自動合焦点装置
【課題】液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出した後に、焦点信号の最大値を検出することによって、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自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【解決手段】液晶レンズ（７）と、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段（６）と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段（３）と、液晶レンズを過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成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複数の焦点信号を抽出し、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ように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段（５）を有することを特徴とする自動合焦点装置（１００）。
【解決手段】液晶レンズ（７）と、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段（６）と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段（３）と、液晶レンズを過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成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複数の焦点信号を抽出し、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ように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段（５）を有することを特徴とする自動合焦点装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動合焦点装置に関し、特に焦点距離の調整用に液晶レンズを用い、その液晶レンズの過渡応答動作中に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合焦点を検出する自動合焦点装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。）。このような液晶レンズでは、パターン電極と共通電極を備えた２枚のガラス基板間に液晶層を挟持した構成となっている。そして、このパターン電極は、中心部電極と複数個の輪帯電極を有し、中心部電極と各輪帯電極とが電圧降下抵抗にて接続された構成となっている。そして、各輪帯電極とは絶縁して中心部電極に接続された引き出し電極には、電力増幅器を介して可変抵抗が接続されており、輪帯電極（外周部電極）に接続された引き出し電極には、増幅器を介して可変抵抗が接続されている。さらに、これら可変抵抗に並列に接続された交流源から供給される交流電圧は、可変抵抗により、降圧されるようになっている。引き出し電極に印加された電圧信号と電圧降下抵抗より電圧分布が形成され、液晶層に電圧分布が形成される。そして、可変抵抗をそれぞれ調整することにより、液晶層に様々な電圧分布を発生させることが可能となる。
【０００４】
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（例えば、非特許文献１参照。）。また、この山登り制御方式を用いた種々のオートフォーカス装置等が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０４７０８２号公報
【特許文献２】実公平２−４４２４８号公報
【特許文献３】特許第２７４２７４１号公報
【特許文献４】特公平１−１５１８８号公報
【特許文献５】特公平２−１１０６８号公報
【非特許文献１】半間謙太郎、外４名、「輪郭検出オートフォーカス方式」、テレビジョン学会技術報告、昭和５７年１１月２９日、ｐ．７−１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、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ことについての提案はなされていない。その理由として、液晶レンズを用いた場合には、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ことが考えられる。以下、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。なお、比較では、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ポジションの検出が必要になると仮定する。
【０００７】
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。
【０００８】
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うこととなる。
【０００９】
しかし、一般に、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、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、非現実的である。
【００１０】
また、特許文献１によれば、液晶レンズが電圧降下抵抗の両端に電圧を印加する構成となっており、当然のことながら、どちらか一端に他端より低い電圧を印加する場合がある。例えば、凸レンズとして作用させたいときは一方の引き出し電極に低い電圧を、他方の引き出し電極に高い電圧を印加する。
【００１１】
このとき、使用した液晶層の液晶材料によっては、低い電圧を印加した側の液晶の過渡応答が完了する時間が、高い電圧を印加した側の液晶の過渡応答が完了する時間よりも遅くなる。このように、液晶レンズの動作を凸レンズとしたいときには、液晶層の全面に渡って印加した電圧に応じて応答すればよいが、過渡応答が完了するのに遅いところが生じると、凸レンズとして機能するまでの時間は低い電圧を印加した側の液晶の応答時間によって決定されることになる。
【００１２】
特に、レンズとしてのパワーを最大限に引き出そうとする場合には、中心部電極と外周部電極の電圧差を最大にすることとなるので、低い電圧を印加した側では液晶層の液晶分子が実効的に動作するできるだけ低い電圧を使うことになり、この部分での適切な屈折率分布をもつレンズになるまで（過渡応答が完了するまで）長い時間を要するという問題があった。
【００１３】
さらに、レンズとしてのパワーをできるだけ大きくする場合には、液晶材料の複屈折率を大きくしたり、液晶層の厚みを大きくしたりしなくてはならなくなる。しかしながら、その様な構成とすると、先に示したと同様に液晶の応答は遅くなり、適切な屈折率分布をもつレンズになるまで長い時間を要するという問題があった。
【００１４】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消することを可能とする自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出した後に、焦点信号の最大値を検出することによって、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自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明に係る自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズ駆動手段を制御して液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成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複数の焦点信号を抽出し、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ように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に、所定電圧を印加して前記液晶レンズを過渡応答動作させることが好ましい。
【００１８】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、液晶レンズは、抵抗接続された中心部電極と外周部電極とを有するパターン電極と共通電極がそれぞれ形成された２枚の透明基板間に液晶層を挟持してなり、液晶レンズ駆動手段は中心部電極と外周部電極とに異なる所定の電圧を印加することが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、中心部電極及び外周部電極に、最大印加電圧を印加して、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、所定電圧として、液晶レンズを凹レンズまたは凸レンズの状態にするための電圧を印加することが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、所定電圧として液晶レンズを凸レンズの状態にするための第１の電圧と、液晶レンズを凹レンズの状態にするための第２の電圧を異なるタイミングで印加することが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの何れか一方の状態にするための第１の電圧を印加し、液晶レンズを再度初期状態に復帰させた後に液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの他方の状態にするための第２の電圧を印加することが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、焦点距離の調整用に液晶レンズを用い、その液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出し、それら焦点信号の最大値を検出することによって、実用にあたって十分な速さで合焦点を検出することが可能となる。
【００２４】
また、本発明によれば、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に、液晶レンズに過渡応答動作を行わせるので、過渡応答動作の再現性が増し、取得した焦点信号から正確な合焦点位置を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る自動合焦点装置について説明する。
【００２６】
図１は、自動合焦点装置１００の概略構成を示すブロック図である。
【００２７】
図１に示すように、自動合焦点装置１００は、液晶（ＬＣ）レンズ系１、光学レンズ系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（ＡＦ）コントローラ５、及び液晶レンズドライバ６等を備えている。液晶レンズ系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。光学レンズ系２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３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。
【００２８】
液晶レンズ系１および光学レンズ系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。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、液晶レンズの過渡応答動作期間中に、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（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５は、抽出された複数の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ときのサンプリングタイミングを判定し、その判定結果に基づいて、液晶レンズ系１の駆動条件の制御を行う。
【００２９】
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と記憶手段５２等を有する。記憶手段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系１に電圧を印加する。
【００３０】
オートフォーカスコントローラ５により実行される処理内容については、後述する。液晶レンズ系１および光学レンズ系２は、光学レンズ手段に相当する。撮像素子３および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は、焦点信号抽出、合焦点判定、及び液晶レンズドライバ６を制御する手段に相当する。液晶レンズドライバ６は、液晶レンズを駆動する手段に相当する。
【００３１】
図２および図３は、Ｐ波用液晶レンズ７のセル構成を示す正面図および断面図である。
【００３２】
