液晶レンズ光学体及び光学的情報読取装置
【課題】高速応答が可能な液晶レンズ光学体を提供する。
【解決手段】液晶レンズ光学体３０は、液晶層３２Ａが電極３３Ａ、３４Ａによって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる第１の液晶レンズ３１Ａと、液晶層３２Ｂが電極３３Ｂ、３４Ｂによって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる第２の液晶レンズ３１Ｂが、光軸上に設けられる。各液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異なる。
【解決手段】液晶レンズ光学体３０は、液晶層３２Ａが電極３３Ａ、３４Ａによって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる第１の液晶レンズ３１Ａと、液晶層３２Ｂが電極３３Ｂ、３４Ｂによって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる第２の液晶レンズ３１Ｂが、光軸上に設けられる。各液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点機能を有した液晶レンズ光学体、及び、この液晶レンズ光学体を備え、主にバーコード、２次元コード等のコード記号、風景や物品の画像を読み取ることを目的とした光学的情報読取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
商品管理、在庫管理等を目的として１次元のコード情報であるバーコード、また、より情報密度の高いコードとして２次元コードが知られている。２次元コードを読み取る装置として、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子でコード情報を撮影し、その画像に様々な処理を施した上で２値化し、デコードする方法が知られている。
【０００３】
このようなコード情報を読み取る装置に使用されるＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ等に搭載されているものと機能的に何ら変わらないことから、普通に物体や風景などを撮影する写真機としての機能を併せ持つことが求められる。例えば、在庫管理等の場合、対象物品と共にその物品が格納されている位置を撮像し、コード情報と共にデータベースに記憶する場合に使用されるものである。
【０００４】
また、携帯電話機には、上述したＣＭＯＳイメージセンサを使用した小型カメラが搭載さている。携帯電話機のカメラ機能には、通常のデジタルカメラのように、風景や人物を撮像する他に、バーコード／２次元コードスキャナ及びＯＣＲ（光学式文字読取装置）を内蔵しているものが大半である。即ち、コード記号撮像デコード機能を備えたデジタルカメラが広く求められている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
さらに、上述した商品管理、在庫管理等の現場では、物品に貼付されたコード記号を次々に走査していく必要がある。その際に、オートフォーカス機能があるものが望ましく、オートフォーカスと撮像処理は高速である必要がある。
【０００６】
一般的には、レンズが光軸に沿って移動するように配置され、コード記号にフォーカスが合う距離を算出し、その距離に適した位置までレンズを移動させる方法がよく用いられる（例えば、特許文献２参照）。また、定位置の他に近距離と遠距離との二段階程度のレンズ位置をメモリに記憶し、撮像に失敗した際、近距離方向あるいは遠距離方向にレンズを移動させるという簡易オートフォーカスもよく用いられる（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、さらに効果的な方法として液体レンズを使用する方法が実現されている（例えば特許文献４）。液体レンズは、導電性の高い水溶液と絶縁体の油性流体とを、光を透過する容器に封じ込めて構成される。水溶液と油性流体は混和せず、境界面を持つ。容器の両端には電極を備え、電極に印加することによってエレクトロウエッティング現象を利用して、水溶液と油性流体との境界面の形状を平面から凸状、あるいは凹状に変化させることができる。
【０００８】
この動作により、レンズの屈曲率が変化し、フォーカス調整することが可能となる。レンズを機械的に駆動するのではなく、レンズ内でフォーカス調整をすることから可変焦点レンズとも呼ばれている。
【０００９】
可変焦点レンズは、機械駆動する領域を必要としないので、コードスキャナや携帯電話など、撮像機能領域が小さい装置に大変適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１９７３９３号公報
【特許文献２】特開２００２−５６３４８号公報
【特許文献３】特開２００５−１８２１１７号公報
【特許文献４】特許４４７３３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
機械駆動フォーカス機構より、可変焦点レンズは、コードスキャナや携帯電話のカメラ部分に適している。しかしながら、より精度の高い撮像を行うには、液体レンズや固体レンズを複数用いねばならず、小型コードスキャナや携帯電話では、さらに小さいレンズ機構が求められている。また、大量のデータ処理を行うコードスキャナにおいては、液体レンズの応答速度は必ずしも満足いくものではなかった。
【００１２】
本発明は、高速応答を保つことができる液晶レンズ光学体、及び、コードスキャナやカメラにおいて、精度の高い撮像を可能として、大量データ処理に対応できる高速応答を保ち、さらに小さい領域にでも設置できる小型オートフォーカス機構を備えた光学的情報読取装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するため、本発明は、液晶層が電極によって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた液晶レンズ光学体である。
【００１４】
また、本発明は、焦点位置を調整する可変焦点レンズと、可変焦点レンズで結像される対象物を撮像する撮像手段と、撮像対象物との距離を測定する測距手段と、測距手段を用いて対象物までの距離を算出し、算出された距離情報に基づき可変焦点レンズを制御して、対象物を撮像手段に結像させ、対象物の撮像を行う制御手段とを備え、可変焦点レンズは、液晶層が電極によって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた光学的情報読取装置である。
【００１５】
本発明では、各液晶レンズで入力信号に対する光学パワーの遷移が速い側の応答で、焦点を合わせるオートフォーカス動作が行われる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、可変焦点レンズとして液晶レンズを用いることで、レンズ機構全体が小型化できる。また、液晶レンズを用いることで、撮像の向きによらずフォーカス精度が高く、精度の高い撮像ができる。そして、複数の液晶レンズの組み合わせで応答速度の早い遷移を選択しているので、フォーカス調整が高速で可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態の光学的情報読取装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図２】ＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す機能ブロック図である。
【図３】液晶レンズ光学体の一例を示す構成図である。
【図４】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図５】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図６】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図７】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図８】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図９】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１０】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１１】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１２】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１３】光学パワーが負領域で遷移する液晶レンズを備えた液晶レンズ光学体の一例を示す構成図である。
【図１４】光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフである。
【図１５】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図１６】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図１７】光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフである。
【図１８】動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートである。
【図１９】非動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートである。
【図２０】光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフである。
【図２１】光学的情報読取装置で実行される読み取り処理の一例を示すフローチャートである。
【図２２】読取対象物までの距離の算出に必要なパラメータの説明図である。
【図２３】イメージエリアに写る反射光の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の液晶レンズ光学体及び光学的情報読取装置の実施の形態について説明する。
【００１９】
＜本実施の形態の光学的情報読取装置の構成例＞
図１は、本実施の形態の光学的情報読取装置の一例を示す機能ブロック図である。本実施の形態の光学的情報読取装置１Ａは、読取対象物であるコード記号１００を撮像する光学部１０と、光学部１０で行われる撮像、フォーカス調整、デコード、データ転送等の制御を行うデコーダ２００を備える。光学的情報読取装置１Ａはコードスキャナと称され、例えば図示しない筐体に光学部１０とデコーダ２００等の構成要素が実装され、使用者が手に持ってコード記号１００の撮像が可能な構成である。
【００２０】
光学部１０は、読取対象物であるコード記号１００の検知と、読取対象物までの距離の測距のために、読取対象物へのレーザ光の照射とその反射光の検出を行うと共に、コード記号１００を含む読取対象物の撮像を行うモジュールである。光学部１０は、マスタレンズ２と、可変焦点レンズ３と、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ１２と、マーカＬＥＤ（発光ダイオード）１３と、レーザ光発生器１４を備える。
【００２１】
マスタレンズ２と可変焦点レンズ３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２上にコード記号１００を含む読取対象物からの反射光を結像させるためのレンズ群である。この反射光には、レーザ光発生器１４が照射したレーザ光やマーカＬＥＤ１３が照射した照明光の反射光が含まれる。
【００２２】
マスタレンズ２は、本例では、ガラス製若しくはプラスチック製のレンズが使用される。また、可変焦点レンズ３は、印加電圧によって焦点距離を調整可能な液晶レンズが使用される。液晶レンズの詳細については後述する。
【００２３】
ＣＭＯＳイメージセンサ１２は撮像手段の一例で、可変焦点レンズ３及びマスタレンズ２を通して入射する光を撮像素子により検出し、その各撮像素子による検出信号をデジタル画像データとしてデコーダ２００へ出力することにより、読取対象物の画像を撮像する。
【００２４】
マーカＬＥＤ１３は照明手段の一例で、デコーダ２００からの制御により読取対象物に照明光１３ａを照射して照明する。照明光１３ａの照射は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２の撮像フレームに同期したパルス光の照射によって行われ、照射時間を調整することによって、１フレームの撮像期間内に読取対象物からの反射光によりＣＭＯＳイメージセンサ１２の各フォトダイオードに蓄積される電荷量を調整することができる。すなわち、照明時間を長くすれば、ＣＭＯＳイメージセンサ１２が撮像により得る画像は明るい画像となるし、短くすれば、暗い画像となる。
【００２５】
レーザ光発生器１４はレーザ出力手段の一例で、読取対象物であるコード記号１００の検知及び読取対象物までの距離の測距に用いるレーザ光１４ａを出力する。レーザ光発生器１４は、読取対象物が光学的情報読取装置１Ａによるコード記号１００の読み取りが可能と考えられる位置にある場合に、その読取対象物からの反射光をＣＭＯＳイメージセンサ１２に入射させられるような位置及び角度で配置される。
【００２６】
レーザ光として可視光を用いると、レーザ光によるスポットを視認できるため、レーザ光を、測距だけでなく、コード記号１００と光学的情報読取装置１Ａの読取範囲との位置合わせにも用いることができる。また、不可視光を用いると、レーザ光によるスポットが視認されないため、パルス点灯させておいても周囲の人を不快にさせることがない。従って、光学的情報読取装置１Ａを、レーザ光を常時パルス点灯させておき、レーザ光を点灯させるための動作や操作なしに速やかに読み取りを開始できるような構成とすることができる。
【００２７】
なお、可視光と不可視光の双方のレーザ光を出力可能な２波長レーザ光発生器を用い、２種のレーザ光を状況に応じて自動的に又は手動で切り換えて出力できるようにすることも考えられる。
【００２８】
次に、デコーダ２００について説明すると、デコーダ２００は、ＣＰＵ２１０と、ＣＰＵ２１０が実行するプログラムとテーブルを記憶したＲＯＭ２２０と、ＣＰＵ２１０が各種の処理を実行する際の作業領域として使用するＲＡＭ２３０を備えている。
【００２９】
ＣＰＵ２１としては、例えば、エーシック（Application Specific Integrated Circuit:ASIC）を用いることができる。また、ＲＯＭ２２０としては、フラッシュロム（FROM）を用いることができ、ＲＡＭ２３０としては、ＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）を用いることができる。
【００３０】
ＣＰＵ２１０は、ＲＡＭ２３０を作業領域としてＲＯＭ２２０に記憶されたプログラムを実行することにより、光学的情報読取装置１Ａ全体の動作を制御すると共に、ＣＭＯＳイメージセンサ１２が撮像したデジタル画像データに基づく、読取対象物の検知、読取対象物までの距離の測距、求めた距離に基づく合焦点制御、コード記号１００のデコード、デコード結果の外部への出力あるいは蓄積等に必要な処理を行う。
【００３１】
＜ＣＭＯＳイメージセンサの構成例＞
図２は、ＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す機能ブロック図であり、次に、図２を参照しながらＣＭＯＳイメージセンサ１２について詳細に説明する。ＣＭＯＳイメージセンサ１２に設けられたイメージエリア１２０は、画素部１２１の各画素が、フォトダイオードと、ＦＤ（flouting diffusion：フロー浮遊拡散）領域と、フォトダイオードからＦＤ領域に電荷を転送するための転送トランジスタと、ＦＤ領域を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタとを有し、複数の画素がマトリックス状に形成される。
【００３２】
