(57)【要約】【課題】液晶層を直接加熱するヒーター電極を、液晶レンズの屈折率変化を行うための位相変調電極群の外側の領域に設け、液晶層を所望の温度以上に維持することによって、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液晶レンズおよびそれを搭載した電子機器を提供すること。【解決手段】２枚の透明性基板で液晶層を挟持する可変焦点レンズとして機能する液晶レンズにおいて、透明性基板における液晶層側となる表面に、駆動電源を接続して変調電圧を印加することにより、液晶層の位相を変調させる位相変調電極群とともに、液晶層を直接加熱するためのヒーター電極とを配設する構成を採用した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の透明性基板で液晶層を挟持する可変焦点レンズとして機能する液晶レンズにおいて、
前記透明性基板における前記液晶層側となる表面に、駆動電源を接続して変調電圧を印加することにより、前記液晶層の位相を変調させる位相変調電極群とともに、前記液晶層を直接加熱するためのヒーター電極とを配設したことを特徴とする液晶レンズ。
【請求項２】
前記位相変調電極群は、複数個の輪帯状パターンにより形成されてい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】
前記ヒーター電極は、前記位相変調電極群を配した位相変調領域の外側の領域であり、且つ前記透明性基板を固定するシールの内部領域のほぼ全域に渡って形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶レンズ。
【請求項４】
前記ヒーター電極は、前記複数個の輪帯状パターン間の絶縁された空間領域にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液晶レンズ。
【請求項５】
前記ヒーター電極は、前記空間領域と、前記位相変調電極群を配した位相変調領域の外側の領域であり、且つ前記透明性基板を固定するシールの内部領域のほぼ全域に渡って形成されてい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】
前記位相変調電極群と前記ヒーター電極は、ともに同じ材料の透明導電体により形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の液晶レンズ。
【請求項７】
前記位相変調電極群と前記ヒーター電極は、ともに酸化インジウム錫により形成されていることを特徴とする請求項６に記載の液晶レンズ。
【請求項８】
規定された液晶の動作温度範囲となる様に、前記ヒーター電極にヒーター加熱のＯＮとＯＦＦを制御するヒーター制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の液晶レンズ。
【請求項９】
前記ヒーター制御手段は、温度センサーにより検知された情報に基づき制御されることを特徴とする請求項８に記載の液晶レンズ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の液晶レンズが搭載されたことを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
前記液晶レンズはオートフォーカスレンズであり、このオートフォーカスレンズを搭載してカメラモジュールを構成してなることを特徴とする請求項１０に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液晶レンズおよび電子機器に関し、特に簡単な構成であるにも拘わらず、低温環境でも焦点移動速度が低下しない液晶レンズ、およびそれを搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光学系の焦点距離または焦点位置を変化させる合焦点機構として、レンズを移動させることにより焦点を合わせる方式が広く用いられている。しかし、この方式では、レンズ駆動機構が必要であるため、機構が複雑になるという欠点や、レンズ駆動用モータに比較的多くの電力を要するという欠点がある。また、一般に耐衝撃性が低いという欠点もある。そこで、レンズ駆動機構が不要な合焦点機構として、液晶レンズの屈折率を変化させることにより焦点を合わせる方式が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
ところで、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４参照。）。
【０００４】
そこで、特許文献１における液晶レンズを、非特許文献１および特許文献２〜５に示されている山登りを制御する輪郭検出方式に単に適用すると、液晶の応答速度が問題となる。この様に、液晶レンズに充填するネマティック液晶は、低温下では粘度の上昇により応答速度が遅くなることが知られており、液晶の応答速度を早くするために、ベンド配向と呼ばれる配向方法で応答速度を上げる方法が用いられる（特許文献５参照。）。
【０００５】
また、液晶レンズに充填する液晶材料として、高速応答性に優れる強誘電性液晶などを用いる提案もされている。
【０００６】
さらに、液晶レンズとしてではなく、表示用の液晶パネルに対し、低温環境下でも液晶層の温度を所望の温度に保つために、この液晶パネルを加熱するパネルとは別体のヒーターを液晶パネルを構成するガラス基板に当設させて設ける方法が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特許第３０４７０８２号公報（第３−５頁、第１−４図）
