(57)【要約】【課題】カメラ等の撮像装置に分割電極を有する液晶レンズを組込んだ場合において、結像性能の低下を防ぎ、良好な画質が得られる液晶レンズを提供する。【解決手段】互いに対向する制御電極と固定電極との間に液晶層を有し、対向する電極間に電場を印加することにより液晶層の液晶分子の配向制御を行う液晶レンズであって、制御電極は少なくとも２つの領域に分割され、液晶層の配向方向がレンズ有効領域内において、対向する制御電極同士の境界の方向と一致しないように液晶層が配置されている。【選択図】図１
2010113029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する制御電極と固定電極との間に液晶層を有し、前記対向する電極間に電圧を印加することにより前記液晶層の液晶分子の配向制御を行う液晶レンズであって、
前記制御電極は少なくとも２つの領域に分割され、前記液晶層の配向方向はレンズ有効領域内において、対向する前記制御電極同士の境界の方向と一致しないことを特徴とする液晶レンズ。
【請求項２】
前記制御電極は、孔を有する孔抜き電極であり、前記境界により孔の径方向に分割され、各電極には独立に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
【請求項３】
前記液晶層の配向方向と、前記対向する制御電極同士の境界の方向とが最大角をなすことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項４】
制御電極と、それに対向するようにその両側に設けられた固定電極との間にそれぞれ液晶層を有し、前記対向する電極間に電圧を印加することにより前記液晶層の液晶分子の配向制御を行う液晶レンズであって、
前記制御電極は少なくとも２つの領域に分割され、前記液晶層の配向方向はレンズ有効領域内において、対向する前記制御電極同士の境界の方向と一致しないことを特徴とする液晶レンズ。
【請求項５】
前記制御電極は、孔を有する孔抜き電極であり、前記境界により孔の径方向に分割され、各電極には独立に電圧を印加することを特徴とする請求項４に記載の液晶レンズ。
【請求項６】
前記液晶層の配向方向と、前記対向する制御電極同士の境界の方向とが最大角をなすことを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項７】
前記２つの液晶層の配向方向は垂直であること特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の液晶レンズ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の液晶レンズと、撮像素子と、前記液晶レンズに印加する電圧を制御することにより前記撮像素子に入射する光の光軸の方向を制御する光軸制御部とを備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶レンズとそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高画質なデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ（以下、デジタルカメラという）が急速に普及してきている。また、最近では携帯電話端末等のモバイル機器に小型で高画質なデジタルカメラが搭載されてきており、デジタルカメラの小型化、薄型化の開発も進められている。このようなデジタルカメラにおいて、撮像素子に像を結像させる光学系は、通常、収差を除去するために、数枚のレンズから構成されている。また、光学的なズーム機能やフォーカス機能を持たせる場合は、組合せレンズの焦点距離や、レンズと撮像素子の間隔を変える駆動機構（アクチュエータ）が必要となる。このように、一部のレンズを移動させ、その位置関係を変化させることで焦点距離または焦点位置を変化させる方法では、機構が複雑になるという点や、可動部が必要になるため耐衝撃性が低いといった点が課題となっている。
【０００３】
そこで、レンズを駆動するための可動機構を用いない合焦点手法として、電圧を印加することで液晶内の屈折率分布を変化させてレンズ効果を得ることができる液晶レンズを用いる方式が知られている。従来の液晶レンズとして、軸対称に配置された制御電極と透明平面電極とを対向に配置し、両電極の間に液晶層を介在させた液晶レンズが提案されている。このような液晶レンズでは電圧が印加された時に、制御電極の中心を軸とする軸対称な電界分布が形成されて液晶層に軸対称な屈折率分布が発生し、それによりレンズ効果を得ることができる。そして、液晶層に印加する電界強度を変化させることで電界分布を可変にして焦点距離を任意に制御することが可能である。
【０００４】
