(57)【要約】【課題】液晶レンズ含む光学レンズを使用しても、実用にあたって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】液晶レンズドライバにより液晶レンズに所定電圧を印加する。所定電圧の印加により過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光学像に基づいて画像信号を生成し、そのうち焦点信号を抽出するエリアの画像信号を所定の周期でサンプリングして、複数の焦点信号を抽出する。その抽出された複数の焦点信号のレベルを比較して、焦点信号の最大値を判定する。これによって、液晶レンズを用い、液晶レンズの過渡応答動作を利用して、十分な速さで合焦点を検出する。【選択図】        図３２
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【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、
前記液晶レンズ制御手段は、
前記光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち前記焦点信号を抽出するエリアを設定するエリア設定手段と、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する電圧印加手段と、
該電圧印加手段により所定電圧が印加されて過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による、前記エリア設定手段によって設定されたエリアの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焦点信号抽出手段と、
該焦点信号抽出手段により抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号の最大値を判定する合焦点判定手段と、
を備えたことを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項２】
前記エリア設定手段は、前記焦点信号を抽出するエリアとして、全結像エリアの中央部の所定エリアを設定することを特徴とする請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項３】
前記エリア設定手段は、全結像エリアをマトリクス状に分割して、その分割した個々のエリアの一つ以上を選択して前記焦点信号を抽出するエリアとして設定することを特徴とする請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項４】
請求項３に記載の自動合焦点装置において、前記合焦点判定手段によって判定される焦点信号の最大値の閾値をセットする手段を設け、前記合焦点判定手段によって判定された焦点信号の最大値が前記閾値を超えない場合には、前記エリア設定手段は、前記分割した個々のエリアの選択を変更して前記焦点信号を抽出するエリアを設定し直すことを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項５】
前記エリア設定手段は、前記焦点信号を抽出するエリアとして、全結像エリアの中央部の所定エリアと周辺部の複数のエリアとを組み合わせて設定することを特徴とする請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項６】
前記電圧印加手段は、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電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項７】
前記電圧印加手段は、前記所定電圧として、前記液晶レンズを凹レンズの状態にするための電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項８】
前記電圧印加手段は、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ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項９】
前記電圧印加手段は、前記液晶レンズに前記第１の電圧を印加する期間と前記第２の電圧を印加する期間との間に、前記液晶レンズを凸レンズの状態にするための電圧および前記液晶レンズを凹レンズの状態にするための電圧のいずれでもない第３の電圧を印加する期間があるように、前記液晶レンズに電圧を印加することを特徴とする請求項８に記載の自動合焦点装置。
【請求項１０】
前記液晶レンズ制御手段は、前記液晶レンズに前記第１の電圧および前記第２の電圧のいずれか一方を印加して前記液晶レンズが過渡応答動作をしている間に焦点信号が最大値であることを判定すると、前記液晶レンズにもう一方の電圧を印加するのを中止することを特徴とする請求項８に記載の自動合焦点装置。
【請求項１１】
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、
前記電圧印加手段は、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ことを特徴とする請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項１２】
前記液晶レンズ制御手段は、
前記サンプリングが開始されてからの経過時間を計測する計測手段と、
前記画像信号をサンプリングする各時点の経過時間と前記液晶レンズの焦点距離とを対応させたデータを予め記憶する第１の記憶手段と、
静的な状態での前記液晶レンズの駆動電圧と焦点距離とを対応させたデータを予め記憶する第２の記憶手段とを備え、
前記合焦点判定手段によって最大値と判定された焦点信号に対応する時点の前記計測手段による経過時間から前記第１の記憶手段と前記第２の記憶手段のデータに基いて前記液晶レンズの駆動電圧を求め、その求めた駆動電圧を前記液晶レンズに印加することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項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、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、焦点整合度に対応した複数の焦点信号を抽出し、その焦点信号の最大値を検出することによって合焦点を検出する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、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、これらの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。
【０００４】
このように、引き出し電極に印加された電圧信号と電圧降下抵抗により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。
【０００５】
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。）。
【０００６】
【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】
【０００７】
しかしながら、今までのところ、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、ボケに対応する情報の最小点を探しに行き、その最小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。
【０００８】
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×２５ポジション）で済む。
【０００９】
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。
【００１０】
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×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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。そのため、液晶レンズの動作を凸レンズとしたいときに、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。
【００１３】
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になるので、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、この部分が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）に長い時間を要するという問題があった。
【００１４】
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異方性を大きくしたり、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、その様な構成にすると、この場合においても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。
【００１５】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、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、焦点信号のピーク値を検出することによって、実用にあたって十分な速さと精度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】
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する自動合焦点装置であって、
上記液晶レンズ制御手段は、上記光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち上記焦点信号を抽出するエリアを設定するエリア設定手段と、上記液晶レンズに所定電圧を印加する電圧印加手段と、その電圧印加手段により所定電圧が印加されて過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による、上記エリア設定手段によって設定されたエリアの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焦点信号抽出手段と、その焦点信号抽出手段により抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号の最大値を判定する合焦点判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
上記エリア設定手段は、上記焦点信号を抽出するエリアとして、全結像エリアの中央部の所定エリアを設定することができる。
あるいは、上記エリア設定手段は、全結像エリアをマトリクス状に分割して、その分割した個々のエリアの一つ以上を選択して上記焦点信号を抽出するエリアとして設定することもできる。
【００１８】
その場合、上記合焦点判定手段によって判定される焦点信号の最大値の閾値をセットする手段を設け、上記合焦点判定手段によって判定された焦点信号の最大値がその閾値を超えない場合には、上記エリア設定手段は、上記分割した個々のエリアの選択を変更して上記焦点信号を抽出するエリアを設定し直すようにするとい。
あるいはまた、上記エリア設定手段は、上記焦点信号を抽出するエリアとして、全結像エリアの中央部の所定エリアと周辺部の複数のエリアとを組み合わせて設定することもできる。
【００１９】
これらの自動合焦点装置において、上記電圧印加手段は、上記所定電圧として、上記液晶レンズを凸レンズの状態にするための電圧を印加することができる。
あるいは、上記電圧印加手段は、上記所定電圧として、上記液晶レンズを凹レンズの状態にするための電圧を印加するようにしてもよい。
さらに、上記電圧印加手段は、上記所定電圧として、上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、上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ようにすることもできる。
【００２０】
その場合、上記電圧印加手段は、上記液晶レンズに上記第１の電圧を印加する期間と第２の電圧を印加する期間との間に、上記液晶レンズを凸レンズの状態にするための電圧および凹レンズの状態にするための電圧のいずれでもない第３の電圧を印加する期間があるように、上記液晶レンズに電圧を印加するようにしてもよい。
また、上記液晶レンズ制御手段は、上記液晶レンズに上記第１の電圧および第２の電圧のいずれか一方を印加して上記液晶レンズが過渡応答動作をしている間に焦点信号が最大値であることを判定すると、上記液晶レンズにもう一方の電圧を印加するのを中止するようにするとよい。
【００２１】
また、上記液晶レンズは、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、上記電圧印加手段は、上記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とよい。
【００２２】
さらに、上記液晶レンズ制御手段は、上記サンプリングが開始されてからの経過時間を計測する計測手段と、上記画像信号をサンプリングする各時点の経過時間と液晶レンズの焦点距離とを対応させたデータを予め記憶する第１の記憶手段と、静的な状態での液晶レンズの駆動電圧と焦点距離とを対応させたデータを予め記憶する第２の記憶手段とを備え、上記合焦点判定手段によって最大値と判定され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上記第１の記憶手段と第２の記憶手段のデータに基いて液晶レンズの駆動電圧を求め、その求めた駆動電圧を液晶レンズに印加することができる。
