自動合焦点装置
【課題】液晶レンズに印加する電圧を調整することによって、使用環境に応じて合焦点に要する時間を短縮することができる自動合焦点装置を提供する。
【解決手段】自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズ（１、７）と、液晶レンズ（１、７）に所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段６と、液晶レンズ（１、７）を透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段３と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段６１と、液晶レンズ（１、７）の近傍の温度又は光電変換手段３の画像信号取得周期に基づいて、所定電圧を調整し、且つ液晶レンズ駆動手段６を制御して複数の焦点信号を抽出し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段５と、を有する。
【解決手段】自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズ（１、７）と、液晶レンズ（１、７）に所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段６と、液晶レンズ（１、７）を透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段３と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段６１と、液晶レンズ（１、７）の近傍の温度又は光電変換手段３の画像信号取得周期に基づいて、所定電圧を調整し、且つ液晶レンズ駆動手段６を制御して複数の焦点信号を抽出し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段５と、を有する。
【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、それら焦点信号のピーク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】
従来より、光学系の焦点距離または焦点位置を変化させる合焦点機構として、レンズを移動させることにより焦点を合わせる方式が広く用いられている。しかし、この方式では、レンズ駆動機構が必要であるため、機構が複雑になるという欠点や、レンズ駆動用モータに比較的多くの電力を要するという欠点がある。また、一般に耐衝撃性が低いという欠点もある。そこで、レンズ駆動機構が不要な合焦点機構として、液晶レンズの屈折率を変化させることにより焦点を合わせる方式が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この従来の方式を達成するための液晶レンズは、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、このパターン電極は、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より電圧分布が形成され、液晶層に電圧分布が形成される。そして、可変抵抗をそれぞれ調整することにより、液晶層に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１０ポジションあるとし、ある方向に、ボケに対応する情報のピークを探しに行き、そのピークが見つかるまでに最大の１０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約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最大でも約０．６７秒（＝６７ミリ秒／ポジション×１０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約５００ミリ秒と長くなり、合焦点を検出するまでに最大約５秒（５００ミリ秒／ポジション×１０ポジション）もかかってしまう。
【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。このように、液晶レンズの動作を凸レンズとしたいときには、液晶層の全面に渡って印加した電圧に応じて応答すればよいが、過渡応答が完了するのに遅いところが生じると、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となるので、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、この部分での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）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、その様な構成とすると、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】
さらに、液晶に電圧を印加した場合の応答速度は、温度に応じて変化するため、使用環境によっては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。
【００１６】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消することを可能とする自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、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、焦点信号の最大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自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【００１８】
さらに、本発明は、液晶レンズに印加する電圧を調整することによって、使用環境に応じて合焦点に要する時間を短縮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】
【００１９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、液晶レンズの近傍の温度又は光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて、所定電圧を調整し、且つ液晶レンズ駆動手段を制御して複数の焦点信号を抽出し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る自動合焦点装置では、電圧の調整は、液晶レンズの近傍の温度が低いほど所定電圧を高く設定することが好ましい。