【特許文献２】実公平２−４４２４８号公報（第４−１０頁、第７−１１図）
【特許文献３】特許第２７４２７４１号公報（第１−２頁、第５−７図）
【特許文献４】特公平１−１５１８８号公報（第１−３頁、第１−５図）
【特許文献５】特開昭６１−１１６３２９号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献６】特開平６−２０８１００号公報（第２−３頁、第１−３図）
【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】
【０００８】
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場合、液晶の応答性が問題となり、特に低温時は液晶の粘度上昇により、液晶の応答速度が著しく低
下するため、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。例えば、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ポジション必要になると仮定して、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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えばよい。
【００１１】
液晶レンズの場合、室温（２０℃）で１ポジションあたりの処理時間が例えば１００ミリ秒の場合、合焦点を検出するまでに平均約２．５秒（１００ミリ秒／ポジション×２５ポジション）である。
【００１２】
しかし、一般に、低温下では液晶の粘度上昇に伴い、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、低温（０℃）では、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、液晶の応答速度が遅過ぎてこの液晶レンズを電子機器に搭載して動作させることは非現実的である。
【００１３】
この問題を解決するために、背景で説明した高速応答が可能なベンド配向や、強誘電性液晶を用いることが考えられるが、どちらも液晶のＯＮ／ＯＦＦ時の屈折率変化が小さいため、これら手段を液晶レンズに使用した場合、可変焦点性能が著しく劣るという問題がある。
【００１４】
また、パネルとは別体のヒーターを設けて液晶パネルを加熱し、低温下でも実用的な液晶の応答速度を得る方法は、簡単な構成で液晶層を均一に加熱することが困難である。さらに、液晶パネルの周辺にヒーター電極を取り付けると、その分液晶レンズの厚さが増したり、レンズが形成された領域の光を遮る遮光体を形成できないため、ヒーターを取り付けることができないという問題が生じる。
【００１５】
そこで、本発明は、上述した背景技術による問題点を解消するため、液晶層を直接加熱するヒーター電極を、液晶レンズの屈折率変化を行うための位相変調電極群の外側の領域に設け、液晶層を所望の温度以上に維持することによって、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液晶レンズおよびそれを搭載した電子機器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】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる液晶レンズは、２枚の透明性基板で液晶層を挟持する可変焦点レンズとして機能する液晶レンズにおいて、透明性基板における液晶層側となる表面に、駆動電源を接続して変調電圧を印加するこ
とにより、液晶層の位相を変調させる位相変調電極群とともに、液晶層を直接加熱するためのヒーター電極とを配設したことを特徴とする。
【００１７】
請求項１の発明によれば、低温下でも液晶の応答速度が所定速度を下回らないため、液晶レンズの液晶層に所定電圧が印加され、液晶レンズの応答動作した後に焦点信号がサンプリングされ、それを繰り返すことにより焦点信号の最大値が求められる。つまり、焦点信号のレベルは、被写体にピントが合っているときに最大となり、ピントのずれ具合（ボケ具合）が強くなるに従って小さくなる。従って、液晶に印加する電圧を段階的に変化させ、その都度、液晶の応答が安定するまで待ってから焦点信号をサンプリングしても、短時間で合焦点を検出することができる。
【００１８】
請求項２の発明にかかる液晶レンズは、請求項１に記載の発明において、前述した位相変調電極群が、複数個の輪帯状パターンにより形成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明によれば、液晶レンズに外部から変調電圧を印可することにより、液晶レンズを所望の凸レンズまたは凹レンズに変化させることができる様になる。
【００２０】
請求項３の発明にかかる液晶レンズは、請求項１または２に記載の発明において、前述したヒーター電極が、位相変調電極群を配した位相変調領域の外側の領域であり、且つ透明性基板を固定するシールの内部領域のほぼ全域に渡って形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明によれば、ヒーター電極を構成する材料が比較的比抵抗が大きいものを用いた場合に、短時間に液晶層を均一に加熱することができる様になる。
【００２２】
請求項４の発明にかかる液晶レンズは、請求項２に記載の発明において、前述したヒーター電極が、複数個の輪帯状パターン間の絶縁された空間領域にそれぞれ形成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明によれば、各輪帯状パターン間の空間領域のスペースを大きくとる必要が生じるが、より効率よく液晶層の加熱を行うことができる様になる。