イメージエリア１２０は、画素がマトリックス状に形成された画素マトリックスの側部に、垂直信号の制御をする垂直シフトレジスタ１２２が配置され、画素マトリックスの下部に、水平信号の制御をする水平シフトレジスタ１２３が配置されている。
【００３３】
垂直シフトレジスタ１２２と水平シフトレジスタ１２３は、画素駆動に必要な電圧を発生させるアナログ回路である。垂直シフトレジスタ１２２と水平シフトレジスタ１２３からの信号は、アナログプロセッサ１２４、Ａ／Ｄコンバータ１２５、デジタルプロセッサ１２６を順次経由して外部へ出力される。
【００３４】
またアナログプロセッサ１２４は、電圧増幅、ゲイン調整等の機能を含み、所定のアナログ信号処理を行う。Ａ／Ｄコンバータ１２５は、アナログプロセッサ１２４のアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。デジタルプロセッサ１２６は、ノイズキャンセル、データ圧縮等の機能を含み、Ａ／Ｄコンバータ１２５からのデジタル画像信号に対してデジタル処理を施し、処理後のデジタル画像信号を外部へ出力する。
【００３５】
コントロールレジスタ１２７は、外部の信号を入出力させ、タイミングコントローラ１２８によってアナログプロセッサ１２４及びデジタルプロセッサ１２６のクロックタイミングを合わせて、画素部１２１の各画素からの信号を所定の順番で画像データを出力させる。
【００３６】
更に、ＣＭＯＳイメージセンサ１２においては、各画素における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止を全画素において略同時に制御するグローバルシャッタが採用される。そのために、各画素における蓄積電荷に相当する値を共通の基準値と個別に比較する複数の比較器、それらの出力信号の論理和信号を出力するための端子等を備えている。画素部１２１の複数の比較器の出力の少なくとも１つが、基準値より蓄積電荷が大きくなったことを示したときに、グローバルシャッタを制御して各画素における電荷の蓄積停止を実行する。
【００３７】
＜本実施の形態の液晶レンズ光学体の構成例＞
図３は、可変焦点レンズの実施の形態としての液晶レンズ光学体の一例を示す構成図で、次に、本実施の形態の液晶レンズ光学体について詳細に説明する。
【００３８】
本実施の形態の液晶レンズ光学体３０は、複数層の液晶レンズ、本例では、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂの２層の液晶レンズで構成され、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂが、光軸上に配置される。第１の液晶レンズ３１Ａは、液晶層３２Ａが電極３３Ａと電極３４Ａとによって挟み込まれるように構成される。第２の液晶レンズ３１Ｂは、液晶層３２Ｂが電極３３Ｂと電極３４Ｂとによって挟み込まれるように構成される。各電極３３Ａ，３３Ｂ、３４Ａ，３４Ｂは、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明物質で構成される。
【００３９】
第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３５が挿入されて積層される。また、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３６とガラス３７との間に挟み込まれる。
【００４０】
第１の液晶レンズ３１Ａは、電極３３Ａと電極３４Ａに電圧が印加され、第２の液晶レンズ３１Ｂは、電極３３Ｂと電極３４Ｂに電圧が印加されることで、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂでは、別々に電圧が制御される。
【００４１】
液晶レンズでは、液晶における電気光学効果を利用することで、液晶分子の配向状態が、電極に印加される電圧の変化に従って変わり、レンズの屈折率（光学パワー）を連続的に可変させることができる。このように、液晶レンズ光学体３０は、電圧の調整によって焦点距離を変えるオートフォーカス機能を有する。本例では、２層の液晶レンズが用いられるので、各レンズの光学パワーを独立して制御することが可能で、一方を正の光学パワー、他方を負の光学パワーとする制御も可能である。
【００４２】
＜液晶レンズの高速応答性＞
次に、液晶レンズの応答性を向上させる構成について説明する。液晶レンズ光学体３０は、入力信号、本例では電圧の入力に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異なる複数の液晶レンズを組み合わせて構成される。
【００４３】
一般的に、液晶レンズは、光学パワーが大きい状態へ遷移する際の応答速度と光学パワーが小さい状態へ遷移する際の応答速度が異なり、電圧の入力に対して目標とする遷移量に到達するまでの時間が、光学パワーが大きくなる方向と小さくなる方向で異なる。
【００４４】
そこで、本例では、液晶レンズ光学体３０は、電圧の入力に対して光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が逆の関係を持つ第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせて構成される。
【００４５】
図４は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフであり、図４（ａ）は、第１の液晶レンズ３１Ａの応答特性を示し、図４（ｂ）は、第２の液晶レンズ３１Ｂの応答特性を示す。以下の例では、入力電圧を上げると、光学パワーが大きい状態へ遷移し、入力電圧を下げると、光学パワーが小さい状態へ遷移するものとする。また、遷移直線４０Ａ、４０Ｂで示すように、入力電圧の増減に比例して、光学パワーが増減するものとする。
【００４６】
第１の液晶レンズ３１Ａは、図４（ａ）に示すように、電圧ＶAの入力と、電圧ＶAの入力で液晶の配向が制御されることによる光学パワーＰAの遷移の関係が、光学パワーＰAの大きい状態から光学パワーＰAの小さい状態への遷移ＮA1が速く、光学パワーＰAが小さい状態から光学パワーＰAが大きい状態への遷移ＮA2が遅い応答特性を持つ。
【００４７】
第２の液晶レンズ３１Ｂは、図４（ｂ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａと反対の応答特性、すなわち、電圧ＶBの入力に対し、光学パワーＰBの小さい状態から光学パワーＰBの大きい状態への遷移ＮB2が速く、光学パワーＰBが大きい状態から光学パワーＰBが小さい状態への遷移ＮB1が遅い応答特性を持つ。
【００４８】
液晶レンズ光学体３０では、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFAが、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFBより短い。
【００４９】
一方、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNBが、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNAより短い。
【００５０】
読取対象物までの距離に基づき、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態に遷移させる、または、光学パワーＰTを小さい状態に遷移させることで、焦点を合わせるオートフォーカス動作を行う際には、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂにおいて、電圧の入力に対して光学パワーの遷移が速い側の応答でオートフォーカス動作を行う。
【００５１】
本例では、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態から小さい状態へ遷移させる場合は、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させて、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを大きい状態から小さい状態へ遷移させる。また、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態から大きい状態へ遷移させる場合は、第２の液晶レンズ３１Ｂを作動させて、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを小さい状態から大きい状態へ遷移させる。
【００５２】
＜液晶レンズのオートフォーカス動作＞
図５及び図６は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフで、一点鎖線で示される遷移直線４０Ａ上におけるマーク４１Ａの位置で、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーを示し、二点鎖線で示される遷移直線４０Ｂ上におけるマーク４１Ｂの位置で、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーを示す。
【００５３】
ここで、図５（ａ）及び図６（ａ）は、液晶レンズ光学体３０の基本状態を示す。図５（ｂ）は、液晶レンズ光学体３０の基本状態から、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させる過程を示し、図５（ｃ）は、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させて、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示す。
【００５４】
また、図６（ｂ）は、液晶レンズ光学体３０の基本状態から、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させる過程を示し、図６（ｃ）は、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させて、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最大とした状態を示す。
【００５５】
図７及び図８は、光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図であり、光学パワーが正の状態を凸レンズの形状で示し、光学パワーが負の状態を凹レンズの形状で示す。また、光学パワーの大小を、凸状あるいは凹状の大きさで示す。
【００５６】
ここで、図７（ａ）は図５（ａ）に対応し、図８（ａ）は図６（ａ）に対応して、液晶レンズ光学体３０の基本状態を示す。図７（ｂ）は図５（ｂ）に対応し、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させる過程を示し、図７（ｃ）は図５（ｃ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示す。
【００５７】
また、図８（ｂ）は図６（ｂ）に対応し、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させる過程を示し、図８（ｃ）は図６（ｃ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最大とした状態を示す。
【００５８】
本例では、図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを最大とし、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを最小にした状態を、液晶レンズ光学体３０の基本状態とする。例えば、液晶レンズ光学体３０で、Ｌ1（ｍｍ）〜∞まで焦点が変えられるとすると、液晶レンズ光学体３０の基本状態では、距離Ｌ1と無限遠との間の所定の距離Ｌ2（ｍｍ）に焦点が合う。
【００５９】
基本状態にある液晶レンズ光学体３０に対して、読取対象物までの距離がＬ2より遠い場合は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態へ遷移させる必要がある。上述したように、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFAが、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFBより短い。
【００６０】
そこで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態へ遷移させる場合は、図５（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを大きい状態から小さい状態へ遷移させる。これにより、第２の液晶レンズ３１Ｂを作動させる場合と比較して短い応答時間ＴFAで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態へ遷移させて、オートフォーカス動作が行われる。
【００６１】
そして、図５（ｃ）及び図７（ｃ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させて、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを最小にすることで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTが最小となり、無限遠に焦点が合わせられる。
【００６２】
一方、基本状態にある液晶レンズ光学体３０に対して、読取対象物までの距離がＬ2より近い場合は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる必要がある。上述したように、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNBが、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNAより短い。
【００６３】
そこで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる場合は、図６（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを小さい状態から大きい状態へ遷移させる。これにより、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させる場合と比較して短い応答時間ＴNBで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させて、オートフォーカス動作が行われる。
【００６４】
そして、図６（ｃ）及び図８（ｃ）に示すように、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させて、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを最大にすることで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTが最大となり、合焦点可能とした最も近い距離Ｌ1に焦点が合わせられる。
【００６５】
＜液晶レンズの復帰動作＞
図９は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフで、図９（ａ）は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示し、図９（ｂ）は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態からのオートフォーカス動作を示し、図９（ｃ）は、オートフォーカス後の復帰動作を示す。
【００６６】
また、図１０は、光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図であり、図１０（ａ）は図９（ａ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示し、図１０（ｂ）は図９（ｂ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態からのオートフォーカス動作を示し、図１０（ｃ）は図９（ｃ）に対応し、オートフォーカス後の復帰動作を示す。