あるいは、本発明に係る自動合焦点装置では、電圧の調整は、画像信号取得周期が短いほど所定電圧を高く設定することが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御により複数の焦点信号を抽出することが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶動作が安定した状態で光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、焦液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶動作が安定した状態で光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、温度又は画像信号取得周期に基づいて、焦点信号一括抽出制御又は焦点信号逐次抽出制御を選択することが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、焦点信号一括抽出制御又は焦点信号逐次抽出制御の選択は、液晶レンズの近傍の温度に基づいて、液晶レンズの過渡応答動作に要する時間を推定し、且つ推定された時間を画像信号取得周期で除することにより、過渡応答動作中に得られる焦点信号数を算出し、算出した焦点信号数が所定数以上の場合、焦点信号一括抽出制御を選択し、焦点信号数が所定数未満の場合、焦点信号逐次抽出制御を選択することが好ましい。
【００２５】
また、本発明の別の形態に係る自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶動作が安定した状態で光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、温度又は画像信号取得周期に基づいて、焦点信号一括抽出制御又は焦点信号逐次抽出制御を選択し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の別の形態に係る自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、液晶レンズの近傍の温度又は光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて所定電圧を調整し、且つ光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得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から、焦点信号の最大値に対応する液晶レンズの焦点距離を表す信号を取得し、その信号に基づいて液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、焦点距離の調整用に液晶レンズを用い、その液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出し、それら焦点信号の最大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可能となる。
【００２８】
また、本発明によれば、液晶レンズに印加する電圧を調整することによって、使用環境に応じて合焦点に要する時間を短縮することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照して、この発明にかか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。
【００３０】
実施の形態１．
図１は、自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、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、液晶レンズドライバ６および温度センサー６１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、組レンズおよび赤外線カットフィルタを有し、光学レンズ系２から所定距離にある被写体を撮像素子３上に結像する。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ーとアナログ−デジタル変換器を有する。温度センサー６１は、液晶レンズ系１の近傍に配置され、液晶レンズ系１の近傍の温度を測定することにより、液晶レンズ系１の温度を推定する。
【００３１】
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のイメージセンサーにより、電気信号に変換される。イメージセンサーから出力された電気信号は、アナログ−デジタル変換器によりデジタル信号に変換される。ＤＳＰ４は、アナログ−デジタル変換器から出力されたデジタル信号に対して、特定領域の画像の高周波成分を抽出し、焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を求めている。オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号一括抽出制御により、液晶レンズ系１に印加する駆動電圧を変化させた際の過渡応答時に、ＤＳＰ４から出力される焦点整合度に対応した複数のオートフォーカス信号を抽出する。さらに、オートフォーカスコントローラ５は、温度センサー６１からの温度情報及び／又は撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、液晶レンズ系１に印加する電圧を調整する。なお、オートフォーカスコントローラ５は、撮像素子３のフレーム周波数を、撮像素子３の露光時間、光学レンズ系２に設けられる絞りの絞り径などを制御する、図示しない露出コントローラから取得する。
【００３２】
上述した「焦点信号一括抽出制御」とは、例えば、液晶レンズドライバ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学像に基づいて生成された画像信号を、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制御のことを指す。焦点信号一括抽出制御の具体的な方法については後述する。
【００３３】
オートフォーカスコントローラ５は、抽出され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ように、液晶レンズ系１の駆動条件の制御を行う。
【００３４】
オートフォーカスコントローラ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部（ＲＯＭ部）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部（ＲＡＭ部）を有する。液晶レンズドライバ６は、オートフォーカスコントローラ５から出力された制御信号に基づいて液晶レンズ系１に電圧を印加する。
【００３５】
