。これにより幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、被写体からの光束が通過する際、これら配向状態が変化した液晶内の分子３５により屈折率を変化させ、拡大指定位置P1を拡大中心として拡大させた被写体像を個体撮像素子に結像させることができる。

これにより、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、所定の拡大・縮小用電極EL_2,mnに拡大率指令電圧V_2,mnを単に印加するだけで、液晶レンズ層２３内の液晶内の分子３５の配向状態を変化させ、撮像画像のうちユーザが所望する箇所だけを拡大させ、視野の広さを維持したまま画像全体のデータ量を増加させることなく所望する箇所の解像度を向上させることができる。

このように、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、詳細に観察したい他の被写体が撮像画角内に存在していても、モータ等の大掛かりな可動機構でレンズ自体を移動させなくとも、所定の拡大・縮小用電極EL_2,mnに拡大率指令電圧V_2,mnを単に印加するだけで、撮像画像内の所望の箇所を光学的に拡大させることができるので、従来のようなレンズを移動させるメカニカルな可動機構を設置するための収納スペースや、レンズ自体を移動させるための移動スペースが不必要となり、さらに、液晶内の分子３５のみを動かし、メカニカルな可動機構を動かす必要がないため、その分だけ小型化並びに省エネルギー性の向上を図ることができる。

また、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、液晶レンズ層２３上に複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnがマトリックス状に配置されたITO電極層３１が設けられていることから、所望の位置の拡大・縮小用電極EL_2,mnに同時に拡大率指令電圧V_2,mnと印加することで、同時に複数の箇所の液晶内の分子３５の配向状態を変化させて屈折率を変化させることができ、かくして、複数の拡大指定位置P1を拡大中心として複数個所を同時に拡大させた被写体像を個体撮像素子に結像させることもできる。

また、このような幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを用いた撮像装置１では、このようにして被写体像の一又は複数の箇所を拡大させた画像信号を撮像部３から入力画像補正部４に送出し、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにて拡大させた拡大箇所を、当該入力画像補正部４によって再び縮小させ元の倍率に戻す。このように、この撮像装置１では、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにて拡大した拡大箇所を、入力画像補正部４によって縮小し再び元の縮尺に戻し、これを撮像画像として表示部５に表示していることから、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにより拡大させ解像度を向上させた拡大箇所を不自然に拡大させた状態のままユーザに提示することなく、全体的に縮尺が揃った自然な撮像画像をユーザに提示できる。

また、これに加えて、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、撮像画像のうち一又は複数の箇所が縮小指定されると、縮小指定位置に対応した一又は複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnに縮小率指令電圧V_2,mnが印加され、当該拡大・縮小用電極EL_2,mnに対向した液晶レンズ層２３内の液晶内の分子３５が指定位置から離れるに連れて焦点距離が長くなる非球面凹レンズと同じ働きをする屈折率分布となるよう配向される。これにより幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、被写体からの光束が通過する際、これら配向状態が変化した液晶内の分子３５により光束の屈折率を変化させ、縮小指定位置を拡大中心として縮小させた被写体像を個体撮像素子に結像させることができる。

これにより、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、所定の拡大・縮小用電極EL_2,mnに縮小率指令電圧V´_2,mnを単に印加するだけで、液晶レンズ層２３内の液晶内の分子３５の配向状態を変化させ、撮像画像のうちユーザが所望する箇所を縮小させ解像度を低下させ、不必要な箇所に割り当てるデータ量を抑えることができる。

このように、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、モータ等の大掛かりな可動機構でレンズ自体を移動させなくとも、所定の拡大・縮小用電極EL_2,mnに縮小率指令電圧V´_2,mnを単に印加するだけで、撮像画像内の所望の箇所を光学的に縮小させることができるので、従来のようなレンズを移動させるメカニカルな可動機構を設置するための収納スペースや、レンズ自体を移動させるための移動スペースが不必要となり、さらに、液晶内の分子３５のみを動かし、メカニカルな可動機構を動かす必要がないため、その分だけ小型化並びに省エネルギー性の向上を図ることができる。

また、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、液晶レンズ層２３上に複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnがマトリックス状に配置されたITO電極層３１が設けられていることから、所望の位置の拡大・縮小用電極EL_2,mnに同時に縮小率指令電圧V´_2,mnと印加することで、同時に複数の箇所の液晶内の分子３５の配向状態を変化させて屈折率を変化させることができ、かくして、複数の縮小指定位置を縮小中心として複数個所を同時に縮小させた被写体像を個体撮像素子に結像させることもできる。