Ｐ波用液晶レンズ７は、図２および図３に示すように、一対の対向するガラス基板８，９の内側にパターン電極１０と共通電極１１が対向して配置され、パターン電極１０および共通電極１１の内側に配向膜１２，１３が対向して配置され、その間に例えばホモジニアス配向の液晶層１４が封入された液晶パネルを構成している。
【００３３】
Ｐ波用液晶レンズ７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１５が設けられている。また、Ｐ波用液晶レンズ７の周縁部は、シール部材１６により封止されている。液晶層１４の厚さは、スペーサ部材１７により一定に保たれている。パターン電極１０の電極取り出し部１８には、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）１９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１８の一部は、パターン電極１０から絶縁されており、共通電極１１に接続されている。
【００３４】
ガラス基板８，９の一辺の長さは数ｍｍから十数ｍｍ程度、例えば１０ｍｍが好ましい。ただし、パターン電極１０側のガラス基板８については、パターン電極１０の電極取り出し部１８を被う部分を除いた寸法である。ガラス基板８，９の厚さは数百μｍ程度、例えば３００μｍが好ましい。液晶層１４の厚さは十数μｍから数十μｍ程度、例えば２３μｍが好ましい。レンズ部１５の直径は数ｍｍ程度、例えば２．４ｍｍが好ましい。なお、上記の数値は一例であって、これに限定されるものではない。
【００３５】
図４は、パターン電極１０の構成を示す正面図である。
【００３６】
図４に示すように、パターン電極１０は、円形状の中心部電極２０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２１，２２が配置されたパターンを有する。中心部電極２０と最も内側の輪帯電極２１の間、および隣り合う輪帯電極２１，２２の間は、空間となっている。そして、中心部電極２０と最も内側の輪帯電極２１、および隣り合う輪帯電極２１，２２は、輪帯接続部２３を介して互いに接続されている。
【００３７】
中心部電極２０からは、中心部引き出し電極２４が、他の輪帯電極２１，２２および輪帯接続部２３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２２（以下、外周部電極２２とする）の外側まで伸びている。一方、外周部電極２２からは、その外側まで、外周部引き出し電極２５が他の電極から絶縁された状態で伸びている。パターン電極１０の図４に示すパターンは、レンズ部１５に重なるように配置される。
【００３８】
中心部引き出し電極２４と外周部引き出し電極２５にそれぞれ印加された電圧に応じて、共通電極１１に対する中心部電極２０、中心部電極２０と外周部電極２２との間の各輪帯電極２１、および外周部電極２２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１０によってレンズ部１５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７の屈折率の分布が変化し、液晶レンズ７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。
【００３９】
図４では、中心部電極２０、外周部電極２２およびその間の輪帯電極２１の総数を７としたが、中心部電極２０、外周部電極２２およびその間の輪帯電極２１の総数は、例えば２７が好ましい。また、中心部電極２０の径、各輪帯電極２１の幅および外周部電極２２の幅は、レンズ部１５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２０、輪帯電極２１および外周部電極２２の隣り合うもの同士の間にある空間の幅は、例えば３μｍが好ましい。また、各輪帯接続部２３の抵抗値は、例えば１ｋΩが好ましい。上記の数、数値は一例であって、これに限定されるものではない。
【００４０】
図５は、液晶レンズにおける駆動電圧と屈折率分布との関係を示した図である。
【００４１】
図５では、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、液晶に印加される駆動電圧例（図５（ａ））及びその時の屈折率の変化（図５（ｂ））が示されている。
【００４２】
図５（ａ）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、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（図５（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（図５（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。
【００４３】
各部の寸法や特性値が上述した値のＰ波用液晶レンズ７およびパターン電極１０を用い、液晶層１４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たこの場合、例えば駆動電圧Ｖ０の立ち上がり（０Ｖから５Ｖへ）に対する液晶の過渡応答動作時間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ０の立ち下がり（５Ｖから０Ｖへ）に対する液晶の過渡応答動作時間ｔｒは、ともに５００ミリ秒程度である。
【００４４】
このように、液晶の過渡応答動作が終了するまである程度の時間がかかる。そこで、自動合焦点装置１００では、液晶の過渡応答動作期間中に、液晶レンズ系１および光学レンズ系２を通過した光学像から生成された画像信号を所定の周期でサンプリングする。
【００４５】
図６は、駆動電圧の立ち上がり時の過渡応答動作期間ｔｆにおける液晶の屈折率の変化の様子と、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離の変化を示した図である。
【００４６】
例えば、図６（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、過渡応答動作期間ｔｆが経過すると一定になるので、液晶レンズ７の中心部電極２０、各輪帯電極２１および外周部電極２２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、Ｐ波用液晶レンズ７の屈折率分布がある分布に定まり、Ｐ波用液晶レンズ７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。
【００４７】
図６（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Ｐ波用液晶レンズ７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。説明の便宜上、Ｐ波用液晶レンズ７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、Ｐ波用液晶レンズ７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、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆが正または負の無限大であるとき、Ｐ波用液晶レンズ７は平行ガラスの状態となる。
【００４８】
自動合焦点装置１００では、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆが一定値に収束するまでの過渡応答動作期間ｔｆの時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５およびｔ６において画像信号をサンプリングする。各サンプリングタイミングでは、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆが異なる。従って、Ｐ波用液晶レンズ７の１回の過渡応答動作期間中に、焦点距離ｆが種々異なる状態の液晶レンズ７を通過した光学像から生成された画像信号をサンプリングすることができるので、焦点整合度に対応した複数のオートフォーカス信号を抽出することができる。
【００４９】
ここで、サンプリング周期ｔｓは、例えばフレームの周期に同期している。なお、Ｐ波用液晶レンズ７の立ち下がり時の過渡応答動作期間ｔｒにおいて、画像信号をサンプリングしてもよい。また、サンプリング数は、６個に限らない。
【００５０】
予め、１番目にサンプリングする時刻ｔ１におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆ１、２番目にサンプリングする時刻ｔ２におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆ２、というように、サンプリングする時刻とＰ波用液晶レンズ７の焦点距離との関係が求められている。この関係は、例えばオートフォーカスコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５１】
従って、オートフォーカスコントローラ５のマイクロプロセッサ５１は、Ｐ波用液晶レンズ７の過渡応答動作期間中に画像信号をサンプリングした時刻に基づいて、各サンプリング時刻におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離を求めることができる。それによって、Ｐ波用液晶レンズ７の各焦点距離とオートフォーカス信号のレベルとの対応関係を得ることができるので、オートフォーカス信号のレベルが最大になったとき、すなわちピントが合ったときのＰ波用液晶レンズ７の焦点距離を求めることができる。
【００５２】
図７は、静的な状態におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離と、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離をある値にするために液晶レンズ７に印加する電圧との関係の一例を示す図である。
【００５３】
図７に示す様に、予め、静的な状態でＰ波用液晶レンズ７の焦点距離がｆ１になるときの液晶レンズ７の外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒおよび中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒの値、静的な状態で液晶レンズ７の焦点距離がｆ２になるときのＶｏｕｔｅｒおよびＶｉｎｎｅｒの値、というように、静的な状態におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆと、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆをある値にするためにＰ波用液晶レンズ７に印加する駆動電圧との関係も求められている。この関係も、例えばＡＦコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５４】
従って、マイクロプロセッサ５１は、実際にピントを合わせるため、すなわちＰ波用液晶レンズ７の焦点距離を、オートフォーカス信号のレベルが最大になったときの焦点距離に合わせるには、Ｐ波用液晶レンズ７にどの程度の駆動電圧を印加すればよいかということを知ることができる。
【００５５】
図２〜図７を用いて、Ｐ波用液晶レンズ７について説明を行ったが、Ｓ波用液晶レンズについても、上述したＰ波用液晶レンズ７と同様であるので、説明を省略する。しかしながら、Ｓ波用液晶レンズにおける液晶層の配向方向は、Ｐ波用液晶レンズ７の液晶層１４の配向方向と、９０°異なる。
【００５６】
Ｐ波用液晶レンズ７の屈折率分布を変化させた場合、Ｐ波用液晶レンズ７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７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。この点については、Ｓ波用液晶レンズについても同様である。従って、撮像光学系には、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７とＳ波用液晶レンズが必要となる。Ｐ波用液晶レンズ７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。
【００５７】
次に、液晶レンズ７を凸レンズの状態と凹レンズの状態の両方に変化させる場合の液晶レンズ７への電圧印加パターンについて説明する。液晶レンズ７は、パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒが、中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒよりも高いときに凸レンズの状態となり、その逆のときに凹レンズの状態となる。
【００５８】
図８は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの一例を示した図である。
【００５９】