従来の液晶レンズの技術として、同心円状に独立に電圧を印加させることが可能な透明電極帯を有する液晶レンズが知られている（例えば、特許文献１参照）。この液晶レンズでは、レンズの焦点距離はそれぞれの電極帯への印加電圧を制御することによって変化させることができる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す液晶レンズのようにリング状の電極を多数配置して構成した液晶レンズでは中心から連続的な電界分布を形成するためには電極帯を細分化する必要があり、制御が困難になるという問題がある。このような問題を解決するために、より簡単な構成として円形の孔部が設けられた孔抜きパターン電極と透明平面電極とを対向に配置し、両電極の間に液晶層を介在させた液晶レンズも提案されている（例えば、特許文献２参照）。これは、円形穴型パターンを有する電極をスリットで分割することで焦点距離だけでなく光軸に垂直な方向へ焦点位置を変えるものである。この液晶レンズでは分割されたそれぞれの電極に異なる電圧を印加して制御することで電極の孔の中心軸に対称であった屈折率分布を非対称な分布とすることができる。これにより入射光に対する偏向効果を生じさせて光軸方向の焦点距離の制御のみだけでなく光軸と垂直な面内においても焦点の位置を変えることができる。
【特許文献１】特開平０３−００２８４０号公報
【特許文献２】特開平１１−１０９３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液晶レンズは、その電極に印加する電圧を制御して、液晶レンズ面内の屈折率分布を変化させることにより焦点距離と光軸方向を変えることができるため、撮像光学系への適用が期待されている。従来の液晶レンズを撮像装置用の光学レンズとして用いる場合、目的とする画角に合わせた方向の光線を取り込む必要があるが、液晶レンズの各液晶層はそれぞれ一方向に配向されているので、入射した光線の入射方向や角度によって集光特性に差異が発生する。これは特に配向方向に平行な面内で入射する光線に対して大きな影響が現れる。また、電極が分割された構成の液晶レンズでは、電極の分割された部分での電界分布にひずみが発生し、レンズとしての結像特性に影響を与える要因となる。
【０００７】
図６は、互いに対向する一対の電極６０３ａ、６０３ｂの間に液晶層６０１を有し、電極６０３ａには円形パターンの孔部が設けられた、従来の液晶レンズの断面図を模式的に示している。また、誘電率の観点から液晶分子６０２を略回転楕円体として表すと、図６に示すように、電極間に電圧を印加することで液晶（ネマチック液晶）分子６０２の長軸が電界６０４の向きに沿って配向し、液晶層内の屈折率分布が液晶分子の誘電率に基づいて変化する。このような屈折率変化を利用することで、液晶レンズへの入射光６０３を透過光６０４のように１点に集光させる。しかし、径方向にスリットが入って分割された液晶レンズでは、電極が分割されている部分の近傍は印加される電界が弱いため、液晶分子の傾きが僅かに小さくなり、集光点がずれて結像特性に影響をおよぼす。
【０００８】
図７（ａ）は液晶レンズの断面方向から見た（配向方向の面で分割した）液晶分子６０２を模式的に示しているが、液晶分子６０２に対する光の入射方向（図７に示す（１）の略回転楕円体の短軸方向、（２）の長軸方向）によって屈折率が異なるため、光線の入射する角度や方向によって異なった特性を示す。このような光線の入射方向や角度の違いによる結像への影響は電極が分割されている近傍のように電解の弱い部分でより顕著に現れる。また、図７（ｂ）は電界方向（光軸方向）から見た液晶分子を模式的に示しているが、同一の平面上で同じ入射角かつ対称に入射する２光線を考えた場合、液晶の配向方向（１）−（２）の平面上での２光線に対する屈折率差に比べて、入射方向が（１）'−（２）'のように配向方向からの角度が大きい平面上での２光線に対する屈折率差の方が小さくなる。
【０００９】
したがって、円形パターン電極にスリットが入った構造の液晶レンズを撮像レンズとして用いる場合において、電極の分割部分の近傍が結像特性に影響を与え、その影響はレンズの光軸に対して非対称となる。撮像レンズはある一定の画角の光線を取り込む必要があるため、液晶レンズへの入射角が大きくなるほどその非対称性は大きくなり、補正も困難になる。特に、電極の分割方向が液晶層（液晶分子）の配向方向と一致した場合には、その近傍での結像特性を大きく劣化させると共にその非対称性も大きくなる。すなわち、撮像レンズとして用いた場合にムラの大きな結像特性を持つレンズとなってしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、結像性能の低下を防ぎ、非対称性を改善すると共に良好な画質が得られる液晶レンズとそれを用いた撮像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】