オートフォーカスコントローラ５により実行される処理内容については、後述する。撮像素子３およびＤＳＰ４は、光電変換手段に相当する。オートフォーカスコントローラ５は、液晶レンズ制御手段を駆動する制御手段に相当する。液晶レンズドライバ６は、液晶レンズ制御手段に相当する。温度センサー６１は、温度検出手段に相当する。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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同心円の円周に沿って複数のＣ字状の輪帯電極２１，２２が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。
【００４２】
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、レンズ部１５に重なるように配置される。
【００４３】
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た電圧に応じて、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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（図５（ａ））、液晶の屈折率は、その駆動電圧Ｖ０の立ち上がりのタイミングからｔｆの時間だけ遅れて駆動電圧Ｖ０に対応した状態となる（図５（ｂ））。また、液晶の屈折率は、駆動電圧Ｖ０の立ち下がりのタイミングからｔｒの時間だけ遅れて元の状態に戻る（図５（ｂ））。このｔｆおよびｔｒの時間は、液晶が過渡応答動作をしている期間であり、屈折率が漸次変化する。ここで、上述した通り、駆動電圧Ｖ０は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、焦点信号一括抽出制御に関して説明する。オートフォーカスコントローラ５は、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フレーム周波数でサンプリングする。すなわち、フレーム周波数が画像信号取得周期となる。そして、オートフォーカスコントローラ５は、特定領域の画像の高周波成分を抽出し、焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を求めている。そして、求め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液晶レンズ系１の焦点距離を判定する。オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス信号の最大レベルに対応する焦点距離になるように、液晶レンズドライバ６を通じて、液晶レンズ系１に電圧を印加する。
【００４８】
図６には、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が示されている。
【００４９】
例えば、図６（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（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。
【００５０】
図６（ｂ）の横軸よりも上側および下側に描かれた線は、それぞれ液晶レンズ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。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。
【００５１】
焦点信号一括抽出制御では、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オートフォーカス信号を抽出することができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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刻と液晶レンズ７の焦点距離との関係が求められている。この関係は、例えばオートフォーカスコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５４】
従って、オートフォーカスコントローラ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画像信号をサンプリングした時刻に基づいて、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の各焦点距離とオートフォーカス信号のレベルとの対応関係を得ることができるので、オートフォーカス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。
【００５５】
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、例えばオートフォーカスコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５６】
従って、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、オートフォーカス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には、液晶レンズ７にどの程度の駆動電圧を印加すればよいかということを知ることができる。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。
【００５７】
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、様々なものが考えられるが、以下に代表的な２例を挙げて説明する。
【００５８】
第１のパターンを図８に示す。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞれ外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒの経時変化及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒの経時変化を表す。各図において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は電圧を表す。また、図８（ｃ）は、第２のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を表す。図８（ｃ）において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は焦点距離ｆの逆数を表す。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、最初に外周部電極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。
【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。
【００６０】
図８（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。
【００６１】