図８（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図８（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示し、図８（ｃ）は図８（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合のＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆの逆数の変化を示し、図８（ｄ）は図８（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合に得られるオートフォーカス信号の一例を示す図である。
【００６０】
図９は、液晶レンズのリタデーションの一例を示した図である。
【００６１】
図９（ａ）は図８の時刻Ｔ１におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示し、図９（ｂ）は図８の時刻Ｔ２におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示し、図９（ｃ）は図８の時刻Ｔ３におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示し、図９（ｄ）は図８の時刻Ｔ４におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示している。
【００６２】
本電圧印加のパターンでは、図８（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させ、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持する。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持し、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させる。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００６３】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ２によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。即ち、液晶の正気状態への変化の最大値を見越して、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１の期間を定めれば良い。
【００６４】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【００６５】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧（Ｖ２）によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００６６】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。
【００６７】
図８（ｃ）に示すように、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ１ではほぼ０であり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけては、下に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ２において負の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ２において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。さらに、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ３において再度ほぼ０に復帰し、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４にかけては、上に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ３において正の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ４において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。なお、Ｓ波用液晶レンズも、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図８（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【００６８】
図８（ｃ）に示すポイント１１０〜１２１は、オートフォーカス信号を得るサンプリング時刻の一例を示している。即ち、ＡＦコントローラ５は、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凹レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１０〜１１５で、６つのオートフォーカス信号１３５〜１３０を撮像素子３及びＤＳＰ４から取得し、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凸レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１６〜１２１で、６つのオートフォーカス信号１３６〜１４１を撮像素子３及びＤＳＰ４から取得する。
【００６９】
図８（ｄ）は、所得したオートフォーカス信号を、１／ｆの値が、１／１００〜−１／１００の範囲内で、並べ直したものであり、サンプリング時刻１１０〜１１５は、オードフォーカス信号１３５〜１３０のそれぞれと対応し、サンプリング時刻１１６〜１２１は、オートフォーカス信号１３６〜１４１のそれぞれに対応している。
【００７０】
ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。図８（ｄ）の例では、オートフォーカス信号１３２が最大値を取り、オートフォーカス信号１３２をサンプリングした状態で、液晶レンズ系１と光学レンズ系２が組み合わされたレンズ系において、被写体に対してピントが合う状態となっていると考えられる。したがって、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号１３２に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。なお、上記の例では、液晶レンズが凹レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行い、液晶レンズが凸レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行ったが、サンプリング回数はこれに限定されることなく、適宜、自動合焦点装置のスペックに合わせて最適な回数を選択することが可能である。また、被写体にピントが合ったときに、オートフォーカス信号が最大地となる輪郭検出方法の原理については、前述した非特許文献１に記載されているので、ここではその説明を省略する。
【００７１】
なお、例えば、図１に示す、自動合焦点装置１００において、液晶レンズ系１が平板レンズ状態のときに、光学レンズ系２のみによって、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍでピントが合うように設計されていた場合、図８（ｄ）では、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍより長い場合、例えば、Ｌが３５０ｍｍである場合を示している。したがって、Ｐ波用液晶レンズ７が凹レンズの状態になっている時に、オートフォーカス信号は最大値を取るようになっている。
【００７２】
図１０は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの他の例を示した図である。
【００７３】
図１０（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図１０（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示し、図１０（ｃ）は図１０（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合のＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆの逆数の変化を示し、図１０（ｄ）は図１０（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合に得られるオートフォーカス信号の一例を示す図である。
【００７４】
図８に示した例では、最初に液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得した。これに対して、図１０に示す例では、最初に液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得する。
【００７５】
本電圧印加のパターンでは、図１０（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持させ、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させ、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持する。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００７６】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ２によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。即ち、液晶の正気状態への変化の最大値を見越して、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１の期間を定めれば良い。
【００７７】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。
【００７８】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧（Ｖ２）によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００７９】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【００８０】
図１０（ｃ）に示すように、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ１ではほぼ０であり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけては、上に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ２において正の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ２において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。さらに、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ３において再度ほぼ０に復帰し、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４にかけては、下に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ４において負の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ４において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。なお、本例でも、Ｓ波用液晶レンズは、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図１０（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【００８１】
図１０（ｃ）に示すポイント１１０〜１２１は、オートフォーカス信号を得るサンプリング時刻の一例を示している。即ち、ＡＦコントローラ５は、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凸レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１０〜１１５で、６つのオートフォーカス信号１３５〜１３０を取得し、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凹レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１６〜１２１で、６つのオートフォーカス信号１３６〜１４１を取得する。
【００８２】
図１０（ｄ）は、所得したオートフォーカス信号を、１／ｆの値が、１／１００〜−１／１００の範囲内で、並べ直したものであり、サンプリング時刻１１０〜１１５は、オードフォーカス信号１３５〜１３０のそれぞれと対応し、サンプリング時刻１１６〜１２１は、オートフォーカス信号１３６〜１４１のそれぞれに対応している。