【発明の効果】
【００２３】
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、全結像エリアのうちの焦点信号を抽出するエリアとして設定した所定エリアから、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、その焦点信号の最高値（ピーク値）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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１は、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。この自動合焦点装置は、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および液晶(ＬＣ)レンズドライバ６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とアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を有する。
【００２６】
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た電気信号は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換される。ＤＳＰ４は、Ａ／Ｄ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。ＡＦ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、焦点整合度に対応する複数の焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を抽出する。そして、ＡＦコントローラ５は、抽出し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。
【００２７】
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５１と記憶手段（メモリ）５２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（ＲＯＭ）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（ＲＡＭ）を有する。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系１に電圧を印加する。
【００２８】
ＡＦ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。ＡＦコントローラ５は、光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち焦点信号を抽出するエリアを設定するエリア設定手段、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６は、液晶レンズ制御手段の電圧印加手段に相当する。
【００２９】
図２および図３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。これらの図に示すように、液晶レンズ７は、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。
【００３０】
Ｐ波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズの構成は同じであるが、液晶層１４の配向方向が９０°異なる。これは、Ｐ波用液晶レンズの屈折率分布を変化させた場合、Ｐ波用液晶レンズ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波用液晶レンズについても同様である。
【００３１】
従って、配向方向が９０°異なる２枚の液晶レンズ、すなわちＰ波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズが必要となる。Ｐ波用液晶レンズと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。その駆動電圧は、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】
液晶パネルの中央部には、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、液晶パネルの周縁部は、シール部材１６と、封孔部材（図示せず）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。
【００３３】
特に限定しないが、一例として液晶レンズ７の寸法を示す。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である。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である。液晶層１４の厚さは十数μｍから数十μｍ程度、例えば２３μｍである。レンズ部１５の直径は数ｍｍ程度、例えば２．４ｍｍである。
【００３４】
図４は、パターン電極１０の構成を示す正面図である。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Ｃ字状の輪帯電極２１，２２が同心円状に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。
【００３５】
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、図２に示したレンズ部１５に重なるように配置される。
【００３６】
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る電圧に応じて、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。
【００３７】
特に限定しないが、一例としてパターン電極１０の各部の寸法や特性値を示す。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である。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である。また、各輪帯接続部２３の抵抗値は、例えば１ｋΩである。なお、液晶レンズ７のパターン電極１０の形態は、上記構成に限らず、各輪帯電極２１を各々独立に駆動制御することにより、上述したと同様に、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、凹レンズの状態とすることができる。
【００３８】
次に、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。図５の（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、液晶の屈折率は図５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。
【００３９】
例えば、各部の寸法や特性値が上述した値の液晶レンズ７およびパターン電極１０を用いるとする。また、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過渡応答動作時間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過渡応答動作時間ｔｒは、ともに５００ミリ秒程度である。
【００４０】
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、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。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、液晶レンズ７の焦点距離の変化の様子を示している。
【００４１】
例えば、図６の（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、液晶レンズ７の屈折率分布がある分布に定まり、図６の（ｂ）に示すように、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。
【００４２】
図６の（ｂ）における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。この実施の形態１では、説明の便宜上、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、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、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、液晶レンズ７は平行ガラスの状態となる。
【００４３】
図６に示す例では、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、液晶レンズ７の焦点距離ｆが異なる。従って、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焦点信号を抽出することができる。
【００４４】
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。
【００４５】
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、例えば図１に示したＡＦコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ（第１の記憶手段として機能する）に格納されている。
【００４６】
従って、ＡＦコントローラ５のマイクロプロセッサ５１は、液晶レンズ７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計測手段の機能も有し、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７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７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７の焦点距離を求めることができる。
【００４７】
また、予め、静的な状態で液晶レンズ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液晶レンズ７の焦点距離ｆと、液晶レンズ７の焦点距離ｆをある値にするために液晶レンズ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（第２の記憶手段として機能する）に格納されている。
【００４８】
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５１は、実際にピントを合わせるため、すなわち液晶レンズ７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、第１の記憶手段と第２の記憶手段（ＲＯＭ）の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７に印加ればよい。図７に、静的な状態における液晶レンズ７の焦点距離と、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。
【００４９】
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。電圧印加パターンとしては、以下の１２通りが考えられる。
【００５０】
第１のパターンは、図８の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初にパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０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２２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２０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２２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。
【００５１】
液晶レンズ７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８の（ｃ）は、第１のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００５２】
図８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。
【００５３】
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２２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７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。
【００５４】