第２のパターンを図９に示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒの経時変化及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒの経時変化を表す。各図において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は電圧を表す。また、図９（ｃ）は、第２のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を表す。図９（ｃ）において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は焦点距離ｆの逆数を表す。図９（ａ）および図９（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。
【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。
【００６３】
図９（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。
【００６４】
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に示す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。
【００６５】
従って、図１に示す構成では、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、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。
【００６６】
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。
【００６７】
上記第１の電圧印加パターンを例にして説明する。図１０および図１１は、第１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１０または図１１の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように、第１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、複数、特に限定しないが、図示例では６個のオートフォーカス信号が得られる。
【００６８】
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、複数、特に限定しないが、図示例では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。
【００６９】
図１０（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。
【００７０】
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１０（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。
【００７１】
また、図１１（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１１（ｄ）に示すようになる。
【００７２】
この図示例でも、−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。
【００７３】
上記第２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。
【００７４】
次に、オートフォーカスコントローラ５による液晶レンズに印加する電圧の調整制御について説明する。
一般に、液晶レンズの過渡応答動作期間は、液晶レンズの温度が高くなるにつれて短くなる。一方、上述したように、オートフォーカス信号は、撮像された画像信号を撮像素子３のフレーム周波数でサンプリングして取得される。そのため、一定期間内に取得されるオートフォーカス信号の数はフレーム周波数に依存して決定される。一例として、上述した第１の電圧印加パターンに対して、時刻Ｔ０からＴ１の期間及び時刻Ｔ２からＴ３の期間についてそれぞれ５点ずつの計１０点の焦点位置でオートフォーカス信号を取得する場合について説明する。上述した第１の電圧印加パターンでは、時刻Ｔ０からＴ１までの間および時刻Ｔ２からＴ３の間は、立ち上がり応答なので、過渡応答動作期間はそれぞれｔｆである。したがって、それぞれの過渡応答動作期間中に、５個の焦点位置に対するサンプリング信号を取得するためには、フレーム周波数をα（Ｈｚ）として、ｔｆ（ｍｓｅｃ）≧５×（１０００／α）を満たさなければならない。したがって、フレーム周波数が２０Ｈｚとすると、液晶レンズ７の立ち上がり応答時間ｔｆが２５０ｍｓｅｃ以上でなければ、所定数のオートフォーカス信号を取得できないことになる。なお、フレーム周波数は、被写体の明暗による露光時間の変化に応じて変化する。例えば、被写体が明るい場合、露出オーバーとなることを避けるために、撮像素子３のフレーム周波数は高く設定される。逆に、被写体が暗い場合、露出アンダーとなることを避けるために、撮像素子３のフレーム周波数は低く設定される。
【００７５】
さらに、印加する電圧が高いほど、液晶レンズ７の立ち上がり応答時の過渡応答動作期間ｔｆ、立ち下がり応答時の過渡応答動作期間ｔｒとも短くなる。そこで、オートフォーカスコントローラ５は、液晶レンズの温度が低いほど、印加電圧を高くなるように設定する。そのように制御することで、液晶レンズの温度が低い場合でも、過渡応答動作期間を短縮し、オートフォーカス処理を短時間で行うことができる。また、オートフォーカスコントローラ５は、被写体が明るく、フレーム周波数が高い場合、短時間で所定数のサンプリング信号を取得することができるので、さらに印加電圧を高くする。そのように制御することで、より短時間でオートフォーカス処理を行うことができる。
【００７６】
そのために、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号一括抽出制御中に、液晶レンズ７パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示したテーブル（以下、電圧テーブルとする）を予め複数準備し、記憶手段５２に記憶しておく。そして、オートフォーカスコントローラ５は、液晶レンズ系１近傍の温度と撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、それら電圧テーブルから最適なものを選択する。なお、電圧テーブルを選択するために、各電圧テーブルには、その電圧テーブルを使用する温度およびフレーム周波数の条件が関連付けられる。具体的には、例えば、温度とフレーム周波数で使用する電圧テーブルを決定するルックアップテーブルを予め準備し、オートフォーカスコントローラ５の記憶手段５２に記憶しておく。
【００７７】