【００２４】
請求項５の発明にかかる液晶レンズは、請求項４に記載の発明において、前述したヒーター電極が、空間領域と、位相変調電極群を配した位相変調領域の外側の領域であり、且つ透明性基板を固定するシールの内部領域のほぼ全域に渡って形成されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項５の発明によれば、請求項４に記載の発明と比べ、さらに液晶層の加熱効率を向上させることができる様になる。
【００２６】
請求項６の発明にかかる液晶レンズは、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前述した位相変調電極群とヒーター電極が、ともに同じ材料の透明導電体により形成されていることを特徴とする。
【００２７】
請求項６に記載の発明において、位相変調電極群とヒーター電極とを同一プロセスで形成できるため、安価に大量生産することができる様になる。
【００２８】
請求項７の発明にかかる液晶レンズは、請求項６に記載の発明において、前述した位相変調電極群とヒーター電極は、ともに酸化インジウム錫により形成されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項７に記載の発明において、透過率の高い位相変調電極群と大電流を流せるヒーター電極とを同一プロセスで形成できるため、この液晶レンズを安価に大量生産することができる様になる。
【００３０】
請求項８の発明にかかる液晶レンズは、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明において、規定された液晶の動作温度範囲となる様に、前述したヒーター電極にヒーター加熱のＯＮとＯＦＦを制御するヒーター制御手段をさらに有することを特徴とする。
【００３１】
請求項８に記載の発明において、液晶レンズを所望に温度範囲に保持し、規定の応答速度で動作させることができる様になる。
【００３２】
請求項９の発明にかかる液晶レンズは、請求項８に記載の発明において、前述したヒーター制御手段が、温度センサーにより検知された情報に基づき制御されることを特徴とする。
【００３３】
請求項９に記載の発明において、液晶レンズを所望に温度範囲に保持し、規定の応答速度で動作させることができる様になる。
【００３４】
請求項１０の発明にかかる電子機器には、請求項１から９のいずれか一項に記載の液晶レンズが搭載されていることを特徴とする。
【００３５】
請求項１１の発明にかかる電子機器は、請求項１０に記載の発明において、液晶レンズがオートフォーカスレンズであり、このオートフォーカスレンズを搭載してカメラモジュールを構成してなることを特徴とする。
【００３６】
請求項１０または１１に記載の発明において、耐衝撃性が高く、軽量小型の自動焦点機構付の電子機器としてカメラモジュールを作製することができる様になる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、様々な温度環境下において、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液晶レンズと、それを搭載した電子機器が得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる液晶レンズおよびそれを搭載した電子機器の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３９】
まず、本発明の液晶レンズの構成について説明をする。図１および図２は、それぞれ液晶レンズのセル構成を示す正面図および断面図である。
【００４０】
これらの図に示すように、液晶レンズ１は、例えば３枚の対向するガラス基板２１，２２，２３の内側にパターン電極２４，２５，２６，２７が対向して配置されて各ガラス基板２１〜２３の表面に所定のパターンが形成され、その間に例えばホモジニアス配向の液晶層２８，２９が封入された液晶パネルを構成している。
【００４１】
そして、液晶で光の位相変調を行って可変焦点レンズを実現するためには、Ｐ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂの２層構成となる。両液晶レンズは共に構成は同じであるが、液晶層２８，２９の配向方向が９０°異なる。これは、Ｐ波用液晶レンズ１ａの屈折率分布を変化させた場合、Ｐ波用液晶レンズ１ａ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１ａ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。Ｓ波用液晶レンズ１ｂについても同様である。
【００４２】
従って、配向方向が９０°異なる２枚の液晶レンズ１、すなわちＰ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂが必要となる。Ｐ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂは、同じ波形の駆動電圧によって駆動される。ここで用いる駆動電圧は、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。
【００４３】