【００１１】
本発明は、互いに対向する制御電極と固定電極との間に液晶層を有し、前記対向する電極間に電圧を印加することにより前記液晶層の液晶分子の配向制御を行う液晶レンズであって、前記制御電極は少なくとも２つの領域に分割され、前記液晶層の配向方向はレンズ有効領域内において、対向する前記制御電極同士の境界の方向と一致しないことを特徴とする。
【００１２】
本発明は、前記制御電極は、孔を有する孔抜き電極であり、前記境界により孔の径方向に分割され、各電極には独立に電圧を印加することを特徴とする。
【００１３】
本発明は、前記液晶層の配向方向と、前記対向する制御電極同士の境界の方向とが最大角をなすことを特徴とする。
【００１４】
本発明は、制御電極と、それに対向するようにその両側に設けられた固定電極との間にそれぞれ液晶層を有し、前記対向する電極間に電圧を印加することにより前記液晶層の液晶分子の配向制御を行う液晶レンズであって、前記制御電極は少なくとも２つの領域に分割され、前記液晶層の配向方向はレンズ有効領域内において、対向する前記制御電極同士の境界の方向と一致しないことを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記制御電極は、孔を有する孔抜き電極であり、前記境界により孔の径方向に分割され、各電極には独立に電圧を印加することを特徴とする。
【００１６】
本発明は、前記液晶層の配向方向と、前記対向する制御電極同士の境界の方向とが最大角をなすことを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記２つの液晶層の配向方向は垂直であること特徴とする。
【００１８】
本発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の液晶レンズと、撮像素子と、前記液晶レンズに印加する電圧を制御することにより前記撮像素子に入射する光の光軸の方向を制御する光軸制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、分割された制御電極を有する液晶レンズにおいて、電極分割箇所における光線の集光特性劣化の影響を低減し結像特性を改善することが可能になるという効果が得られる。
また、本発明による液晶レンズを撮像装置に組込むことで、光軸調整可能であり、高画質な画像を撮像することが可能になるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態による液晶レンズ及び撮像装置を図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は第１の実施形態における液晶レンズ１００の構成を示す正面図とＡ−Ａ’断面図である。液晶レンズ１００は、透明な第１の電極１０３、第２の電極１０４、透明な第３の電極１０５、第２の電極１０４と第３の電極１０５との間に配置された液晶層１０６、第１の電極１０３と第２の電極１０４との間に配置された第１の絶縁層１０７、第２の電極１０４と第３の電極１０５の間に配置された第２の絶縁層１０８、第１の電極１０３の外側に配置された第３の絶縁層１０９、第３の電極１０５の外側に配置された第４の絶縁層１１０によって構成されている。なお、電極１０３、電極１０５はそれぞれ透明な光透過性を有する材料で構成されている。また、上述の電極及び絶縁体はそれぞれ透明な光透過性を有する材料で構成されている。
【００２１】
第２の電極１０４は、円形の孔１０４ｅを有しており、図１の正面図に示すように縦、横に分割された４つの電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄによって構成されている（これを孔抜き電極という）。それぞれの電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄに対して独立して電圧を印加することができる。そして、液晶層１０６を挟む電極１０３、１０４、１０５の間に電圧を印加して液晶分子の配向制御を行うことにより、第２の電極１０４で構成する円形の孔１０４ｅ内（これがレンズ有効領域となる）の液晶層１０６の屈折率分布が変化して、光学レンズとして機能する。
【００２２】
ここで、電極１０４の分割方向のうち、縦方向の分割方向を符号１４０ａの線分で示し、横方向の分割方向を符号１４０ｂの線分で示す。液晶層１０６においては、液晶分子を一方向に配向させており、その配向方向を符号１３０の線分で示す。液晶層１０６は、線分１３０の方向（液晶分子の配向方向）が、対向する２つの電極（電極１０４ａと１０４ｂ、電極１０４ｂと１０４ｄ、電極１０４ａと１０４ｃ、電極１０４ｃと１０４ｄ）同士の境界の方向（線分１４０ａ、１４０ｂの方向）と一致しない方向になるように配置されている。
【００２３】
