(57)【要約】【課題】液晶レンズを含む光学レンズを使用しても、環境温度に係わらず常に実用上十分な速さと精度で合焦点を検出できるようにする。【解決手段】  液晶レンズ１の温度を検出する温度センサ８と、液晶レンズ１を加熱するヒータ電極１５とを設け、ＡＦコントローラ５が、温度センサ８による検出温度が設定温度に達していないときにはヒータ電極１５を駆動しその検出温度が設定温度以上のときには、液晶レンズドライバ６によって液晶レンズ１に所定電圧を印加させて、過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による光学像を撮像素子３で電気信号に変換し、ＤＳＰ４で処理した画像信号の高周波成分を、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、その複数の焦点信号に基づいて該焦点信号が最大値となる合焦点を判定し、その判定した合焦点に対応する電圧を液晶レンズに印加させる。【選択図】        図１
2007322625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶レンズを含む光学レンズ手段と、該光学レンズ手段を通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換手段と、前記画像信号から焦点整合度に対応した焦点信号を抽出し、該焦点信号が最大となるように前記液晶レンズの駆動条件を制御する液晶レンズ制御手段を有する自動合焦点装置であって、
前記液晶レンズの温度を検出する温度センサと、前記液晶レンズを加熱するヒータとを設け、
前記液晶レンズ制御手段は、
前記温度センサによる検出温度が設定温度に達していないときに、前記ヒータを駆動するヒータ制御手段と、
前記液晶レンズに電圧を印加する電圧印加手段と、
前記温度センサによる検出温度が設定温度以上のときに、前記電圧印加手段によって前記液晶レンズに所定電圧を印加させて、過渡応答動作中の該液晶レンズを通過した光による光学像に基づいて生成される画像信号を、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する過渡応答制御手段と、
該過渡応答制御手段により抽出された複数の焦点信号に基づいて該焦点信号が最大値となる合焦点を判定する合焦点判定手段と、
該合焦点判定手段によって判定された合焦点に対応する電圧を前記電圧印加手段によって前記液晶レンズに印加させる手段と
を備えたことを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自動合焦点装置において、前記液晶レンズ制御手段に、前記ヒータ制御手段を機能させる前に、前記電圧印加手段によって前記液晶レンズに前記所定電圧とは異なる過渡応答制御の初期電圧を印加させる手段を設けたことを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項３】
液晶レンズを含む光学レンズ手段と、該光学レンズ手段を通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換手段と、前記画像信号から焦点整合度に対応した焦点信号を抽出し、該焦点信号が最大となるように前記液晶レンズの駆動条件を制御する液晶レンズ制御手段を有する自動合焦点装置であって、
前記液晶レンズの温度を検出する温度センサと、前記液晶レンズを加熱するヒータとを設け、
前記液晶レンズ制御手段は、
前記温度センサによる検出温度が設定温度に達していないときに、前記ヒータを駆動するヒータ制御手段と、
前記液晶レンズに電圧を印加する電圧印加手段と、
前記温度センサによる検出温度が設定温度を超えているときは、前記電圧印加手段により前記液晶レンズに印加する電圧を逐次変化させて、該液晶レンズの液晶動作が安定した状態で前記焦点信号をサンプリングすることにより、複数の焦点信号を抽出する逐次制御手段と、
前記温度センサによる検出温度が設定温度であるか、前記ヒータ制御手段が前記ヒータを駆動した後前記設定温度になったときに、前記電圧印加手段によって前記液晶レンズに所定電圧を印加させて、過渡応答動作中の該液晶レンズを通過した光による光学像に基づいて生成される画像信号を、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する過渡応答制御手段と、
前記逐次制御手段又は前記過渡応答制御手段によって抽出された前記複数の焦点信号に基づいて該焦点信号が最大値となる合焦点を判定する合焦点判定手段と、
該合焦点判定手段によって判定された合焦点に対応する電圧を前記電圧印加手段によって前記液晶レンズに印加させる手段と
を備えたことを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項４】
請求項３に記載の自動合焦点装置において、前記設定温度に下限値と上限値を設け、
前記ヒータ制御手段は、前記温度センサによる検出温度が前記設定温度の下限値に達していないときに前記ヒータを駆動し、
前記逐次制御手段は、前記温度センサによる検出温度が前記設定温度の上限値を超えているときに機能し、
前記過渡応答制御手段は、前記温度センサによる検出温度が前記設定温度の下限値以上で上限値以下であるか、前記ヒータ制御手段が前記ヒータを駆動した後前記下限値以上になったときに機能する
ことを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項５】
前記液晶レンズは、２枚の透明性基板で液晶層を挟持しており、前記透明性基板における前記液晶層側の面に、前記液晶層の位相を変調させるための位相変調電極群とともに、前記ヒータを構成するヒータ電極を配設したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項６】
前記ヒータ電極は、前記透明性基板における前記液晶層側の面の前記位相変調電極群を配設した位相変調領域の外側の領域で、且つ前記２枚の透明性基板を固定するシール部材の内側のほぼ全域に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の自動合焦点装置。
【請求項７】
前記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おり、
前記ヒータ電極は、前記透明性基板における前記液晶層側の面の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５に記載の自動合焦点装置。
【請求項８】
前記ヒータ電極は、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、且つ前記２枚の透明性基板を固定するシール部材の内側のほぼ全域とに形成されていることを特徴とする請求項７に記載の自動合焦点装置。
【請求項９】
前記位相変調電極群と前記ヒータ電極は、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５から８のいずれか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項１０】
前記位相変調電極群と前記ヒータ電極は、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９に記載の自動合焦点装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スチルカメラやビデオカメラ等に適用される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て簡単な構成で合焦点を検出でき、低温環境でもその検出速度が低下しない自動合焦点装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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ともに、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装置として、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】