図１２及び図１３を用いて、この制御について詳細に説明する。図１２（ａ）〜（ｄ）は、液晶レンズ系１近傍の温度と撮像素子３のフレーム周波数に基づいて決定される、液晶レンズ７パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒの電圧テーブルの例を示す。図１２（ａ）に示す電圧テーブル１は、温度が２０℃以上でフレーム周波数が４０Ｈｚ未満の場合を示す。また、図１２（ｂ）に示す電圧テーブル２は、温度が２０℃未満でフレーム周波数が４０Ｈｚ未満の場合を示す。同様に、図１２（ｃ）に示す電圧テーブル３は、温度が２０℃以上でフレーム周波数が４０Ｈｚ以上の場合を示す。さらに、図１２（ｄ）に示す電圧テーブル４は、温度が２０℃未満でフレーム周波数が４０Ｈｚ以上の場合を示す。図１２の各電圧テーブルにおいて、初期状態、凸状態、フラット状態及び凹状態は、それぞれ上記第１の電圧印加パターンにおける時刻〜Ｔ０、時刻Ｔ０〜Ｔ１、時刻Ｔ１〜Ｔ２、時刻Ｔ２〜Ｔ３の状態に対応する。
また、図１２（ｅ）は、電圧テーブルを選択するためのルックアップテーブルを示す。図１２（ｅ）において、テーブルの左端の縦列は温度範囲を示し、テーブルの上端列はフレーム周波数を示す。そして、テーブルの各欄の数値は、各電圧テーブルに関連付けられた識別番号を示す。
【００７８】
図１３は、オートフォーカスコントローラ５による、液晶レンズ７へ印加する電圧の調製制御の動作を示すフローチャートである。
まず、温度センサー６１から液晶レンズ系１近傍の温度及び撮像素子３のフレーム周波数を取得する（ステップＳ１０１）。次に、上記のルックアップテーブルを記憶手段５２から読み込む（ステップＳ１０２）。そして、ルックアップテーブルを参照して、取得した温度およびフレーム周波数に該当する電圧テーブルを特定する（ステップＳ１０３）。電圧テーブルを特定すると、その特定された電圧テーブルを記憶手段５２から読み込み、液晶レンズ７パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを決定する（ステップＳ１０４）。
【００７９】
なお、上記では、液晶レンズ７に印加する電圧を示した電圧テーブルを４通り準備したが、さらに多数の電圧テーブルを準備してもよい。特に、液晶レンズ系１の温度によって、液晶レンズ７の応答速度は大きく変動するので（例えば、図１４参照）、液晶レンズ系１近傍の温度が５℃変化する度に、異なる電圧テーブルを準備してもよい。
また、本実施形態にかかる自動合焦点装置に冷却装置が付加されるような場合、液晶レンズ系１の温度をほぼ一定に保つことができる。この場合、上記の印加電圧の調整を、過渡応答動作に要する時間を一定と仮定して、フレーム周波数のみに基づいて行ってもよい。同様に、撮像素子３の露出調整を、光学レンズ系２の絞りのみで行う場合には、フレーム周波数は一定となる。この場合、上記の印加電圧の調整を、フレーム周波数を一定として、温度のみに基づいて行ってもよい。
【００８０】
さらに、一般に、液晶の立ち上がり応答時の過渡応答動作期間は、立ち下がり応答時の過渡応答動作期間よりも短い。そこで、フレーム周波数が高い場合には、液晶レンズの立ち上がり応答時の過渡応答時にサンプリングを行ってオートフォーカス信号を取得し、フレーム周波数が低い場合には、液晶レンズの立ち下がり応答時の過渡応答時にサンプリングを行ってオートフォーカス信号を取得するようにしてもよい。
【００８１】
以上説明したように、本実施形態によれば、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。また、液晶レンズ系の温度及び撮像素子のフレーム周波数を考慮して、液晶レンズに印加する駆動電圧を調整することにより、液晶レンズの過渡応答期間を調整するので、オートフォーカス処理をより短時間で実行することができる。
【００８２】
次に、オートフォーカスコントローラ５によるオートフォーカス処理の別の制御方法について説明する。この場合、オートフォーカスコントローラ５は、上述した焦点信号一括抽出制御の代わりに、焦点信号逐次抽出制御によってオートフォーカス信号を取得することもできる。そして、オートフォーカスコントローラ５は、温度センサー６１から取得した温度及びフレーム信号に基づいて、オートフォーカス処理の際、焦点信号逐次抽出制御または焦点信号一括抽出制御の何れかを選択して使用する。
【００８３】
上述した「焦点信号逐次抽出制御」とは、例えば、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズドライバにより液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶の動作が安定した状態でサンプリングすることにより複数の焦点信号を抽出する制御のことを指す。この制御によって所定数の焦点位置に対するオートフォーカス信号を取得するためには、焦点位置の数×過渡応答動作期間に相当する時間を要する。なお、焦点信号逐次抽出制御の具体的な方法については後述する。
【００８４】
図１４及び図１５を用いて、焦点信号逐次抽出制御と焦点信号一括抽出制御の選択について説明する。図１４は、液晶に電圧を印加したときの温度毎の応答時間、焦点信号逐次抽出時の処理時間及び焦点信号一括抽出時のサンプリング数を示す図表である。図１４において、一例として、駆動電圧Ｖ０の３Ｖから５Ｖへの立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ０の５Ｖから３Ｖへの立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒを示す。
【００８５】
図１４の図表から、例えば、温度が４０℃の場合に、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｆおよび立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒは、それぞれ１００ミリ秒および１５０ミリ秒であり、温度が２０℃の場合に、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｆおよび立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒは、それぞれ２５０ミリ秒および３７５ミリ秒であることがわかる。
【００８６】
ここで、本実施形態における液晶レンズ系１及び光学レンズ系２を含む光学系が、被写体の像を撮像素子３上に合焦するために、液晶レンズ系１の焦点距離を、１０ポジションに分けて変化させるものとする。図１４の逐次抽出時処理時間は、近遠景に対して予め設定されている焦点位置が１０ポジションである場合の処理時間であり、一括抽出時サンプリング数１は、フレーム周波数２０Ｈｚ、すなわち５０ミリ秒毎にオートフォーカス信号が求められる場合の液晶の過渡応答動作中のサンプリング数である。一括抽出時サンプリング数２は、フレーム周波数４０Ｈｚ、すなわち２５ミリ秒毎にオートフォーカス信号が求められる場合の液晶の過渡応答動作中のサンプリング数である。なお、一括抽出時サンプリング数は、液晶レンズ７のパワーを負から正までの設定された範囲全域で変化させる間に取得されるサンプリング数である。したがって、そのサンプリング数は、少なくとも２回の過渡応答動作に要する時間に基づいて算出される。