液晶分子の配向方向（線分１３０）は、２つの電極同士の境界方向と一致せずに、かつ液晶分子の配向方向と電極同士の境界方向とのなす角度が最大になる方向とすることが望ましい。すなわち、４分割の電極では、２つの境界方向（２つの線分１４０ａ、１４０ｂ）が交差してなす角度を２分する角度とするのが望ましい。図１に示す例では、線分１４０ａと１４０ｂがなす角度が９０°であるので、２つの線分１４０ａと１４０ｂのそれぞれと線分１３０とのなす角度は４５°となる。この例は、４分割電極の場合であるが、２分割の電極である場合は、分割方向と配向方向とのなす角度が９０°となる。また、８分割電極である場合は、分割方向と配向方向とのなす角度が２２．５°となる
【００２４】
一例として液晶レンズ１００の寸法を以下に示す。第２の電極１０４の円形の孔１０４ｅのサイズは約φ２ｍｍであり、第１の電極１０３との間隔は７０μｍであり、第２の絶縁層１０８の厚みは７００μｍである。液晶層１０６の厚さは６０μｍとしている。また、液晶層１０６の配向方向１３０は分割電極１０４の分割方向１４０ａ、１４０ｂとそれぞれ４５度をなす方向であり、電極の分割方向１４０ａ、１４０ｂと液晶の配向方向のなす角が最大となるような配置としている。このような配置とすることで電極の分割箇所における電界のひずみによる集光特性への影響と液晶の配向方向における集光特性への影響を分散させることが可能であり、レンズの結像特性を改善することが可能である。また、絶縁層１０８は大口径化のため例えば７００μｍの厚さの透明な硝子等を用いている。２つの対向する電極（電極１０４ａと１０４ｂ、電極１０４ｂと１０４ｄ、電極１０４ａと１０４ｃ、電極１０４ｃと１０４ｄ）同士の境界部分の距離は、放電が発生しない状態を保つことができる最短距離とすることが望ましい。
【００２５】
また、本実施の形態では第１の電極１０３と第２の電極１０４は異なった層となっているが、同一の面上に形成しても構わない。その場合、第１の電極１０３の形状は第２の電極１０４の円形の孔１０４ｅよりも小さなサイズの円形として第２の電極１０４の孔１０４ｅの位置に配置し、第２の電極１０４の分割部分のスリットに電極取り出し部を設けた構成とする。このとき、第１の電極１０３と第２の電極を構成する電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄはそれぞれ独立に電圧制御が行える。このような構成をすることで全体の厚みを減少させることができる。
【００２６】
次に、図１に示す液晶レンズ１００の動作を説明する。図１に示す液晶レンズ１００において、透明な第３の電極１０５とアルミニウム薄膜等で構成された第２の電極１０４との間に電圧を印加すると同時に、第１の電極１０３と第２の電極１０４の間にも電圧を印加することにより、円形の孔１０４ｅを有する第２の電極１０４の中心軸１２０に軸対象な電界勾配を形成することができる。このように形成された円形電極のエッジ周りの軸対象な電界勾配により、液晶層１０６の細長い略回転楕円体の形状をした液晶（一例としてネマチック液晶）分子がその長軸を電界方向に向けて配向する。その結果、液晶層１０６の配向分布の変化により、異常光の屈折率分布が円形の電極の中心から周辺まで変化するため、レンズとして機能させることができる。第１の電極１０３、第２の電極１０４への電圧の掛け方によってこの液晶層１０６の屈折率分布を自由に変化させることができ、凸レンズや凹レンズなど自由に光学的な特性の制御を行うことが可能である。
【００２７】
本実施形態では、第１の電極１０３と第３の電極１０５の間に２０Ｖｒｍｓの実効電圧を印加し、また、第２の電極１０４と第３の電極１０５の間に７０Ｖｒｍｓの実効電圧を印加して凸レンズとして機能させている。凸レンズとして機能させる場合にはこのように第１の電極１０３に印加する電圧が第２の電極１０４に印加する電圧より小さくすればよい。また、レンズの焦点距離を変更する場合には第1の電極１０３に印加する電圧を制御すればよい。ここで、液晶駆動電圧（各電極間に印加する電圧）は正弦波、またはデューティ比５０％の矩形波の交流波形である。印加する電圧値は実効電圧（ｒｍｓ：自乗平均平方根）で表す。例えば１００Ｖｒｍｓの交流正弦波は、±１４４Ｖの尖頭値を有する電圧波形となる。また、交流電圧の周波数は例えば１ｋＨｚが用いられる。
【００２８】
ここでは凸レンズとして機能させる場合について示したが、凹レンズとして機能させる場合には、例えば第１の電極１０３と第３の電極１０５の間に９０Ｖｒｍｓの実効電圧を印加し、また、第２の電極１０４と第３の電極１０５の間に３０Ｖｒｍｓの実効電圧を印加するなど、第１の電極への印加電圧が第２の電極への印加電圧より大きくなるように制御すればよい。
【００２９】