この方式の合焦点装置に用いる液晶レンズは、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、そのパターン電極は、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よって接続された構成となっている。そして、その帯電極と中心部電極にそれぞれ接続された引き出し電極に各々可変抵抗を介して印加される電圧信号と電圧降下抵抗によって電圧分布が形成され、液晶層にその電圧分布による電圧が印加される。そして、上記各可変抵抗をそれぞれ調整することにより、液晶層に印加する様々な電圧分布を発生させることが可能となる。
【０００４】
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、撮影レンズの焦点距離を少しずつ段階的に変化させて、その都度撮影映像信号から直接画像のピントの度合い（焦点整合度）に対応する高域周波数成分の信号を抽出し、それを最大化するようにレンズを逐次制御する輪郭検出方式（山登り制御方式と称されている）が公知である（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、今までのところ、この山登り制御方式によって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は報告されていない。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。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、ピントの度合いに対応する信号（焦点信号という）の最大点を探しに行き、その最大点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。
【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、そのときの焦点信号を取得したら、次のポジションに対応する位置にレンズを移動させて焦点信号を取得する、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は例えば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×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、そのときの焦点信号を取得したら、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焦点信号を取得する、という動作を繰り返し行えばよい。
【０００９】
ところが、液晶レンズの場合には、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焦点信号の取得を待つ必要がある。
その液晶の応答遅れ時間は環境温度によって変化する。例えば、室温（例えば２０℃）では１ポジションあたりの処理時間が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×２５ポジション）かかり、レンズを移動させる方式に比べると若干遅くなる。
【００１０】
しかし、一般に、低温下では液晶の粘度が上昇し、それに伴って駆動電圧の変化に対する液晶の応答が遅れるため、低温（例えば０℃）では、１ポジションあたりの処理時間が例えば５００ミリ秒にもなり、合焦点を検出するまでに平均約１２．５秒（５００ミリ秒×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。
【００１１】
この問題を解決するために、液晶の応答速度を速くするためにベンド配向と称される配向方法を採用したり、強誘電性液晶を用いることが考えられるが、いずれも液晶のＯＮ／ＯＦＦ時の屈折率変化が小さいため、これらを液晶レンズに適用した場合、可変焦点性能が著しく劣ってしまうという問題がある。
【００１２】
この発明は、このような従来の自動合焦点装置における問題を解決するためになされたものであり、焦点距離の調整用に液晶レンズを使用したレンズ駆動機構が不要な自動合焦点装置において、環境に係わらず、常に実用上充分な速さと精度で合焦点を検出することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明による自動合焦点装置は、上記の目的を達成するため、液晶レンズを含む光学レンズ手段と、その光学レンズ手段を通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換手段と、その画像信号から焦点整合度に対応した焦点信号を抽出し、その焦点信号が最大となるように上記液晶レンズの駆動条件を制御する液晶レンズ制御手段を有し、さらに、上記液晶レンズの温度を検出する温度センサと、上記液晶レンズを加熱するヒータとを設けている。
【００１４】
そして、上記液晶レンズ制御手段は、上記温度センサによる検出温度が設定温度に達していないときに、上記ヒータを駆動するヒータ制御手段と、上記液晶レンズに電圧を印加する電圧印加手段と、上記温度センサによる検出温度が設定温度以上のときに、上記電圧印加手段によって上記液晶レンズに所定電圧を印加させて、過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による光学像に基づいて生成される画像信号を、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する過渡応答制御手段と、その過渡応答制御手段により抽出された複数の焦点信号に基づいてその点信号が最大値となる合焦点を判定する合焦点判定手段と、その合焦点判定手段によって判定された合焦点に対応する電圧を上記電圧印加手段によって上記液晶レンズに印加させる手段とを備えている。
【００１５】
この自動合焦点装置において、上記液晶レンズ制御手段に、上記ヒータ制御手段を機能させる前に、上記電圧印加手段によって液晶レンズに上記所定電圧とは異なる過渡応答制御の初期電圧を印加させる手段を設けるとよい。
【００１６】
あるいは、上記液晶レンズ制御手段に代えて、上記温度センサによる検出温度が設定温度に達していないときに、上記ヒータを駆動するヒータ制御手段と、上記液晶レンズに電圧を印加する電圧印加手段と、上記温度センサによる検出温度が設定温度を超えているときは、上記電圧印加手段により上記液晶レンズに印加する電圧を逐次変化させて、その液晶レンズの液晶動作が安定した状態で上記焦点信号をサンプリングすることにより、複数の焦点信号を抽出する逐次制御手段と、上記温度センサによる検出温度が設定温度であるか、上記ヒータ制御手段が上記ヒータを駆動した後上記設定温度になったときに、上記電圧印加手段によって上記液晶レンズに所定電圧を印加させて、過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による光学像に基づいて生成される画像信号を、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する過渡応答制御手段と、上記逐次制御手段又は過渡応答制御手段によって抽出された複数の焦点信号に基づいてその焦点信号が最大値となる合焦点を判定する合焦点判定手段と、その合焦点判定手段によって判定された合焦点に対応する電圧を前記電圧印加手段によって前記液晶レンズに印加させる手段とを備えた液晶レンズ制御手段を設けてもよい。
【００１７】