【００８３】
ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。図１０（ｄ）の例では、オートフォーカス信号１３９が最大値を取り、オートフォーカス信号１３９をサンプリングした状態で、液晶レンズ系１と光学レンズ系２が組み合わされたレンズ系において、被写体に対してピントが合う状態となっていると考えられる。したがって、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号１３９に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。なお、上記の例では、液晶レンズが凹レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行い、液晶レンズが凸レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行ったが、サンプリング回数はこれに限定されることなく、適宜、自動合焦点装置のスペックに合わせて最適な回数を選択することが可能である。
【００８４】
図１１は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【００８５】
図１１（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図１１（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示す図である。
【００８６】
図８に示した例では、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒに、Ｖ２またはＶ１の電圧を印加した。これに対して、図１１に示す例では、液晶レンズを初期化する場合には、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒとして最大電圧であるＶ０を印加し、その他の場合には、外周部電極には電圧ＶｏｕｔｅｒとしてＶｏ１またはＶｏ２を印加し、中心部電極には電圧ＶｉｎｎｅｒとしてＶｉ１またはＶｉ２を印加するように構成している。即ち、図１１の例は、中心部電極および外周部電極に対して個別に所定の電圧を印加する場合に相当する。また、図１１の場合、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒの関係としては、Ｖｉ１＜Ｖｏ１、Ｖｉ２＞Ｖｏ２、且つＶ０≧Ｖｉ１、Ｖｏ２の関係が成り立っている必要がある。なお、図８に示す例は、Ｖｉ１＝Ｖｏ２＝Ｖ１且つＶ０＝Ｖｉ２＝Ｖｏ１＝Ｖ２の場合、即ち、図１１の例の特定の一例であるということもできる。
【００８７】
本電圧印加のパターンでは、図１１（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ２に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ１に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ１に変化させる。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００８８】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００８９】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【００９０】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００９１】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。なお、本例でも、Ｓ波用液晶レンズは、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図１１（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【００９２】
図１１に示す電圧パターンを印加した場合の、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値の変化および、オートフォーカス信号のサンプリングは、図８（ｃ）および（ｄ）と同様であるので、説明を省略する。
【００９３】
図１１に示す電圧パターンを印加する場合でも、ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。さらに、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。
【００９４】
図１２は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【００９５】
図１２（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図１２（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示す図である。
【００９６】
図１０に示した例では、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒに、Ｖ２またはＶ１の電圧を印加した。これに対して、図１２に示す例では、液晶レンズを初期化する場合には、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒとして最大電圧であるＶ０を印加し、その他の場合には、外周部電極には電圧ＶｏｕｔｅｒとしてＶｏ１またはＶｏ２を印加し、中心部電極には電圧ＶｉｎｎｅｒとしてＶｉ１またはＶｉ２を印加するように構成している。即ち、図１２の例は、中心部電極および外周部電極に対して個別に所定の電圧を印加する場合に相当する。また、図１２の場合、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒの関係としては、Ｖｉ１＜Ｖｏ１、Ｖｉ２＞Ｖｏ２、且つＶ０≧Ｖｉ１、Ｖｏ２の関係が成り立っている必要がある。なお、図１０に示す例は、Ｖｉ１＝Ｖｏ２＝Ｖ１且つＶ０＝Ｖｉ２＝Ｖｏ１＝Ｖ２の場合、即ち、図１２の例の特定の一例であるということもできる。
【００９７】
また、図１１に示した例では、最初に液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得した。これに対して、図１２に示す例では、最初に液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得する点で異なる。
【００９８】
本電圧印加のパターンでは、図１２（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ１に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ２に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ２に変化させる。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００９９】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【０１００】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。なお、本例でも、Ｓ波用液晶レンズは、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図１２（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【０１０１】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【０１０２】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【０１０３】
図１２に示す電圧パターンを印加した場合の、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値の変化および、オートフォーカス信号のサンプリングは、図１０（ｃ）および（ｄ）と同様であるので、説明を省略する。
【０１０４】
図１２に示す電圧パターンを印加する場合でも、ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。さらに、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
以上のように、本発明にかか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。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は、本発明にかか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】図２は、液晶レンズの構成を示す正面図である。
【図３】図３は、液晶レンズの構成を示す断面図である。
【図４】図４は、パターン電極の構成を示す正面図である。
【図５】図５は、液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化を示す説明図である。
【図６】図６は、過渡応答動作期間における液晶の屈折率の変化と液晶レンズの焦点距離の変化を示す説明図である。
【図７】図７は、静的な状態における液晶レンズの焦点距離と駆動電圧との関係を示す図である。
【図８】図８は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの一例を示した図である。
【図９】図９は、液晶レンズのリタデーションの一例を示した図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの他の例を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 液晶レンズ系
２ 光学レンズ系（パンフォーカス組レンズ）
３ 光電変換手段（撮像素子）
４ 光電変換手段（ＤＳＰ）
５ ＡＦコントローラ
６ 液晶レンズドライバ
７ Ｐ波用液晶レンズ
８，９ ガラス基板
１０ パターン電極
１１ 共通電極
１２，１３ 配向膜
１４ 液晶層
１５ レンズ部
１６ シール部材
１７ スペーサ部材
１８ 電極取り出し部
１９ フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）
２０ 中心部電極
２１ 輪帯電極
２２ 輪帯電極（外周部電極）
２３ 輪帯接続部
２４ 中心部引き出し電極
２５ 外周部引き出し電極
５１ マイクロプロセッサ
５２ 記憶手段
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動合焦点装置に関し、特に焦点距離の調整用に液晶レンズを用い、その液晶レンズの過渡応答動作中に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合焦点を検出する自動合焦点装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。）。このような液晶レンズでは、パターン電極と共通電極を備えた２枚のガラス基板間に液晶層を挟持した構成となっている。そして、このパターン電極は、中心部電極と複数個の輪帯電極を有し、中心部電極と各輪帯電極とが電圧降下抵抗にて接続された構成となっている。そして、各輪帯電極とは絶縁して中心部電極に接続された引き出し電極には、電力増幅器を介して可変抵抗が接続されており、輪帯電極（外周部電極）に接続された引き出し電極には、増幅器を介して可変抵抗が接続されている。さらに、これら可変抵抗に並列に接続された交流源から供給される交流電圧は、可変抵抗により、降圧されるようになっている。引き出し電極に印加された電圧信号と電圧降下抵抗より電圧分布が形成され、液晶層に電圧分布が形成される。そして、可変抵抗をそれぞれ調整することにより、液晶層に様々な電圧分布を発生させることが可能となる。
【０００４】
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（例えば、非特許文献１参照。）。また、この山登り制御方式を用いた種々のオートフォーカス装置等が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０４７０８２号公報
【特許文献２】実公平２−４４２４８号公報
【特許文献３】特許第２７４２７４１号公報
【特許文献４】特公平１−１５１８８号公報
【特許文献５】特公平２−１１０６８号公報
【非特許文献１】半間謙太郎、外４名、「輪郭検出オートフォーカス方式」、テレビジョン学会技術報告、昭和５７年１１月２９日、ｐ．７−１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、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ことについての提案はなされていない。その理由として、液晶レンズを用いた場合には、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ことが考えられる。以下、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。なお、比較では、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ポジションの検出が必要になると仮定する。