【００８７】
ここで、図１４の逐次抽出時処理時間に示すように、１５℃より低い温度において、逐次抽出制御を行ってしまうと、３秒以上のオートフォーカス動作時間が必要となってしまい、実用的なものではなくなってしまう。一方、被写体が比較的暗い場合、図１４の一括抽出時サンプリング数１に示すように、２０℃より高い温度では、過渡応答動作中に取得できるサンプリング数が、近遠景に対して予め設定されている焦点位置のポジション数よりも少ない。そのため、一括抽出制御を行ってしまうと、全ての焦点位置に対応するオートフォーカス信号を取得できなくなってしまい、正確な焦点位置を判定できなくなってしまう。しかし、被写体が比較的明るい場合、図１４の一括抽出時サンプリング数２に示すように、温度が３０℃以下であれば、一括抽出制御を行っても、近遠景に対して設定されている１０ポジションの焦点位置全てのオートフォーカス信号を取得することが可能となる。
【００８８】
そこで、オートフォーカスコントローラ５は、温度センサー６１から得た温度に基づいて液晶レンズ系１に含まれる液晶レンズ７の過渡応答動作期間を算出し、その過渡応答動作期間とフレーム周波数に基づいて、一括抽出制御を行った場合に取得可能なサンプリング数を算出する。そして、そのサンプリング数が、所定の焦点位置のポジション数以上となる場合は、一括抽出制御を行い、それ以外の場合には、逐次抽出制御を行う。なお、図１４から分かるように、例えば、２０℃の場合、一括抽出制御におけるオートフォーカス信号の取得に要する時間は、時刻Ｔ０〜Ｔ１が２５０ミリ秒、時刻Ｔ１〜Ｔ２が３７５ミリ秒、そして時刻Ｔ２〜Ｔ３が２５０ミリ秒となるので、合計で８７５ミリ秒となる。
【００８９】
次に、オートフォーカスコントローラ５におけるオートフォーカス処理について、図１５のフローチャートを用いて説明する。図１５は、実施の形態１における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【００９０】
オートフォーカス処理が開始されると、まず、図１に示した温度センサー６１より液晶レンズ系１の近傍の温度を検出する（ステップＳ２０１）。
【００９１】
次に、検出した温度に基づき、記憶手段５２から液晶レンズ７の過渡応答動作期間と温度との関係を示したテーブルを読み込み、液晶レンズ７の過渡応答動作期間を算出する（ステップＳ２０２）。そして、液晶レンズ７の応答時間と、フレーム周波数に基づいて、液晶レンズ７の焦点距離を設定範囲全域にわたって変化させる間に、取得可能なオートフォーカス信号のサンプリング数を算出する（ステップＳ２０３）。そして、算出したサンプリング数と、焦点位置のポジション数を比較する（ステップＳ２０４）。算出したサンプリング数が焦点位置のポジション数以上の場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号一括抽出制御を選択する（ステップＳ２０５）。
【００９２】
一方、ステップＳ２０４において、算出したサンプリング数が所定の焦点位置のポジション数よりも少ない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号逐次抽出制御を選択する（ステップＳ２０６）。
【００９３】
このように、液晶レンズ系１の近傍の温度と撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、焦点信号逐次抽出制御と焦点信号一括抽出制御を選択して使用することにより、オートフォーカス処理に要する時間を極力少なく抑えつつ、正確なフォーカスを行うことができる。
なお、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号逐次抽出制御と焦点信号一括抽出制御の選択に、上述した印加電圧調整制御を組み合わせてもよい。この場合、オートフォーカスコントローラ５は、印加電圧の調整を行っても、所定のサンブリング数を確保できない特定条件では焦点信号逐次抽出制御を行い、それ以外の条件では焦点信号一括抽出制御を行う。そのような選択制御を行うために、例えば、上述した電圧テーブル選択のルックアップテーブルにおいて、上記の特定条件に相当する部分に、電圧テーブルの識別番号の代わりに焦点信号逐次抽出制御を示すコードを埋め込んだルックアップテーブル（ここでは、統合ルックアップテーブルと呼ぶ）を予め準備する。そして、オートフォーカスコントローラ５は、上述した図１３の手順と同様に、取得した温度およびフレーム周波数に基づいて、統合ルックアップテーブルを参照することにより、焦点信号逐次抽出制御を行うか、焦点信号一括抽出制御を行うか判定することができる。また、焦点信号一括抽出制御が選択される場合には、液晶レンズへの印加電圧も決定できる。
【００９４】
次に、焦点信号逐次抽出制御について説明する。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、それぞれスキャン方式及び山登り方式による焦点信号逐次抽出制御による動作を模式的に示した図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）において、横軸は液晶レンズ７の焦点距離を表し、縦軸はオートフォーカス信号を表す。
図１６（ａ）に示すスキャン方式では、オートフォーカスコントローラ５が液晶レンズドライバ６を通じて、あるポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズ７に印加し、図１４の過渡応答動作期間経過後にオートフォーカス信号を取得する。その後、次のポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズ７に印加して、図１４の過渡応答動作期間経過後に、オートフォーカス信号の取得を行う。そして、このような動作を繰り返し行い、全フォーカシング領域のオートフォーカス信号を求める。オートフォーカスコントローラ５は、その中から、オートフォーカス信号の最大値を求め、その最大値に対応する駆動電圧を液晶レンズ７に印加して合焦する。
【００９５】
また、図１６（ｂ）に示す山登り方式では、取得したオートフォーカス信号を、直前に取得したオートフォーカス信号と比較して増減を逐次調べながら最大値を求める。
焦点信号逐次抽出制御では、上記のスキャン方式と山登り方式の何れを用いても構わないが、以下ではスキャン方式に基づいて説明する。
【００９６】
図１７及び図１８を用いて、この焦点信号逐次抽出制御における、液晶レンズ７への電圧印加方法について説明する。図１７（ａ）は、焦点信号逐次抽出時における印加電圧の変化を示す。また、図１７（ｂ）は、合焦時における印加電圧の変化を示す。さらに、図１７（ｃ）は、合焦後における印加電圧の変化を示す。各図において、縦軸は印加電圧を表す。また、図の左端は、中心部電極２０への印加電圧Ｖｉｎｎｅｒを表し、図の右端は、外周部電極２２への印加電圧Ｖｏｕｔｅｒを表す。そして左端と右端の中間部分は、各輪帯電極２１に印加される電圧を模式的に表し、右端に近いほど外周部電極２２に近い輪帯電極に印加される電圧を表す。