この自動合焦点装置において、上記設定温度に下限値と上限値を設け、上記ヒータ制御手段は、上記温度センサによる検出温度が上記設定温度の下限値に達していないときに上記ヒータを駆動し、上記逐次制御手段は、上記温度センサによる検出温度が上記設定温度の上限値を超えているときに機能し、上記過渡応答制御手段は、上記温度センサによる検出温度が上記設定温度の下限値以上で上限値以下であるか、上記ヒータ制御手段が上記ヒータを駆動した後上記下限値以上になったときに機能するようにしてもよい。
【００１８】
上記液晶レンズは、２枚の透明性基板で液晶層を挟持しており、その透明性基板における液晶層側の面に、液晶層の位相を変調させるための位相変調電極群とともに、上記ヒータを構成するヒータ電極を配設するのが望ましい。
そのヒータ電極は、上記透明性基板における液晶層側の面の上記位相変調電極群を配設した位相変調領域の外側の領域で、且つ上記２枚の透明性基板を固定するシール部材の内側のほぼ全域に形成するとよい。
【００１９】
上記位相変調電極群を複数個の輪帯状パターンによって形成し、上記ヒータ電極を、上記透明性基板における液晶層側の面の上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することもできる。
上記ヒータ電極を、上記空間領域と、上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、且つ上記２枚の透明性基板を固定するシール部材の内側のほぼ全域とに形成するとなおよい。
上記位相変調電極群とヒータ電極を、ともに同じ材料の透明導電体により形成することができる。
その位相変調電極群とヒータ電極は、ともに酸化インジウム錫により形成するとよい。
【発明の効果】
【００２０】
この発明による自動合焦点装置は、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する過渡応答制御を行い、その焦点信号の最高値（ピーク値）を検出し、液晶レンズの温度が設定温度より低いときにはヒータを駆動して液晶レンズを加熱するので、環境温度に係わらず、常に実用上充分な速さと精度で合焦点を検出することができる。
【００２１】
あるいは、液晶レンズの温度が設定温度より高いときには、液晶レンズに印加する電圧を逐次変化させて、その液晶レンズの液晶動作が安定した状態で焦点信号をサンプリングすることにより複数の焦点信号を抽出する逐次制御を行い、温度センサによる検出温度が設定温度であるか、ヒータ制御手段がヒータを駆動した後設定温度になったときに上記過渡応答制御を行うことによっても、環境温度に係わらず、常に実用上充分な速さと精度で合焦点を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照して、この発明による自動合焦点装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
〔自動焦点装置の構成例〕
図１は、この発明による自動焦点装置（オートフォーカス装置）の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
この図１に示す自動合焦点装置は、液晶レンズ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、オートフォーカスコントローラ（ＡＦコントローラ）５および液晶レンズドライバ６、ヒータ制御回路７、温度センサ８を備えている。
【００２３】
液晶レンズ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。
そのＰ波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズは、構成は同じであるが液晶層の配向方向が９０°異なる。その構成の詳細は後述するが、いずれも２枚の透明性基板で液晶層を挟持しており、その透明性基板における液晶層側の面に、液晶層の位相を変調させるための位相変調電極群である輪帯電極３２とともに、この液晶レンズ１を加熱するヒータを構成するヒータ電極１５を配設している。
【００２４】
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とＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器を有する。温度センサ８は例えばサーミスタであり、液晶レンズ１の温度を検出するために、その近傍に配置されている。
液晶レンズ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のイメージセンサにより電気信号に変換される。イメージセンサから出力される電気信号は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換される。
【００２５】
ＤＳＰ４は、そのデジタル信号に対して画像処理を行う。ＡＦコントローラ５は、液晶レンズ１に所定電圧を印加した後に、ＤＳＰ４から出力される画像信号の高周波成分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を抽出する。そして、このＡＦコントローラ５は、抽出した複数の焦点信号に基づいてその焦点信号のレベルが最大となるように、液晶レンズ１の駆動条件の制御を行う。その詳細については後述する。
【００２６】
このＡＦ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５ａと記憶手段（メモリ）５ｂを有する。記憶手段５ｂは、マイクロプロセッサ５ａ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のデータを格納した読み出し専用メモリ部（ＲＯＭ）と、マイクロプロセッサ５ａが作業領域として使用する書き込み可能なメモリ部（ＲＡＭ）とを有する。
【００２７】
ヒーター制御回路７は、例えば温度センサ８によって検出される検出温度が設定温度以下に低下した場合に、液晶レンズ１に設けられたヒータ電極１５に通電してヒータを駆動することにより、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するようにする。液晶レンズドライバ６は、ＡＦコントローラ５から出力される制御信号に基づいて液晶レンズ１に電圧を印加する。
【００２８】
なお、図１に示す液晶レンズ１および光学レンズ系２は光学レンズ手段に相当し、撮像素子３およびＤＳＰ４は光電変換手段に相当する。ＡＦコントローラ５は、液晶レンズ制御手段の焦点信号抽出手段に相当し、液晶レンズドライバ６は、液晶レンズ制御手段の電圧印加手段に相当する。ヒーター制御回路７はヒーター制御手段に相当する。
【００２９】
〔液晶レンズの構成例〕
次に、この発明の自動焦点装置に使用する液晶レンズの構成について説明する。図２は液晶レンズのガラス基板上の電極パターン等を示す内面図、図３はその液晶レンズ全体の縦断面図である。
この液晶レンズ１は、図３に示すように、例えば３枚の対向する透明性基板であるガラス基板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の対向する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。
【００３０】
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、Ｐ波用液晶レンズ１ａとＳ波用液晶レンズ１ｂの２層構成となっている。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様にするためである。Ｓ波用液晶レンズ１ｂについても同様である。
【００３１】
従って、液晶層の配向方向が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。
【００３２】