【００６７】
本例では、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰA及び第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを最小にすることで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTが最小となった状態からのオートフォーカス動作及びオートフォーカス動作後の復帰動作を考える。
【００６８】
光学パワーＰTが最小状態にある液晶レンズ光学体３０に対して、任意の距離にある読取対象物に焦点を合わせる場合は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる必要がある。上述したように、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNBが、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴNAより短い。
【００６９】
そこで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる場合は、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示すように、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを小さい状態から大きい状態へ遷移させる。これにより、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させる場合と比較して短い応答時間ＴNBで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させて、オートフォーカス動作が行われる。
【００７０】
オートフォーカス動作及び撮影を行っていない非動作には、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂにおいて光学パワーの遷移が遅い側の応答で、液晶レンズ光学体３０の全体の光学パワーＰTを変えないように復帰動作を行う。
【００７１】
本例では、図９（ｃ）及び図１０（ｃ）に示すように、復帰動作で第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態から大きい状態へ遷移させると共に、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態から小さい状態へ遷移させて、液晶レンズ光学体３０の全体の光学パワーＰTを変えないようにピントを固定した状態で光学パワーを変換する。
【００７２】
これにより、第２の液晶レンズ３１Ｂは、光学パワーＰBが最小の状態に復帰し、第１の液晶レンズ３１Ａは、オートフォーカス時の読取対象部までの距離に応じて、光学パワーＰAが大きい状態へ遷移し、液晶レンズ光学体３０が基本状態に近づけられる。従って、更に基本状態へ復帰する場合には、基本状態へ向かう復帰遷移を行った分だけ、応答時間が短縮される。
【００７３】
＜液晶レンズ光学体の基本状態の選択＞
図１１は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフで、図１１（ａ）は、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を使用した状態を示し、図１１（ｂ）は、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を使用した状態を示す。
【００７４】
また、図１２は、光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図であり、図１２（ａ）は図１１（ａ）に対応し、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を使用した状態を示し、図１２（ｂ）は図１１（ｂ）に対応し、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を使用した状態を示す。
【００７５】
液晶レンズ光学体３０は、電圧の入力に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間が逆転した特性を持つ液晶レンズを組み合わせて構成されていれば良く、レンズのパワーレンジは任意で良い。
【００７６】
すなわち、一方の液晶レンズとして、図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示すように、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を使用した液晶レンズ光学体でも、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示すように、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を使用した液晶レンズ光学体でも良い。また、光学パワーが正領域と負領域に跨って遷移するものでも良い。
【００７７】
液晶レンズとして、光学パワーが正の領域または負の領域、あるいは正負の領域で遷移するものの何れを使用するかは、液晶レンズ光学体３０の基本状態の選択によって決められる。
【００７８】
例えば、光学パワーＰAが正領域で遷移する第１の液晶レンズ３１Ａと、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を組み合わせた液晶レンズ光学体では、基本状態を図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示す状態とすれば、液晶レンズ光学体の基本状態は凸レンズとなる。光学パワーが正領域で遷移する液晶レンズは、例えば、液晶レンズにおいて液晶分子の配向方向を制御する配向膜制御で実現できる。
【００７９】
また、光学パワーＰAが正領域で遷移する第１の液晶レンズ３１Ａと、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を組み合わせた液晶レンズ光学体では、基本状態を図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示す状態とすれば、液晶レンズ光学体の基本状態は平板と同等となる。
【００８０】
図１３は、光学パワーが負領域で遷移する液晶レンズを備えた液晶レンズ光学体の一例を示す構成図である。液晶レンズ光学体３０Ａは、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂの２層の液晶レンズで構成され、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂが、光軸上に配置される。
【００８１】
第１の液晶レンズ３１Ａは、液晶層３２Ａと誘電体層３８Ａが電極３３Ａと電極３４Ａとによって挟み込まれるように構成される。第２の液晶レンズ３１Ｂは、液晶層３２Ｂと誘電体層３８Ｂが電極３３Ｂと電極３４Ｂとによって挟み込まれるように構成される。各電極３３Ａ，３３Ｂ、３４Ａ，３４Ｂは、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明物質で構成される。
【００８２】
第１の液晶レンズ３１Ａの誘電体層３８Ａは、誘電率が異なる第１の誘電体３９ａと第２の誘電体３９ｂで、第１の誘電体３９ａが凹レンズ状に構成され、第２の誘電体３９ｂが凸レンズ状に構成される。第１の誘電体３９ａは、例えば水とグリセリンの混合材料で、誘電率はε1である。また、第２の誘電体３９ｂは、例えばガラスで、誘電率はε2である。また、第２の液晶レンズ３１Ｂの誘電体層３８Ｂは、第１の誘電体３９ａが凸レンズ状に構成され、第２の誘電体３９ｂが凹レンズ状に構成される。
【００８３】
第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３５が挿入されて積層される。また、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３６とガラス３７との間に挟み込まれる。
【００８４】
第１の液晶レンズ３１Ａは、電極３３Ａと電極３４Ａに電圧が印加され、第２の液晶レンズ３１Ｂは、電極３３Ｂと電極３４Ｂに電圧が印加されることで、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂでは、別々に電圧が制御される。
【００８５】
第１の液晶レンズ３１Ａは、誘電体層３８Ａにおける第１の誘電体３９ａと第２の誘電体３９ｂの界面の形状から、電界の分布が凸状となり、光学パワーが正領域で遷移する凸レンズが構成される。一方、第２の液晶レンズ３１Ｂは、誘電体層３８Ｂにおける第１の誘電体３９ａと第２の誘電体３９ｂの界面の形状から、電界の分布が凹状となり、光学パワーが負領域で遷移する凹レンズが構成される。
【００８６】
＜液晶レンズ光学体の最適化動作＞
以上の説明では、オートフォーカス動作を行う際には、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂにおいて、電圧の入力に対して光学パワーの遷移が速い側の応答でオートフォーカス動作を行うことで、応答の高速化を図ることとした。これに対し、一方の液晶レンズのみを作動させるのではなく、読取対象物までの距離に応じた光学パワーの遷移量を、複数の液晶レンズにおける光学パワーの遷移量の合計で実現することで、オートフォーカス動作の最適化を測る。
【００８７】
図１４は、光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフであり、一点鎖線で示される遷移曲線４２Ａは、第１の液晶レンズ３１Ａにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示し、二点鎖線で示される遷移曲線４２Ｂは、第２の液晶レンズ３１Ｂにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示す。
【００８８】
また、遷移曲線４２Ａ上におけるマーク４３Ａの位置で、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させて光学パワーを遷移させた場合に、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間を示し、遷移曲線４２Ｂ上におけるマーク４３Ｂの位置で、第２の液晶レンズ３１Ｂを作動させて光学パワーを遷移させた場合に、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間を示す。
【００８９】
目標遷移量をΔＰtとしたとき、第１の液晶レンズ３１Ａだけの光学パワーを遷移させた場合に、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間をｔAとする。また、第２の液晶レンズ３１Ｂだけの光学パワーを遷移させた場合に、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間をｔBとする。更に、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ１Ｂを組み合わせて光学パワーを遷移させた場合に、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間をｔabとする。
【００９０】
第１の液晶レンズ３１Ａは、上述したように、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間が、光学パワーが小さくなる方向で速く、光学パワーが大きくなる方向で遅い特性を持つ。また、第２の液晶レンズ３１Ｂは、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間が、光学パワーが大きくなる方向で速く、光学パワーが小さくなる方向で遅い特性を持つ。
【００９１】
例えば、液晶レンズ光学体の光学パワーを大きい状態へ遷移させる場合、光学パワーが大きくなる方向での遷移が速い第２の液晶レンズ３１Ｂだけで光学パワーを遷移させて、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間ｔBより、第１の液晶レンズ３１Ａでの光学パワーの遷移量と、第２の液晶レンズ３１Ｂでの光学パワーの遷移量の合計で、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間ｔabの方が短い場合がある。
【００９２】
＜光学パワーの遷移量と応答時間の数値例＞
図１５及び図１６は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフであり、図１５（ａ）は、第１の液晶レンズ３１Ａの応答特性を示し、図１５（ｂ）は、第２の液晶レンズ３１Ｂの応答特性を示す。また、図１６は、比較例として、第１の液晶レンズ３１Ａのみの応答特性を示す。
【００９３】
以下の表１に、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせた場合における目標遷移量と応答時間を示し、表２に、比較例として、第１の液晶レンズ３１Ａのみにおける目標遷移量と応答時間を示す。
【００９４】
【表１】
【００９５】
【表２】
【００９６】
ここで、１つの液晶レンズと２つの液晶レンズの組み合わせを比較すると、それぞれ光学パワーの遷移量と応答時間は比例する。また、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせる場合、目標遷移量は各液晶レンズの光学パワーの遷移量の合計となるので、単体での第１の液晶レンズ３１Ａと、第２の液晶レンズ３１Ｂと組み合わせられる第１の液晶レンズ３１Ａでは、応答特性は同じで、光学パワーの最大値は半分となる。更に、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、応答時間と遷移量の関係が逆である。
【００９７】
＜光学パワーの遷移量の算出例＞
図１７は、光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフ、図１８は、動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートで、次に、オートフォーカス動作時における光学パワーの遷移量の算出方法について説明する。
【００９８】
以下の説明で、ΔＰTは目標遷移量、ΔＰAminは、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量、ΔＰBmaxは、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量である。また、ΔＰAは、算出対象である第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量、ΔＰBは、算出対象である第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量である。更に、ａは、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量と応答時間を結ぶ比例定数、ｂは、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量と応答時間を結ぶ比例定数である。
【００９９】
図１７において、第１の液晶レンズ３１Ａにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示す遷移直線４４Ａは、以下の（１）式で表され、第１の液晶レンズ３１Ａにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示す遷移直線４４Ｂは、以下の（２）式で表される。