さらに第２の電極１０４を構成する電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄと第３の電極１０５との間にそれぞれ異なった電圧を印加することにより、同一電圧を印加したときには軸対称であった屈折率分布が、円形の孔１０４ｅを有する第２の電極中心軸１２０に対して、軸のずれた非対称な分布となり、入射光が直進する方向から偏向するという効果が得られる。この場合、分割された第２の電極１０４と第３の電極１０５の間に印加する電圧を適宜変えることにより、入射光の偏向の方向を変化させることができる。例えば、電極１０４ａと電極１０５間と、電極１０４ｃと電極１０５間にそれぞれ７５Ｖｒｍｓを、電極１０４ｂと電極１０５間と、電極１０４ｄと電極１０５間にそれぞれ７０Ｖｒｍｓを印加することで、符号１２０で示す光軸位置が符号１２１で示す位置にシフトする。そのシフト量は例えば４０μｍである。
【００３０】
なお、液晶層１０６の液晶分子の配向方向は、２つの電極同士の境界の方向と一致しない方向であれば、液晶分子の配向方向（線分１３０）は、液晶分子の配向方向と電極同士の境界方向とのなす角度が最大になる方向に限るものではない。図２に示すように、第２の電極１０４の円形の孔１０４ｅの中心点Ｐ１と、４つの電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄの８つの端点Ｐ２〜Ｐ９のそれぞれとを結ぶ８本の線分１４１〜１４８の方向を除く方向を液晶層１０６の液晶分子の配向方向とすればよい。すなわち、線分１４１〜線分１４８の方向、線分１４２〜線分１４３の方向、線分１４４〜線分１４５の方向及び線分１４６〜線分１４７の方向を除けば、電極分割箇所における光線の集光特性劣化の影響を低減し結像特性の改善することができる。
【００３１】
このように液晶レンズ１００は、第２の電極（制御電極）１０４の分割方向と液晶層１０６の配向方向を一致させない配置とした構造のため、液晶レンズ１００の円形の孔１０４ｅ内に入射する角度を持った光に対する集光特性が改善され、像のぼけを低減することができる。
【００３２】
また、本実施例では液晶層は１層で構成されているが、これに限るものではない。液晶層を複数の層で構成することにより、強いレンズパワーを得ることが可能となる。さらに同じレンズパワーを薄い液晶層の組合せで構成できるので動作速度の改善が可能となる。また、偏光方向を変えた組合せにすることで入射光の偏光方向に関係なくレンズ効果を得ることも可能になる。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
図３は、第２の実施の形態に係る液晶レンズ２００の構成を示す正面図とＢ−Ｂ’断面図である。本実施形態における液晶レンズ２００は、透明な第１の電極２０３、不透明な第２の電極２０４、透明な第３の電極２０５ａ、２０５ｂ、第２の電極２０４と第３の電極２０５ａ（２０５ｂ）との間に配置された液晶層２０６ａ（２０６ｂ）、第２の電極２０４と第３の電極２０５ａ（２０５ｂ）の間に配置された第２の絶縁層２０８ａ（２０８ｂ）、第３の電極２０５ａ（２０５ｂ）の外側に配置された第４の絶縁層２１０ａ（２１０ｂ）によって構成されている。
【００３４】
ここで、第２の電極２０４は、円形の孔を有しており、図３の正面図に示すように縦、横に分割された４つの電極２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄによって構成されており、それぞれの電極に独立して電圧を印加することができる。ここで電極２０４の分割された方向をそれぞれ電極分割方向線分２４０ａ、２４０ｂで示す。また、第１の電極２０３は第２の電極２０４の孔の中心位置に配置されており、電極２０４ｂと２０４ｄの間のスリットの部分に電極の引き出し線２０３ａ、２０３ｂを設けており、この引き出し線から電極２０３に対して電圧が印加される。第１の電極２０３と、第２の電極を構成する電極２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄのそれぞれは、独立に電圧制御を行うことが可能である。液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２はそれぞれ２層の液晶層から構成されており、液晶層２０６ａ１、２０６ｂ１と液晶層２０６ａ２、２０６ｂ２は同じ偏光方向となるように配置している。また、液晶層２０６ａ１（２０６ｂ１）と２０６ａ２（２０６ｂ２）は、互いに異なる方向の配向となるように配置している。液晶レンズ２００では液晶層２０６ａ１、２０６ａ２、２０６ｂ１、２０６ｂ２へ入射する光線の角度や方向により集光特性に影響が発生し、特に配向方向に平行な面内での特性差は大きいが、電極の分割方向と互いの液晶層の配向方向を異なる方向にして配置することによって集光特性の改善を図ることができる。
【００３５】