また、この場合でも拡大処理と同様に撮像装置１では、このようにして被写体像の一又は複数の箇所を縮小させた縮小箇所を、入力画像補正部４によって再び拡大させ元の倍率に戻すことで、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにより縮小させ解像度を低下させた縮小箇所を不自然に縮小させた状態のままユーザに提示することなく、全体的に縮尺が揃った自然な撮像画像をユーザに提示できる。

そして、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、一又は複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnに拡大率指令電圧V_2,mnが印加され、これと同時に残りの他の一又は複数の拡大・縮小用電極EL_2,mnに縮小率指令電圧V_2,mnが印加されることで、これら拡大率指令電圧V_2,mn及び縮小率指令電圧V_2,mnにより配向状態が変化した液晶内の分子３５によって、被写体からの光束を屈折させ、ある箇所で拡大指定位置P1を拡大中心として拡大させ、同時に他の箇所で縮小指定位置を縮小中心として縮小させた被写体像を、個体撮像素子に結像させることができる。

また、この場合でも、撮像装置１では、被写体像の一又は複数の箇所を拡大させた拡大箇所を、入力画像補正部４によって再び縮小させるとともに、被写体像の一又は複数の箇所を縮小させた縮小箇所を、入力画像補正部４によって再び拡大させ、全体の倍率を元の倍率に戻し統一させることで、不自然に拡大及び縮小させた状態の撮像画像をそのままユーザに提示することなく、全体的に縮尺が揃った自然な撮像画像をユーザに提示できる。また、これにより、撮像装置１では、視野の広さを維持したまま、不必要な箇所が縮小されてデータ量が抑えられていることから、撮像画像全体のデータ量を増加させることなく、所望する箇所だけを拡大させて解像度を向上させた撮像画像をユーザに提示することができる。

さらに、これに加えて、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、拡大・縮小用電極EL_2,mnとは別に複数の回転用電極EL_1,mnが縦横に規則的に配置されたITO電極層３１が液晶レンズ層２３上に設けられており、回転用電極EL_1,mnに回転指令電圧V_1,mnがそれぞれ印加されることで、各回転用電極EL_1,mnに対向した液晶レンズ層２３内の液晶内の分子３５の配向状態を変化させ、これら液晶内の分子３５をそれぞれ所定角度に回転させることができる。

これにより、この幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、被写体からの光束が通過する際、これら配向状態が変化した液晶内の分子３５により光束の屈折率が変化し、液晶内の分子３５によって回転中心位置を中心に所定角度だけ回転した被写体像を個体撮像素子に結像させることができる。

以上の構成によれば、液晶内の分子３５が封入された液晶レンズ層２３を第１基板２１と第２基板２２との間に備え、この液晶レンズ層２３に与えられる外部刺激たる電圧により液晶内の分子３５を配向制御し、液晶内の分子３５の配向変化により被写体像を幾何学変換させるようにしたことにより、従来のようなレンズを移動させるメカニカルな可動機構が不要となりその分だけ小型化及び省エネルギー性の向上を図れ、かつ被写体像を所望の形態に幾何学変換し得る。

（４）他の実施の形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、例えば、上述した実施の形態においては、区分けせずに連続的な空間でなる液晶レンズ層２３を用い、拡大・縮小用電極EL_2,mn及び回転用電極EL^xy _1,mnが連続的にパターン化して配置されたITO電極層３１を液晶レンズ層２３に設けた連続型の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図１１に示すように、仕切り部４０により液晶レンズ層４５を区分けしたマイクロ液晶レンズセル４１を縦横に複数個連結させてアレイ状に配置し、これら各マイクロ液晶レンズセル４１毎に電極セル３７をそれぞれ設けた離散型の幾何学変換レンズ用液晶レンズを適用してもよい。

この場合、離散型の幾何学変換レンズ用液晶レンズに用いられるマイクロ液晶レンズセル４１は、例えば電極セル３７とほぼ同じ大きさからなり、透明部材でなる仕切り部４０により区分けされた密封空間に液晶内の分子が密封された構成を有する。離散型の幾何学変換レンズ用液晶レンズでは、隙間無くアレイ状に配置させたマイクロ液晶レンズセル４１に対して、それぞれ電極セル３７により拡大率指令電圧V_2,mn、縮小率指令電圧V´_2,mn、回転指令電圧V^xy _1,mnが印加されることで、各マイクロ液晶レンズセル４１毎に液晶内の分子の配向状態を変化させ、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、図１２Ａと、図１２Ａの側断面構成を示す図１２Ｂは、１つのマイクロ液晶レンズセル４１での液晶レンズ層４５の概略図を示し、当該液晶レンズ層４５においてプレチルト角を打ち消したときの液晶内の分子３５の配向状態が示されている。この場合、液晶レンズ層４５内では、液晶内の分子３５がラビング処理により面方向にのみ平行に横たわって並んでおり、被写体像の回転と、被写体像の拡大中心点からの距離に応じた拡大率分布が、電極セル３７に印加される拡大率指令電圧V_2,mnと回転指令電圧V^xy _1,mnとによって制御され得る。