また、液晶レンズ１を構成するガラス基板２１，２３の液晶層２８，２９側の面のパターン電極２４，２７の中央部には、図２に示すように、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が設けられている。そして、図２には示してい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、ヒータ電極１５が同一の透明導電体で設けられている。図３に示したように、このパターン電極２４，２７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輪帯電極とヒータ電極が設けられている。これら電極パターンの配置形態については、後で詳細に説明をするが、上記共通電極と輪帯電極によって位相変調電極群を構成している。
【００３３】
さらに、液晶レンズ１の周縁部は、図２に示すシール部材１２によって対向する２枚のガラス基板が張り合わされて固定封止されており、ヒータ電極１５は、位相変調領域であるレンズパターン領域１１の外側の領域で、且つそのシール部材１２の内側のほぼ全域に形成されている。
そして、図３に示す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。
【００３４】
また、対向するガラス基板２１〜２３にそれぞれ配設されたレンズパターン領域１１及びヒータ電極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及びヒータ電極１５が形成されたパターン電極２４，２７は、シール部材１２中の異方性導電材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。
【００３５】
ここで、この発明に使用する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。
【００３６】
次に、この液晶レンズ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する。図４は、図２及び図３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に配設した電極パターンの構成例を示す正面図である。
レンズパターン領域１１は図４に示すように、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。
【００３７】
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４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。
【００３８】
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る電圧に応じて、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になる。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。
【００３９】
ここで、この発明に使用する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。
【００４０】
次に、この液晶レンズ１におけるその他の電極の各パターンの具体的な配置形態について説明する。
図５及び図６は、図３に示したパターン電極２４〜２７と電極取り出し部１３を光の入射方向である矢示Ａ方向から見た正面図である。図５はパターン電極２４，２７を示し、図６は図３におけるパターン電極２５，２６を示している。
【００４１】
図３に示したガラス基板２２の両面には、図６に示すパターン電極２５，２６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４に示した輪帯状パターンをなす中心部電極３１と輪帯電極３２，３２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４参照）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４参照）に接続している。
一方、ガラス基板２１，２３の対向面には、図５に示すパターン電極２４，２７として、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。
【００４２】
また、図６におけるレンズパターン領域１１と図５における共通電極４０の周囲には、それぞれ前述したヒータ電極１５が形成され、その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にそれぞれ接続している。なお、図５の４２と図６の５６で示した破線部の領域で、シール部材に添加した異方性導電材により対向する電極が電気的に接続され、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ようになっている。
【００４３】
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（図２、図３参照）が接続される。そして、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にはヒータ駆動電圧が印加される。
【００４４】
ここで、共通電極とヒータ電極のパターンの変形例を説明する。図７はその輪帯ヒータ電極の構成例を示す図である。
図７に示すヒータ電極１１１は、図４に示した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同心の輪帯状に設けられ、引き出し配線１１２、１１３から信号の入出力ができるようになっている。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状のヒータ電極１１１と相似した輪帯状のヒータ電極をそれぞれ対向して設ける。このように構成することにより、図５、図６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。
【００４５】
また、この変形例と図５及び図６に示した構成例とを組み合わせた形態、つまり位相変調電極群を配したレンズパターン領域の外側領域のヒータ電極１５と、前述した空間領域の輪帯状のヒータ電極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、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。
【００４６】
なお、レンズパターン領域１１に配設した共通電極４０を外側のガラス基板２１，２３に、輪帯状のパターン（中心部電極３１と輪帯電極３２，３３）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。
【００４７】
〔液晶レンズの動作〕
次に、可変焦点レンズである液晶レンズ１の動作について説明する。図８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レンズ１の液晶層を透過している状態で、液晶層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線図である。
【００４８】
図８の（ａ）に示すように、液晶層に外部から駆動電圧Ｖ０が印加されると、液晶の屈折率は同図の（ｂ）に示すように、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。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。この時間ｔｆおよびｔｒ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、前述した通り、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。
【００４９】