【０１００】
【数１】
【０１０１】
図１８において、ステップＳＡ１で目標遷移量ΔＰTが０より大きいか判断し、目標遷移量ΔＰTが０より大きいと判断すると、ステップＳＡ２で、目標遷移量ΔＰTが、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量ΔＰBmaxより小さいか判断する。
【０１０２】
目標遷移量ΔＰTが、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量ΔＰBmaxより小さいと判断すると、ステップＳＡ３で、以下の（３）式及び（４）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０３】
目標遷移量ΔＰTが、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量ΔＰBmax以上である判断すると、ステップＳＡ４で、以下の（５）式及び（６）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０４】
【数２】
【０１０５】
ステップＳＡ１で、目標遷移量ΔＰTが０より小さいと判断すると、ステップＳＡ５で、目標遷移量ΔＰTが、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量ΔＰAminより大きいか判断する。
【０１０６】
目標遷移量ΔＰTが、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量ΔＰAminより大きいと判断すると、ステップＳＡ６で、以下の（７）式及び（８）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０７】
目標遷移量ΔＰTが、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量ΔＰAmin以下である判断すると、ステップＳＡ７で、以下の（９）式及び（１０）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０８】
【数３】
【０１０９】
図１９は、非動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートで、次に、ピントを固定した非動作時における光学パワーの遷移量の算出方法について説明する。
【０１１０】
以下の説明で、ΔＰAmaxは、第１の液晶レンズ３１Ａの最大遷移可能量、ΔＰBminは、第２の液晶レンズ３１Ｂの最小遷移可能量である。また、ΔＰRは、両液晶レンズが基本状態へ復帰できる遷移量ｍｉｎ（ｓ，ｔ）のｓとｔのうちの小さい方である。
【０１１１】
図１９において、ステップＳＢ１で第１の液晶レンズ３１Ａの最大遷移可能量ΔＰAmaxが０ではなく、かつ、第２の液晶レンズ３１Ｂの最小遷移可能量ΔＰBminが０ではないか判断する。ＳＢ１の条件を満たすと、ＳＢ２で、以下の（１１）式により、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂが基本状態へ復帰できる遷移量ΔＰRを求め、遷移量ΔＰRから、（１２）式〜（１３）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。なお、ＳＢ１の条件を満たさない場合は、復帰動作を行わない。
【０１１２】
【数４】
【０１１３】
＜比較結果＞
上述した図１５及び図１６と、表１及び表２で示した応答特性を持つ液晶レンズを用いた場合に、目標遷移量となるための各液晶レンズの遷移量を図１８及び図１９のフローチャートで算出し、目標遷移量となるための応答時間を以下の表３に示す。
【０１１４】
また、図２０は、光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフで、実線で示す遷移直線４５は、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせた場合における目標遷移量と応答時間の関係示し、破線で示す遷移直線４６は、比較例として、第１の液晶レンズ３１Ａのみにおける目標遷移量と応答時間の関係を示す。
【０１１５】
【表３】
【０１１６】
表３において、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせた場合における応答時間と、第１の液晶レンズ３１Ａのみにおける応答時間を比較すると、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂによる光学パワーの遷移を組み合わせた方が、全体的に応答時間が短く、オートフォーカス時のボトルネックとなる最大応答時間は小さい。
【０１１７】
なお、液晶レンズの最大遷移量を用いるようなオートフォーカス動作では、１つの液晶レンズのみを作動させる方が応答時間が短くなる場合もあるが、実際の運用では、液晶レンズにおける光学パワーの最大遷移量を用いるようなフォーカスより少ない遷移を多用するので、読取対象物までの距離に応じた光学パワーの遷移量を、複数の液晶レンズにおける光学パワーの遷移量の合計で実現してオートフォーカス動作の最適化を図ることは、効果が大きいことが判る。
【０１１８】
なお、以上の説明では、液晶レンズ光学体は、２個の液晶レンズが備えられる構成としたが、２個以上の液晶レンズが備えられる構成でも良く、２個以上の液晶レンズを備える構成とすれば、より高速応答が可能になる。
【０１１９】
＜撮像デコードのアルゴリズム＞
図２１は、光学的情報読取装置で実行される読み取り処理の一例を示すフローチャートで、次に、光学的情報読取装置１Ａにおけるコード記号１００の読み取り処理について説明する。
【０１２０】
まずステップＳＣ１でＣＭＯＳイメージセンサ１２に定期的な撮像を開始させる。この際のシャッタ速度は、周囲の環境光はほとんど検出せず、環境光と比べて光量の大きい、レーザ光発生器１４が出力したレーザ光の反射光を選択的に検出できるようなシャッタ速度とする。
【０１２１】
次のステップＳＣ２では、ＣＰＵ２１０は、レーザ光発生器１４に適当な制御信号を供給し、ＣＭＯＳイメージセンサ１２のシャッタを開く（フォトダイオードによる電荷蓄積を開始させる）タイミングと同期して、レーザ光発生器１４にレーザ光１４ａを発光させる。
【０１２２】
そして、ステップＳＣ３で、ＣＭＯＳイメージセンサ１２が出力する画像データを解析して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２のイメージエリア１２０にレーザ光の反射光が入射したか否か、すなわち画像データ中に反射光のスポットが現れているか否かを判断する。
【０１２３】
ここで反射光が入射していなければ、読取対象物が光学的情報読取装置１Ａによる読み取り可能な位置にないと考えられるため、以下の読取条件調整及び読み取り用の撮像の処理には進まず、ステップＳＣ２に戻って処理を繰り返す。所定期間繰り返しても読取対象物の検出がない場合には、一旦ＣＭＯＳイメージセンサ１２のフレーム速度を遅く（フレーム期間を長く）してもよい。
【０１２４】
また、ステップＳＣ３で反射光が入射していた場合、光学的情報読取装置１Ａによりコード記号１００の読み取りが可能と考えられる位置に何らかの物体（読取対象物と想定できる）が存在していることがわかる。すなわち、読取対象物の存在を検知できる。
【０１２５】
＜測距＞
次に、読取対象物（物体）までの距離の算出方法について説明する。図２２は、読取対象物までの距離の算出に必要なパラメータの説明図、図２３は、イメージエリアに写る反射光の例を示す説明図である。
【０１２６】
読取対象物までの距離ｘについては、図２２中の次のパラメータと以下の（１４）式とに基づいて算出することができる。
【０１２７】
ｘ：撮像光学系レンズの主点Ｐから読取対象物までの距離
ａ：ＣＭＯＳイメージセンサ１２のイメージエリアに平行な向きに測った場合の撮像光学系レンズの主点Ｐからレーザ光１４ａ（の中心）までの距離
θ：撮像光学系レンズの主点Ｐからレーザ光１４ａの方向に広がる、視野角θ0の１／２の角度
Ｎ：撮像光学系レンズの主点Ｐからレーザ光１４ａに向かう方向に数えた場合のＣＭＯＳイメージセンサ１２におけるピクセル数の１／２
ｎ：ＣＭＯＳイメージセンサ１２における中心位置（撮像光学系レンズの主点Ｐと対応する位置）から反射光１４ｂのスポットの中心位置までのピクセル数
φ：レーザ光１４ａと撮像光学系レンズの光軸ｑとがなす角
【０１２８】
【数５】
【０１２９】
なお、図２２で読取対象物の上側に示したレーザ光１５ａは、角φについて説明するためのものである。
【０１３０】
イメージエリア１２０にレーザ光の反射光が入射している場合、図２３（ａ）に示すように、読取対象物が近くにある場合にはスポットＳが撮像した画像中の横軸方向の端部に現れ、遠くにある場合には図２３（ｃ）に示すように中央付近に現れる。そこで、ステップＳＣ４に進み、ＣＭＯＳイメージセンサ１２から検知した読取対象物までの距離を、画像中の反射光のスポットの位置に基づいて算出する。
【０１３１】
次のステップＳＣ５では、ＣＰＵ２１０は、ステップＳＣ４で算出した距離をもとに、ＲＯＭ２２０に予め記憶させたフォーカステーブルを検索してフォーカス制御パラメータの値を取得し、そのフォーカス制御パラメータの値に基づいて液晶レンズ光学体３０を制御することにより、上述したオートフォーカス動作で、ステップＳＣ４で算出した距離付近にピントが合うようにフォーカスの調整を行う。
【０１３２】
次のステップＳＣ６では、ＣＰＵ２１０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２のシャッタを開くタイミングと同期してステップＳＣ６で設定した点灯時間だけマーカＬＥＤ１３を点灯させて照明を行うことにより、ステップＳＣ３で検知した読取対象物の画像を撮像し、その結果得られた画像データから、読取対象物に付されていると想定されるコード記号１００のデコードを試みる。
【０１３３】
そして、ステップＳＣ７でこのデコードが成功したか否か判断し、成功していれば、ステップＳＣ９でデコードにより得られたデータを所定の外部装置や内部のデータ処理手段等に出力し、ステップＳＣ１０でフォーカスを基本状態に戻して、読取完了としてステップＳＣ１へ戻る。
【０１３４】
また、デコード失敗の場合には、ステップＳＣ１０で予め設定した読取有効時間（フレーム数で規定してもよい）を超えたか否か判断し、超えてなければステップＳＣ６に戻って再度撮像とデコードを試みる。
【０１３５】
ステップＳＣ７でのデコードが失敗する原因としては、そもそも検出した読取対象物にコード記号が付されていない場合の他、コード記号１００がＣＭＯＳイメージセンサ１２の撮像範囲に収まっていない、ステップＳＣ５及びＳＣ６の調整が適正に行われていない、など種々の原因が考えられる。そして、調整の応答に必要な時間が経過したり、読取対象物が移動されたりするとこれらが改善する場合もあるので、リトライするようにしたものである。
【０１３６】
そして、ステップＳＣ１０で読取有効時間を超えた場合には、これ以上続けても正常にデコードできる見込みがないと判断し、読み取りを一旦中止し、ステップＳＣ１０でフォーカスを基本状態に戻してステップＳＣ１へ戻る。このように、読み取り成功の場合も中止の場合も、ステップＳＣ１に戻って直ちに次の読取対象物検出の処理を開始する。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明は、バーコードリーダや二次元コードリーダ等に利用することができ、小型の装置でオートフォーカスを実現できる。
【符号の説明】
【０１３８】
１Ａ・・・光学的情報読取装置、２・・・マスタレンズ、３・・・可変焦点レンズ、１２・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、１３・・・マーカＬＥＤ、１４・・・レーザ光発光器、３０・・・液晶レンズ光学体、３１Ａ・・・第１の液晶レンズ、３１Ｂ・・・第２の液晶レンズ、２００・・・デコーダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変焦点機能を有した液晶レンズ光学体、及び、この液晶レンズ光学体を備え、主にバーコード、２次元コード等のコード記号、風景や物品の画像を読み取ることを目的とした光学的情報読取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
商品管理、在庫管理等を目的として１次元のコード情報であるバーコード、また、より情報密度の高いコードとして２次元コードが知られている。２次元コードを読み取る装置として、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子でコード情報を撮影し、その画像に様々な処理を施した上で２値化し、デコードする方法が知られている。
【０００３】
このようなコード情報を読み取る装置に使用されるＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ等に搭載されているものと機能的に何ら変わらないことから、普通に物体や風景などを撮影する写真機としての機能を併せ持つことが求められる。例えば、在庫管理等の場合、対象物品と共にその物品が格納されている位置を撮像し、コード情報と共にデータベースに記憶する場合に使用されるものである。
【０００４】
また、携帯電話機には、上述したＣＭＯＳイメージセンサを使用した小型カメラが搭載さている。携帯電話機のカメラ機能には、通常のデジタルカメラのように、風景や人物を撮像する他に、バーコード／２次元コードスキャナ及びＯＣＲ（光学式文字読取装置）を内蔵しているものが大半である。即ち、コード記号撮像デコード機能を備えたデジタルカメラが広く求められている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
さらに、上述した商品管理、在庫管理等の現場では、物品に貼付されたコード記号を次々に走査していく必要がある。その際に、オートフォーカス機能があるものが望ましく、オートフォーカスと撮像処理は高速である必要がある。
【０００６】
一般的には、レンズが光軸に沿って移動するように配置され、コード記号にフォーカスが合う距離を算出し、その距離に適した位置までレンズを移動させる方法がよく用いられる（例えば、特許文献２参照）。また、定位置の他に近距離と遠距離との二段階程度のレンズ位置をメモリに記憶し、撮像に失敗した際、近距離方向あるいは遠距離方向にレンズを移動させるという簡易オートフォーカスもよく用いられる（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、さらに効果的な方法として液体レンズを使用する方法が実現されている（例えば特許文献４）。液体レンズは、導電性の高い水溶液と絶縁体の油性流体とを、光を透過する容器に封じ込めて構成される。水溶液と油性流体は混和せず、境界面を持つ。容器の両端には電極を備え、電極に印加することによってエレクトロウエッティング現象を利用して、水溶液と油性流体との境界面の形状を平面から凸状、あるいは凹状に変化させることができる。
【０００８】
この動作により、レンズの屈曲率が変化し、フォーカス調整することが可能となる。レンズを機械的に駆動するのではなく、レンズ内でフォーカス調整をすることから可変焦点レンズとも呼ばれている。
【０００９】
可変焦点レンズは、機械駆動する領域を必要としないので、コードスキャナや携帯電話など、撮像機能領域が小さい装置に大変適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１９７３９３号公報
【特許文献２】特開２００２−５６３４８号公報
【特許文献３】特開２００５−１８２１１７号公報
【特許文献４】特許４４７３３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
機械駆動フォーカス機構より、可変焦点レンズは、コードスキャナや携帯電話のカメラ部分に適している。しかしながら、より精度の高い撮像を行うには、液体レンズや固体レンズを複数用いねばならず、小型コードスキャナや携帯電話では、さらに小さいレンズ機構が求められている。また、大量のデータ処理を行うコードスキャナにおいては、液体レンズの応答速度は必ずしも満足いくものではなかった。