また、液晶レンズ１を構成するパターン電極２４，２７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パターン領域１１に配した、ここでは図示しない共通電極とこのレンズパターン領域１１の周辺を覆うように、ヒーター電極１５が同一の透明導電体で設けられている。それと対向するパターン電極２５，２６の中央部には、パターン電極２４，２７に形成された共通電極と対向して配置されたここでは図示しない輪帯状のパターンとヒーター電極１５が設けてある。これらパターンの配置形態については、後段で詳細に説明をする。上記共通電極と輪帯状のパターンにて位相変調電極群を構成している。
【００４４】
さらに、液晶レンズ１の周縁部は、シール部材１２により封止され、Ｐ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂにおける液晶層２８，２９の厚さは、シール部材１２の内側領域に散布された図示しないスペーサ部材により一定に保たれている。またさらに、対向するガラス基板２１〜２３にそれぞれ配したレンズパターン領域１１及びヒーター電極１５から導出して形成された電極取り出し部１３には、スプリングコネクタまたはフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）からなる外部信号入出力手段１４が接続されている。そして、レンズパターン領域１１及びヒーター電極１５が形成されたパターン電極２４，２７は、異方性導電材２０３を用いて電極取り出し部１３に接続している。電極取り出し部１３の一部は、パターン電極２５，２６から絶縁されており、パターン電極２４，２７に接続されている。
【００４５】
本発明の液晶レンズでは特に限定しないが、一例として液晶レンズ１の寸法を下記に示す。
ガラス基板２１〜２３の一辺の長さは、数ｍｍから十数ｍｍ程度、例えば７ｍｍである。ただし、パターン電極２５，２６側のガラス基板２２については、パターン電極２５，２６の電極取り出し部１３を被う部分を除いた寸法である。ガラス基板２１〜２３の厚さは、数百μｍ程度、例えば３００μｍである。液晶層２８，２９の厚さは、数μｍから数十μｍ程度、例えば２５μｍである。レンズパターン領域１１の直径は数ｍｍ程度、例えば３ｍｍである。
【００４６】
次に、本発明の液晶レンズ１を構成するレンズパターン領域１１に配した電極パターンの具体的な構成例について説明をする。図３は、図１，２に示したパターン電極２５，２６におけるレンズパターン領域１１に配した電極パターンの構成例を示す正面図である。
【００４７】
図３に示すように、レンズパターン領域１１は、円形状の中心部電極３１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３２，３３が配置されたパターンを有する。中心部電極３１と最も内側の輪帯電極３２の間、および隣り合う輪帯電極３２，３３の間は、絶縁された空間となっている。そして、中心部電極３１と最も内側の輪帯電極３２、および隣り合う輪帯電極３２，３３は、輪帯接続部３４を介して互いに接続されている。
【００４８】
中心部電極３１からは、中心部引き出し電極３５が、他の輪帯電極３２，３３および輪帯接続部３４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３３（以下、
外周部電極３３とする）の外側まで伸びている。一方、外周部電極３３からは、その外側まで、外周部引き出し電極３６が他の電極から絶縁された状態で伸びている。なお、パターン電極２５，２６の図３に示すパターンは、レンズパターン領域１１に重なるように配置される。
【００４９】
この中心部引き出し電極３５と外周部引き出し電極３６にそれぞれ印加された電圧に応じて、パターン電極２４，２７に対する中心部電極３１、中心部電極３１と外周部電極３３との間の各輪帯電極３２、および外周部電極３３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２５，２６によってレンズパターン領域１１に電圧分布が生じる。この電圧分布を変化させることによって、液晶レンズ１の屈折率の分布が変化し、液晶レンズ１を凸レンズの状態にしたり、平行ガラスの状態にしたり、凹レンズの状態にすることができる。
【００５０】
ここで、本発明の液晶レンズにおいては特に限定しないが、一例としてレンズパターン領域１１の各部の寸法や特性値を示す。
中心部電極３１、外周部電極３３およびその間の輪帯電極３２の総数は、例えば３０本である。また、中心部電極３１の径、各輪帯電極３２の幅および外周部電極３３の幅は、レンズパターン領域１１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３１、輪帯電極３２および外周部電極３３の隣り合うもの同士の間にある絶縁された空間の幅は、例えば３μｍである。また、各輪帯接続部３４の抵抗値は、例えば１０ＫΩである。
【００５１】
次に、本発明の液晶レンズ１における各パターンの具体的な配置形態について説明をする。  図４及び図５は、図２のパターン電極２４〜２７と電極取り出し部１３を光の入射方向２０４から見た正面図である。図４は、パターン電極２４，２７を示している。図５は、図２におけるパターン電極２５，２６と電極取り出し部１３を示している。
【００５２】
ガラス基板２２の両面には、図５に示すパターンが酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ５＋ＳｎＯ２）により形成されている。そして、レンズパターン領域１１には、図３に示す輪帯状のパターンが形成され、配線５１により導出された取り出し電極５４は中心部引き出し電極３５（図３参照）に、配線５２により導出された取り出し電極５５は外周部引き出し電極３６（図３参照）に接続している。ガラス基板２１，２３の対向面には、図４に示すベタ電極である共通電極４０が酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ５＋ＳｎＯ２）により形成され、輪帯状のパターンが形成されたレンズパターン領域１１に重なるように配置され、取り出し電極４１に接続している。