例えば、各部の寸法や特性値が前述した値で、レンズパターン領域１１を有する液晶レンズ１を用い、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ものとする。この場合、例えば駆動電圧Ｖ０が０Ｖから５Ｖへ立ち上がったときの液晶の応答動作時間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ０が５Ｖから０Ｖへの立ち下がったときの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。
【００５０】
次に、この液晶レンズの温度と応答速度との関係について説明する。図９は、液晶の応答時間の温度依存性を示す線図である。
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。
それに対して、先に説明をしたヒータ電極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１０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電極１５（図２等参照）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である。
【００５１】
例えば、常温（２０℃）における液晶レンズ１のヒータ電極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秒後に約３０℃上昇して約５０℃になる。つまり、前述した液晶レンズ１は、０℃の環境下にあったとしても、ヒータ電極１５に７Ｖの電圧を印加することによって液晶層２８，２９を＋３０℃の状態にすることができ、液晶の応答時間を０℃の環境下で動作する場合に対して約１／４〜１／５に高速化することが可能になる。このように、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。
【００５２】
次に、この液晶レンズによる可変焦点レンズとしての挙動について説明する。図１１は、図８に示した駆動電圧の立ち上がり時の応答動作期間ｔｆ中における液晶の屈折率の変化と、液晶レンズ１の焦点距離の変化の様子を示している。
液晶の屈折率は、過渡応答動作期間ｔｆ中に図１１の（ａ）に示すように変化し、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１１の（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。
【００５３】
図１１の（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。
【００５４】
このように、液晶の過渡応答動作が終了するまでにはある程度の時間がかかる。そこで、この発明における過渡応答制御は、液晶の過渡応答動作期間ｔｆ中に、液晶レンズ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る画像信号を所定の周期でサンプリングする。例えば、図１１に示す例では、液晶レンズ１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、液晶レンズ１の焦点距離ｆが異なる。従って、液晶レンズ１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１を通過した光学像から生成される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焦点信号を抽出することができる。
【００５５】
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、液晶レンズ１の立ち下がり時の過渡応答動作期間ｔｒ（図８参照）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。
【００５６】
予め、１番目にサンプリングする時刻ｔ１における液晶レンズ１の焦点距離ｆ１、２番目にサンプリングする時刻ｔ２における液晶レンズ１の焦点距離ｆ２、というように、サンプリングする時点のサンプリング開始時点からの経過時間と液晶レンズ１の焦点距離との関係が求められている。この関係は、例えば図１に示したＡＦコントローラ５内の記憶手段５ｂのＲＯＭに格納されている。
【００５７】
従って、ＡＦコントローラ５のマイクロプロセッサ５ａは、液晶レンズ１の過渡応答動作期間中にサンプリングが開始されてからの経過時間を計測する機能も有し、画像信号をサンプリングした時点の経過時間に基づいて、各サンプリング時刻における液晶レンズ１の焦点距離を求めることができる。それによって、液晶レンズ１の各焦点距離と焦点信号のレベルとの対応関係を得ることができるので、焦点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液晶レンズ１の焦点距離を求めることができる。
【００５８】
また、予め、静的な状態で液晶レンズ１の焦点距離がｆ１になるときの液晶レンズ１の図４に示した外周部電極３３の電圧Ｖｏｕｔｅｒおよび中心部電極３１の電圧Ｖｉｎｎｅｒの値、静的な状態で液晶レンズ１の焦点距離がｆ２になるときの電圧Ｖｏｕｔｅｒおよび電圧Ｖｉｎｎｅｒの値、というように、静的な状態における液晶レンズ１の焦点距離ｆと、液晶レンズ１の焦点距離ｆをある値にするために液晶レンズ１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５ｂのＲＯＭに格納されている。
【００５９】
従って、液晶レンズ制御手段でもあるマイクロプロセッサ５ａは、実際にピントを合わせるため、すなわち液晶レンズ１の焦点距離を焦点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際には、自己の機能である合焦点判定手段によって最大値と判定した焦点信号に対応する時点の上記計測手段による経過時間から、記憶手段５ｂに格納されているデータに基いて液晶レンズの駆動電圧を求めることができ、その求めた駆動電圧を液晶レンズ１に印加すればよい。図１２に、静的な状態における液晶レンズ１の焦点距離と、液晶レンズ１の焦点距離をある値にするために液晶レンズ１に印加する電圧との関係の一例を示す。
【００６０】
次に、液晶レンズ１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１への電圧印加パターンについて説明する。液晶レンズ１は、図２及び図４に示したレンズパターン領域１１の外周部電極３３に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒが、中心部電極３１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。
【００６１】
その一例を図１３によって説明する。図１３の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極３３に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極３１に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒをともに第１の電圧Ｖ１とする。次いで、時刻Ｔ０で外周部電極３３の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを、第１の電圧Ｖ１よりも高い第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で中心部電極３１の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で外周部電極３３の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【００６２】