【００１２】
本発明は、高速応答を保つことができる液晶レンズ光学体、及び、コードスキャナやカメラにおいて、精度の高い撮像を可能として、大量データ処理に対応できる高速応答を保ち、さらに小さい領域にでも設置できる小型オートフォーカス機構を備えた光学的情報読取装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するため、本発明は、液晶層が電極によって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた液晶レンズ光学体である。
【００１４】
また、本発明は、焦点位置を調整する可変焦点レンズと、可変焦点レンズで結像される対象物を撮像する撮像手段と、撮像対象物との距離を測定する測距手段と、測距手段を用いて対象物までの距離を算出し、算出された距離情報に基づき可変焦点レンズを制御して、対象物を撮像手段に結像させ、対象物の撮像を行う制御手段とを備え、可変焦点レンズは、液晶層が電極によって挟まれ、電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた光学的情報読取装置である。
【００１５】
本発明では、各液晶レンズで入力信号に対する光学パワーの遷移が速い側の応答で、焦点を合わせるオートフォーカス動作が行われる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、可変焦点レンズとして液晶レンズを用いることで、レンズ機構全体が小型化できる。また、液晶レンズを用いることで、撮像の向きによらずフォーカス精度が高く、精度の高い撮像ができる。そして、複数の液晶レンズの組み合わせで応答速度の早い遷移を選択しているので、フォーカス調整が高速で可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態の光学的情報読取装置の一例を示す機能ブロック図である。
【図２】ＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す機能ブロック図である。
【図３】液晶レンズ光学体の一例を示す構成図である。
【図４】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図５】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図６】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図７】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図８】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図９】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１０】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１１】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１２】光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図である。
【図１３】光学パワーが負領域で遷移する液晶レンズを備えた液晶レンズ光学体の一例を示す構成図である。
【図１４】光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフである。
【図１５】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図１６】入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフである。
【図１７】光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフである。
【図１８】動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートである。
【図１９】非動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートである。
【図２０】光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフである。
【図２１】光学的情報読取装置で実行される読み取り処理の一例を示すフローチャートである。
【図２２】読取対象物までの距離の算出に必要なパラメータの説明図である。
【図２３】イメージエリアに写る反射光の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の液晶レンズ光学体及び光学的情報読取装置の実施の形態について説明する。
【００１９】
＜本実施の形態の光学的情報読取装置の構成例＞
図１は、本実施の形態の光学的情報読取装置の一例を示す機能ブロック図である。本実施の形態の光学的情報読取装置１Ａは、読取対象物であるコード記号１００を撮像する光学部１０と、光学部１０で行われる撮像、フォーカス調整、デコード、データ転送等の制御を行うデコーダ２００を備える。光学的情報読取装置１Ａはコードスキャナと称され、例えば図示しない筐体に光学部１０とデコーダ２００等の構成要素が実装され、使用者が手に持ってコード記号１００の撮像が可能な構成である。
【００２０】
光学部１０は、読取対象物であるコード記号１００の検知と、読取対象物までの距離の測距のために、読取対象物へのレーザ光の照射とその反射光の検出を行うと共に、コード記号１００を含む読取対象物の撮像を行うモジュールである。光学部１０は、マスタレンズ２と、可変焦点レンズ３と、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ１２と、マーカＬＥＤ（発光ダイオード）１３と、レーザ光発生器１４を備える。
【００２１】
マスタレンズ２と可変焦点レンズ３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２上にコード記号１００を含む読取対象物からの反射光を結像させるためのレンズ群である。この反射光には、レーザ光発生器１４が照射したレーザ光やマーカＬＥＤ１３が照射した照明光の反射光が含まれる。
【００２２】
マスタレンズ２は、本例では、ガラス製若しくはプラスチック製のレンズが使用される。また、可変焦点レンズ３は、印加電圧によって焦点距離を調整可能な液晶レンズが使用される。液晶レンズの詳細については後述する。
【００２３】
ＣＭＯＳイメージセンサ１２は撮像手段の一例で、可変焦点レンズ３及びマスタレンズ２を通して入射する光を撮像素子により検出し、その各撮像素子による検出信号をデジタル画像データとしてデコーダ２００へ出力することにより、読取対象物の画像を撮像する。
【００２４】
マーカＬＥＤ１３は照明手段の一例で、デコーダ２００からの制御により読取対象物に照明光１３ａを照射して照明する。照明光１３ａの照射は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２の撮像フレームに同期したパルス光の照射によって行われ、照射時間を調整することによって、１フレームの撮像期間内に読取対象物からの反射光によりＣＭＯＳイメージセンサ１２の各フォトダイオードに蓄積される電荷量を調整することができる。すなわち、照明時間を長くすれば、ＣＭＯＳイメージセンサ１２が撮像により得る画像は明るい画像となるし、短くすれば、暗い画像となる。
【００２５】
レーザ光発生器１４はレーザ出力手段の一例で、読取対象物であるコード記号１００の検知及び読取対象物までの距離の測距に用いるレーザ光１４ａを出力する。レーザ光発生器１４は、読取対象物が光学的情報読取装置１Ａによるコード記号１００の読み取りが可能と考えられる位置にある場合に、その読取対象物からの反射光をＣＭＯＳイメージセンサ１２に入射させられるような位置及び角度で配置される。
【００２６】
レーザ光として可視光を用いると、レーザ光によるスポットを視認できるため、レーザ光を、測距だけでなく、コード記号１００と光学的情報読取装置１Ａの読取範囲との位置合わせにも用いることができる。また、不可視光を用いると、レーザ光によるスポットが視認されないため、パルス点灯させておいても周囲の人を不快にさせることがない。従って、光学的情報読取装置１Ａを、レーザ光を常時パルス点灯させておき、レーザ光を点灯させるための動作や操作なしに速やかに読み取りを開始できるような構成とすることができる。
【００２７】
なお、可視光と不可視光の双方のレーザ光を出力可能な２波長レーザ光発生器を用い、２種のレーザ光を状況に応じて自動的に又は手動で切り換えて出力できるようにすることも考えられる。
【００２８】
次に、デコーダ２００について説明すると、デコーダ２００は、ＣＰＵ２１０と、ＣＰＵ２１０が実行するプログラムとテーブルを記憶したＲＯＭ２２０と、ＣＰＵ２１０が各種の処理を実行する際の作業領域として使用するＲＡＭ２３０を備えている。
【００２９】
ＣＰＵ２１としては、例えば、エーシック（Application Specific Integrated Circuit:ASIC）を用いることができる。また、ＲＯＭ２２０としては、フラッシュロム（FROM）を用いることができ、ＲＡＭ２３０としては、ＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）を用いることができる。
【００３０】
ＣＰＵ２１０は、ＲＡＭ２３０を作業領域としてＲＯＭ２２０に記憶されたプログラムを実行することにより、光学的情報読取装置１Ａ全体の動作を制御すると共に、ＣＭＯＳイメージセンサ１２が撮像したデジタル画像データに基づく、読取対象物の検知、読取対象物までの距離の測距、求めた距離に基づく合焦点制御、コード記号１００のデコード、デコード結果の外部への出力あるいは蓄積等に必要な処理を行う。
【００３１】
＜ＣＭＯＳイメージセンサの構成例＞
図２は、ＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す機能ブロック図であり、次に、図２を参照しながらＣＭＯＳイメージセンサ１２について詳細に説明する。ＣＭＯＳイメージセンサ１２に設けられたイメージエリア１２０は、画素部１２１の各画素が、フォトダイオードと、ＦＤ（flouting diffusion：フロー浮遊拡散）領域と、フォトダイオードからＦＤ領域に電荷を転送するための転送トランジスタと、ＦＤ領域を所定の電位にリセットするためのリセットトランジスタとを有し、複数の画素がマトリックス状に形成される。
【００３２】
イメージエリア１２０は、画素がマトリックス状に形成された画素マトリックスの側部に、垂直信号の制御をする垂直シフトレジスタ１２２が配置され、画素マトリックスの下部に、水平信号の制御をする水平シフトレジスタ１２３が配置されている。
【００３３】
垂直シフトレジスタ１２２と水平シフトレジスタ１２３は、画素駆動に必要な電圧を発生させるアナログ回路である。垂直シフトレジスタ１２２と水平シフトレジスタ１２３からの信号は、アナログプロセッサ１２４、Ａ／Ｄコンバータ１２５、デジタルプロセッサ１２６を順次経由して外部へ出力される。
【００３４】
またアナログプロセッサ１２４は、電圧増幅、ゲイン調整等の機能を含み、所定のアナログ信号処理を行う。Ａ／Ｄコンバータ１２５は、アナログプロセッサ１２４のアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。デジタルプロセッサ１２６は、ノイズキャンセル、データ圧縮等の機能を含み、Ａ／Ｄコンバータ１２５からのデジタル画像信号に対してデジタル処理を施し、処理後のデジタル画像信号を外部へ出力する。
【００３５】
コントロールレジスタ１２７は、外部の信号を入出力させ、タイミングコントローラ１２８によってアナログプロセッサ１２４及びデジタルプロセッサ１２６のクロックタイミングを合わせて、画素部１２１の各画素からの信号を所定の順番で画像データを出力させる。
【００３６】
更に、ＣＭＯＳイメージセンサ１２においては、各画素における受光量に応じた電荷の蓄積開始及び蓄積停止を全画素において略同時に制御するグローバルシャッタが採用される。そのために、各画素における蓄積電荷に相当する値を共通の基準値と個別に比較する複数の比較器、それらの出力信号の論理和信号を出力するための端子等を備えている。画素部１２１の複数の比較器の出力の少なくとも１つが、基準値より蓄積電荷が大きくなったことを示したときに、グローバルシャッタを制御して各画素における電荷の蓄積停止を実行する。
【００３７】
＜本実施の形態の液晶レンズ光学体の構成例＞
図３は、可変焦点レンズの実施の形態としての液晶レンズ光学体の一例を示す構成図で、次に、本実施の形態の液晶レンズ光学体について詳細に説明する。
【００３８】
本実施の形態の液晶レンズ光学体３０は、複数層の液晶レンズ、本例では、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂの２層の液晶レンズで構成され、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂが、光軸上に配置される。第１の液晶レンズ３１Ａは、液晶層３２Ａが電極３３Ａと電極３４Ａとによって挟み込まれるように構成される。第２の液晶レンズ３１Ｂは、液晶層３２Ｂが電極３３Ｂと電極３４Ｂとによって挟み込まれるように構成される。各電極３３Ａ，３３Ｂ、３４Ａ，３４Ｂは、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明物質で構成される。
【００３９】
第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３５が挿入されて積層される。また、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３６とガラス３７との間に挟み込まれる。
【００４０】
第１の液晶レンズ３１Ａは、電極３３Ａと電極３４Ａに電圧が印加され、第２の液晶レンズ３１Ｂは、電極３３Ｂと電極３４Ｂに電圧が印加されることで、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂでは、別々に電圧が制御される。
【００４１】
液晶レンズでは、液晶における電気光学効果を利用することで、液晶分子の配向状態が、電極に印加される電圧の変化に従って変わり、レンズの屈折率（光学パワー）を連続的に可変させることができる。このように、液晶レンズ光学体３０は、電圧の調整によって焦点距離を変えるオートフォーカス機能を有する。本例では、２層の液晶レンズが用いられるので、各レンズの光学パワーを独立して制御することが可能で、一方を正の光学パワー、他方を負の光学パワーとする制御も可能である。
【００４２】
＜液晶レンズの高速応答性＞
次に、液晶レンズの応答性を向上させる構成について説明する。液晶レンズ光学体３０は、入力信号、本例では電圧の入力に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異なる複数の液晶レンズを組み合わせて構成される。
【００４３】
一般的に、液晶レンズは、光学パワーが大きい状態へ遷移する際の応答速度と光学パワーが小さい状態へ遷移する際の応答速度が異なり、電圧の入力に対して目標とする遷移量に到達するまでの時間が、光学パワーが大きくなる方向と小さくなる方向で異なる。
【００４４】
そこで、本例では、液晶レンズ光学体３０は、電圧の入力に対して光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が逆の関係を持つ第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせて構成される。
【００４５】