【００５３】
また、輪帯状のパターンと共通電極４０の周囲には前述したヒーター電極１５が形成され、一端は取り出し電極４３と５７に、他端は取り出し電極４４と５８に接続している。なお、図４の４２と図５の５６で示した点線部の領域で、シール内に添加した異方性導電材により対向する電極は電気的に接続され、ガラス基板２１に形成された共通電極４０とヒーター電極１５はガラス基板２２の上面側から、ガラス基板２３に形成された共通電極４０とヒーター電極１５はガラス基板２２の下面側から信号の入出力ができる様になっている。また、ガラス基板２２の両面に形成された取り出し電極５３〜５５，５７，５８はスプリングコネクタまたはフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）からなる外部信号入出力手段１４が接続され、取り出し電極５３〜５５には所定の液晶レンズ駆動波形が印加され、取り出し電極５７，５８にはヒーター駆動電圧が印加される。
【００５４】
ここで、先に示した共通電極とヒーター電極パターンの変形例について説明をする。図６は、この輪帯ヒーター電極の構成例を示す図面である。
【００５５】
この輪帯ヒーター電極１１１を、図３における複数個の各輪帯電極３２，３３間の絶縁された空間領域の任意の箇所に設けて、引き出し配線１１２、１１３から信号の入出力ができるようにする。なお、輪帯電極３２，３３のパターンは先に示した形態と同じである。そして、ここでは図示しないが、共通電極４０を輪帯電極３２，３３と相似したパターン形状に分割して共通に束ねて外部からの信号を入出力するための配線を設けるとともに、レンズパターン領域側に設けた輪帯ヒーター電極１１１と相似した輪帯ヒーター電極パターンをそれぞれ対向して設ける。この様に構成することにより、図４，５に示した構成例と同様な効果を得ることができる様になる。
【００５６】
また、本変形例と図４，５に示した構成例をそれぞれ組み合わせた形態、つまり位相変調電極群を配した位相変調領域の外側の領域のヒーター電極１５と、前述した空間領域の輪帯ヒーター電極１１１とをそれぞれ配設することにより、液晶層２８，２９の全域に渡って加熱することができるようになる。そのため、本変形例によれば、より効率良く液晶層２８，２９を加熱することができるようになることが判る。
【００５７】
なお、本実施例では、レンズパターン領域１１に配した共通電極４０を外側のガラス基板２１，２３に、輪帯状のパターンをガラス基板２２の両面に形成した例を示したが、レンズパターン領域１１における共通電極４０をガラス基板２２の両面に、輪帯状のパターンを外側のガラス基板２１，２３に形成してもよい。
【００５８】
次に、可変焦点レンズである本発明の液晶レンズ１の動作について説明をする。図７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、液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化について説明するための図面である。
【００５９】
図７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（同図（ａ））、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（同図（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（同図（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。
【００６０】
例えば、各部の寸法や特性値が上述した値の液晶レンズ１およびレンズパターン領域１１を用いるとする。また、液晶層２８，２９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るとする。この場合、例えば駆動電圧Ｖ０の０Ｖから５Ｖへの立ち上がりに対する液晶の応答動作時間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ０の５Ｖから０Ｖへの立ち下がりに対する液晶の応答動作時間ｔｒは、室温（２０℃）でともに１００ミリ秒程度である。
【００６１】
次に、本発明の液晶レンズ１の様々な温度と応答速度との関係について説明をする。図８は、液晶の応答時間の温度依存性を示すグラフである。
【００６２】
曲線７１は０℃の測定値、曲線７２は１０℃の測定値、曲線７３は２０℃の測定値、曲線７４は３０℃の測定値、曲線７５は４０℃の測定値、曲線７６は５０℃の測定値を示す。本図面から、室温（２０℃）以上では１００ミリ秒以下の応答時間が得られているものの、０℃では５００ミリ秒程度に悪化してしまっていることが判る。
【００６３】
それに対して、先に説明をしたヒーター電極１５を配した液晶レンズ１は、下記に示す作用を有するものとなる。図９は、液晶レンズ１のレンズパターン領域１１の周囲に形成
したヒーター電極１５に電圧を印加し、液晶層２８，２９を加熱した４例の測定結果を示す図面である。
【００６４】
例えば、ヒーター電極１５に７Ｖの電圧を印加し、１０４ミリアンペアの電流を流すと、液晶レンズ１は５秒後に常温（２０℃）から約３０℃上昇する。つまり、本構成を採用することにより、この液晶レンズ１を０℃の環境下であったとしても、液晶層２８，２９を＋３０℃の環境下とすることができ、液晶の応答時間を０℃環境下で動作した場合に対して約１／４〜１／５に高速化するが可能となる。この様に、予め液晶レンズ１における液晶層２８，２９の温度と、ヒーター電極１５に印加する電圧と電流値との関係を記憶しておき、そのときの液晶層２８，２９の温度に応じてヒーター電極１５を制御すれば、様々な温度環境下において液晶層２８，２９が所定の温度となるように制御することができる。