液晶レンズ１は、時刻Ｔ０において平行ガラスの状態であり、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間ではレンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態であり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間ではレンズパワーが徐々に小さくなる凸レンズの状態であり、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間ではレンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態になる。図１３の（ｃ）は、このパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示している。
【００６３】
図１３の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０ではゼロであり、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１にかけては、下に凸の曲線から変曲点を経て上に凸の曲線を描くように変化し、時刻Ｔ１において正の値の最大値となる。従って、時刻Ｔ１において、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。そして、１／ｆの値は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２にかけては、上に凸の曲線から変曲点を経て下に凸の曲線を描くように変化してゼロに至り、時刻Ｔ２から時Ｔ３にかけては下に凸の曲線を描くように変化しながら、時刻Ｔ３で負の値の最大値となる。
【００６４】
従って、時刻Ｔ３において、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。第１の電圧Ｖ１を０Ｖとし、第２の電圧Ｖ２を５Ｖとすると、時刻Ｔ０で外周部電極３３の電圧Ｖｏｕｔｅｒの立ち上がりとなるので、このときの液晶レンズ１の過渡応答動作時間ｔｆは、例えば５００ミリ秒程度である。
【００６５】
また、時刻Ｔ１で中心部電極３１の電圧Ｖｉｎｎｅｒの立ち上がりとなるので、このときの液晶レンズ１の過渡応答動作時間ｔｆは、上述したように、例えば５００ミリ秒程度である。さらに、時刻Ｔ２で外周部電極３３の電圧Ｖｏｕｔｅｒの立ち下がりとなるので、このときの液晶レンズ１の過渡応答動作時間ｔｒは、上述したように、例えば５００ミリ秒程度である。従って、オートフォーカス制御を終了するまでに要する時間は、合計で１．５秒程度である。
【００６６】
次に、液晶レンズ１を凸レンズの状態にして得た複数のオートフォーカス信号（焦点信号）と、液晶レンズ１を凹レンズの状態の状態にして得た複数のオートフォーカス信号（焦点信号）の評価について、図１４によって説明する。特に限定はしないが、ここでは、図１に示した構成において液晶レンズ１のない構成のときに、光学レンズ系２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調整されているものとする。
【００６７】
従って、図１に示した構成では、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも近いときには、液晶レンズ１は凸レンズの状態にされる。一方、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも遠いときには、液晶レンズ１は凹レンズの状態にされる。ここで、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を負の数値で表わす。
【００６８】
従って、液晶レンズ１のパワーは、凸レンズの状態の場合には、例えばｆの値が１００ｍｍ、２００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍとなるに連れて弱くなり、凹レンズの状態の場合には、例えばｆの値が−１００ｍｍ、−２００ｍｍ、−５００ｍｍ、−１０００ｍｍとなるに連れて弱くなる。
【００６９】
図１４の（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示すように、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの液晶レンズ１が凸レンズの状態になっている期間は特に限定しないが、図示の例では６個のオートフォーカス信号（焦点信号）が得られる。
また、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの液晶レンズ１が凹レンズの状態になっている期間も特に限定しないが、図示の例では６個のオートフォーカス信号（焦点信号）が得られる。その際、外周部電極３３の電圧Ｖｏｕｔｅｒまたは中心部電極３１の電圧Ｖｉｎｎｅｒの電圧を変化させた後は、少し時間が経ってからサンプリングを開始する。
【００７０】
図１４の（ｃ）に示す例は、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも短い場合、例えばＬが１７０ｍｍである場合である。従って、液晶レンズ１が凸レンズの状態になっているときに、オートフォーカス信号が最大となっている。ここで、便宜上、焦点距離ｆの逆数をとり、その値の正負を反転させた値、すなわち−１／ｆの値を用いる。
【００７１】
液晶レンズ１の過渡応答動作期間中のサンプリングにより得られた複数のオートフォーカス信号を、−１／ｆの値が負側に大きい方から正側に大きい方まで順に並べると、図１４の（ｄ）に示すようになる。この例では、−１／ｆの値が−１／１００から１／１００までの範囲でオートフォーカス信号をサンプリングしていることがわかる。そして、−１／ｆの値が−１／１００と−１／１０００との間でオートフォーカス信号が最大となっていることがわかる。
【００７２】
〔ＡＦコントローラによる液晶レンズ制御手段の動作〕
図１に示したこの発明による自動合焦点装置は、前述したように液晶レンズ１および光学レンズ系２を通過して結像した光学像を、撮像素子３のイメージセンサにより電気信号に変換する。その電気信号をＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換し、ＤＳＰ４によってそのデジタル信号に対して特定領域の画像の高周波成分を抽出し、焦点信号（オートフォーカス信号）を得る。ＡＦコントローラ５は、温度センサ８によって検出される温度情報に基づいて、ヒータ制御回路に液晶レンズ１に内蔵されたヒータ電極１５の駆動を制御させ、あるいはそれと共に過渡応答制御による「焦点信号一括抽出処理」または逐次制御による「焦点信号逐次抽出処理」を切り替えて実行することにより、ＤＳＰ４から出力される焦点整合度に対応した複数の焦点信号を抽出する。
【００７３】
上述した「焦点信号逐次抽出処理」とは、電圧印加手段である液晶レンズドライバ６によって液晶レンズ１に印加する電圧を変化させて、液晶レンズ１の液晶の動作が安定した状態でサンプリングすることにより複数の焦点信号を抽出することを指す。
また、「焦点信号一括抽出処理」とは、例えば、電圧印加手段である液晶レンズドライバ６によって、液晶レンズ１に印加する電圧を焦点距離を最短にする初期電圧から最長にする所定電圧に変化させ、前述した過渡応答動作中に液晶レンズ１を通過する光学像に基づいて生成される画像信号を、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することを指す。これらの具体的な制御方法については後述する。
そして、ＡＦコントローラ５は、抽出された複数の焦点信号に基づいてその焦点信号のレベルが最大となるように、液晶レンズ１の駆動条件の制御を行う。
【００７４】