【０００７】
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。
【０００８】
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うこととなる。
【０００９】
しかし、一般に、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、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、非現実的である。
【００１０】
また、特許文献１によれば、液晶レンズが電圧降下抵抗の両端に電圧を印加する構成となっており、当然のことながら、どちらか一端に他端より低い電圧を印加する場合がある。例えば、凸レンズとして作用させたいときは一方の引き出し電極に低い電圧を、他方の引き出し電極に高い電圧を印加する。
【００１１】
このとき、使用した液晶層の液晶材料によっては、低い電圧を印加した側の液晶の過渡応答が完了する時間が、高い電圧を印加した側の液晶の過渡応答が完了する時間よりも遅くなる。このように、液晶レンズの動作を凸レンズとしたいときには、液晶層の全面に渡って印加した電圧に応じて応答すればよいが、過渡応答が完了するのに遅いところが生じると、凸レンズとして機能するまでの時間は低い電圧を印加した側の液晶の応答時間によって決定されることになる。
【００１２】
特に、レンズとしてのパワーを最大限に引き出そうとする場合には、中心部電極と外周部電極の電圧差を最大にすることとなるので、低い電圧を印加した側では液晶層の液晶分子が実効的に動作するできるだけ低い電圧を使うことになり、この部分での適切な屈折率分布をもつレンズになるまで（過渡応答が完了するまで）長い時間を要するという問題があった。
【００１３】
さらに、レンズとしてのパワーをできるだけ大きくする場合には、液晶材料の複屈折率を大きくしたり、液晶層の厚みを大きくしたりしなくてはならなくなる。しかしながら、その様な構成とすると、先に示したと同様に液晶の応答は遅くなり、適切な屈折率分布をもつレンズになるまで長い時間を要するという問題があった。
【００１４】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消することを可能とする自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明は、液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出した後に、焦点信号の最大値を検出することによって、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自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明に係る自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズ駆動手段を制御して液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成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複数の焦点信号を抽出し、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ように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に、所定電圧を印加して前記液晶レンズを過渡応答動作させることが好ましい。
【００１８】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、液晶レンズは、抵抗接続された中心部電極と外周部電極とを有するパターン電極と共通電極がそれぞれ形成された２枚の透明基板間に液晶層を挟持してなり、液晶レンズ駆動手段は中心部電極と外周部電極とに異なる所定の電圧を印加することが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、中心部電極及び外周部電極に、最大印加電圧を印加して、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させることが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、所定電圧として、液晶レンズを凹レンズまたは凸レンズの状態にするための電圧を印加することが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、所定電圧として液晶レンズを凸レンズの状態にするための第１の電圧と、液晶レンズを凹レンズの状態にするための第２の電圧を異なるタイミングで印加することが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの何れか一方の状態にするための第１の電圧を印加し、液晶レンズを再度初期状態に復帰させた後に液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの他方の状態にするための第２の電圧を印加することが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、焦点距離の調整用に液晶レンズを用い、その液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出し、それら焦点信号の最大値を検出することによって、実用にあたって十分な速さで合焦点を検出することが可能となる。
【００２４】
また、本発明によれば、液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に、液晶レンズに過渡応答動作を行わせるので、過渡応答動作の再現性が増し、取得した焦点信号から正確な合焦点位置を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る自動合焦点装置について説明する。
【００２６】
図１は、自動合焦点装置１００の概略構成を示すブロック図である。
【００２７】
図１に示すように、自動合焦点装置１００は、液晶（ＬＣ）レンズ系１、光学レンズ系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（ＡＦ）コントローラ５、及び液晶レンズドライバ６等を備えている。液晶レンズ系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。光学レンズ系２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３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。
【００２８】
液晶レンズ系１および光学レンズ系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。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、液晶レンズの過渡応答動作期間中に、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（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５は、抽出された複数の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ときのサンプリングタイミングを判定し、その判定結果に基づいて、液晶レンズ系１の駆動条件の制御を行う。
【００２９】
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と記憶手段５２等を有する。記憶手段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系１に電圧を印加する。
【００３０】
オートフォーカスコントローラ５により実行される処理内容については、後述する。液晶レンズ系１および光学レンズ系２は、光学レンズ手段に相当する。撮像素子３および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は、焦点信号抽出、合焦点判定、及び液晶レンズドライバ６を制御する手段に相当する。液晶レンズドライバ６は、液晶レンズを駆動する手段に相当する。
【００３１】
図２および図３は、Ｐ波用液晶レンズ７のセル構成を示す正面図および断面図である。
【００３２】
Ｐ波用液晶レンズ７は、図２および図３に示すように、一対の対向するガラス基板８，９の内側にパターン電極１０と共通電極１１が対向して配置され、パターン電極１０および共通電極１１の内側に配向膜１２，１３が対向して配置され、その間に例えばホモジニアス配向の液晶層１４が封入された液晶パネルを構成している。
【００３３】
Ｐ波用液晶レンズ７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１５が設けられている。また、Ｐ波用液晶レンズ７の周縁部は、シール部材１６により封止されている。液晶層１４の厚さは、スペーサ部材１７により一定に保たれている。パターン電極１０の電極取り出し部１８には、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）１９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１８の一部は、パターン電極１０から絶縁されており、共通電極１１に接続されている。
【００３４】
ガラス基板８，９の一辺の長さは数ｍｍから十数ｍｍ程度、例えば１０ｍｍが好ましい。ただし、パターン電極１０側のガラス基板８については、パターン電極１０の電極取り出し部１８を被う部分を除いた寸法である。ガラス基板８，９の厚さは数百μｍ程度、例えば３００μｍが好ましい。液晶層１４の厚さは十数μｍから数十μｍ程度、例えば２３μｍが好ましい。レンズ部１５の直径は数ｍｍ程度、例えば２．４ｍｍが好ましい。なお、上記の数値は一例であって、これに限定されるものではない。
【００３５】
図４は、パターン電極１０の構成を示す正面図である。
【００３６】
図４に示すように、パターン電極１０は、円形状の中心部電極２０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２１，２２が配置されたパターンを有する。中心部電極２０と最も内側の輪帯電極２１の間、および隣り合う輪帯電極２１，２２の間は、空間となっている。そして、中心部電極２０と最も内側の輪帯電極２１、および隣り合う輪帯電極２１，２２は、輪帯接続部２３を介して互いに接続されている。
【００３７】
中心部電極２０からは、中心部引き出し電極２４が、他の輪帯電極２１，２２および輪帯接続部２３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２２（以下、外周部電極２２とする）の外側まで伸びている。一方、外周部電極２２からは、その外側まで、外周部引き出し電極２５が他の電極から絶縁された状態で伸びている。パターン電極１０の図４に示すパターンは、レンズ部１５に重なるように配置される。
【００３８】
中心部引き出し電極２４と外周部引き出し電極２５にそれぞれ印加された電圧に応じて、共通電極１１に対する中心部電極２０、中心部電極２０と外周部電極２２との間の各輪帯電極２１、および外周部電極２２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１０によってレンズ部１５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７の屈折率の分布が変化し、液晶レンズ７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。
【００３９】
図４では、中心部電極２０、外周部電極２２およびその間の輪帯電極２１の総数を７としたが、中心部電極２０、外周部電極２２およびその間の輪帯電極２１の総数は、例えば２７が好ましい。また、中心部電極２０の径、各輪帯電極２１の幅および外周部電極２２の幅は、レンズ部１５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２０、輪帯電極２１および外周部電極２２の隣り合うもの同士の間にある空間の幅は、例えば３μｍが好ましい。また、各輪帯接続部２３の抵抗値は、例えば１ｋΩが好ましい。上記の数、数値は一例であって、これに限定されるものではない。
【００４０】
図５は、液晶レンズにおける駆動電圧と屈折率分布との関係を示した図である。
【００４１】
図５では、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、液晶に印加される駆動電圧例（図５（ａ））及びその時の屈折率の変化（図５（ｂ））が示されている。
【００４２】