【００９７】
図１７（ａ）に示すように、まず、オートフォーカスコントローラ５は、パターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを点１７１を固定する。そして、液晶レンズ７に立ち上がり応答動作のみを行わせるように、印加電圧を変化させる。すなわち、オートフォーカスコントローラ５は、外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを図中の点１７２から１７３にまで変化するように、外周部電極２２に印加する電圧のみを徐々に高く変化させる。
【００９８】
図１８（ａ）は、図１７（ａ）に対応する制御を行う場合の印加電圧の具体例を示す。図１８（ａ）では、液晶レンズ系１および光学レンズ系２からなる光学系の焦点位置を無限遠から最短撮影距離までの間で１０ポジションに設定した場合において、各焦点位置で液晶レンズ７の中心部電極２０及び外周部電極２２に印加する電圧を示す。この例では、中心部電極２０に印加する電圧を５．５Ｖで固定する。そして、光学系の合焦位置が無限遠から徐々に短くなるように液晶レンズ７の焦点距離を凹から凸に変化させるため、オートフォーカスコントローラ５は、外周部電極２２に印加する電圧を、負のパワーが最大となる状態（レンズレベル９）に相当する３．５Ｖから、正のパワーが最大となる状態（レンズレベル０）に相当する７．５Ｖまで変化させる。なお、各レンズレベルｉ（ｉ＝０，１，２，．．．，９）は、各焦点位置に対応する液晶レンズ系１の焦点距離を便宜的に表したものである。
【００９９】
全てのポジションのオートフォーカス信号を取得すると、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス信号が最大となるレンズレベルを求める。そして、オートフォーカスコントローラ５は、合焦するために、求めたレンズレベルとなるように、液晶レンズドライバ６を通じて液晶レンズ７に電圧を印加する。
その際、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス信号取得時において、印加電圧を固定した方の電極に対する電圧を調整する。例えば、外周部電極２２に対する印加電圧が、図１７（ａ）の点１７４のところでオートフォーカス信号が最大となったとする（このとき、レンズレベルをＬｍａｘとする）。オートフォーカスコントローラ５は、図１７（ｂ）に示すように、外周部電極２２の印加電圧を点１７３で固定し、中心部電極２０に印加する電圧を上昇させる。そして、その印加電圧Ｖｉｎｎｅｒを、液晶レンズ７のレンズレベルがＬｍａｘとなる点１７５に設定する。このように電圧を調整することで、液晶の立ち上がり応答だけを用いて合焦させることができるので、オートフォーカス処理を高速化することができる。なお、図１７（ａ）において、点１７４でオートフォーカス信号が最大であると判定できる場合は、必ずしも点１７３まで順にスキャンする必要はなく、オートフォーカス信号が最大値と判定できた時点で、点１７３までＶｏｕｔｅｒをシフトさせても構わない。この様に制御することにより、オートフォーカス制御に要する時間をより短縮させることができる。
【０１００】
上記のようなオートフォーカス処理を行う場合、複数回のオートフォーカス処理を続けて実行すると、液晶レンズ７に印加する電圧が徐々に上昇する。そのため、液晶レンズドライバ６は、液晶レンズ７の駆動電圧範囲を広く持つ必要が生じる。または、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス処理の度に、液晶レンズ７のパワーが正の最大設定値から負の最大設定値となるように、あるいは、液晶レンズ７のパワーが負の最大設定値から正の最大設定値となるように、印加電圧を固定しない方の電極に印加する電圧を下げなければならず、オートフォーカス信号の取得を開始する前に多くの時間を要してしまう。
【０１０１】
そこで、オートフォーカスコントローラ５は、一旦オートフォーカス処理が行われた後、オートフォーカス処理と関係のないタイミングで、中心部電極２０及び外周部電極２２に印加する電圧を、液晶レンズ７のレンズレベルを合焦時の状態に保つようにして、待機時の基準電圧まで低下させる。なお、オートフォーカス処理と関係のないタイミングとは、例えば、シャッタが切られた直後の、キャプチャされた画像が図示しない画像メモリに書き込まれている期間である。このように、キャプチャ画像の書き込み中に印加電圧を低下させることにより、キャプチャ画像の書き込み中、ビューファインダにその書き込み中のキャプチャ画像を表示するカメラでは、電圧低下時の過渡応答によるピントのずれをユーザに気付かせずに済ませることができる。あるいは、オートフォーカスコントローラ５は、３段階程度に分けて、徐々に基準電圧まで低下させてもよい。このように制御すると、キャプチャ画像の書き込み中も、ビューファインダに最新のキャプチャ画像を表示するカメラであっても、各段階での過渡応答時のゆらぎが小さいため、ピントのずれをユーザに気付かれることなく、液晶レンズ７の印加電圧を低下させることができる。
【０１０２】
図１８（ｂ）に、待機時におけるレンズレベルと中心部電極２０及び外周部電極２２に印加する基準電圧の関係を表すテーブルの一例を示す。このテーブルは予め準備され、オートフォーカスコントローラ５の記憶手段５２に記憶される。そして、待機時の基準電圧の取得時に使用される。
図１７（ｃ）に示すように、オートフォーカスコントローラ５は、合焦時のレンズレベルＬｍａｘに基づき、図１８（ｂ）に示したテーブルを参照して、レンズレベルＬｍａｘに対応する中心部電極２０および外周部電極２２への印加電圧１７６、１７７を取得する。そして、オートフォーカスコントローラ５は、取得した印加電圧になるように、液晶レンズドライバ６を制御し、液晶レンズ７への印加電圧を低下させる。
【０１０３】
液晶レンズ７が待機時にある場合において、再度オートフォーカス処理を実行する場合、オートフォーカスコントローラ５は、中心部電極２０に対する印加電圧をレンズレベルが９（液晶レンズ７のパワーが負の最大値）になるまで上昇させる。その後、上記と同様にオートフォーカス処理を実行する。
【０１０４】
以上説明してきたように、焦点信号逐次抽出制御において、立ち上がり応答のみを用いることにより、オートフォーカス処理に要する時間を抑制することができる。
また、オートフォーカス処理に関係しないタイミングで液晶レンズに印加する電圧を低下させるよう液晶レンズドライバ６を制御することで、液晶レンズドライバ６は、広い駆動電圧範囲を持つ必要が無く、またオートフォーカス処理に要する時間の増大を防止することができる。
【０１０５】