また、時刻Ｔ１で中心部電極２０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７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２２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７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。
【００５５】
第２のパターンは、図９の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧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２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【００５６】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間、および時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、それぞれ平行ガラスの状態、レンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凸レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態となる。図９の（ｃ）は、第２のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００５７】
図９の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３において、それぞれゼロ、正の値の最大値、ゼロおよび負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り、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。また、第２のパターンで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。
【００５８】
第３のパターンは、図１０の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒをともに第１の電圧Ｖ１とする。次いで、時刻Ｔ０で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【００５９】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間、および時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、それぞれ平行ガラスの状態、レンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凹レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態となる。図１０の（ｃ）は、第３のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００６０】
図１０の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３において、それぞれゼロ、負の値の最大値、ゼロおよび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凹レンズの状態となり、時刻Ｔ３において、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。また、第３のパターンで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。
【００６１】
第４のパターンは、図１１の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒをともに第１の電圧Ｖ１とする。次いで、時刻Ｔ０で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【００６２】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間、および時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、それぞれ平行ガラスの状態、レンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凹レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態となる。図１１の（ｃ）は、第４のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００６３】
図１１の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３において、それぞれゼロ、負の値の最大値、ゼロおよび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凹レンズの状態となり、時刻Ｔ３において、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。また、第４のパターンで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。
【００６４】
第５のパターンは、図１２の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒをともに第２の電圧Ｖ２とする。次いで、時刻Ｔ０で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【００６５】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間、および時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、それぞれ平行ガラスの状態、レンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凸レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態となる。図１２の（ｃ）は、第５のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００６６】
図１２の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３において、それぞれゼロ、正の値の最大値、ゼロおよび負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り、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。また、第５のパターンで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。
【００６７】
第６のパターンは、図１３の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒをともに第２の電圧Ｖ２とする。次いで、時刻Ｔ０で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で中心部電極２０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２２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。
【００６８】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間、および時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、それぞれ平行ガラスの状態、レンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凸レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態となる。図１３の（ｃ）は、第６のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００６９】
図１３の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３において、それぞれゼロ、正の値の最大値、ゼロおよび負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り、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。また、第６のパターンで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。
【００７０】
第７のパターンは、図１４の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒをともに第２の電圧Ｖ２とする。次いで、時刻Ｔ０で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【００７１】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間、および時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、それぞれ平行ガラスの状態、レンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凹レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態となる。図１４の（ｃ）は、第７のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００７２】
図１４の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３において、それぞれゼロ、負の値の最大値、ゼロおよび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凹レンズの状態となり、時刻Ｔ３において、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。また、第７のパターンで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。
【００７３】
第８のパターンは、図１５の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒをともに第２の電圧Ｖ２とする。次いで、時刻Ｔ０で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【００７４】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間、および時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、それぞれ平行ガラスの状態、レンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凹レンズの状態およびレンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態となる。図１５の（ｃ）は、第８のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００７５】
図１５の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３において、それぞれゼロ、負の値の最大値、ゼロおよび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凹レンズの状態となり、時刻Ｔ３において、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。また、第８のパターンで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。
【００７６】
第９のパターンは、図１６の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒを第２の電圧Ｖ２とし、中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒを第１の電圧Ｖ１とする。次いで、時刻Ｔ０で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させ、時刻Ｔ２で終了する。
【００７７】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、および時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間では、それぞれレンズパワーが最大の凸レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凸レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態となる。図１６の（ｃ）は、第９のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００７８】
図１６の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０では正の値の最大値であり、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１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、時刻Ｔ１においてゼロとなる。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負の値の最大値となる。従って、時刻Ｔ２において、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。また、第９のパターンで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１．０秒程度である。