図４は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフであり、図４（ａ）は、第１の液晶レンズ３１Ａの応答特性を示し、図４（ｂ）は、第２の液晶レンズ３１Ｂの応答特性を示す。以下の例では、入力電圧を上げると、光学パワーが大きい状態へ遷移し、入力電圧を下げると、光学パワーが小さい状態へ遷移するものとする。また、遷移直線４０Ａ、４０Ｂで示すように、入力電圧の増減に比例して、光学パワーが増減するものとする。
【００４６】
第１の液晶レンズ３１Ａは、図４（ａ）に示すように、電圧ＶAの入力と、電圧ＶAの入力で液晶の配向が制御されることによる光学パワーＰAの遷移の関係が、光学パワーＰAの大きい状態から光学パワーＰAの小さい状態への遷移ＮA1が速く、光学パワーＰAが小さい状態から光学パワーＰAが大きい状態への遷移ＮA2が遅い応答特性を持つ。
【００４７】
第２の液晶レンズ３１Ｂは、図４（ｂ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａと反対の応答特性、すなわち、電圧ＶBの入力に対し、光学パワーＰBの小さい状態から光学パワーＰBの大きい状態への遷移ＮB2が速く、光学パワーＰBが大きい状態から光学パワーＰBが小さい状態への遷移ＮB1が遅い応答特性を持つ。
【００４８】
液晶レンズ光学体３０では、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFAが、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFBより短い。
【００４９】
一方、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNBが、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNAより短い。
【００５０】
読取対象物までの距離に基づき、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態に遷移させる、または、光学パワーＰTを小さい状態に遷移させることで、焦点を合わせるオートフォーカス動作を行う際には、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂにおいて、電圧の入力に対して光学パワーの遷移が速い側の応答でオートフォーカス動作を行う。
【００５１】
本例では、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態から小さい状態へ遷移させる場合は、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させて、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを大きい状態から小さい状態へ遷移させる。また、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態から大きい状態へ遷移させる場合は、第２の液晶レンズ３１Ｂを作動させて、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを小さい状態から大きい状態へ遷移させる。
【００５２】
＜液晶レンズのオートフォーカス動作＞
図５及び図６は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフで、一点鎖線で示される遷移直線４０Ａ上におけるマーク４１Ａの位置で、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーを示し、二点鎖線で示される遷移直線４０Ｂ上におけるマーク４１Ｂの位置で、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーを示す。
【００５３】
ここで、図５（ａ）及び図６（ａ）は、液晶レンズ光学体３０の基本状態を示す。図５（ｂ）は、液晶レンズ光学体３０の基本状態から、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させる過程を示し、図５（ｃ）は、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させて、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示す。
【００５４】
また、図６（ｂ）は、液晶レンズ光学体３０の基本状態から、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させる過程を示し、図６（ｃ）は、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させて、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最大とした状態を示す。
【００５５】
図７及び図８は、光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図であり、光学パワーが正の状態を凸レンズの形状で示し、光学パワーが負の状態を凹レンズの形状で示す。また、光学パワーの大小を、凸状あるいは凹状の大きさで示す。
【００５６】
ここで、図７（ａ）は図５（ａ）に対応し、図８（ａ）は図６（ａ）に対応して、液晶レンズ光学体３０の基本状態を示す。図７（ｂ）は図５（ｂ）に対応し、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させる過程を示し、図７（ｃ）は図５（ｃ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示す。
【００５７】
また、図８（ｂ）は図６（ｂ）に対応し、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させる過程を示し、図８（ｃ）は図６（ｃ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最大とした状態を示す。
【００５８】
本例では、図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを最大とし、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを最小にした状態を、液晶レンズ光学体３０の基本状態とする。例えば、液晶レンズ光学体３０で、Ｌ1（ｍｍ）〜∞まで焦点が変えられるとすると、液晶レンズ光学体３０の基本状態では、距離Ｌ1と無限遠との間の所定の距離Ｌ2（ｍｍ）に焦点が合う。
【００５９】
基本状態にある液晶レンズ光学体３０に対して、読取対象物までの距離がＬ2より遠い場合は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態へ遷移させる必要がある。上述したように、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFAが、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴFBより短い。
【００６０】
そこで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態へ遷移させる場合は、図５（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを大きい状態から小さい状態へ遷移させる。これにより、第２の液晶レンズ３１Ｂを作動させる場合と比較して短い応答時間ＴFAで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを小さい状態へ遷移させて、オートフォーカス動作が行われる。
【００６１】
そして、図５（ｃ）及び図７（ｃ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態へ遷移させて、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを最小にすることで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTが最小となり、無限遠に焦点が合わせられる。
【００６２】
一方、基本状態にある液晶レンズ光学体３０に対して、読取対象物までの距離がＬ2より近い場合は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる必要がある。上述したように、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNBが、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNAより短い。
【００６３】
そこで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる場合は、図６（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを小さい状態から大きい状態へ遷移させる。これにより、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させる場合と比較して短い応答時間ＴNBで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させて、オートフォーカス動作が行われる。
【００６４】
そして、図６（ｃ）及び図８（ｃ）に示すように、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態へ遷移させて、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを最大にすることで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTが最大となり、合焦点可能とした最も近い距離Ｌ1に焦点が合わせられる。
【００６５】
＜液晶レンズの復帰動作＞
図９は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフで、図９（ａ）は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示し、図９（ｂ）は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態からのオートフォーカス動作を示し、図９（ｃ）は、オートフォーカス後の復帰動作を示す。
【００６６】
また、図１０は、光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図であり、図１０（ａ）は図９（ａ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態を示し、図１０（ｂ）は図９（ｂ）に対応し、液晶レンズ光学体３０の光学パワーを最小とした状態からのオートフォーカス動作を示し、図１０（ｃ）は図９（ｃ）に対応し、オートフォーカス後の復帰動作を示す。
【００６７】
本例では、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示すように、第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰA及び第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを最小にすることで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTが最小となった状態からのオートフォーカス動作及びオートフォーカス動作後の復帰動作を考える。
【００６８】
光学パワーＰTが最小状態にある液晶レンズ光学体３０に対して、任意の距離にある読取対象物に焦点を合わせる場合は、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる必要がある。上述したように、第２の液晶レンズ３１Ｂで光学パワーＰBが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間ＴNBが、第１の液晶レンズ３１Ａで光学パワーＰAが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間ＴNAより短い。
【００６９】
そこで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させる場合は、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）に示すように、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを小さい状態から大きい状態へ遷移させる。これにより、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させる場合と比較して短い応答時間ＴNBで、液晶レンズ光学体３０の光学パワーＰTを大きい状態へ遷移させて、オートフォーカス動作が行われる。
【００７０】
オートフォーカス動作及び撮影を行っていない非動作には、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂにおいて光学パワーの遷移が遅い側の応答で、液晶レンズ光学体３０の全体の光学パワーＰTを変えないように復帰動作を行う。
【００７１】
本例では、図９（ｃ）及び図１０（ｃ）に示すように、復帰動作で第１の液晶レンズ３１Ａの光学パワーＰAを小さい状態から大きい状態へ遷移させると共に、第２の液晶レンズ３１Ｂの光学パワーＰBを大きい状態から小さい状態へ遷移させて、液晶レンズ光学体３０の全体の光学パワーＰTを変えないようにピントを固定した状態で光学パワーを変換する。
【００７２】
これにより、第２の液晶レンズ３１Ｂは、光学パワーＰBが最小の状態に復帰し、第１の液晶レンズ３１Ａは、オートフォーカス時の読取対象部までの距離に応じて、光学パワーＰAが大きい状態へ遷移し、液晶レンズ光学体３０が基本状態に近づけられる。従って、更に基本状態へ復帰する場合には、基本状態へ向かう復帰遷移を行った分だけ、応答時間が短縮される。
【００７３】
＜液晶レンズ光学体の基本状態の選択＞
図１１は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフで、図１１（ａ）は、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を使用した状態を示し、図１１（ｂ）は、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を使用した状態を示す。
【００７４】
また、図１２は、光学パワーをレンズの模式的な形状で示す動作説明図であり、図１２（ａ）は図１１（ａ）に対応し、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を使用した状態を示し、図１２（ｂ）は図１１（ｂ）に対応し、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を使用した状態を示す。
【００７５】
液晶レンズ光学体３０は、電圧の入力に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答時間と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答時間が逆転した特性を持つ液晶レンズを組み合わせて構成されていれば良く、レンズのパワーレンジは任意で良い。
【００７６】
すなわち、一方の液晶レンズとして、図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示すように、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を使用した液晶レンズ光学体でも、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示すように、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を使用した液晶レンズ光学体でも良い。また、光学パワーが正領域と負領域に跨って遷移するものでも良い。