図５（ａ）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、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（図５（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（図５（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。
【００４３】
各部の寸法や特性値が上述した値のＰ波用液晶レンズ７およびパターン電極１０を用い、液晶層１４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たこの場合、例えば駆動電圧Ｖ０の立ち上がり（０Ｖから５Ｖへ）に対する液晶の過渡応答動作時間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ０の立ち下がり（５Ｖから０Ｖへ）に対する液晶の過渡応答動作時間ｔｒは、ともに５００ミリ秒程度である。
【００４４】
このように、液晶の過渡応答動作が終了するまである程度の時間がかかる。そこで、自動合焦点装置１００では、液晶の過渡応答動作期間中に、液晶レンズ系１および光学レンズ系２を通過した光学像から生成された画像信号を所定の周期でサンプリングする。
【００４５】
図６は、駆動電圧の立ち上がり時の過渡応答動作期間ｔｆにおける液晶の屈折率の変化の様子と、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離の変化を示した図である。
【００４６】
例えば、図６（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、過渡応答動作期間ｔｆが経過すると一定になるので、液晶レンズ７の中心部電極２０、各輪帯電極２１および外周部電極２２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、Ｐ波用液晶レンズ７の屈折率分布がある分布に定まり、Ｐ波用液晶レンズ７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。
【００４７】
図６（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Ｐ波用液晶レンズ７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。説明の便宜上、Ｐ波用液晶レンズ７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、Ｐ波用液晶レンズ７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、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆが正または負の無限大であるとき、Ｐ波用液晶レンズ７は平行ガラスの状態となる。
【００４８】
自動合焦点装置１００では、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆが一定値に収束するまでの過渡応答動作期間ｔｆの時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５およびｔ６において画像信号をサンプリングする。各サンプリングタイミングでは、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆが異なる。従って、Ｐ波用液晶レンズ７の１回の過渡応答動作期間中に、焦点距離ｆが種々異なる状態の液晶レンズ７を通過した光学像から生成された画像信号をサンプリングすることができるので、焦点整合度に対応した複数のオートフォーカス信号を抽出することができる。
【００４９】
ここで、サンプリング周期ｔｓは、例えばフレームの周期に同期している。なお、Ｐ波用液晶レンズ７の立ち下がり時の過渡応答動作期間ｔｒにおいて、画像信号をサンプリングしてもよい。また、サンプリング数は、６個に限らない。
【００５０】
予め、１番目にサンプリングする時刻ｔ１におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆ１、２番目にサンプリングする時刻ｔ２におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆ２、というように、サンプリングする時刻とＰ波用液晶レンズ７の焦点距離との関係が求められている。この関係は、例えばオートフォーカスコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５１】
従って、オートフォーカスコントローラ５のマイクロプロセッサ５１は、Ｐ波用液晶レンズ７の過渡応答動作期間中に画像信号をサンプリングした時刻に基づいて、各サンプリング時刻におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離を求めることができる。それによって、Ｐ波用液晶レンズ７の各焦点距離とオートフォーカス信号のレベルとの対応関係を得ることができるので、オートフォーカス信号のレベルが最大になったとき、すなわちピントが合ったときのＰ波用液晶レンズ７の焦点距離を求めることができる。
【００５２】
図７は、静的な状態におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離と、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離をある値にするために液晶レンズ７に印加する電圧との関係の一例を示す図である。
【００５３】
図７に示す様に、予め、静的な状態でＰ波用液晶レンズ７の焦点距離がｆ１になるときの液晶レンズ７の外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒおよび中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒの値、静的な状態で液晶レンズ７の焦点距離がｆ２になるときのＶｏｕｔｅｒおよびＶｉｎｎｅｒの値、というように、静的な状態におけるＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆと、Ｐ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆをある値にするためにＰ波用液晶レンズ７に印加する駆動電圧との関係も求められている。この関係も、例えばＡＦコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５４】
従って、マイクロプロセッサ５１は、実際にピントを合わせるため、すなわちＰ波用液晶レンズ７の焦点距離を、オートフォーカス信号のレベルが最大になったときの焦点距離に合わせるには、Ｐ波用液晶レンズ７にどの程度の駆動電圧を印加すればよいかということを知ることができる。
【００５５】
図２〜図７を用いて、Ｐ波用液晶レンズ７について説明を行ったが、Ｓ波用液晶レンズについても、上述したＰ波用液晶レンズ７と同様であるので、説明を省略する。しかしながら、Ｓ波用液晶レンズにおける液晶層の配向方向は、Ｐ波用液晶レンズ７の液晶層１４の配向方向と、９０°異なる。
【００５６】
Ｐ波用液晶レンズ７の屈折率分布を変化させた場合、Ｐ波用液晶レンズ７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７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。この点については、Ｓ波用液晶レンズについても同様である。従って、撮像光学系には、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７とＳ波用液晶レンズが必要となる。Ｐ波用液晶レンズ７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。
【００５７】
次に、液晶レンズ７を凸レンズの状態と凹レンズの状態の両方に変化させる場合の液晶レンズ７への電圧印加パターンについて説明する。液晶レンズ７は、パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒが、中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒよりも高いときに凸レンズの状態となり、その逆のときに凹レンズの状態となる。
【００５８】
図８は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの一例を示した図である。
【００５９】
図８（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図８（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示し、図８（ｃ）は図８（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合のＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆの逆数の変化を示し、図８（ｄ）は図８（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合に得られるオートフォーカス信号の一例を示す図である。
【００６０】
図９は、液晶レンズのリタデーションの一例を示した図である。
【００６１】
図９（ａ）は図８の時刻Ｔ１におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示し、図９（ｂ）は図８の時刻Ｔ２におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示し、図９（ｃ）は図８の時刻Ｔ３におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示し、図９（ｄ）は図８の時刻Ｔ４におけるＰ波用液晶レンズ７のリタデーションの一例を示している。
【００６２】
本電圧印加のパターンでは、図８（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させ、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持する。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持し、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させる。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００６３】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ２によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。即ち、液晶の正気状態への変化の最大値を見越して、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１の期間を定めれば良い。
【００６４】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【００６５】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧（Ｖ２）によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００６６】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。
【００６７】
図８（ｃ）に示すように、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ１ではほぼ０であり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけては、下に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ２において負の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ２において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。さらに、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ３において再度ほぼ０に復帰し、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４にかけては、上に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ３において正の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ４において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。なお、Ｓ波用液晶レンズも、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図８（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【００６８】