【００７９】
第１０のパターンは、図１７の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒを第１の電圧Ｖ１とし、中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒを第２の電圧Ｖ２とする。次いで、時刻Ｔ０で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させ、時刻Ｔ２で終了する。
【００８０】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、および時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間では、それぞれレンズパワーが最大の凹レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凹レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態となる。図１７の（ｃ）は、第１０のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００８１】
図１７の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１およびＴ２において、それぞれ負の値の最大値、ゼロおよび正の値の最大値となる。従って、時刻Ｔ２において、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。また、第１０のパターンで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１．０秒程度である。
【００８２】
第１１のパターンは、図１８の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒを第２の電圧Ｖ２とし、中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒを第１の電圧Ｖ１とする。次いで、時刻Ｔ０で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させ、時刻Ｔ２で終了する。
【００８３】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、および時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間では、それぞれレンズパワーが最大の凸レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凸レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凹レンズの状態となる。図１８の（ｃ）は、第１１のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００８４】
図１８の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１およびＴ２において、それぞれ正の値の最大値、ゼロおよび負の値の最大値となる。従って、時刻Ｔ２において、レンズパワーが最大の凹レンズの状態となる。また、第１１のパターンで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１．０秒程度である。
【００８５】
第１２のパターンは、図１９の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初に外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒを第１の電圧Ｖ１とし、中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒを第２の電圧Ｖ２とする。次いで、時刻Ｔ０で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒのみを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒのみを第２の電圧Ｖ２に変化させ、時刻Ｔ２で終了する。
【００８６】
液晶レンズ７は、時刻Ｔ０、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間、および時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間では、それぞれレンズパワーが最大の凹レンズの状態、レンズパワーが徐々に小さくなる凹レンズの状態、およびレンズパワーが徐々に大きくなる凸レンズの状態となる。図１９の（ｃ）は、第１２のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を示す図である。
【００８７】
図１９の（ｃ）に示すように、１／ｆの値は、時刻Ｔ０、Ｔ１およびＴ２において、それぞれ負の値の最大値、ゼロおよび正の値の最大値となる。従って、時刻Ｔ２において、レンズパワーが最大の凸レンズの状態となる。また、第１２のパターンで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１．０秒程度である。
【００８８】
次に、液晶レンズ７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７を凹レンズの状態の両方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系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とする。
【００８９】
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７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７は凹レンズの状態にされる。上述したように、この実施の形態１では、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、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。
【００９０】
従って、液晶レンズ７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。
【００９１】
上記第２の電圧印加パターンを例にして説明する。図２０および図２１は、第２の電圧印加パターンにおけるオートフォーカス信号の評価の仕方を示す説明図である。図２０または図２１の（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示すように、第２の電圧印加パターンでは、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの液晶レンズ７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が得られる。
【００９２】
また、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの液晶レンズ７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が得られる。その際、外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒまたは中心部電極２０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。
【００９３】
図２０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７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。
【００９４】
液晶レンズ７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２０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。
【００９５】
また、図２１の（ｃ）に示す例は、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも長い場合、例えばＬが３５０ｍｍである場合である。従って、液晶レンズ７が凹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。液晶レンズ７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２１の（ｄ）に示すようになる。
【００９６】
この例でも、−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。いずれの場合も、すべてのオートフォーカス信号をサンプリングし終えてから、すべてのオートフォーカス信号のレベルを比較してその最大値を判定する。
【００９７】
上記第１の電圧印加パターンおよび第３から第８の電圧印加パターンの場合も同様である。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値となる輪郭検出方式の原理については、上記非特許文献１に開示されているので、ここでは省略する。
【００９８】
別の例として、第９の電圧印加パターンにおけるオートフォーカス信号の評価の仕方を図２２および図２３に示す。図２２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。図２３に示す例は、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも長い場合、例えばＬが３５０ｍｍである場合である。液晶レンズ７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２２または図２３のそれぞれ（ｄ）に示すようになる。
【００９９】
これらの例でも、−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。すべてのオートフォーカス信号をサンプリングし終えてから、すべてのオートフォーカス信号のレベルを比較してその最大値を判定する。第１０から第１２の電圧印加パターンの場合も同様である。
【０１００】
いずれの電圧印加パターンを採用してもよい。例えば、第１、第２、第５、第６、第９または第１１の電圧印加パターンを採用している場合、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも短いと、液晶レンズ７が凸レンズの状態になっている期間（Ｔ０〜Ｔ１）にオートフォーカス信号の最大値が得られる。その場合、その後のＴ１〜Ｔ２およびＴ２〜Ｔ３の期間の実行を中止してもよい。
【０１０１】
また、例えば、第３、第４、第７、第８、第１０または第１２の電圧印加パターンを採用している場合、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも長いと、液晶レンズ７が凹レンズの状態になっている期間（Ｔ０〜Ｔ１）にオートフォーカス信号の最大値が得られる。その場合、その後のＴ１〜Ｔ２およびＴ２〜Ｔ３の期間の実行を中止してもよい。
【０１０２】
このように、液晶レンズ７が凸レンズの状態になる期間または凹レンズの状態になる期間のいずれか一方のみを行った段階でオートフォーカス信号の最大値が得られたことを検出するためには、いずれか一方の期間のみで複数のオートフォーカス信号を取得した時点で、オートフォーカス信号の最大値を判定する。そして、判定の結果得られた最大値が、その最大値が得られたサンプリングタイミングの直前と直後のサンプリングタイミングでそれぞれ得られたオートフォーカス信号のレベルよりも大きいことを判定すればよい。
【０１０３】
以上説明したように、液晶レンズに所定電圧が印加され、それによって液晶レンズが過渡応答動作をしている期間中に、複数の焦点信号（上述したオートフォーカス信号）がサンプリングされ、その複数の焦点信号に基づいて焦点信号の最大値が求められる。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する必要がないので、短時間で合焦点を検出することができる。
【０１０４】
また、電圧印加手段は、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。また、電圧印加手段は、液晶レンズに上記第１の電圧を印加する期間と第２の電圧を印加する期間との間に、液晶レンズを凸レンズの状態にするための電圧および凹レンズの状態にするための電圧のいずれでもない第３の電圧を印加する期間があるように、液晶レンズに電圧を印加する。このため、液晶レンズによる焦点距離の調整によらずに予めピントが合うように設定された所定の距離よりも被写体までの距離が短くなる場合と長くなる場合の両方に有効である。
【０１０５】
さらに、液晶レンズ制御手段は、液晶レンズに上記第１の電圧および第２の電圧のいずれか一方を印加して液晶レンズが過渡応答動作をしている間に焦点信号が最大値であることを判定すると、液晶レンズにもう一方の電圧を印加するのを中止するため、合焦点を検出するのに要する時間が半分になる。
【０１０６】