【００７７】
液晶レンズとして、光学パワーが正の領域または負の領域、あるいは正負の領域で遷移するものの何れを使用するかは、液晶レンズ光学体３０の基本状態の選択によって決められる。
【００７８】
例えば、光学パワーＰAが正領域で遷移する第１の液晶レンズ３１Ａと、光学パワーＰBが正領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ1を組み合わせた液晶レンズ光学体では、基本状態を図１１（ａ）及び図１２（ａ）に示す状態とすれば、液晶レンズ光学体の基本状態は凸レンズとなる。光学パワーが正領域で遷移する液晶レンズは、例えば、液晶レンズにおいて液晶分子の配向方向を制御する配向膜制御で実現できる。
【００７９】
また、光学パワーＰAが正領域で遷移する第１の液晶レンズ３１Ａと、光学パワーＰBが負領域で遷移する第２の液晶レンズ３１Ｂ2を組み合わせた液晶レンズ光学体では、基本状態を図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示す状態とすれば、液晶レンズ光学体の基本状態は平板と同等となる。
【００８０】
図１３は、光学パワーが負領域で遷移する液晶レンズを備えた液晶レンズ光学体の一例を示す構成図である。液晶レンズ光学体３０Ａは、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂの２層の液晶レンズで構成され、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂが、光軸上に配置される。
【００８１】
第１の液晶レンズ３１Ａは、液晶層３２Ａと誘電体層３８Ａが電極３３Ａと電極３４Ａとによって挟み込まれるように構成される。第２の液晶レンズ３１Ｂは、液晶層３２Ｂと誘電体層３８Ｂが電極３３Ｂと電極３４Ｂとによって挟み込まれるように構成される。各電極３３Ａ，３３Ｂ、３４Ａ，３４Ｂは、インジウム・スズ系の酸化物（ＩＴＯ）からなる透明物質で構成される。
【００８２】
第１の液晶レンズ３１Ａの誘電体層３８Ａは、誘電率が異なる第１の誘電体３９ａと第２の誘電体３９ｂで、第１の誘電体３９ａが凹レンズ状に構成され、第２の誘電体３９ｂが凸レンズ状に構成される。第１の誘電体３９ａは、例えば水とグリセリンの混合材料で、誘電率はε1である。また、第２の誘電体３９ｂは、例えばガラスで、誘電率はε2である。また、第２の液晶レンズ３１Ｂの誘電体層３８Ｂは、第１の誘電体３９ａが凸レンズ状に構成され、第２の誘電体３９ｂが凹レンズ状に構成される。
【００８３】
第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３５が挿入されて積層される。また、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、ガラス３６とガラス３７との間に挟み込まれる。
【００８４】
第１の液晶レンズ３１Ａは、電極３３Ａと電極３４Ａに電圧が印加され、第２の液晶レンズ３１Ｂは、電極３３Ｂと電極３４Ｂに電圧が印加されることで、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂでは、別々に電圧が制御される。
【００８５】
第１の液晶レンズ３１Ａは、誘電体層３８Ａにおける第１の誘電体３９ａと第２の誘電体３９ｂの界面の形状から、電界の分布が凸状となり、光学パワーが正領域で遷移する凸レンズが構成される。一方、第２の液晶レンズ３１Ｂは、誘電体層３８Ｂにおける第１の誘電体３９ａと第２の誘電体３９ｂの界面の形状から、電界の分布が凹状となり、光学パワーが負領域で遷移する凹レンズが構成される。
【００８６】
＜液晶レンズ光学体の最適化動作＞
以上の説明では、オートフォーカス動作を行う際には、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂにおいて、電圧の入力に対して光学パワーの遷移が速い側の応答でオートフォーカス動作を行うことで、応答の高速化を図ることとした。これに対し、一方の液晶レンズのみを作動させるのではなく、読取対象物までの距離に応じた光学パワーの遷移量を、複数の液晶レンズにおける光学パワーの遷移量の合計で実現することで、オートフォーカス動作の最適化を測る。
【００８７】
図１４は、光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフであり、一点鎖線で示される遷移曲線４２Ａは、第１の液晶レンズ３１Ａにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示し、二点鎖線で示される遷移曲線４２Ｂは、第２の液晶レンズ３１Ｂにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示す。
【００８８】
また、遷移曲線４２Ａ上におけるマーク４３Ａの位置で、第１の液晶レンズ３１Ａを作動させて光学パワーを遷移させた場合に、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間を示し、遷移曲線４２Ｂ上におけるマーク４３Ｂの位置で、第２の液晶レンズ３１Ｂを作動させて光学パワーを遷移させた場合に、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間を示す。
【００８９】
目標遷移量をΔＰtとしたとき、第１の液晶レンズ３１Ａだけの光学パワーを遷移させた場合に、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間をｔAとする。また、第２の液晶レンズ３１Ｂだけの光学パワーを遷移させた場合に、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間をｔBとする。更に、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ１Ｂを組み合わせて光学パワーを遷移させた場合に、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間をｔabとする。
【００９０】
第１の液晶レンズ３１Ａは、上述したように、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間が、光学パワーが小さくなる方向で速く、光学パワーが大きくなる方向で遅い特性を持つ。また、第２の液晶レンズ３１Ｂは、目標とする遷移量に到達するまでの応答時間が、光学パワーが大きくなる方向で速く、光学パワーが小さくなる方向で遅い特性を持つ。
【００９１】
例えば、液晶レンズ光学体の光学パワーを大きい状態へ遷移させる場合、光学パワーが大きくなる方向での遷移が速い第２の液晶レンズ３１Ｂだけで光学パワーを遷移させて、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間ｔBより、第１の液晶レンズ３１Ａでの光学パワーの遷移量と、第２の液晶レンズ３１Ｂでの光学パワーの遷移量の合計で、目標遷移量ΔＰtに到達するまでの応答時間ｔabの方が短い場合がある。
【００９２】
＜光学パワーの遷移量と応答時間の数値例＞
図１５及び図１６は、入力電圧と光学パワーの遷移の関係を示すグラフであり、図１５（ａ）は、第１の液晶レンズ３１Ａの応答特性を示し、図１５（ｂ）は、第２の液晶レンズ３１Ｂの応答特性を示す。また、図１６は、比較例として、第１の液晶レンズ３１Ａのみの応答特性を示す。
【００９３】
以下の表１に、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせた場合における目標遷移量と応答時間を示し、表２に、比較例として、第１の液晶レンズ３１Ａのみにおける目標遷移量と応答時間を示す。
【００９４】
【表１】
【００９５】
【表２】
【００９６】
ここで、１つの液晶レンズと２つの液晶レンズの組み合わせを比較すると、それぞれ光学パワーの遷移量と応答時間は比例する。また、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせる場合、目標遷移量は各液晶レンズの光学パワーの遷移量の合計となるので、単体での第１の液晶レンズ３１Ａと、第２の液晶レンズ３１Ｂと組み合わせられる第１の液晶レンズ３１Ａでは、応答特性は同じで、光学パワーの最大値は半分となる。更に、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂは、応答時間と遷移量の関係が逆である。
【００９７】
＜光学パワーの遷移量の算出例＞
図１７は、光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフ、図１８は、動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートで、次に、オートフォーカス動作時における光学パワーの遷移量の算出方法について説明する。
【００９８】
以下の説明で、ΔＰTは目標遷移量、ΔＰAminは、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量、ΔＰBmaxは、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量である。また、ΔＰAは、算出対象である第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量、ΔＰBは、算出対象である第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量である。更に、ａは、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量と応答時間を結ぶ比例定数、ｂは、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量と応答時間を結ぶ比例定数である。
【００９９】
図１７において、第１の液晶レンズ３１Ａにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示す遷移直線４４Ａは、以下の（１）式で表され、第１の液晶レンズ３１Ａにおける光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示す遷移直線４４Ｂは、以下の（２）式で表される。
【０１００】
【数１】
【０１０１】
図１８において、ステップＳＡ１で目標遷移量ΔＰTが０より大きいか判断し、目標遷移量ΔＰTが０より大きいと判断すると、ステップＳＡ２で、目標遷移量ΔＰTが、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量ΔＰBmaxより小さいか判断する。
【０１０２】
目標遷移量ΔＰTが、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量ΔＰBmaxより小さいと判断すると、ステップＳＡ３で、以下の（３）式及び（４）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０３】
目標遷移量ΔＰTが、第２の液晶レンズ３１Ｂの最大遷移可能量ΔＰBmax以上である判断すると、ステップＳＡ４で、以下の（５）式及び（６）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０４】
【数２】
【０１０５】
ステップＳＡ１で、目標遷移量ΔＰTが０より小さいと判断すると、ステップＳＡ５で、目標遷移量ΔＰTが、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量ΔＰAminより大きいか判断する。
【０１０６】
目標遷移量ΔＰTが、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量ΔＰAminより大きいと判断すると、ステップＳＡ６で、以下の（７）式及び（８）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０７】
目標遷移量ΔＰTが、第１の液晶レンズ３１Ａの最小遷移可能量ΔＰAmin以下である判断すると、ステップＳＡ７で、以下の（９）式及び（１０）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。
【０１０８】
【数３】
【０１０９】
図１９は、非動作時の光学パワーの遷移量の算出方法を示すフローチャートで、次に、ピントを固定した非動作時における光学パワーの遷移量の算出方法について説明する。
【０１１０】
以下の説明で、ΔＰAmaxは、第１の液晶レンズ３１Ａの最大遷移可能量、ΔＰBminは、第２の液晶レンズ３１Ｂの最小遷移可能量である。また、ΔＰRは、両液晶レンズが基本状態へ復帰できる遷移量ｍｉｎ（ｓ，ｔ）のｓとｔのうちの小さい方である。
【０１１１】
図１９において、ステップＳＢ１で第１の液晶レンズ３１Ａの最大遷移可能量ΔＰAmaxが０ではなく、かつ、第２の液晶レンズ３１Ｂの最小遷移可能量ΔＰBminが０ではないか判断する。ＳＢ１の条件を満たすと、ＳＢ２で、以下の（１１）式により、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂが基本状態へ復帰できる遷移量ΔＰRを求め、遷移量ΔＰRから、（１２）式〜（１３）式により、第１の液晶レンズ３１Ａの遷移量ΔＰAと、第２の液晶レンズ３１Ｂの遷移量ΔＰBを求める。なお、ＳＢ１の条件を満たさない場合は、復帰動作を行わない。
【０１１２】
【数４】
【０１１３】
＜比較結果＞
上述した図１５及び図１６と、表１及び表２で示した応答特性を持つ液晶レンズを用いた場合に、目標遷移量となるための各液晶レンズの遷移量を図１８及び図１９のフローチャートで算出し、目標遷移量となるための応答時間を以下の表３に示す。
【０１１４】
また、図２０は、光学パワーの遷移量と応答時間の関係を示すグラフで、実線で示す遷移直線４５は、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせた場合における目標遷移量と応答時間の関係示し、破線で示す遷移直線４６は、比較例として、第１の液晶レンズ３１Ａのみにおける目標遷移量と応答時間の関係を示す。
【０１１５】
【表３】
【０１１６】
表３において、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂを組み合わせた場合における応答時間と、第１の液晶レンズ３１Ａのみにおける応答時間を比較すると、第１の液晶レンズ３１Ａと第２の液晶レンズ３１Ｂによる光学パワーの遷移を組み合わせた方が、全体的に応答時間が短く、オートフォーカス時のボトルネックとなる最大応答時間は小さい。
【０１１７】
なお、液晶レンズの最大遷移量を用いるようなオートフォーカス動作では、１つの液晶レンズのみを作動させる方が応答時間が短くなる場合もあるが、実際の運用では、液晶レンズにおける光学パワーの最大遷移量を用いるようなフォーカスより少ない遷移を多用するので、読取対象物までの距離に応じた光学パワーの遷移量を、複数の液晶レンズにおける光学パワーの遷移量の合計で実現してオートフォーカス動作の最適化を図ることは、効果が大きいことが判る。
【０１１８】
なお、以上の説明では、液晶レンズ光学体は、２個の液晶レンズが備えられる構成としたが、２個以上の液晶レンズが備えられる構成でも良く、２個以上の液晶レンズを備える構成とすれば、より高速応答が可能になる。
【０１１９】
＜撮像デコードのアルゴリズム＞
図２１は、光学的情報読取装置で実行される読み取り処理の一例を示すフローチャートで、次に、光学的情報読取装置１Ａにおけるコード記号１００の読み取り処理について説明する。
【０１２０】
まずステップＳＣ１でＣＭＯＳイメージセンサ１２に定期的な撮像を開始させる。この際のシャッタ速度は、周囲の環境光はほとんど検出せず、環境光と比べて光量の大きい、レーザ光発生器１４が出力したレーザ光の反射光を選択的に検出できるようなシャッタ速度とする。
【０１２１】