また、液晶層２０６ａ１（２０６ｂ１）と、２０６ａ２（２０６ｂ２）は偏光方向が９０度となるようにとなるように配置している。液晶層２０６ａ１（２０６ｂ１）と、液晶層２０６ａ２（２０６ｂ２）はそれぞれ１偏光方向の光にのみしかレンズ効果を満たせないが、このように液晶層２０６ａ１（２０６ｂ１）と、液晶層２０６ａ２（２０６ｂ２）の偏光方向を９０度となるように配置することで全ての偏光方向の光に対してレンズ効果を得ることができる。それぞれの液晶の配向制御は液晶層２０６ａ１、２０６ａ２（２０６ｂ１、２０６ｂ２）を挟む電極２０３、２０４、２０５の間に電圧を印加することで液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と、液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２の液晶分子の配向制御を行う。ここで、液晶層２０６ａ１、２０６ｂ１は配向方向が線分２３０方向の一方の方向（矢印の方向）となるように配置し、液晶層２０６ａ２、２０６ｂ２は配向方向が線分２３１方向の一方の方向（矢印の方向）となるように配置している。線分２３０、２３１は共に電極分割方向線分２４０ａ、２４０ｂと一致しない配置となっている。
【００３６】
ここでは液晶層２０６ａ１、２０６ｂ１と液晶層２０６ａ２、２０６ｂ２がそれぞれ同じ配光方向となるように配置したが、液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２がそれぞれ同じ配光方向となるようにしてもよい。ただし、この場合、２つの偏光方向での焦点位置のずれが大きくなるため、電極２０４と電極２０５ａとの電位差が電極２０４と電極２０５ｂとの電位差よりも小さくなるように制御する必要がある。
【００３７】
一例として液晶レンズ２００の寸法を以下に示す。第２の電極２０４の円形の孔のサイズは約φ３ｍｍであり、絶縁層２０８ａ（２０８ｂ）の厚みは７００μｍである。液晶層２０６の厚さは３０μｍとしている。また、液晶層２０６ａ、２０６ｂの配向方向線分２３０、２３１のそれぞれは電極分割方向線分２４０ａ、２４０ｂのそれぞれと４５度をなす方向であり、電極の分割方向と液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２の配向方向のなす角が最大となるような配置としている。また、絶縁層２０８ａ（２０８ｂ）は大口径化のため例えば７００μｍの厚さの透明な硝子等を用いている。このような配置とすることで電極の分割箇所における電界のひずみによる集光特性への影響と液晶の配向方向における集光特性への影響を分散させることが可能であり、レンズの結像特性を改善することが可能である。
【００３８】
次に、図３に示す液晶レンズ２００の動作を説明する。各液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２における動作に関しては第１の実施形態で説明した動作と同様に、透明な第３の電極２０５ａ（２０５ｂ）とアルミニウム薄膜等で構成された第２の電極２０４との間に電圧を印加すると同時に、第１の電極２０３と第２の電極２０４の間にも電圧を印加することにより、円形の孔を有する第２の電極２０４の中心軸２２０に軸対象な電界勾配を形成することができる。このように形成された円形電極のエッジ周りの軸対象な電界勾配により、液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２の液晶分子が電界勾配の方向に配向し、レンズとして機能させることができる。第１の電極２０３、第２の電極２０４への電圧の掛け方によってこの液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２の屈折率分布を自由に変化させることができ、凸レンズや凹レンズなど自由に光学的な特性の制御を行うことが可能である。また、電極２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄと第３の電極２０５との間にそれぞれ異なった電圧を印加することにより、同一電圧を印加したときには軸対称であった屈折率分布が、円形の孔を有する第２の電極中心軸２２０に対して、軸のずれた非対称な分布となり、入射光が直進する方向から偏向するという効果が得られ、焦点位置を光軸に垂直な面内で制御が可能である。
【００３９】
このように液晶レンズ２００は、制御電極２０４の分割方向とレンズを構成する全ての液晶層２０６ａ１、２０６ａ２と液晶層２０６ｂ１、２０６ｂ２の配向方向を一致させない配置とした構造のため、液晶レンズ２００に入射する角度を持った光に対する集光特性が改善され、像のぼけを低減することができる。
【００４０】
＜第３の実施形態＞