図８（ｃ）に示すポイント１１０〜１２１は、オートフォーカス信号を得るサンプリング時刻の一例を示している。即ち、ＡＦコントローラ５は、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凹レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１０〜１１５で、６つのオートフォーカス信号１３５〜１３０を撮像素子３及びＤＳＰ４から取得し、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凸レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１６〜１２１で、６つのオートフォーカス信号１３６〜１４１を撮像素子３及びＤＳＰ４から取得する。
【００６９】
図８（ｄ）は、所得したオートフォーカス信号を、１／ｆの値が、１／１００〜−１／１００の範囲内で、並べ直したものであり、サンプリング時刻１１０〜１１５は、オードフォーカス信号１３５〜１３０のそれぞれと対応し、サンプリング時刻１１６〜１２１は、オートフォーカス信号１３６〜１４１のそれぞれに対応している。
【００７０】
ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。図８（ｄ）の例では、オートフォーカス信号１３２が最大値を取り、オートフォーカス信号１３２をサンプリングした状態で、液晶レンズ系１と光学レンズ系２が組み合わされたレンズ系において、被写体に対してピントが合う状態となっていると考えられる。したがって、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号１３２に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。なお、上記の例では、液晶レンズが凹レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行い、液晶レンズが凸レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行ったが、サンプリング回数はこれに限定されることなく、適宜、自動合焦点装置のスペックに合わせて最適な回数を選択することが可能である。また、被写体にピントが合ったときに、オートフォーカス信号が最大地となる輪郭検出方法の原理については、前述した非特許文献１に記載されているので、ここではその説明を省略する。
【００７１】
なお、例えば、図１に示す、自動合焦点装置１００において、液晶レンズ系１が平板レンズ状態のときに、光学レンズ系２のみによって、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍでピントが合うように設計されていた場合、図８（ｄ）では、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍより長い場合、例えば、Ｌが３５０ｍｍである場合を示している。したがって、Ｐ波用液晶レンズ７が凹レンズの状態になっている時に、オートフォーカス信号は最大値を取るようになっている。
【００７２】
図１０は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの他の例を示した図である。
【００７３】
図１０（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図１０（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示し、図１０（ｃ）は図１０（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合のＰ波用液晶レンズ７の焦点距離ｆの逆数の変化を示し、図１０（ｄ）は図１０（ａ）及び（ｂ）の電圧が印加された場合に得られるオートフォーカス信号の一例を示す図である。
【００７４】
図８に示した例では、最初に液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得した。これに対して、図１０に示す例では、最初に液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得する。
【００７５】
本電圧印加のパターンでは、図１０（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持させ、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ２とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧Ｖｏｕｔｅｒを印加最小電圧であるＶ１に変化させ、電圧Ｖｉｎｎｅｒを印加最大電圧であるＶ２に維持する。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００７６】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ２によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。即ち、液晶の正気状態への変化の最大値を見越して、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１の期間を定めれば良い。
【００７７】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。
【００７８】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧（Ｖ２）によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００７９】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【００８０】
図１０（ｃ）に示すように、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ１ではほぼ０であり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけては、上に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ２において正の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ２において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。さらに、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値は、時刻Ｔ３において再度ほぼ０に復帰し、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４にかけては、下に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ４において負の値の最大値となる。したがって、時刻Ｔ４において、Ｐ波用液晶レンズ７は、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。なお、本例でも、Ｓ波用液晶レンズは、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図１０（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【００８１】
図１０（ｃ）に示すポイント１１０〜１２１は、オートフォーカス信号を得るサンプリング時刻の一例を示している。即ち、ＡＦコントローラ５は、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凸レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１０〜１１５で、６つのオートフォーカス信号１３５〜１３０を取得し、Ｐ波用液晶レンズ７が、過渡応答動作中で、凹レンズの状態となっている期間の６つのポイント１１６〜１２１で、６つのオートフォーカス信号１３６〜１４１を取得する。
【００８２】
図１０（ｄ）は、所得したオートフォーカス信号を、１／ｆの値が、１／１００〜−１／１００の範囲内で、並べ直したものであり、サンプリング時刻１１０〜１１５は、オードフォーカス信号１３５〜１３０のそれぞれと対応し、サンプリング時刻１１６〜１２１は、オートフォーカス信号１３６〜１４１のそれぞれに対応している。
【００８３】
ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。図１０（ｄ）の例では、オートフォーカス信号１３９が最大値を取り、オートフォーカス信号１３９をサンプリングした状態で、液晶レンズ系１と光学レンズ系２が組み合わされたレンズ系において、被写体に対してピントが合う状態となっていると考えられる。したがって、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号１３９に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。なお、上記の例では、液晶レンズが凹レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行い、液晶レンズが凸レンズ状態となっている場合に６つのサンプリングを行ったが、サンプリング回数はこれに限定されることなく、適宜、自動合焦点装置のスペックに合わせて最適な回数を選択することが可能である。
【００８４】
図１１は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【００８５】
図１１（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図１１（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示す図である。
【００８６】
図８に示した例では、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒに、Ｖ２またはＶ１の電圧を印加した。これに対して、図１１に示す例では、液晶レンズを初期化する場合には、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒとして最大電圧であるＶ０を印加し、その他の場合には、外周部電極には電圧ＶｏｕｔｅｒとしてＶｏ１またはＶｏ２を印加し、中心部電極には電圧ＶｉｎｎｅｒとしてＶｉ１またはＶｉ２を印加するように構成している。即ち、図１１の例は、中心部電極および外周部電極に対して個別に所定の電圧を印加する場合に相当する。また、図１１の場合、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒの関係としては、Ｖｉ１＜Ｖｏ１、Ｖｉ２＞Ｖｏ２、且つＶ０≧Ｖｉ１、Ｖｏ２の関係が成り立っている必要がある。なお、図８に示す例は、Ｖｉ１＝Ｖｏ２＝Ｖ１且つＶ０＝Ｖｉ２＝Ｖｏ１＝Ｖ２の場合、即ち、図１１の例の特定の一例であるということもできる。
【００８７】
本電圧印加のパターンでは、図１１（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ２に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ１に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ１に変化させる。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００８８】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００８９】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【００９０】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【００９１】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。なお、本例でも、Ｓ波用液晶レンズは、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図１１（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【００９２】
図１１に示す電圧パターンを印加した場合の、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値の変化および、オートフォーカス信号のサンプリングは、図８（ｃ）および（ｄ）と同様であるので、説明を省略する。
【００９３】
図１１に示す電圧パターンを印加する場合でも、ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。さらに、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。
【００９４】
図１２は、本発明に係る自動合焦点装置１００で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【００９５】