液晶レンズ７を凸レンズの状態としてのみ動作させるようにしてもよい。この場合には、特に限定しないが、例えば、図１に示した構成において液晶レンズ系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６０ｃｍでピントが合うように調整される。そして、被写体までの距離Ｌが６０ｃｍよりも短い場合に液晶レンズ７を凸レンズの状態にしてピントを合わせる。その他は、前述の場合と同様である。
【０１０７】
図２４は、この場合におけるオートフォーカス信号の評価の仕方を示す説明図である。図２４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７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、この例では１１個のオートフォーカス信号（焦点信号）が得られる。
【０１０８】
前述の場合と同様に、−１／ｆの値に基づいてこれら１１個のプロットを順に並べると、図２４の（ｄ）に示すようになる。この例においても、すべてのオートフォーカス信号をサンプリングし終えてから、すべてのオートフォーカス信号のレベルを比較してその最大値を判定する。なお、図２４に示す例では、サンプリング周期ｔｓが前述の例の場合よりも短い。
【０１０９】
以上説明したように、この例によれば、電圧印加手段は所定電圧として、液晶レンズを凸レンズの状態にするための電圧を印加するため、液晶レンズによる焦点距離の調整によらずに予めピントが合うように設定された所定の距離よりも被写体までの距離が短くなる場合に有効である。
【０１１０】
液晶レンズ７を凹レンズの状態としてのみ動作させるようにしてもよい。この場合には、特に限定しないが、例えば、図１に示した構成において液晶レンズ系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５ｃｍでピントが合うように調整される。そして、被写体までの距離Ｌが５ｃｍよりも長い場合に液晶レンズ７を凹レンズの状態にしてピントを合わせる。その他は、最初の例と同様である。
【０１１１】
以上説明したように、この例によれば、電圧印加手段は、所定電圧として液晶レンズを凹レンズの状態にするための電圧を印加するため、液晶レンズによる焦点距離の調整によらずに予めピントが合うように設定された所定の距離よりも被写体までの距離が長くなる場合に有効である。
【０１１２】
この発明による自動合焦点装置は、単に電圧印加手段によって液晶レンズに形成されるパターン電極に駆動電圧を印加するのではなく、この駆動電圧の内の小さい方の駆動電圧を印加する液晶領域で、過渡応答動作の遅れを無くす変調手段を有し、この所定の駆動電圧（具体的には、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）電圧）を印加して、液晶が過渡応答動作中において、所定の周期で焦点信号をサンプリングした複数個の焦点信号データを用いて、合焦点判定手段により、最大の焦点信号を判定できるようにしてもよい。
【０１１３】
このような自動合焦点装置を構成することにより、液晶レンズにおいて低い電圧を印加する側の液晶の応答を早くするという作用を受け、液晶の過渡応答中にも適切な屈折率分布を持って合焦点を得ることができる。
【０１１４】
この実施の形態にかかる自動合焦点装置の概略構成については、図１に示した自動合焦点装置と同様であるのでその説明は省略する。また、液晶レンズ系１の構成および液晶レンズ７に備えたパターン電極の構成とこの液晶レンズの作用についても、図２から図４に示した前述の例と同様であるのでそれらの説明は省略する。
【０１１５】
ここで、この実施形態の自動合焦点装置における、液晶レンズ系１の制御について説明をする。まず、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。図２５は、液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化を示す図であり、（ａ）は高い駆動電圧を液晶に掛けたときの駆動電圧プロファイルを示し、（ｂ）はそのときの屈折率変動を示す。また、（ｃ）は（ａ）に示した高い駆動電圧よりも低い駆動電圧を液晶に掛けたときの駆動電圧プロファイルを示し、（ｄ）はそのときの屈折率変動を示す。なお、液晶レンズ系１を構成するＰ波用液晶レンズとＳ波用液晶レンズには、ともに図示を省略する駆動手段によりこの液晶レンズ系１に入射する光を制御するものとする。
【０１１６】
図２５の（ａ）に示すように、液晶に駆動電圧Ｖ１が印加されていたところに駆動電圧Ｖ２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Ｖ１の立ち上がりのタイミングからｔｆ０の過渡応答動作期間だけ遅れて駆動電圧Ｖ２に対応した状態となる。また、液晶の屈折率は、駆動電圧をＶ２からＶ１へ立ち下げたタイミングからｔｒ０の期間だけ遅れて元の状態に戻る。このｔｆ０およびｔｒ０の過渡応答動作期間は、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。
【０１１７】
一方、図２５の（ｃ）に示すように、駆動電圧Ｖ２より小さい駆動電圧Ｖ３が印加されると、液晶の屈折率は、同図の（ｄ）に示すように、その駆動電圧のＶ１からＶ３への立ち上がりのタイミングから過渡応答動作期間ｔｆ１の時間だけ遅れて駆動電圧Ｖ３に対応した状態となる。また、液晶の屈折率は、駆動電圧の立ち下がりのタイミングから過渡応答動作期間ｔｒ１の時間だけ遅れて元の状態に戻る。このように、この図から、過渡応答動作期間ｔｆ１、ｔｒ１は、過渡応答動作期間ｔｆ０、ｔｒ０よりも長くなっていることがわかる。なお、駆動電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）された交流電圧である。
【０１１８】
例えば、各部の寸法や特性値が上述した値の液晶レンズ７およびパターン電極１０を用いるとする。また、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るとする。この場合、例えば、駆動電圧Ｖ１を１［Ｖ］、駆動電圧Ｖ２を５［Ｖ］とすると、液晶の立ち上がりに対する過渡応答動作期間ｔｆ０および液晶の立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒ０は、ともに５００ミリ秒程度である。そして、同じパルス高さ変調（ＰＨＭ）で駆動するとき、駆動電圧Ｖ１を１［Ｖ］、駆動電圧Ｖ３を２［Ｖ］とすると、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｆ１および立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒ１は、ともに８００ミリ秒程度となる。
【０１１９】
このように、単に最終的な屈折率分布を得るための中心部電極２０と外周部電極２２との間に異なる駆動電圧を印加すると、中心部から外周の半径方向において過渡応答動作期間の間で分布ができてしまうこととなる。すなわち、低い電圧が印加された側では過渡応答動作期間が長くなる。そうすると、過渡応答中に屈折率分布が適切でなくなるので、レンズ収差が大きいものとなってしまうこととなる。
【０１２０】
そこで、液晶の過渡応答時のレンズ収差を低減するために、中心部電極２０もしくは外周部電極２２に印加する駆動電圧の内の小さい方の駆動電圧（図２５における駆動電圧Ｖ３に相当する）に対して、電圧印加手段により、初期の段階で予定していた駆動電圧より大きい値が印加され、ある期間それを維持した後に徐々に駆動電圧を低下させていくように変調を掛ける方式を採用するとよい。
【０１２１】
図２６は、電圧変調手段の一例と過渡応答動作期間の屈折率の変化を示す線図であり、（ａ）は、この電圧変調手段により外周部電極２２に印加される駆動電圧プロファイルの一例を示し、（ｂ）は、中心部電極２０に印加される駆動電圧プロファイルの一例を示し、（ｃ）は、（ａ），（ｂ）の駆動電圧プロファイルを採用した場合の液晶層の屈折率変動を示す図面である。
【０１２２】
例えば、図２６の（ａ）に示すように、外周部電極２２に高い駆動電圧Ｖ２、中心部電極２０に低い駆動電圧Ｖ３を印加する場合を考える。そして駆動電圧Ｖ２，Ｖ３がパルス高さ変調（ＰＨＭ）されているとする。このとき中心部電極２０に、最初の５０ミリ秒の間だけ外周部電極２２に印加した駆動電圧と同じパルス高さに変調された駆動電圧Ｖ３を印加し、その後は同図の（ｂ）に示すように、４００ミリ秒かけて徐々にパルス高さを落としていくという変調を行った駆動電圧を印加する。そうすると、その初期の段階で中心部電極２０側と外周部電極２２側の過渡応答がほぼ同じとなり、ほぼ５００ミリ秒で定常状態に到達させることができる。そして、このような動作をさせることで、同図の（ｃ）に示すように、過渡応答中のレンズ収差を大幅に低減せることができるようになる。
【０１２３】
上述のような変調を行った場合、中心部電極２０と外周部電極２２との間の輪帯電極２１における液晶の過渡応答は、輪帯接続部２３によって電気的に接続されているので、変調された駆動電圧の影響を受けることとなる。ただし、輪帯電極２１に印加される駆動電圧は、中心部電極２０と外周部電極２２との駆動電圧が抵抗分圧された電圧となる。従って、中心部電極２０により近い側の輪帯電極２１が、上述した変調手段の影響をより強く受けることになり、過渡応答時間も中心部電極２０に近い側の輪帯電極２１の方が短くなる。
【０１２４】
なお、上記変調手段では、中心部電極２０に対して印加する駆動電圧の変調手段で、所定の時間だけ振幅を大きくし、その後は徐々に減衰させて所定の振幅に戻す変調を行う手段を示したが、初期の段階で外周部電極２２に印加する駆動電圧Ｖ２と同じ電圧とし、段階的にこの駆動電圧を下げて駆動電圧Ｖ３としても構わないし、必ずしも初期の段階で印加する駆動電圧をＶ２とせずに、それよりも高い駆動電圧に設定してから目的の駆動電圧Ｖ３に戻すようにしても構わない。
【０１２５】
この実施の形態においても、前述した実施の形態と同様に、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手段を採用した。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、液晶レンズ７の焦点距離の変化の様子についても、図６に示した例と同様であるので、その説明は省略する。また、静的な状態における液晶レンズ７の焦点距離と、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についても、図７に示した例と同様であるので、その説明は省略する。図７に示すように、中心部電極２０に印加する電圧、すなわち中心部電圧Ｖｉｎｎｅｒと、外周部電極２２に印加する電圧、すなわち外周部電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ異なる電圧の組み合わせにすることで凸レンズの状態、平行ガラスの状態、凹レンズの状態になることがわかる。
【０１２６】
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。図２７の（ａ）は、液晶レンズ７における外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒプロファイルを示す図であり、（ｂ）は、液晶レンズ７における中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒプロファイルを示す説明図であり、（ｃ）は、（ａ），（ｂ）による電圧プロファイルが液晶レンズに印加された場合の焦点距離の逆数の変化を示す図である。なお、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。電圧印加パターンとしては、種々考えられるが、ここでは凸レンズとなる場合の一例について説明する。
【０１２７】
図２７の（ａ）および（ｂ）に示すように、最初にパターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒと、中心部電極２０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２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒと中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒを第１の電圧Ｖ１よりも高い第２の電圧Ｖ２に変化させる。中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒは５０ミリ秒経過後、徐々に駆動電圧を落としてゆく。次いで、時刻Ｔ１で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒを第１の電圧Ｖ１に変化させる。次いで、時刻Ｔ２で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒと外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒを第２の電圧Ｖ２に変化させ、時刻Ｔ３で終了する。
【０１２８】
液晶レンズ７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。
【０１２９】
このように液晶レンズ７を動作させると、図２７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、下に凸の曲線を描くように変化してゼロに至り、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけては上に凸の曲線を経て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。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。
【０１３０】