【００６５】
次に、本発明の液晶レンズにおける可変焦点レンズの挙動について説明する。図１０には、駆動電圧の立ち上がり時の応答動作期間ｔｆにおける液晶の屈折率の変化の様子と、液晶レンズ１の焦点距離の変化の様子が示されている。
【００６６】
例えば、図１０（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、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１の中心部電極３１、各輪帯電極３２および外周部電極３３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、変化液晶レンズ１の屈折率分布がある分布に定まり、図１０（ｂ）に示すように、液晶レンズ１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。
【００６７】
図１０（ｂ）の横軸よりも上側および下側に描かれた線は、それぞれ液晶レンズ１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。本実施の形態では、説明の便宜上、液晶レンズ１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、液晶レンズ１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、液晶レンズ１の焦点距離ｆが正または負の無限大であるとき、液晶レンズ１は平行ガラスの状態となる。
【００６８】
次に、本発明の液晶レンズを搭載した電子機器である自動焦点装置（オートフォーカス装置）について説明をする。図１１は、自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。
【００６９】
図１１に示すように、自動合焦点装置は、液晶レンズ系１０１、光学レンズ系１０２、撮像素子１０３、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１０４、オートフォーカス（ＡＦ）コントローラ１０５および液晶レンズドライバー１０６、ヒーター制御回路１０７、温度センサー１０８を備えている。液晶レンズ系１０１は、Ｐ波用液晶レンズ１ａ（図２参照）とＳ波用液晶レンズ１ｂ（図２参照）を組み合わせた構成を有する。光学レンズ系１０２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１０３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。温度センサー１０８は例えばサーミスタであり、液晶レンズ系１０１の温度を検出するために、その近傍の配置されている。
【００７０】
液晶レンズ系１０１および光学レンズ系１０２を通過して結像した光学像は、撮像素子１０３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。ＤＳＰ１０４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１０５は、液晶レンズへ所定電圧設定後に、ＤＳＰ１０４から出力された画像信号をサンプリングすることにより、焦点整合度に対応した焦点信
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１０５は、抽出された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ように、液晶レンズ系１０１の駆動条件の制御を行う。
【００７１】
オートフォーカスコントローラ１０５は、上述した一連の制御を行うマイクロプロセッサ１０５１と記憶手段１０５２を有する。記憶手段１０５２は、マイクロプロセッサ１０５１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１０５１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）とを有する。
【００７２】
液晶レンズドライバー１０６は、温度センサー１０８から出力された温度信号が規定値以下に低下した場合、ヒーター制御回路１０７が液晶レンズ１に設けられたヒーター電極１５をＯＮ／ＯＦＦすることにより、液晶レンズ１が規定値以上の応答速度で動作する状態を維持し、オートフォーカスコントローラ１０５から出力された制御信号に基づいて液晶レンズ系１０１に所定の電圧を印加する。
【００７３】
なお、この液晶レンズ系１０１および光学レンズ系１０２は、光学レンズ手段に相当する。撮像素子１０３およびＤＳＰ１０４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１０５は、液晶レンズ制御手段の焦点信号抽出手段および合焦点判定手段に相当する。液晶レンズドライバー１０６は、液晶レンズ制御手段の電圧印加手段に相当する。
【００７４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、液晶レンズ系１０１の応答動作後に画像信号をサンプリングしてオートフォーカス信号を抽出することを繰り返し、合焦点を検出する場合に、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電子機器である自動合焦点装置が得られる。