図１２（ａ）はパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを示し、図１２（ｂ）はパターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示す図である。
【００９６】
図１０に示した例では、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒに、Ｖ２またはＶ１の電圧を印加した。これに対して、図１２に示す例では、液晶レンズを初期化する場合には、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒとして最大電圧であるＶ０を印加し、その他の場合には、外周部電極には電圧ＶｏｕｔｅｒとしてＶｏ１またはＶｏ２を印加し、中心部電極には電圧ＶｉｎｎｅｒとしてＶｉ１またはＶｉ２を印加するように構成している。即ち、図１２の例は、中心部電極および外周部電極に対して個別に所定の電圧を印加する場合に相当する。また、図１２の場合、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒの関係としては、Ｖｉ１＜Ｖｏ１、Ｖｉ２＞Ｖｏ２、且つＶ０≧Ｖｉ１、Ｖｏ２の関係が成り立っている必要がある。なお、図１０に示す例は、Ｖｉ１＝Ｖｏ２＝Ｖ１且つＶ０＝Ｖｉ２＝Ｖｏ１＝Ｖ２の場合、即ち、図１２の例の特定の一例であるということもできる。
【００９７】
また、図１１に示した例では、最初に液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得した。これに対して、図１２に示す例では、最初に液晶レンズを凸レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得し、その後液晶レンズを凹レンズの状態にしてオートフォーカス信号を取得する点で異なる。
【００９８】
本電圧印加のパターンでは、図１２（ａ）及び（ｂ）に示しように、時刻Ｔ０において、中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ１において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ１に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２において、電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ、最大の印加電圧であるＶ０とする。次いで、時刻Ｔ３において、電圧ＶｉｎｎｅｒをＶｉ２に変化させ、電圧ＶｏｕｔｅｒをＶｏ２に変化させる。なお、時刻Ｔ０以前の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、オートフォーカス開始前の状態を示しており、時刻Ｔ４以降の電圧Ｖｉｎｎｅｒ及び電圧Ｖｏｕｔｅｒは、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ４におけるオートフォーカス動作によって検出された合焦時電圧を示している。
【００９９】
Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ０から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションがその前の状態から変化し、時刻Ｔ１において、図９（ａ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【０１００】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ１の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ２において、図９（ｄ）に示すように、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。なお、本例でも、Ｓ波用液晶レンズは、Ｐ波用液晶レンズ７と同じ駆動波形（図１２（ａ）及び（ｂ）参照）によって、Ｐ波用液晶レンズ７と同時に動作される。
【０１０１】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ２から印加される電圧の立ち上がりタイミングからリタデーションが変化し、時刻Ｔ３において、図９（ｃ）に示すように、リタデーションが均一な初期状態、即ち平板ガラスの状態となる。前述したように、液晶の過渡応答動作期間は、印加電圧が高いほど早いので、印加最大電圧Ｖ０によって、液晶はより早く初期状態への復帰することが可能となる。
【０１０２】
次に、Ｐ波用液晶レンズ７は、時刻Ｔ３の立下りタイミングからリタデーションが変化し、レンズパワーが徐々に大きくなっていき、時刻Ｔ４において、図９（ｂ）に示すように、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。
【０１０３】
図１２に示す電圧パターンを印加した場合の、Ｐ波用液晶レンズ７の１／ｆの値の変化および、オートフォーカス信号のサンプリングは、図１０（ｃ）および（ｄ）と同様であるので、説明を省略する。
【０１０４】
図１２に示す電圧パターンを印加する場合でも、ＡＦコントローラ５は、予定された全てのオートフォーカス信号をサンプリングした後に、全てのオートフォーカス信号を比較して、オートフォーカス信号の最大値を検出する。さらに、ＡＦコントローラ５は、時刻Ｔ４以降において、最大のオートフォーカス信号に対応した状態となるように、液晶レンズを駆動する。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
以上のように、本発明にかか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。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は、本発明にかか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】図２は、液晶レンズの構成を示す正面図である。
【図３】図３は、液晶レンズの構成を示す断面図である。
【図４】図４は、パターン電極の構成を示す正面図である。
【図５】図５は、液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化を示す説明図である。
【図６】図６は、過渡応答動作期間における液晶の屈折率の変化と液晶レンズの焦点距離の変化を示す説明図である。
【図７】図７は、静的な状態における液晶レンズの焦点距離と駆動電圧との関係を示す図である。
【図８】図８は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの一例を示した図である。
【図９】図９は、液晶レンズのリタデーションの一例を示した図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの他の例を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの更に他の例を示した図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 液晶レンズ系
２ 光学レンズ系（パンフォーカス組レンズ）
３ 光電変換手段（撮像素子）
４ 光電変換手段（ＤＳＰ）
５ ＡＦコントローラ
６ 液晶レンズドライバ
７ Ｐ波用液晶レンズ
８，９ ガラス基板
１０ パターン電極
１１ 共通電極
１２，１３ 配向膜
１４ 液晶層
１５ レンズ部
１６ シール部材
１７ スペーサ部材
１８ 電極取り出し部
１９ フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）
２０ 中心部電極
２１ 輪帯電極
２２ 輪帯電極（外周部電極）
２３ 輪帯接続部
２４ 中心部引き出し電極
２５ 外周部引き出し電極
５１ マイクロプロセッサ
５２ 記憶手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成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複数の焦点信号を抽出し、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ように前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に、所定電圧を印加して前記液晶レンズを過渡応答動作させる、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項３】
前記液晶レンズは、抵抗接続された中心部電極と外周部電極とを有するパターン電極と共通電極がそれぞれ形成された２枚の透明基板間に液晶層を挟持してなり、
前記液晶レンズ駆動手段は、前記中心部電極と前記外周部電極とに異なる所定の電圧を印加する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記中心部電極及び前記外周部電極に、最大印加電圧を印加して、前記液晶レンズを一旦初期状態に復帰させる、請求項３に記載の自動合焦点装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記所定電圧として、前記液晶レンズを凹レンズまたは凸レンズの状態にするための電圧を印加する、請求項１〜４の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記所定電圧として前記液晶レンズを凸レンズの状態にするための第１の電圧と、前記液晶レンズを凹レンズの状態にするための第２の電圧を異なるタイミングで印加する、請求項１〜４の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に前記液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの何れか一方の状態にするための第１の電圧を印加し、前記液晶レンズを再度初期状態に復帰させた後に前記液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの他方の状態にするための第２の電圧を印加する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項１】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成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複数の焦点信号を抽出し、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ように前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に、所定電圧を印加して前記液晶レンズを過渡応答動作させる、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項３】
前記液晶レンズは、抵抗接続された中心部電極と外周部電極とを有するパターン電極と共通電極がそれぞれ形成された２枚の透明基板間に液晶層を挟持してなり、
前記液晶レンズ駆動手段は、前記中心部電極と前記外周部電極とに異なる所定の電圧を印加する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記中心部電極及び前記外周部電極に、最大印加電圧を印加して、前記液晶レンズを一旦初期状態に復帰させる、請求項３に記載の自動合焦点装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記所定電圧として、前記液晶レンズを凹レンズまたは凸レンズの状態にするための電圧を印加する、請求項１〜４の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記所定電圧として前記液晶レンズを凸レンズの状態にするための第１の電圧と、前記液晶レンズを凹レンズの状態にするための第２の電圧を異なるタイミングで印加する、請求項１〜４の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズを一旦初期状態に復帰させた後に前記液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの何れか一方の状態にするための第１の電圧を印加し、前記液晶レンズを再度初期状態に復帰させた後に前記液晶レンズを凹レンズ及び凸レンズの他方の状態にするための第２の電圧を印加する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−３１００６８（Ｐ２００７−３１００６８Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３７７３８（Ｐ２００６−１３７７３８）
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１７日（２００６．５．１７）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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