ここで、第１の電圧Ｖ１を１［Ｖ］とし、第２の電圧Ｖ２を５［Ｖ］とすると、時刻Ｔ０で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒの立ち上がりとなり、第２の電圧Ｖ２に比べて第１の電圧Ｖ１の方が低いので、第１の電圧Ｖ１に対して図２７−２に示したプロファイルに従って電圧変調を行う。このときの液晶レンズ７の過渡応答動作期間ｔｆは、上述したように、例えば５００ミリ秒程度とすることができる。
【０１３１】
さらに、時刻Ｔ２で中心部電極２０の電圧Ｖｉｎｎｅｒの立ち上がりとなるので、図２７の（ａ）に示したプロファイルに従って外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒに電圧変調を行う。すなわち、時刻Ｔ２で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒを第１の電圧Ｖ１よりも高い第２の電圧Ｖ２に変化させ、５０ミリ秒経過後徐々に駆動電圧を落としていく。このときの液晶レンズ７の過渡応答動作期間ｔｆは、上述したように、例えば５００ミリ秒程度となる。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秒程度で済むことになる。
【０１３２】
次に、液晶レンズ７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と、液晶レンズ７を凹レンズの状態の両方の状態にして得た複数のオートフォーカス信号の評価について説明する。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系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。
【０１３３】
従って、この実施の形態においても前述した実施の形態と同様に、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７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７は凹レンズの状態にされる。上述したように、この実施の形態でも、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、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。
【０１３４】
そして、液晶レンズ７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。
【０１３５】
この現象を、図２７に示した電圧印加パターンを例にして説明する。図２８および図２９は、図２７に示した電圧印加プロファイルにおけるオートフォーカス信号の評価の仕方を示す図である。
【０１３６】
図２８の（ａ）〜（ｃ）と図２９の（ａ）〜（ｃ）に示すように、この電圧印加パターンでは、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの、液晶レンズ７が凸レンズの状態になっている期間では、特に限定しないが、図示した例では６個のオートフォーカス信号が得られる。
【０１３７】
また、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの液晶レンズ７が凹レンズの状態になっている期間では、特に限定しないが、図示した例では６個のオートフォーカス信号が得られる。その際、外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒまたは中心部電極２０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ようにするとよい。
【０１３８】
そして、図２８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７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。
【０１３９】
液晶レンズ７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２８（ｄ）に示すようになる。この図示例では、−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。
【０１４０】
また、図２９の（ｃ）に示す例は、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも長い場合、例えばＬが３５０ｍｍである場合である。従って、液晶レンズ７が凹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。液晶レンズ７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２９の（ｄ）に示すようになる。
【０１４１】
この例でも、−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。いずれの場合も、すべてのオートフォーカス信号をサンプリングし終えてから、すべてのオートフォーカス信号のレベルを比較してその最大値を判定する。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値となる輪郭検出方式の原理については、上記非特許文献１に開示されているので、ここでは省略する。
【０１４２】
なお、被写体までの距離Ｌが２００ｍｍよりも短いと、液晶レンズ７が凸レンズの状態になっている期間（Ｔ０〜Ｔ１）にオートフォーカス信号の最大値が得られる。その場合、その後のＴ１〜Ｔ２およびＴ２〜Ｔ３の期間の実行を中止してもよい。
【０１４３】
また、液晶レンズ７が凸レンズの状態になる期間または凹レンズの状態になる期間のいずれか一方のみを行った段階でオートフォーカス信号の最大値が得られたことを検出するためには、いずれか一方の期間のみで複数のオートフォーカス信号を取得した時点で、オートフォーカス信号の最大値を判定する。そして、判定の結果得られた最大値が、その最大値が得られたサンプリングタイミングの直前と直後のサンプリングタイミングでそれぞれ得られたオートフォーカス信号のレベルよりも大きいことを判定すればよい。
【０１４４】
この発明による自動合焦点装置は、単に電圧印加手段にて液晶レンズに形成されるパターン電極に駆動電圧を印加するのではなく、この駆動電圧の内の小さい方の駆動電圧を印加する液晶領域で、過渡応答動作の遅れを無くす変調手段を有し、この所定の駆動電圧（具体的には、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧）を印加して、液晶が過渡応答動作中において、所定の周期で焦点信号をサンプリングした複数個の焦点信号データを用いて、合焦点判定手段により、最大の焦点信号を判定できるようにしてもよい。
【０１４５】
このような自動合焦点装置を構成することにより、液晶レンズにおいて低い電圧を印加する側の液晶の応答を早くするという作用を受け、液晶の過渡応答中にも適切な屈折率分布を持って合焦点を得ることができる。
【０１４６】
このばあいの自動合焦点装置の概略構成についても、図１に示した自動合焦点装置と同様であるのでその説明は省略する。また、この実施の形態にかかる自動合焦点装置における液晶レンズ系１の構成および液晶レンズ７に備えたパターン電極の構成とこの液晶レンズの作用についても、図２から図４に示した例と同様であるのでそれらの説明も省略する。
【０１４７】
ここで、この実施の形態にかかる自動合焦点装置における、液晶レンズ系１の制御について説明をする。ここで、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は、図２５に示した実施の形態４と同様であるのでその説明は省略する。ただし、図２５において、駆動電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である点が上述した実施の形態とは異なる。
【０１４８】
次に、このときのパルス幅変調（ＰＷＭ）された波形を図３０に示す。実効電圧が最も小さい駆動電圧Ｖ１に相当する波形を（ａ）に、実効電圧が最も大きい駆動電圧Ｖ２に相当する波形を（ｃ）に、Ｖ１、Ｖ２の中間の駆動電圧Ｖ３に相当する波形を（ｂ）にそれぞれ示す。周波数はどれも一定で、例えば１ｋＨｚ程度の矩形波であり、パルス幅を変えることで実効電圧を変えるものである。
【０１４９】
例えば、各部の寸法や特性値が上述した値の液晶レンズ７およびパターン電極１０を用いるとする。また、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るとする。この場合、例えば、駆動電圧Ｖ１を１［Ｖｒｍｓ］（実効電圧での表現であり、以下具体的な駆動電圧は実効電圧を意味する）、駆動電圧Ｖ２を５［Ｖｒｍｓ］とすると、液晶の立ち上がりに対する過渡応答動作時間ｔｆ０および液晶の立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作時間ｔｒ０は、ともに５００ミリ秒程度である。そして、同じパルス幅変調（ＰＷＭ）で駆動するとき、駆動電圧Ｖ１を１［Ｖｒｍｓ］、駆動電圧Ｖ３を２［Ｖｒｍｓ］とすると、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作時間ｔｆ１および立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作時間ｔｒ１は、ともに８００ミリ秒程度となる。
【０１５０】
このように、単に最終的な屈折率分布を得るための中心部電極２０と外周部電極２２との間に異なる駆動電圧を印加すると、中心部から外周の半径方向において過渡応答動作時間に分布ができてしまうこととなる。すなわち、低い電圧が印加された側では過渡応答動作時間が長くなる。すると、過渡応答中に屈折率分布が適切でなくなるので、レンズ収差が大きいものとなってしまうこととなる。
【０１５１】
そこで、液晶の過渡応答時のレンズ収差を低減するために、上述した実施の形態と同様に、中心部電極２０もしくは外周部電極２２に印加する駆動電圧の内の小さい方の駆動電圧（図２５における駆動電圧Ｖ３、図２５（ｃ）参照）に対して、電圧印加手段により、初期の段階で予定していた駆動電圧より大きい値が印加され、ある期間それを維持した後に徐々に駆動電圧を低下させていくように変調を掛ける方式を採用した。
【０１５２】
図３１は、電圧変調手段の一例と過渡応答動作期間の屈折率の変化を示す説明図である。例えば、図３１の（ａ）に示すように、外周部電極２２に高い駆動電圧Ｖ２、中心部電極２０に低い駆動電圧Ｖ３を印加する場合を考える。そして駆動電圧Ｖ２、Ｖ３がパルス幅変調（ＰＷＭ）されているとする。このとき中心部電極２０に最初の５０ミリ秒の間だけ、駆動電圧Ｖ３を印加し、その後は同図（ｂ）に示すように、４００ミリ秒かけて徐々にパルス幅を短くしていくという変調を行った駆動電圧を印加する。そうすると、その初期の段階で中心部電極２０側と外周部電極２２側の過渡応答と同様となり、ほぼ５００ミリ秒で定常状態に到達させることができる。そして、このような動作をさせることで、過渡応答中のレンズ収差を大幅に低減させることができるようになる。
【０１５３】
上述のような変調を行った場合、中心部電極２０と外周部電極２２との間の輪帯電極２１における液晶の過渡応答は、輪帯接続部２３によって電気的に接続されているので、変調された駆動電圧の影響を受ける。ただし、輪帯電極２１に印加される駆動電圧は、中心部電極２０と外周部電極２２との駆動電圧が抵抗分圧された電圧となる。従って、中心部電極２０に近い側の輪帯電極２１が、上述した変調手段の影響をより強く受けることになり、図３１の（ｃ）に示すように、中心部電極２０に近い側から外周部電極２２に近い側に渡って過渡応答時間はほぼ同じくらいになる。
【０１５４】
なお、この例では中心部電極２０に対して印加する駆動電圧の変調手段で、所定の時間だけパルス幅を長くし、その後は徐々に滑らかにパルス幅を短くし所定のパルス幅に戻すという変調を説明したが、初期の段階で外周部電極２２に印加する駆動電圧Ｖ２と同じ電圧とし、複数のステップでパルス幅を短くし駆動電圧Ｖ３となるようにしても構わないし、初期の段階で中心部電極２０に印加する駆動電圧を外周部電極２２に印加する駆動電圧と同じにせずに、それよりも高い駆動電圧に設定してもよい。また、レンズとして作用する時の収差が小さくなる変調手段が望ましい。
【０１５５】
この実施の形態においても、最初に説明した自動合焦点装置と同様に、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手段を採用した。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、液晶レンズ７の焦点距離の変化の様子についても、図６に示した例と同様であるので、その説明は省略する。また、静的な状態における液晶レンズ７の焦点距離と、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についても、図７に示した例と同様であるので、その説明は省略する。図７に示すように、中心部電極２０に印加する電圧、すなわち中心部電圧Ｖｉｎｎｅｒと、外周部電極２２に印加する電圧、すなわち外周部電圧Ｖｏｕｔｅｒをそれぞれ異なる電圧の組み合わせにすることで凸レンズの状態、平行ガラスの状態、凹レンズの状態になることがわかる。
【０１５６】
また、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は、図２７に示した例と同様であるので、その説明は省略する。また、図２７に示した電圧印加プロファイルにおけるオートフォーカス信号の評価の仕方についても、図２８および図２９に示した例と同様であるので、その説明は省略する。
【０１５７】
〔エリア設定手段を有する自動合焦点装置の実施の形態〕