次に、図４を参照して、本発明による液晶レンズを用いた撮像装置を説明する。図３は、本発明の第３の実施形態に係る撮像装置の全体構成を示す機能ブロック図である。図３において、２００は液晶レンズである。図３において、第２の実施形態における液晶レンズ２００と同一の部分は同一の符号を付して、その応用例も含めて説明を一部省略し、簡単に説明する。なお、電極の分割方向と液晶層の配置方向による結像特性の劣化低減に関しても第２の実施形態の説明と同様である。
【００４１】
図３の撮像装置３００は、撮像部３１０、液晶レンズへの印加電圧を制御する制御部３０３、撮像素子からの信号を映像信号へと変換する映像処理部３０５によって構成され、撮像部３１０はさらに撮像素子３０４と撮像素子３０４に像を結像させる撮像レンズ３０２を備えている。ここで、撮像レンズ３０２は第２の実施形態において説明した４分割された制御電極と４層の液晶層を備えた液晶レンズ２００とガラスによる光学レンズ３０１との組合せによって構成されている。本実施形態では液晶レンズ２００を用いたがこれに限定せず、分割された電極を有し、かつ電極の分割方向と液晶層の配向方向が一致しないように配置した液晶レンズであれば何でもよい。また、光学レンズ３０１は他にもプラスチックなどから構成されたものでもよく、撮像レンズとしての組み合わせ方は特に本実施形態に限定しない。例えば、ガラスレンズの間に液晶レンズを挿入した構成とし、ガラスレンズによって液晶レンズへの入射光の入射角度を抑えるような配置としてもよい。この場合、液晶レンズへの入射角度が低減されるためより光学特性のよい撮像レンズを実現できる。
【００４２】
制御部３０３は、液晶レンズ２００に印加する電圧を制御する電圧制御部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄから構成されている。制御部３０３の電圧制御部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄのそれぞれは、液晶レンズ２００内に備える制御電極２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄそれぞれの印加電圧を制御する。
【００４３】
次に動作について簡単に説明する。撮像レンズ３０２は撮影対象からの光を対応する撮像素子３０４上に結像する。撮像レンズ３０２よって結像されたイメージを撮像素子３０４で光電変換し、光信号を電気信号に変換する。撮像素子３０４で変換された電気信号は映像処理部３０５で、予め設定されたパラメータ等により映像信号を変換する。この映像信号をもとに制御部３０３は最適な焦点位置となるように液晶レンズ２００の制御電極２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄに対して電圧を印加する。例えば、結像位置がずれていれば光軸の方向を変えるように制御電極２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄに対して電圧を印加する。ここで光軸シフトは例えば、電極２０４ａ、２０４ｃへの印加電圧を電極２０４ｂ、２０４よりも大きな値とした場合に、撮像素子３０４に対して電極２０４ａ、２０４ｃ側へ光軸がシフトする。つまり、光軸をシフトさせたい方向の電圧が高いように印加電圧を制御すればよい。また、焦点位置がずれていれば（像がぼけていれば）焦点位置を変化させるように制御電極２０３への印加電圧を制御する。この制御は焦点位置を遠くにする場合には印加電圧値を高くし、逆に焦点位置を近づけるに従い印加電圧を小さくする。
【００４４】
このように、液晶レンズ２００は電圧の制御のみで光軸方向だけではなく光軸に垂直な面内においても自由に焦点位置を制御することが可能であり、焦点合わせに駆動機構の必要がない。そのため、撮像装置３００は簡単な構造でサイズの小型化も可能である。また、制御電極の分割方向と全ての液晶層の配向方向を一致させない配置とした構造となっているため結像性能の劣化を抑制し、良好な画質を得ることができる撮像装置を実現できる。
【００４５】
＜第４の実施形態＞
次に、図５を参照して、本発明による液晶レンズを用いた他の撮像装置を説明する。図５は、本発明の実施形態に係る撮像装置４００の全体構成を示す機能ブロック図である。本実施形態では第３の実施形態において説明した撮像装置３００を複数個（この例では４個）組み合わせて構成した多眼の撮像装置である。図４において、第３の実施形態における撮像装置３００と同一の部分は同一の符号を付して、その応用例も含めて説明を一部省略し、簡単に説明する。なお、電極の分割方向と液晶層の配置方向による結像特性の劣化低減に関しても第２の実施形態の説明と同様である。
【００４６】