なお、この場合でも、液晶内の分子３５のプレチルト角が0度のとき、ラビング処理の方向によって液晶内の分子３５の配向方向が決定されるため、この異方性の光学系への影響を軽減するために、内部レンズ部では、上述した実施の形態と同様に、入力側レンズ群及び出力側レンズ群において、それぞれ２つの幾何学変換レンズ用液晶レンズが積層され、２枚のマイクロ液晶レンズセル４１が積層した構造となる。

例えば、入力側レンズ群では、第１層目のマイクロ液晶レンズセル４１の液晶内の分子が、第２層目のマイクロ液晶レンズセル４１の液晶内の分子と90度回転させた構成となり得る（なお、これらマイクロ液晶レンズセル４１を積層させることは図１２Ａの上面図をみたときマイクロ液晶レンズセル４１の上面と垂直な方向(光軸方向)に液晶内の分子３５を離散化させるとも言い得る）。また、上述した実施の形態と同様に、出力側レンズ群でも入力側レンズ群と同様に、第１層目のマイクロ液晶レンズセル４１の液晶内の分子が、第２層目のマイクロ液晶レンズセル４１の液晶内の分子と90度回転させた構成となり得る。

この場合、このようなマイクロ液晶レンズセル４１では、先ず始めにプレチルト角が0度のとき液晶内の分子３５がラビング方向と平行になるように、回転指令電圧V^xy _1,mnが与えられ、これにより図１２Ｂに示すように液晶内の分子３５が無回転の状態とされ、面方向に平行となり得る。なお、ラビング処理を施した第１基板２１又は第２基板２２に近い液晶内の分子３５は電圧を印加せずともプレチルト角をもってラビング方向に拘束されるため、マイクロ液晶レンズセル４１上面から液晶内の分子３５を見ると、図１２Ａのように見える。すなわち、ラビング処理を施した第１基板２１又は第２基板２２から離れた位置にある液晶内の分子３５に関して、回転指令電圧V^xy _1,mnを与えて無回転の状態にさせる操作を行う必要がある。

その後、マイクロ液晶レンズセル４１では、所定の拡大率指令電圧V_2,mnが印加されることで、図１３に示すように、液晶内の分子３５が拡大率指令電圧V_2,mnの大きさに応じて僅かに立ち上がり（すなわち、チルト角をもつことになる)、拡大指令電圧を与えた位置から離れるにつれて焦点距離が短くなる非球面凸レンズと同じ働きをする屈折率分布になるよう液晶内の分子３５の配向状態が変わり得る。

一方、マイクロ液晶レンズセル４１を通過する光束に回転を与えるときには、液晶内の分子３５のプレチルト角が0度になるように拡大率指令電圧V_2,mn等を与えた上で、回転指令電圧V^xy _1,mnを変化させて、回転用電極EL¹¹ _1,mn,EL¹² _1,mn間と、回転用電極EL¹² _1,mn,EL²² _1,mn間と、回転用電極EL²² _1,mn,L²¹ _1,mn間と、回転用電極EL²¹ _1,mn,EL¹¹ _1,mn間の４つの領域に対向する各位置にて、液晶レンズ面に対して平行な方向に平行移動し得る。