次のステップＳＣ２では、ＣＰＵ２１０は、レーザ光発生器１４に適当な制御信号を供給し、ＣＭＯＳイメージセンサ１２のシャッタを開く（フォトダイオードによる電荷蓄積を開始させる）タイミングと同期して、レーザ光発生器１４にレーザ光１４ａを発光させる。
【０１２２】
そして、ステップＳＣ３で、ＣＭＯＳイメージセンサ１２が出力する画像データを解析して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２のイメージエリア１２０にレーザ光の反射光が入射したか否か、すなわち画像データ中に反射光のスポットが現れているか否かを判断する。
【０１２３】
ここで反射光が入射していなければ、読取対象物が光学的情報読取装置１Ａによる読み取り可能な位置にないと考えられるため、以下の読取条件調整及び読み取り用の撮像の処理には進まず、ステップＳＣ２に戻って処理を繰り返す。所定期間繰り返しても読取対象物の検出がない場合には、一旦ＣＭＯＳイメージセンサ１２のフレーム速度を遅く（フレーム期間を長く）してもよい。
【０１２４】
また、ステップＳＣ３で反射光が入射していた場合、光学的情報読取装置１Ａによりコード記号１００の読み取りが可能と考えられる位置に何らかの物体（読取対象物と想定できる）が存在していることがわかる。すなわち、読取対象物の存在を検知できる。
【０１２５】
＜測距＞
次に、読取対象物（物体）までの距離の算出方法について説明する。図２２は、読取対象物までの距離の算出に必要なパラメータの説明図、図２３は、イメージエリアに写る反射光の例を示す説明図である。
【０１２６】
読取対象物までの距離ｘについては、図２２中の次のパラメータと以下の（１４）式とに基づいて算出することができる。
【０１２７】
ｘ：撮像光学系レンズの主点Ｐから読取対象物までの距離
ａ：ＣＭＯＳイメージセンサ１２のイメージエリアに平行な向きに測った場合の撮像光学系レンズの主点Ｐからレーザ光１４ａ（の中心）までの距離
θ：撮像光学系レンズの主点Ｐからレーザ光１４ａの方向に広がる、視野角θ0の１／２の角度
Ｎ：撮像光学系レンズの主点Ｐからレーザ光１４ａに向かう方向に数えた場合のＣＭＯＳイメージセンサ１２におけるピクセル数の１／２
ｎ：ＣＭＯＳイメージセンサ１２における中心位置（撮像光学系レンズの主点Ｐと対応する位置）から反射光１４ｂのスポットの中心位置までのピクセル数
φ：レーザ光１４ａと撮像光学系レンズの光軸ｑとがなす角
【０１２８】
【数５】
【０１２９】
なお、図２２で読取対象物の上側に示したレーザ光１５ａは、角φについて説明するためのものである。
【０１３０】
イメージエリア１２０にレーザ光の反射光が入射している場合、図２３（ａ）に示すように、読取対象物が近くにある場合にはスポットＳが撮像した画像中の横軸方向の端部に現れ、遠くにある場合には図２３（ｃ）に示すように中央付近に現れる。そこで、ステップＳＣ４に進み、ＣＭＯＳイメージセンサ１２から検知した読取対象物までの距離を、画像中の反射光のスポットの位置に基づいて算出する。
【０１３１】
次のステップＳＣ５では、ＣＰＵ２１０は、ステップＳＣ４で算出した距離をもとに、ＲＯＭ２２０に予め記憶させたフォーカステーブルを検索してフォーカス制御パラメータの値を取得し、そのフォーカス制御パラメータの値に基づいて液晶レンズ光学体３０を制御することにより、上述したオートフォーカス動作で、ステップＳＣ４で算出した距離付近にピントが合うようにフォーカスの調整を行う。
【０１３２】
次のステップＳＣ６では、ＣＰＵ２１０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２のシャッタを開くタイミングと同期してステップＳＣ６で設定した点灯時間だけマーカＬＥＤ１３を点灯させて照明を行うことにより、ステップＳＣ３で検知した読取対象物の画像を撮像し、その結果得られた画像データから、読取対象物に付されていると想定されるコード記号１００のデコードを試みる。
【０１３３】
そして、ステップＳＣ７でこのデコードが成功したか否か判断し、成功していれば、ステップＳＣ９でデコードにより得られたデータを所定の外部装置や内部のデータ処理手段等に出力し、ステップＳＣ１０でフォーカスを基本状態に戻して、読取完了としてステップＳＣ１へ戻る。
【０１３４】
また、デコード失敗の場合には、ステップＳＣ１０で予め設定した読取有効時間（フレーム数で規定してもよい）を超えたか否か判断し、超えてなければステップＳＣ６に戻って再度撮像とデコードを試みる。
【０１３５】
ステップＳＣ７でのデコードが失敗する原因としては、そもそも検出した読取対象物にコード記号が付されていない場合の他、コード記号１００がＣＭＯＳイメージセンサ１２の撮像範囲に収まっていない、ステップＳＣ５及びＳＣ６の調整が適正に行われていない、など種々の原因が考えられる。そして、調整の応答に必要な時間が経過したり、読取対象物が移動されたりするとこれらが改善する場合もあるので、リトライするようにしたものである。
【０１３６】
そして、ステップＳＣ１０で読取有効時間を超えた場合には、これ以上続けても正常にデコードできる見込みがないと判断し、読み取りを一旦中止し、ステップＳＣ１０でフォーカスを基本状態に戻してステップＳＣ１へ戻る。このように、読み取り成功の場合も中止の場合も、ステップＳＣ１に戻って直ちに次の読取対象物検出の処理を開始する。
【産業上の利用可能性】
【０１３７】
本発明は、バーコードリーダや二次元コードリーダ等に利用することができ、小型の装置でオートフォーカスを実現できる。
【符号の説明】
【０１３８】
１Ａ・・・光学的情報読取装置、２・・・マスタレンズ、３・・・可変焦点レンズ、１２・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、１３・・・マーカＬＥＤ、１４・・・レーザ光発光器、３０・・・液晶レンズ光学体、３１Ａ・・・第１の液晶レンズ、３１Ｂ・・・第２の液晶レンズ、２００・・・デコーダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶層が電極によって挟まれ、前記電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、
前記複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた
ことを特徴とする液晶レンズ光学体。
【請求項２】
前記複数の液晶レンズは、光学パワーの大きい状態から光学パワーの小さい状態への遷移が速く、光学パワーが小さい状態から光学パワーが大きい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第１の液晶レンズと、
光学パワーの小さい状態から光学パワーの大きい状態への遷移が速く、光学パワーが大きい状態から光学パワーが小さい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第２の液晶レンズが組み合わせられ、
前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズで入力信号に対する光学パワーの遷移が速い側の応答で、焦点を合わせるオートフォーカス動作を行う
ことを特徴とする請求項１記載の液晶レンズ光学体。
【請求項３】
対象物までの距離に基づき設定される光学パワーの目標遷移量が、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーの遷移量の合計で、応答時間が短くなる組み合わせで設定される
ことを特徴とする請求項２記載の液晶レンズ光学体。
【請求項４】
オートフォーカス動作の非動作に、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズにおける光学パワーの遷移が遅い側の応答で、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの組み合わせによる光学パワーを変えずに、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーを入れ換える
ことを特徴とする請求項２または３記載の液晶レンズ光学体。
【請求項５】
焦点位置を調整する可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズで結像される対象物を撮像する撮像手段と、
撮像対象物との距離を測定する測距手段と、
前記測距手段を用いて対象物までの距離を算出し、算出された距離情報に基づき前記可変焦点レンズを制御して、対象物を前記撮像手段に結像させ、対象物の撮像を行う制御手段とを備え、
前記可変焦点レンズは、液晶層が電極によって挟まれ、前記電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、
前記複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた
ことを特徴とする光学的情報読取装置。
【請求項６】
前記複数の液晶レンズは、光学パワーの大きい状態から光学パワーの小さい状態への遷移が速く、光学パワーが小さい状態から光学パワーが大きい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第１の液晶レンズと、
光学パワーの小さい状態から光学パワーの大きい状態への遷移が速く、光学パワーが大きい状態から光学パワーが小さい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第２の液晶レンズが組み合わせられ、
前記制御手段は、前記測距手段で算出した対象物までの距離に基づき。前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズで入力信号に対する光学パワーの遷移が速い側の応答で、焦点を合わせるオートフォーカス動作を行う
ことを特徴とする請求項５記載の光学的情報読取装置。
【請求項７】
対象物までの距離に基づき設定される光学パワーの目標遷移量が、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーの遷移量の合計で、応答時間が短くなる組み合わせで設定される
ことを特徴とする請求項６記載の光学的情報読取装置。
【請求項８】
オートフォーカス動作の非動作に、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズにおける光学パワーの遷移が遅い側の応答で、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの組み合わせによる光学パワーを変えずに、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーを入れ換える
ことを特徴とする請求項６または７記載の光学的情報読取装置。
【請求項１】
液晶層が電極によって挟まれ、前記電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、
前記複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた
ことを特徴とする液晶レンズ光学体。
【請求項２】
前記複数の液晶レンズは、光学パワーの大きい状態から光学パワーの小さい状態への遷移が速く、光学パワーが小さい状態から光学パワーが大きい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第１の液晶レンズと、
光学パワーの小さい状態から光学パワーの大きい状態への遷移が速く、光学パワーが大きい状態から光学パワーが小さい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第２の液晶レンズが組み合わせられ、
前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズで入力信号に対する光学パワーの遷移が速い側の応答で、焦点を合わせるオートフォーカス動作を行う
ことを特徴とする請求項１記載の液晶レンズ光学体。
【請求項３】
対象物までの距離に基づき設定される光学パワーの目標遷移量が、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーの遷移量の合計で、応答時間が短くなる組み合わせで設定される
ことを特徴とする請求項２記載の液晶レンズ光学体。
【請求項４】
オートフォーカス動作の非動作に、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズにおける光学パワーの遷移が遅い側の応答で、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの組み合わせによる光学パワーを変えずに、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーを入れ換える
ことを特徴とする請求項２または３記載の液晶レンズ光学体。
【請求項５】
焦点位置を調整する可変焦点レンズと、
前記可変焦点レンズで結像される対象物を撮像する撮像手段と、
撮像対象物との距離を測定する測距手段と、
前記測距手段を用いて対象物までの距離を算出し、算出された距離情報に基づき前記可変焦点レンズを制御して、対象物を前記撮像手段に結像させ、対象物の撮像を行う制御手段とを備え、
前記可変焦点レンズは、液晶層が電極によって挟まれ、前記電極への入力信号に従って液晶分子の配向状態が制御されて光学パワーが変えられる液晶レンズを、光軸上に複数備え、
前記複数の液晶レンズは、入力信号に対して、光学パワーが大きい状態から小さい状態へ遷移する際の応答特性と、光学パワーが小さい状態から大きい状態へ遷移する際の応答特性が異ならせた
ことを特徴とする光学的情報読取装置。
【請求項６】
前記複数の液晶レンズは、光学パワーの大きい状態から光学パワーの小さい状態への遷移が速く、光学パワーが小さい状態から光学パワーが大きい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第１の液晶レンズと、
光学パワーの小さい状態から光学パワーの大きい状態への遷移が速く、光学パワーが大きい状態から光学パワーが小さい状態への遷移が遅い応答特性を持つ第２の液晶レンズが組み合わせられ、
前記制御手段は、前記測距手段で算出した対象物までの距離に基づき。前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズで入力信号に対する光学パワーの遷移が速い側の応答で、焦点を合わせるオートフォーカス動作を行う
ことを特徴とする請求項５記載の光学的情報読取装置。
【請求項７】
対象物までの距離に基づき設定される光学パワーの目標遷移量が、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーの遷移量の合計で、応答時間が短くなる組み合わせで設定される
ことを特徴とする請求項６記載の光学的情報読取装置。
【請求項８】
オートフォーカス動作の非動作に、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズにおける光学パワーの遷移が遅い側の応答で、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの組み合わせによる光学パワーを変えずに、前記第１の液晶レンズと前記第２の液晶レンズの光学パワーを入れ換える
ことを特徴とする請求項６または７記載の光学的情報読取装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−１４１４５０（Ｐ２０１２−１４１４５０Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９４１５６（Ｐ２０１０−２９４１５６）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（３９１０６２８７２）株式会社オプトエレクトロニクス (70)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（３９１０６２８７２）株式会社オプトエレクトロニクス (70)
【Ｆターム（参考）】
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