次に、この発明によるエリア設定手段を有する自動合焦点装置の実施の形態について説明する。以下に説明する各実施形態の自動合焦点装置も、そのハード構成は、図１から図４によって説明した前述の自動合焦点装置と同様である。また、液晶レンズを含む光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち焦点信号を抽出するエリアを設定するエリア設定手段を有する点と、焦点信号抽出手段が、電圧印加手段により所定電圧が印加されて過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による、エリア設定手段によって設定されたエリアの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点以外の機能や作用も、前述した各実施の形態の例と同様であるから、それらの説明は省略する。
【０１５８】
先ず、図３２と図３５によって、エリア設定手段を有する自動合焦点装置の第１の実施形態を説明する。
図３２は、図１における−コントローラ５のマイクロプロセッサ５１によって実行される、この実施形態による自動合焦点動作のフロー図である。このフロー図及び第２の実施形態のフロー図と以下の説明において、「ステップ」を「Ｓ」と略記する。
この自動合焦点装を搭載したカメラ等の撮影装置のシャッタボタンの初期押下等をトリガとして、図３２に示す処理を開始する。まず、Ｓ１０１で図１に示した撮像素子３に相当するＣＭＯＳセンサを初期化して、フレーム数やピクセル数を設定する。なお、このフレーム数やピクセル数の設定は、撮像装置のシャッタボタンを押下する前に、予め撮影条件として設定しておいても良い。
【０１５９】
次のＳ１０２では、液晶レンズを含む光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち焦点信号を抽出するエリアを設定する（エリア設定手段に相当する）。この例では、図１に示した撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）３の図３５に示す有効撮像エリア３０（全結像エリアに相当する）の中央部の所定のエリア（任意サイズの四角形のエリア）Xを設定する。
その設定は、四角形の各頂点の座標、各四角形の対角２頂点の座標、あるいはエリア内のライン番号とピクセル番号等を、図１に示した記憶手段５２のＲＡＭに記憶させることによって行う。
【０１６０】
その後、Ｓ１０３で液晶レンズ７に所定電圧（例えば凹レンズ最大にするための電圧）を印加し、Ｓ１０４でＡＦ動作を開始し、Ｓ１０５で液晶レンズ７にＳ１０３で印加した所定電圧とは異なる所定電圧（例えば凸レンズ最大にするための電圧）を印加する。
そして、Ｓ１０６で、その異なる所定電圧が印加されて過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による、撮像素子３のＳ１０２で設定したエリアＸの光学像に基づいて生成される画像信号を、所定の周期（例えば３３．３ｍｓ間隔で２０回）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て図１に示した記憶手段５２のＲＡＭに記憶する（焦点信号抽出手段に相当する）。
【０１６１】
全てのサンプリングが終了すると、Ｓ１０７で焦点信号最大値を判定する（合焦点判定手段に相当する）。この判定については、先に種々の例について説明した通りである。
そして、Ｓ１０８で判定結果に対応する所定の電圧を液晶レンズに印加し、合焦点セットを完了する。
すなわち、Ｓ１０７で最大値と判定された焦点信号に対応する時点の経過時間から、記憶手段５２に予め記憶しているデータに基いて液晶レンズの駆動電圧を求め、その求めた駆動電圧を液晶レンズ７に印加する。これについても前述した通りである。
【０１６２】
この実施形態によれば、焦点信号を抽出するエリアを画面の中心部に限定するので、被写体が人物のような場合に、画面の中心付近の人物等にピントが合った画像の取得を迅速に行うことが可能になる。
【０１６３】
次に、図３３と図３４および図３６によって、エリア設定手段を有する自動合焦点装置の第２の実施形態を説明する。
図３３と図３４は、図１におけるＡＦコントローラ５のマイクロプロセッサ５１によって実行される、この実施形態による自動合焦点動作のフロー図であり、一連の動作であるが、図示の都合上２つの図になっている。
この図３３に示す処理を開始する。まず、Ｓ２０１で図１に示した撮像素子３に相当するＣＭＯＳセンサを初期化して、フレーム数やピクセル数を設定する。
【０１６４】
次のＳ２０２では、液晶レンズを含む光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち焦点信号を抽出するエリアを設定する（エリア設定手段に相当する）。この例では、図１に示した撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）３の図３６に示す有効撮像エリア３０（全結像エリアに相当する）の若干内側のエリアを３×３配列の９個の四角形のエリアＡ〜Ｉからなるマトリクス状に分割して、それらの一つ以上を選択して、焦点信号を抽出するエリアとし得るように設定する。
その設定も、各四角形の各頂点の座標、各四角形の対角２頂点の座標、あるいは各エリアＡ〜Ｉ内のライン番号とピクセル番号等を、図１に示した記憶手段５２のＲＡＭに記憶させることによって行う。
【０１６５】
また、Ｓ２０３で焦点信号最大値判定の閾値（Ｖｔｈ）、すなわち合焦点判定手段によって判定される焦点信号の最大値の閾値をセットする。
この閾値（Ｖｔｈ）のセットは、Ｓ２０２の焦点信号を抽出エリアの設定より前に行っても、あるいはそれと同時に行ってもよい。
【０１６６】
その後、Ｓ２０４で液晶レンズ７に所定電圧（例えば凹レンズ最大にするための電圧）を印加し、Ｓ２０５でＡＦ動作を開始し、Ｓ２０６で液晶レンズ７にＳ２０４で印加した所定電圧とは異なる所定電圧（例えば凸レンズ最大にするための電圧）を印加する。
そして、Ｓ２０７で、その異なる所定電圧が印加されて過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による、撮像素子３のＳ２０２で設定した各エリアＡ〜Ｉの光学像に基づいて生成される画像信号を、それぞれ所定の周期（例えば３３．３ｍｓ間隔で9×２０回）でサンプリングすることにより、各エリアＡ〜Ｉごとに複数の焦点信号を抽出して図１に示した記憶手段５２のＲＡＭに記憶する（焦点信号抽出手段に相当する）。
【０１６７】
全てのサンプリングが終了すると、図３４のＳ２０８に進んで、画面中央部のエリアEによる焦点信号の記憶値に基づいて、焦点信号最大値を判定する。そして、Ｓ２０９でその判定結果による焦点信号最大値を閾値（Ｖｔｈ）と比較し、閾値を超えていればＳ２１０で焦点信号最大値をその値に決定し、Ｓ２１１でその判定結果に対応する所定の電圧を液晶レンズに印加して、合焦点セットを完了する。
すなわち、Ｓ２１０で最大値と決定された焦点信号に対応する時点の経過時間から、記憶手段５２に予め記憶しているデータに基づいて液晶レンズの駆動電圧を求め、その求めた駆動電圧を液晶レンズ７に印加する。
【０１６８】
Ｓ２０９で焦点信号最大値が閾値（Ｖｔｈ）を超えていなければ、Ｓ２１２に進んで図３６に示すエリアＤ，Ｅ，Ｆによる焦点信号の記憶値に基づいて、焦点信号最大値を判定する。この場合、エリアＤ，Ｅ，Ｆによる焦点信号の平均値（加重平均でもよい）の最大値を判定するか、エリアＤ，Ｅ，Ｆの各焦点信号中の最大値を判定するようにしてもよい。
そして、Ｓ２１３でその判定結果による焦点信号最大値を閾値（Ｖｔｈ）と比較し、閾値を超えていればＳ２１０で焦点信号最大値をその値に決定し、Ｓ２１１でその判定結果に対応する所定の電圧を液晶レンズに印加して、合焦点セットを完了する。
【０１６９】
Ｓ２１３で焦点信号最大値が閾値（Ｖｔｈ）を超えていなければ、Ｓ２１４に進んで図３６に示すエリアB，Ｅ，Hによる焦点信号の記憶値に基づいて、焦点信号最大値を判定する。この場合の判定方法もＳ２１２で説明したのと同様である。
そして、Ｓ２１５でその判定結果による焦点信号最大値を閾値（Ｖｔｈ）と比較し、閾値を超えていればＳ２１０で焦点信号最大値をその値に決定し、Ｓ２１１でその判定結果に対応する所定の電圧を液晶レンズに印加して、合焦点セットを完了する。
【０１７０】
Ｓ２１５で焦点信号最大値が閾値（Ｖｔｈ）を超えていなければ、Ｓ２１６に進んで図３６に示すエリアＡ，Ｃ，Ｅ，Ｇ，Ｉによる焦点信号の記憶値に基づいて、焦点信号最大値を判定する。この場合の判定方法もＳ２１２で説明したのと同様である。
そして、Ｓ２１７でその判定結果による焦点信号最大値を閾値（Ｖｔｈ）と比較し、閾値を超えていればＳ２１０で焦点信号最大値をその値に決定し、Ｓ２１１でその判定結果に対応する所定の電圧を液晶レンズに印加して、合焦点セットを完了する。
【０１７１】
Ｓ２１７で焦点信号最大値が閾値（Ｖｔｈ）を超えていなければ、Ｓ２１８に進んで図３６に示す全てのエリアＡ〜Ｉによる焦点信号の記憶値に基づいて、焦点信号最大値を判定する。この場合の判定方法もＳ２１２で説明したのと同様である。
そして、Ｓ２１０で焦点信号最大値をその値に決定し、Ｓ２１１でその判定結果に対応する所定の電圧を液晶レンズに印加して、合焦点セットを完了する。
なお、Ｓ２１８の焦点信号最大値の判定結果も閾値（Ｖｔｈ）と比較し、閾値を超えていない場合にはエラー処理を行って、ＡＦ不能等の表示したり、警告音を発したりするようにしてもよい。
この実施形態によれば、殆どどのような画像でも合焦点を判定することができる。
【０１７２】
次に、図３７によって、エリア設定手段を有する自動合焦点装置の第３の実施形態を説明する。
この実施形態による自動合焦点動作のフロー図は、図３２に示した第１の実施形態のフロー図と殆ど同じなので図示を省略する。
前述のように液晶レンズに凹レンズ最大にする電圧パターンを印加した後、凸レンズ最大にする電圧パターンを印加するか、あるいは凸レンズ最大にする電圧パターンを印加した後、凹レンズ最大にする電圧パターンを印加する場合、図３７に示す液晶レンズ７の斜線を施してある中央部７１と周辺部７２は、印加される電圧変化が大きいため、比較的速く応答するが、中間部７３は印加される電圧変化が小さいため、応答速度が遅い。
【０１７３】
そこで、この第３の実施形態では、図３２に示したフロー図と同様な自動合焦点動作を実行するが、Ｓ１０２の焦点信号抽出エリアを設定する処理で、図３７に示す液晶レンズの中間部７３を避けて、撮像素子の有効撮像エリア３０（全結像エリアに相当する）の中央部の所定のエリアＣと、周辺部の複数のエリア、この例では４隅の四角形のエリアＡ、Ｂ，Ｄ，Ｅとを組み合わせて設定する。
このように設定すれば、液晶レンズの比較的応答が速いエリアを通過する光による画像から焦点信号を抽出することができるので、合焦点検出の速度を速め、精度も高めることができる。
【０１７４】
以上説明したように、この発明によれば、液晶レンズ７の過渡応答動作期間中に画像信号を複数回、サンプリングして複数の焦点信号を抽出するので、１回または２回の液晶レンズ７の過渡応答動作期間でもって、合焦点を検出することができる。従って、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が得られる。
さらに、液晶レンズを含む光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち焦点信号を抽出するエリアを設定することにより、合焦点検出の精度高め、速度を速めることが可能になる。
【０１７５】
また、この発明によれば、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。そして、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１が光学レンズ系２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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
また、液晶の過渡応答動作時間ｔｆおよびｔｒは、いかなる場合にも５００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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１８０】
以上説明してきたように、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】
【０１８１】
【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のＬＣレンズ系に設けられる液晶レンズの構成例を示す正面図である。
【図３】同じくその液晶レンズの断面図である。
【図４】同じくその液晶レンズのパターン電極の構成例を示す正面図である。
【図５】液晶レンズの液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化例を示す線図である。
【図６】液晶レンズの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との関係を示す線図である。
【図７】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。
【０１８２】