【００７５】
また、本実施の形態によれば、レンズを駆動するためのアクチュエータ等の可動部が不要であるので、装置の小型化を図ることができる。また、消費電力を低減することができる。さらに、耐衝撃性に優れるので、信頼性が高いという効果も得られる。また、液晶レンズ系１０１が光学レンズ系１０２の外側の防護用窓ガラスを兼ねるので、より一層、装置の小型化を図ることができる。
【００７６】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した寸法や特性値や時間などの値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、液晶の種類もネマティック液晶に限定されるものではない。
【００７７】
また、液晶の過渡応答動作時間ｔｆおよびｔｒは、室温（２０℃）で１００ミリ秒程度であるわけではない。例えば、液晶の駆動方式がパルス高さ変調方式であるか、パルス幅変調方式であるか、ということによって、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりに対する液晶の応答速度が変化するので、ｔｆやｔｒが変化する。
【００７８】
また、用いる液晶の材料によって液晶の特性が異なるので、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりに対する液晶の応答速度が変化し、ｔｆやｔｒが変化する。特に、ＴＮ（ツイストネマティック）液晶を用いる場合には、回転粘性等による影響が大きい。
【００７９】
また、液晶の配向方法には、ホモジニアス（水平）配向、ホメオトロピック（垂直）配向、ハイブリッド配向、ツイスト配向またはベンド配向などがあるが、これらの配向方法の違いにより、駆動電圧の立ち上がりおよび立ち下がりに対する液晶の応答速度が変化し、ｔｆやｔｒが変化する。また、セルの構成等によってもｔｆやｔｒが変化する。
【００８０】
また、液晶レンズドライバーとヒーター制御回路は同じＩＣに集積化してもよい。また、液晶レンズドライバーと、ヒーター制御回路と、温度センサーを、同じＩＣに集積化しても良い。そして、液晶レンズ１の温度を効率良く検出し、実装サイズを小さくする上で、この集積化したＩＣは、液晶レンズ１を形成するガラス基板上に直接実装することが望ましい。
【００８１】
また、ヒーター電極１５に、先に示した酸化インジウム錫等からなる透明導電体に代えて、クロムを主成分とする金属材料からなる遮光メタルを用いても構わない。その際、ヒーター電極１５に電流が多く流れるため、この金属材料は比抵抗が小さい材料を用いることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上のように、本発明にかかる液晶レンズと、それを用いた電子機器は、オートフォーカス機能を有する自動合焦点装置に有用であり、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ー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】
【００８３】
【図１】本発明にかかる液晶レンズの構成を示す正面図である。
【図２】本発明にかかる液晶レンズの構成を示す断面図である。
【図３】本発明にかかる液晶レンズの他方のパターン電極に形成される輪帯状のパターン形状を示す正面図である。
【図４】本発明にかかる液晶レンズの一方のパターン電極の構成を示す正面図である。
【図５】本発明にかかる液晶レンズの他方のパターン電極の構成を示す正面図である。
【図６】本発明にかかる液晶レンズのヒーター電極の変形例を示す図面である。
【図７】本発明にかかる液晶レンズの液晶層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８】本発明にかかる液晶レンズの液晶層に電圧を印加したときの屈折率変化量を示す温度依存データである。
【図９】本発明にかかる液晶レンズへのヒーター加熱時間と温度上昇との関係を示すデータである。
【図１０】本発明にかかる液晶レンズの液晶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１１】本発明にかかる電子機器である自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  液晶レンズ
１ａ  Ｐ波用液晶レンズ
１ｂ  Ｓ波用液晶レンズ
１１  レンズパターン領域
１２  シール部材
１３  電極取り出し部
１４  外部信号入出力手段
１５  ヒーター電極
２１〜２３  ガラス基板
２４〜２７  パターン電極
２８，２９  液晶層
３１  中心部電極
３２  輪帯電極
３３  輪帯電極（外周部電極）
３４  輪帯接続部
３５  中心部引き出し電極
３６  外部引き出し電極
４０  共通電極
４１，４３，４４  取り出し電極
４２  領域
５１、５２  配線
５３〜５５、５７，５８  取り出し電極
５６  領域
７１〜７６  曲線
１０１  液晶レンズ系
１０２  光学レンズ系
１０３  撮像素子
１０４  ＤＳＰ
１０５  オートフォーカスコントローラ
１０６  液晶レンズドライバー
１０７  ヒーター制御回路
１０８  温度センサー
１１１  輪帯ヒーター電極
１１２，１１３  引き出し配線
２０３  異方性導電材
２０４  入射方向
１０５１  マイクロプロセッサ
１０５２  記憶手段
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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