図５に示す撮像装置４００は、４系統の撮像部３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄから構成された撮像装置の一例である。撮像部３１０ａは撮像レンズ３０２と撮像素子３０４から構成されており、撮像部３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄの構成も同様である。４つの撮像部３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄは、撮影対象を撮像して、４系統の画像信号を出力する。以下、１つの撮像部３１０ａを例にとり、画像信号の流れを説明する。撮像レンズ３０２よって結像された画像を撮像素子３０４で光電変換し、光信号を電気信号に変換する。撮像素子３０４で変換された電気信号は映像処理部３０５１で、予め設定されたパラメータ等により映像信号を変換する。映像処理部３０５１で変換された映像信号は、映像合成部４０１に入る。同時に、他の撮像部３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄからの画像信号は、対応する各映像処理部３０５２、３０５３、３０５４で変換処理されて映像合成処理部４０１に入力される。
【００４７】
映像合成処理部４０１は、４系統の撮像部３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄで撮像された４つの映像信号を同期を取りながら１つの映像信号に合成し、高精細映像として出力する。また映像合成処理部４０１では、合成された高解像度映像が予め設定した判定値より劣化していた場合は、その判定結果に基づいて、制御信号を生成する。その制御信号に基づいて、各制御部３０３１〜３０３４は、対応する各撮像レンズ３０２の光軸制御を行い、再度、映像合成処理部４０１で判定する。判定結果が良ければ高精細映像を出力し、悪ければ再度、撮像レンズ３０２を制御することにより高精細映像を出力する。
【００４８】
なお、本実施形態では４つの撮像部３００ａ〜３００ｄを備えた４眼構成であったが、数に限定はなく５眼や６眼、それ以上でも構わない。例えば、緑フィルタを備えた撮像部４個と赤と青のフィルタを備えた撮像部をそれぞれ１個組み合わせた６眼構成とすることで、緑の撮像部により高精細化を行い、それに赤と青の撮像部からの映像信号を合成処理して高精細なカラー画像を得るようにしてもよい。このような手法により感度の良い撮像装置を実現でき、明るく画質の良い画像を得ることができる。
【００４９】
また、本発明の撮像装置４００では液晶レンズ２００は電圧の制御のみで光軸方向だけではなく光軸に垂直な面内においても自由に焦点位置を制御することが可能であるため、焦点合わせに駆動機構の必要がなく、簡単な構造でサイズの小型化も可能である。また、液晶レンズは制御電極の分割方向と全ての液晶層の配向方向を一致させない配置とした構造となっているため結像性能の劣化を抑制し、良好な画質を得ることができる撮像装置を実現できる。
【００５０】
以上説明したように、少なくとも２つの領域に分割された制御電極を備える液晶レンズ有効領域内において、対向する制御電極同士の境界の方向と一致しないように液晶層の配向方向を決めるようにしたため、制御電極の境界部分近傍における光線の集光特性劣化の影響を低減し結像特性を改善することが可能になる。また、この液晶レンズを撮像装置に組込むことで、高精度な光軸調整可能になり、高画質な画像を撮像することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態における液晶レンズ１００の構成を示す図である。
【図２】図１に示す電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄと液晶分子の配向方向の関係を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における液晶レンズ１００の構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態における撮像装置の全体構成を示す機能ブロック図である。
【図５】本発明の第４の実施形態における撮像装置の全体構成を示す機能ブロック図である。
【図６】液晶分子と屈折率の関係を示す説明図である。
【図７】液晶分子と屈折率の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００・・・液晶レンズ、１０３・・・第１の電極、１０４・・・第２の電極、１０５・・・第３の電極、１０６・・・液晶層１０６、１０７・・・第１の絶縁層、１０８・・・第２の絶縁層、１０９・・・第３の絶縁層、１１０・・・第４の絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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