また、この際、対向する液晶レンズ層３７内では、基板（ラビング処理を施した第１基板２１又は第２基板２２）から離れた位置で液晶の配向方向の拘束からある程度自由になった液晶内の分子３５が、通常の回転の他に液晶レンズ面に直交する軸周りの方向へ回転し得る。このようにしてマイクロ液晶レンズセル４１では、チルト角とともに、図１４に示すように、液晶内の分子３５のパン角が一定になるように制御できる。かくして、このような離散型の幾何学変換レンズ用液晶レンズでも、電圧に応じて液晶内の分子の配向状態を自由に変化させることができ、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態においては、拡大用電極及び縮小用電極として、縦8個、横8個でマトリックス状に配置された合計64個の拡大・縮小用電極El_2,mn（m,nは1〜8のいずれかの整数）を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、拡大・縮小用電極El_2,mnの数は任意の数でよく、縦M個、横N個（M,Nは任意の整数）でマトリックス状に配置された合計M×N個の拡大・縮小用電極El_2,mn（この場合、mは1〜Mのいずれかの整数、nは1〜Nのいずれかの整数）を適用してもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、回転用電極として、縦8個、横8個の各拡大・縮小用電極EL_2,mnにそれぞれ対応付けられ、各拡大・縮小用電極EL_2,mnを中心に縦2個、横2個に規則的に配置された合計（8×8）×4個の回転用電極EL^xy _1,mn（x,yは１又は２の整数で行列を表す）を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、回転用電極EL^xy _1,mnの数は任意の数でよく、縦M個、横N個（M,Nは任意の整数）の各拡大・縮小用電極EL_2,mn（この場合、mは1〜Mのいずれかの整数、nは1〜Nのいずれかの整数）にそれぞれ対応付けられ、各拡大・縮小用電極EL_2,mnを中心に縦X個、横Y個（X,Yは任意の整数）に配置された合計（M×N）×（X×Y）個の回転用電極EL^xy _1,mn（この場合、xは1〜Xのいずれかの整数、yは1〜Yのいずれかの整数）を適用してもよい。

さらに、上述した連続型の幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄや、変形例である離散型の幾何学変換レンズ用液晶レンズの他、マイクロ液晶レンズセル４１よりも大きな液晶レンズセルに液晶レンズ層を離散的に分割し、連続型の電極パターンでなるITO電極層をこの液晶レンズ層に設けたハイブリット型の幾何学変換レンズ用液晶レンズ等、その他種々の構成でなる幾何学変換レンズ用液晶レンズを適用してもよい。なお、上述した実施の形態にて採用した連続型の液晶レンズ層を用いた幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、離散型の幾何学変換レンズに比べて仕切り部４０を有しない分だけ高い光量の被写体像を固定撮像素子に結像させることができ、また被写体像の各点における拡大率と回転を任意に指定し得、これらを連続的に滑らかに被写体像を変化させることができる。

さらに、上述した実施の形態においては、拡大・縮小用電極EL_2,mnと回転用電極EL^xy _1,mnとが所定パターンで配置されたITO電極層３１を液晶レンズ層２３に設け、拡大処理、縮小処理及び回転処理を１つの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄで実行し得るようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、上述でも述べたが、図９Ａに示すような拡大・縮小用電極EL_2,mnだけが所定パターンで配置されたITO電極層を液晶レンズ層２３に設け、拡大処理及び縮小処理だけを１つの幾何学変換レンズ用液晶レンズで実行するようにしたり、或いは、図９Ｂに示すような回転用電極EL^xy _1,mnだけが所定パターンで配置されたITO電極層を液晶レンズ層２３に設け、回転処理だけを１つの幾何学変換レンズ用液晶レンズで実行するようにしてもよい。

また、これら拡大処理及び縮小処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズと、回転処理だけを実行可能な幾何学変換レンズ用液晶レンズとを積層させ組み合わせて内部レンズ部を構成するようにしてもよい。このように、液晶内の分子のパン角の回転と、チルト角の回転とを幾何学変換レンズ毎に別々に制御可能な構造とした場合には、拡大率分布や回転量を連続的に変化させた被写体像が得られることができるとともに、各液晶レンズ層上での電極配置を簡素化し得、一段と大きな光量を得ることができるという利点がある。

さらに、上述した実施の形態においては、拡大率指令電圧V_2,mn、縮小率指令電圧V´_2,mn、回転指令電圧V^xy _1,mnを印加することにより液晶内の分子３５の配向状態を変化させ、固体撮像素子に結像される被写体像を拡大、縮小又は回転させる幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを適用した場合について述べたが、本発明ではこれに限らず、所定の電圧をITO電極層３１に印加することにより液晶内の分子３５の配向状態を任意に変化させ、固体撮像素子に結像される被写体像を平行移動させる等その他種々の状態に幾何学変換し得る幾何学変換レンズを適用してもよい。