前述した液晶レンズ１の場合、例えば駆動電圧Ｖ０が０Ｖから５Ｖへ立ち上がるときの液晶の過渡応答動作時間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ０が５Ｖから０Ｖへ立ち下がるときの液晶の過渡応答動作時間ｔｒは、図１５に示すように温度によって変化する。
この図１５は、液晶に電圧を印加したときの温度毎の応答時間と焦点信号逐次抽出時の処理時間と焦点信号一括抽出時のサンプリング数を示す図である。
【００７５】
図１５から、温度が４０℃の場合に、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作時間ｔｆおよび立ち下がりに対する液晶の応答時間ｔｒは、ともに１００ミリ秒であり、温度が２０℃の場合に、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作時間ｔｆおよび立ち下がりに対する液晶の応答時間ｔｒは、ともに２５０ミリ秒であることがわかる。
【００７６】
次に、ＡＦコントローラ５による液晶レンズ制御手段としての自動合焦処理について、図１６から図１９のフロー図を用いて説明する。これらのフロー図及び以下の説明において、ステップを「Ｓ」と略記する。
先ず、図１６によってその自動焦点処理の第１の例を説明する。
この自動焦点処理を開始すると、まず、Ｓ１０１で設定温度情報をセットする。この設定温度は、例えば、図１５に示した逐次抽出時処理時間が３秒以内となる１５℃以上、かつ一括抽出時のサンプリング数が１０ポジション以上となる２０℃以下の温度値を決定してセットすればよい。
【００７７】
次いで、Ｓ１０２で図１に示した温度センサ８による温度情報を検出する。そして、Ｓ１０３で、検出温度が設定温度に達していないか否かを判断し、設定温度に達していなければヒータ駆動（図１のヒータ制御回路７にヒータ電極１５に通電させる）してＳ１０２に戻る。
初めから検出温度が設定温度以上であるとき、あるいはヒータ駆動によって液晶レンズ１が加熱されて検出温度が設定温度に達したときはＳ１０５に進んで、検出温度が設定温度以上（なるべく検出温度＝設定温度）を保つようにヒータ制御回路７にヒータ制御させる。この制御はこの処理を終了するまで継続させる。
【００７８】
そして、Ｓ１０６で過渡応答制御の初期電圧を液晶レンズドライバ６によって液晶レンズ１の輪帯電極３２等に印加させる。この初期電圧は、例えば液晶レンズ１の焦点距離を最短にする（最強の凸レンズにする）電圧にする。
それによって液晶レンズ１が初期状態に変化した後、Ｓ１０７で過渡応答制御を行って、Ｓ１０８で複数の焦点信号を抽出する。すなわち液晶レンズドライバ６によって液晶レンズ１の輪帯電極３２等に初期電圧とは異なる所定電圧、例えば液晶レンズ１の焦点距離を最短にする（最強の凹レンズにする）電圧を印加させ、その過渡応答動作中に液晶レンズ１を通過する光学像に基づいて生成される画像信号を、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する。
【００７９】
その後、Ｓ１０９で合焦点判定をする。すなわち抽出した複数の焦点信号に基づいてその焦点信号のレベルが最大のサンプリング点を合焦点と判定する。そして、Ｓ１１０でその合焦点の焦点距離に対応する合焦点電圧を、液晶レンズドライバ６によって液晶レンズ１の輪帯電極３２等に印加させることにより、合焦点状態になる。その合焦点電圧は、記憶手段５ｂのＲＯＭに格納している図１２に示したテーブルから得ることができる。
この例によれば、環境温度が設定温度より低くても、ヒータを駆動して液晶レンズ１を直接加熱して短時間で設定温度にすることができるので、常に過渡応答制御によって短時間に精度よく自動合することができる。
【００８０】
図１７は自動焦点処理の第２の例を示すフロー図である。この例では、上述した第１の例の図１６におけるＳ１０６の「過渡応答制御の初期電圧を印加」と同じ処理を、Ｓ１１６としてＳ１０１の「設定温度情報をセット」の処理の直後に行うようにした点だけが第１の例と相違している。その他の各ステップは図１６の各ステップと同じなので、同一のステップ番号を付してあり、その説明は省略する。
【００８１】
この例によれば、設定温度情報をセットした後すぐに過渡応答制御の初期電圧を液晶レンズ１に印加するので検出温度が設定温度に達しておらず、ヒータ駆動した場合、検出温度が設定温度に達するまでの間に、液晶レンズ１が初期状態になっており、Ｓ１０７の過渡応答制御をすぐに開始できるため、処理を早めることができる。
【００８２】
次に、図１８によって自動焦点処理の第３の例を説明する。この図１８において、Ｓ２０１〜Ｓ２０４，Ｓ２０８，２０９，Ｓ２１１，Ｓ２１２は、図１６におけるＳ１０１〜Ｓ１０４，Ｓ１０６，１０７，Ｓ１０９，Ｓ１１０と同じであるから、説明を省略する。
この第３の例では、Ｓ２０３検出温度が設定温度以上であったときは、Ｓ２０５で「検出温度＝設定温度」か否かを判断し、そうでない場合、すなわち検出温度が設定温度を超えている場合には、Ｓ２０６で逐次制御を行いながらＳ２１０で焦点信号を抽出する。
【００８３】
すなわち、液晶レンズドライバ６によって液晶レンズ１に印加する電圧を順次変化させて、液晶レンズ１の液晶の動作が安定した状態でサンプリングすることにより複数の焦点信号を抽出する。これは前述した山登り方式に相当する。しかし、液晶レンズ１の温度が高いときは、液晶の応答速度が速いので、短時間で必要な数の焦点信号を抽出することができる。
【００８４】
Ｓ２０５で検出温度＝設定温度であると、すなわち温度センサ８による検出温度が初めから設定温度であるか、ヒータ制御回路７がヒータを駆動した後設定温度になったときに、Ｓ２０７でその検出温度＝設定温度の状態を保つようにヒータ制御回路に温度制御させながら、Ｓ２０８，２０９，Ｓ２１０と進んで、図１６によって説明した第１の例と同様に過渡応答制御による焦点信号の抽出を行う。
この例によれば、ヒータ駆動と、検出温度による逐次制御と過渡応答制御の選択とによって、一層効率よく自動焦点処理を行うことができる。
【００８５】
ここで、設定温度について補足説明する。図１５の逐次抽出時処理時間に示すように、１５℃より低い温度において逐次制御による逐次抽出処理を行ってしまうと、３秒以上のオートフォーカス動作時間が必要となってしまい、実用的なものではなくなってしまう。また、図１５の一括抽出時サンプリング数に示すように、２０℃より高い温度で過渡応答制御による一括抽出処理を行ってしまうと、近遠景に対して予め設定されている１０ポジションの焦点位置に対して焦点信号をサンプリングできなくなってしまい、正確な焦点位置を判定できなくなってしまう。
そこで、逐次抽出時処理時間が３秒以内となる１５℃以上、かつ一括抽出時サンプリング数が１０ポジション以上となる２０℃以下の温度値を決定して設定温度としてセットすればよい。
【００８６】
次に、図１９によって自動焦点処理の第４の例を説明する。図１９は第４の例の図１８と異なる部分のみを示すフロー図である。この場合は、図１８のＳ２０１における設定温度情報セットで設定温度に幅を持たせ、上限値と下限値を設定する。
そして、Ｓ２０３に代わるＳ３０３で、検出温度が設定温度の下限値に達していないか否かを判断し、達していない場合はＳ２０４でヒータ駆動し、達している場合はＳ３０５で検出温度が設定温度の上限値以下であるいか否かを判断する。その結果、上限値以下でなければ、上限値を超えているので、図１８のＳ２０６へ進んで逐次制御を行う。
【００８７】
上限値以下であれば、検出温度が設定温度の下限値と上限値の間にあるので、Ｓ３０７で「設定温度の下限値≦検出温度≦設定温度の上限値」を保つようにヒータ制御回路７にヒータ制御させながら、図１８のＳ２０８以降へ進んで過渡応答制御を行う。
この例によれば、第３の例と同様な効果が得られると共に、過渡応答制御を行う温度範囲に幅をもたせたので温度制御が容易になる。
【００８８】