【図８】液晶レンズへの第１の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図９】液晶レンズへの第２の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１０】液晶レンズへの第３の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１１】液晶レンズへの第４の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１２】液晶レンズへの第５の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１３】液晶レンズへの第６の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１４】液晶レンズへの第７の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１５】液晶レンズへの第８の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１６】液晶レンズへの第９の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１７】液晶レンズへの第１０の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１８】液晶レンズへの第１１の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【図１９】液晶レンズへの第１２の電圧印加パターンと焦点距離の逆数の変化を示す線図である。
【０１８３】
【図２０】焦点信号の評価の仕方の一例を示す説明図である。
【図２１】焦点信号の評価の仕方の他の例を示す説明図である。
【図２２】焦点信号の評価の仕方のさらに他の例を示す説明図である。
【図２３】焦点信号の評価の仕方のさらにまた他の例を示す説明図である。
【図２４】焦点信号の評価の仕方のさらに異なる例を示す説明図である。
【０１８４】
【図２５】この発明の他の実施の形態にかかる自動合焦点装置に搭載する液晶レンズの駆動電圧プロファイルの一例と屈折率の変化を示す線図である。
【図２６】同じくその自動合焦点装置に搭載する液晶レンズの駆動電圧プロファイルの一例と過渡応答動作期間の屈折率の変化を示す線図である。
【図２７】同じくその自動合焦点装置に搭載する液晶レンズの外周部電極と中心部電極に印加する電圧のプロファイルと焦点距離の逆数の変化とを示す線図である。
【図２８】同じく実施の形態４にかかる自動合焦点装置におけるオートフォーカス信号の評価の仕方の一例を示す説明図である。
【図２９】同じく実施の形態４にかかる自動合焦点装置におけるオートフォーカス信号の評価の仕方の他の例を示す説明図である。
【０１８５】
【図３０】この発明のさらに他の実施の形態にかかる自動合焦点装置に搭載する液晶レンズに印加するパルス幅変調された駆動波形を示す波形図である。
【図３１】同じくその自動合焦点装置の駆動電圧プロファイル一例と過渡応答動作期間の屈折率の変化を示す線図である。
【０１８６】
【図３２】この発明によるエリア設定手段を有する自動合焦点装置の第１の実施形態による自動合焦点動作のフロー図である。
【図３３】この発明によるエリア設定手段を有する自動合焦点装置の第２の実施形態による自動合焦点動作の前半部を示すフロー図である。
【図３４】同じくその後半前半部を示すフロー図である。
【図３５】図３２のＳ１０２で設定するエリアの例を示す説明図である。
【図３６】図３３のＳ２０２で設定する選択可能なエリアの例を示す説明図である。
【図３７】この発明によるエリア設定手段を有する自動合焦点装置の第３の実施形態によって設定するエリアの例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１８７】
１：液晶（ＬＣ）レンズ系        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（ＦＡ）コンとローラ
６：液晶（ＬＣ）レンズドライバ
７：液晶レンズ        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        ２１，２２：輪帯電極        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
３０：撮像素子の有効撮像エリア
５１：マイクロプロセッサ        ５２：記憶手段（メモリ）
【図１】
2007310004.tif 000003
【図２】
2007310004.tif 000004
【図３】
2007310004.tif 000005
【図４】
2007310004.tif 000006
【図５】
2007310004.tif 000007
【図６】
2007310004.tif 000008
【図７】
2007310004.tif 000009
【図８】
2007310004.tif 000010
【図９】
2007310004.tif 000011
【図１０】
2007310004.tif 000012
【図１１】
2007310004.tif 000013
【図１２】
2007310004.tif 000014
【図１３】
2007310004.tif 000015
【図１４】
2007310004.tif 000016
【図１５】
2007310004.tif 000017
【図１６】
2007310004.tif 000018
【図１７】
2007310004.tif 000019
【図１８】
2007310004.tif 000020
【図１９】
2007310004.tif 000021
【図２０】
2007310004.tif 000022
【図２１】
2007310004.tif 000023
【図２２】
2007310004.tif 000024
【図２３】
2007310004.tif 000025
【図２４】
2007310004.tif 000026
【図２５】
2007310004.tif 000027
【図２６】
2007310004.tif 000028
【図２７】
2007310004.tif 000029
【図２８】
2007310004.tif 000030
【図２９】
2007310004.tif 000031
【図３０】
2007310004.tif 000032
【図３１】
2007310004.tif 000033
【図３２】
2007310004.tif 000034
【図３３】
2007310004.tif 000035
【図３４】
2007310004.tif 000036
【図３５】
2007310004.tif 000037
【図３６】
2007310004.tif 000038
【図３７】
2007310004.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月17日(2007.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
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する自動合焦点装置であって、
上記液晶レンズ制御手段は、上記光学レンズ手段を通して結像する光学像のうち上記焦点信号を抽出するエリアを設定するエリア設定手段と、上記液晶レンズに所定電圧を印加する電圧印加手段と、その電圧印加手段により所定電圧が印加されて過渡応答動作中の液晶レンズを通過した光による、上記エリア設定手段によって設定されたエリアの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焦点信号抽出手段と、その焦点信号抽出手段により抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号の最大値を判定する合焦点判定手段とを備えている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２２】
例えば、図２６の（ａ），（ｂ）に示すように、外周部電極２２に高い駆動電圧Ｖ２、中心部電極２０に低い駆動電圧Ｖ３を印加する場合を考える。そして駆動電圧Ｖ２，Ｖ３がパルス高さ変調（ＰＨＭ）されているとする。このとき中心部電極２０に、最初の５０ミリ秒の間だけ外周部電極２２に印加した駆動電圧と同じパルス高さに変調された駆動電圧Ｖ２を印加し、その後は同図の（ｂ）に示すように、４００ミリ秒かけて徐々にパルス高さを落としていくという変調を行って、印加する駆動電圧をＶ３にする。そうすると、その初期の段階で中心部電極２０側と外周部電極２２側の過渡応答がほぼ同じとなり、ほぼ５００ミリ秒で定常状態に到達させることができる。そして、このような動作をさせることで、過渡応答中のレンズ収差を大幅に低減せることができるようになる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２３】
上述のような変調を行った場合、中心部電極２０と外周部電極２２との間の輪帯電極２１における液晶の過渡応答は、各輪帯輪帯電極２１が接続部２３によって電気的に接続されているので、変調された駆動電圧の影響を受けることとなる。ただし、各輪帯電極２１に印加される駆動電圧は、中心部電極２０と外周部電極２２との駆動電圧が抵抗分圧された電圧となる。従って、中心部電極２０により近い側の輪帯電極２１が、上述した変調手段の影響をより強く受けることになり、図２６の（ｃ）に示すように、過渡応答時間は中心部電極２０に近い側から外周部電極２２に近い側に渡ってほぼ同じくらいになる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２４】
なお、上記変調手段では、中心部電極２０に対して印加する駆動電圧の変調手段で、所定の時間だけ振幅を大きくし、その後は徐々に減衰させて所定の振幅にする変調を行う手段を示したが、初期の段階で外周部電極２２に印加する駆動電圧Ｖ２と同じ電圧とし、段階的にこの駆動電圧を下げて駆動電圧Ｖ３としても構わないし、必ずしも初期の段階で印加する駆動電圧をＶ２とせずに、それよりも高い駆動電圧に設定してから目的の駆動電圧Ｖ３に戻すようにしても構わない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３０】
ここで、第１の電圧Ｖ１を１［Ｖ］とし、第２の電圧Ｖ２を５［Ｖ］とすると、時刻Ｔ０で外周部電極２２の電圧Ｖｏｕｔｅｒの立ち上がりとなり、第２の電圧Ｖ２に比べて第１の電圧Ｖ１の方が低いので、第１の電圧Ｖ１に対して図２７の（ｂ）に示したプロファイルに従って電圧変調を行う。このときの液晶レンズ７の過渡応答動作期間ｔｆは、上述したように、例えば５００ミリ秒程度とすることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５２】
図３１は、電圧変調手段の一例と過渡応答動作期間の屈折率の変化を示す説明図である。例えば、図３１の（ａ），（ｂ）に示すように、外周部電極２２に高い駆動電圧Ｖ２、中心部電極２０に低い駆動電圧Ｖ３を印加する場合を考える。そして駆動電圧Ｖ２、Ｖ３がパルス幅変調（ＰＷＭ）されているとする。このとき中心部電極２０に最初の５０ミリ秒の間だけ駆動電圧Ｖ２を印加し、その後は同図（ｂ）に示すように、４００ミリ秒かけて徐々にパルス幅を短くしていくという変調を行って印加する駆動電圧ををＶ３にする。そうすると、その初期の段階で中心部電極２０側と外周部電極２２側の過渡応答と同様となり、ほぼ５００ミリ秒で定常状態に到達させることができる。そして、このような動作をさせることで、過渡応答中のレンズ収差を大幅に低減させることができるようになる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５３】
上述のような変調を行った場合、中心部電極２０と外周部電極２２との間の輪帯電極２１における液晶の過渡応答は、各輪帯電極２１が輪帯接続部２３によって電気的に接続されているので、変調された駆動電圧の影響を受ける。ただし、各輪帯電極２１に印加される駆動電圧は、中心部電極２０と外周部電極２２との駆動電圧が抵抗分圧された電圧となる。従って、中心部電極２０に近い側の輪帯電極２１が、上述した変調手段の影響をより強く受けることになり、図３１の（ｃ）に示すように、中心部電極２０に近い側から外周部電極２２に近い側に渡って過渡応答時間はほぼ同じくらいになる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５４】
なお、この例では中心部電極２０に対して印加する駆動電圧の変調手段で、所定の時間だけパルス幅を長くし、その後は徐々に滑らかにパルス幅を短くし所定のパルス幅にするという変調を説明したが、初期の段階で外周部電極２２に印加する駆動電圧Ｖ２と同じ電圧とし、複数のステップでパルス幅を短くし駆動電圧Ｖ３となるようにしても構わないし、初期の段階で中心部電極２０に印加する駆動電圧を外周部電極２２に印加する駆動電圧と同じにせずに、それよりも高い駆動電圧に設定してもよい。また、レンズとして作用する時の収差が小さくなる変調手段が望ましい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６３】
次に、図３３と図３４および図３６によって、エリア設定手段を有する自動合焦点装置の第２の実施形態を説明する。
図３３と図３４は、図１におけるＡＦコントローラ５のマイクロプロセッサ５１によって実行される、この実施形態による自動合焦点動作のフロー図であり、一連の動作であるが、図示の都合上２つの図になっている。
この図３３に示す処理を開始すると、まずＳ２０１で図１に示した撮像素子３に相当するＣＭＯＳセンサを初期化して、フレーム数やピクセル数を設定する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８６】
【図３２】この発明によるエリア設定手段を有する自動合焦点装置の第１の実施形態による自動合焦点動作のフロー図である。
【図３３】この発明によるエリア設定手段を有する自動合焦点装置の第２の実施形態による自動合焦点動作の前半部を示すフロー図である。
【図３４】同じくその後半部を示すフロー図である。
【図３５】図３２のＳ１０２で設定するエリアの例を示す説明図である。
【図３６】図３３のＳ２０２で設定する選択可能なエリアの例を示す説明図である。
【図３７】この発明によるエリア設定手段を有する自動合焦点装置の第３の実施形態によって設定するエリアの例を示す説明図である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２６】
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