例えば、幾何学変換レンズ１５により固体撮像素子に結像される被写体像を平行移動させる場合には、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄのうち、入力側レンズ群１８ａの幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａを例にあげると、ある特定箇所の拡大・縮小用電極EL_2,mnに印加される拡大率指令電圧V_2,mn(もしくは縮小率指令電圧V´_2,mn)をその周囲の４つの回転指令電圧V^xy _1,mnと等しくし、これを移動指令電圧として印加することにより、液晶内の分子３５の配向状態を変化させ、固体撮像素子に結像される被写体像を、例えば上方向、下方向、左方向又は右方向のいずれか一方向に移動させる幾何学変換レンズ用液晶レンズとして動作させることができる。

具体的には、被写体像を一方向に移動させるために、液晶内の分子３５の配向方向が、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａの液晶内の分子３５と直交する幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ｂを、上述した幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａと同様の手法で動作させ、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂの液晶内の分子３５を同時に任意の一方向へ移動させることで、当該任意の一方向と同じ一方向に被写体像を平行移動させることが可能となる。

すなわち、上述の実施例では、基準電極３０に印加される基準電圧からの拡大率指令電圧V_2,mn(もしくは縮小率指令電圧V´_2,mn)及びその周囲の４つの回転指令電圧V^xy _1,mnへのバイアス電圧により、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは拡大、縮小、回転の他に像を平行移動させ得る。この場合、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄでは、バイアス電圧によりプレチルト角を0度にした後、その値を基準とした電圧が平行移動量に対応することになる。

さらに、上述した実施の形態においては、拡大率指令電圧V_2,mn、縮小率指令電圧V´_2,mn、回転指令電圧V^xy _1,mnを印加することにより配向状態が変化する液晶内の分子３５を用い、幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの屈折率を変化させる幾何学変換レンズを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、磁力や原子・分子間力、放射線等の外部刺激が外部から与えられることによって、対象部材の外観形状を変化させることなく、内部の屈折率を変化させる種々の屈折率変化手段を用いて屈折率を変化させる幾何学変換レンズを適用してもよい。

また、例えば、光の屈折率を変化させる手法としては、ガラス板あるいはプラスチック等の基板上に酸化インジウム・スズ、酸化タングステン、酸化タンタル、アルミニウム、パラジウム及びマグネシウム・ニッケル系合金薄膜を重ね合わせた構造をした薄膜材料を用い、外部からの電気及び磁力の印加によって、薄膜材料の透明度を変化させて屈折率を変化させる手法を適用してもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、液晶内の分子３５により光の屈折率を変化させる幾何学変換レンズ用液晶レンズ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを用いた幾何学変換レンズを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、光のみならず、電子や電気、磁力、原子・分子間力、放射線等のあらゆるものの屈折率を変換させる幾何学変換レンズを適用してもよい。

Claims (4)

1. 第１基板と第２基板との間に設けられ、液晶分子が封入された液晶レンズ層と、
   前記第１基板に設けられた第１電極と、
   前記第２基板に設けられた第２電極とを有しており、
   前記第２電極から前記第１電極へのバイアス電圧が印加されることで、前記第１電極及び前記第２電極間の前記液晶分子を配向制御し、被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させて、広角の視野の広さを保持したまま、一つ又は複数個所を拡大及び又は縮小させる
   ことを特徴とする幾何学変換レンズ。
2. 前記第１電極には、一又は規則的に配置された複数の拡大・縮小用電極が設けられており、
   一又は複数の選択された前記拡大・縮小用電極にだけ電圧が印加されることで、前記一又は複数の選択された拡大・縮小用電極に対向する前記液晶分子を配向制御し、前記被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させ被写体像を拡大及び又は縮小させる
   ことを特徴とする請求項１記載の幾何学変換レンズ。
3. 第１基板と第２基板との間に設けられ、液晶分子が封入された液晶レンズ層と、
   前記第１基板に設けられた第１電極と、
   前記第２基板に設けられた第２電極とを有しており、
   前記第１電極は、規則的に配置された複数の回転用電極が設けられており、
   前記複数の回転用電極に電圧が印加されることで、前記回転用電極に対向する前記液晶分子を配向制御し、前記被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させ被写体像を回転させる
   ことを特徴とする幾何学変換レンズ。
4. 第１基板と第２基板との間に設けられ、液晶分子が封入された液晶レンズ層と、
   前記第１基板に設けられた第１電極と、
   前記第２基板に設けられた第２電極とを有しており、
   前記第２電極から前記第１電極へのバイアス電圧が印加されることで、前記第１電極及び前記第２電極間の前記液晶分子を配向制御し、前記被写体からの光束を前記液晶分子により屈折させ被写体像を平行移動させる
   ことを特徴とする幾何学変換レンズ。

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