ここで、逐次制御による焦点信号逐次抽出について具体的に説明する。逐次制御は、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、図１５に示した応答時間経過後に焦点信号を取得し、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、その応答時間経過後に焦点信号を取得することを繰り返し行っていく。
【００８９】
ここで、図２０〜図２４を用いて、この逐次制御における液晶レンズ１への電圧印加方法について説明する。図２０と図２１は逐次制御における液晶レンズへの電圧印加パターンの例を、図２２はそれによる焦点距離の逆数の変化を示す図である。図２３と図２４は、逐次制御による焦点信号逐次抽出の動作を説明するための液晶レンズレベルと焦点信号レベルとの関係を示す線図である。
【００９０】
まず、図２０〜図２２に示すように、パターン電極の図４に示した外周部電極３３に電圧Ｖ４を印加し、パターン電極２４，２７の中心部電極３１に電圧Ｖ１を印加した状態で焦点信号を取得する。次いで、時刻Ｔ０で外周部電極３３に印加する電圧をＶ３に変化させ、液晶の応答が完了する時刻Ｔｓ０以降に、次の焦点信号を取得する。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極３３に印加する電圧をＶ２に変化させ、液晶の応答が完了する時刻Ｔｓ１以降に、さらに次の焦点信号を取得する。次いで、時刻Ｔ２で外周部電極３３に印加する電圧をＶ１に変化させ、液晶の応答が完了する時刻Ｔｓ２以降に、またさらに次の焦点信号を取得する。次いで、時刻Ｔ３で中心部電極３１に印加する電圧をＶ２に変化させ、液晶の応答が完了する時刻Ｔｓ３以降に、またさらに次の焦点信号を取得する。以後、同様に繰り返し、Ｔｓ５までで全フォーカシング領域の焦点信号を求めることができる。
【００９１】
ここでは、図２３に示すようなスキャン方式により全フォーカシング領域の焦点信号を求めてから最大値を求めているが、図２４に示すような山登り方式によりその前に得た焦点信号の増減を逐次比較しながら最大値を求める手法を採用しても構わない。
【００９２】
〔実施例の効果と変更例〕
この発明の自動焦点装置によれば、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１が光学レンズ系２の外側の防護用窓ガラスを兼ねることができるので、より一層、装置の小型化を図ることができる。
【００９３】
この発明は、上述した各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、この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。
液晶の過渡応答動作時間ｔｆおよびｔｒは、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変化する。
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、過渡応答動作時間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。
【００９４】
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、過渡応答動作時間ｔｆやｔｒが変化する。また、セルの構成等によってもこの過渡応答動作時間ｔｆやｔｒが変化する。
また、前述した実施の形態においては、液晶レンズを加熱するためのヒータを、液晶レンズを構成する透明性基板の液晶層側の面に位相変調電極群（共通電極と輪帯電極）と共にヒータ電極として形成したので、液晶層を直接短時間で加熱できて好ましいが、これに限るものではなく、ヒータを液晶レンズの外部に設けることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
この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各種の装置に有用であり、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】
【００９６】
【図１】この発明による自動合焦点装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１における液晶レンズのガラス基板上の電極パターン等を示す内面図である。
【図３】その液晶レンズ全体の縦断面図である。
【図４】同じくその液晶レンズのレンズパターン領域に形成される輪帯状の電極パターンを示す正面図である。
【図５】同じくその液晶レンズの一方のパターン電極の構成例を示す正面図である。
【図６】同じくその液晶レンズの他方のパターン電極の構成例を示す正面図である。
【図７】液晶レンズに形成するヒータ電極の変形例を示す正面図である。
【図８】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線図である。
【図９】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の温度依存データを示す線図である。
【００９７】
【図１０】液晶レンズのヒータ加熱時間と温度上昇との関係を示す線図である。
【図１１】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の一例を示す説明図である。
【図１２】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の一例を示す図表である。
【図１３】液晶レンズへの電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化の一例を示す線図である。
【図１４】焦点信号の評価の仕方の一例を示す説明図である。
【図１５】液晶に電圧を印加したときの温度毎の応答時間と焦点信号逐次抽出時の処理時間と焦点信号一括抽出時のサンプリング数を示す図である。
【００９８】
【図１６】ＡＦコントローラによる自動焦点処理の第１の例を示すフロー図である。
【図１７】同じくその第２の例を示すフロー図である。
【図１８】同じくその第３の例を示すフロー図である。。
【図１９】同じくその第４の例の図１８と異なる部分のみを示すフロー図である。
【図２０】逐次制御における液晶レンズへの電圧印加パターンの一例を示す図である。
【図２１】逐次制御における液晶レンズへの電圧印加パターンの他の例を示す図である。
【図２２】逐次制御における焦点距離の逆数の変化を示す図である。
【図２３】逐次制御による焦点信号逐次抽出の動作のサンプリング点を説明するための液晶レンズレベルと焦点信号レベルとの関係を示す線図である。
【図２４】逐次制御による焦点信号逐次抽出の動作を動的に説明するための液晶レンズレベルと焦点信号レベルとの関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００９９】
１：液晶レンズ      １ａ：Ｐ波用液晶レンズ      １ｂ：Ｓ波用液晶レンズ
２：光学レンズ系      ３：撮像素子
４：ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）
５：オートフオーカス（ＡＦ）コントローラ
５ａ：マイクロプロセッサ      ５ｂ：記憶手段（メモリ）
６：液晶レンズドライバ      ７：ヒータ制御回路      ８：温度センサ
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：外周部引き出し電極      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
１１１：輪帯状のヒータ電極      １１２，１１３：引き出し配線
２０３：異方性導電材
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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