なお、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス処理開始直前の液晶レンズ７に対する電圧印加状態を参照して、中心部電極２０に印加する電圧と外周部電極２２に印加する電圧のどちらを固定するかを決定してもよい。この場合、オートフォーカス処理開始時の初期状態を達成するまでに要する時間が少なくて済むように、印加されている電圧が高い方を基準電圧として固定する。例えば、オートフォーカス処理開始直前において、液晶レンズ７が、凹レンズである場合、中心部電極２０に印加された電圧の方が外周部電極２２に印加された電圧よりも高いため、中心部電極２０に印加する電圧を基準電圧として固定する。逆に、オートフォーカス処理開始直前において、液晶レンズ７が、凸レンズである場合、外周部電極２２に印加された電圧の方が中心部電極２０に印加された電圧よりも高いため、外周部電極２０に印加する電圧を基準電圧として固定する。
【０１０６】
さらに、逐次抽出制御によってフォーカス動作を行う場合においても、一括抽出制御を行う場合と同様に、液晶レンズ系１の温度等に基づいて、液晶レンズ７に印加する電圧を調整してもよい。
また、一括抽出制御を、上述した逐次抽出と同様に、立ち上がり応答のみを用いて実行するようにしてもよい。この場合、オートフォーカスコントローラ５は、例えば、中心部電極２０に印加する電圧を固定し、一方、外周部電極２２に印加する電圧を、液晶レンズ７のレンズレベルが９（液晶レンズ７のパワーが負の最大値となる状態）になるように設定する。その後、オートフォーカスコントローラ５は、外周部電極２２に印加する電圧を、液晶レンズ７のレンズレベルが０（液晶レンズ７のパワーが正の最大値となる状態）となる値まで上昇させる。そして、液晶レンズ７の過渡応答動作中のオートフォーカス信号を順次取得すればよい。
【０１０７】
実施の形態２．
図１９は、本発明の自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。図１９に示すように、本発明の自動合焦点装置は、カメラレンズユニット７０とオートフォーカスコントローラ５から構成される。ここで、カメラレンズユニット７０は、液晶レンズ系１、光学レンズ系２、撮像素子３、液晶（ＬＣ）レンズコントローラ１００、温度センサー６１とを備えている。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、組レンズおよび赤外線カットフィルタを有し、光学レンズ系２から所定距離にある被写体を撮像素子３上に結像する。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ーとアナログ−デジタル変換器を有する。温度センサー６１は液晶レンズ系１の近傍に配置され、液晶レンズ系１の近傍の温度を測定して液晶レンズ系１の温度を推定する。
【０１０８】
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のイメージセンサーにより、電気信号に変換される。イメージセンサーから出力された電気信号は、アナログ−デジタル変換器によりデジタル信号に変換される。オートフォーカスコントローラ５は、アナログ−デジタル変換器から出力されたデジタル信号に対して、所定の周期のサンプリングで、特定領域の画像の高周波成分を抽出し、焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を求めている。そして、求め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焦点位置を判定し、液晶レンズコントローラ１００に対してそのレベルが最大となる焦点位置に対応するレンズレベルを設定する。なお、レンズレベルは、上記の焦点信号逐次抽出制御で説明したのと同様に、各焦点位置に対応する液晶レンズ系１の焦点距離を便宜的に表したものである。
【０１０９】
オートフォーカスコントローラ５は、上述した一連の制御を行うマイクロプロセッサ２０１と（第２の）記憶手段２０２を有する。（第２の）記憶手段２０２は、マイクロプロセッサ２０１が実行するプログラムを格納した読み出し専用メモリ部（ＲＯＭ部）と、マイクロプロセッサ２０１が作業領域として使用する書き込み可能なメモリ部（ＲＡＭ部）を有する。
【０１１０】
液晶レンズコントローラ１００は、液晶レンズ駆動手段１０１、（第１の）記憶手段１０２、計測手段１０３および電圧調整手段１０４を備えている。オートフォーカスコントローラ５からオートフォーカス処理開始要求を受けると、計測手段１０３により、過渡応答開始からの経過時間を計測する。（第１の）記憶手段１０２には、温度毎に、過渡応答開始からの経過時間とそのときのレンズレベルを予め記憶しておく。液晶レンズ駆動手段１０１は、過渡応答中には、後述する駆動方法により、液晶レンズ系１に電圧を印加する。電圧調整手段１０４は、液晶レンズ系１の近傍の温度および撮像素子３のフレーム周波数（画像信号取得周期）を参照して、液晶レンズ系１に印加する電圧を調整する。
【０１１１】
撮像素子３は、光電変換手段に相当する。オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号抽出手段、第２の記憶手段に相当し、焦点信号の一括抽出を行う。液晶レンズコントローラ１００は、制御手段、液晶レンズ駆動手段、第１の記憶手段、計測手段に相当する。温度センサー６１は、温度検出手段に相当する。
【０１１２】
このように、カメラレンズユニット７０内の液晶レンズコントローラ１００が過渡応答開始からの経過時間に対応したレンズレベルを保持するため、オートフォーカスコントローラ５は液晶パネルの特性やバラツキを考慮することなく、正確にレンズレベルを取得することができる。
【０１１３】
実施の形態２にかかる自動合焦点装置における液晶レンズ系１の構成については、図２および３に示した実施の形態１に係る自動合焦点装置と同様であるのでそれらの説明は省略する。また、実施の形態２に係る自動合焦点装置における液晶レンズ７に備えたパターン電極１０の構成とこの液晶レンズ７の作用についても、図４に示した実施の形態１にかかる自動合焦点装置と同様であるのでそれらの説明は省略する。また、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も、図５に示した実施の形態１にかかる自動合焦点装置と同様であるのでそれらの説明は省略する。また、実施の形態２にかかる自動合焦点装置における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は、図６に示した実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。さらに、液晶レンズに印加する電圧の調整についても、実施の形態１に係る電圧調整制御と同様であるため、その説明は省略する。
【０１１４】
次に、オートフォーカスコントローラ５と液晶レンズコントローラ１００とにおける自動合焦処理について、図２０のフローチャートを用いて説明する。図２０は、実施の形態２における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【０１１５】
オートフォーカス処理が開始されると、まず、オートフォーカスコントローラ５においては、液晶レンズコントローラ１００に対して、焦点信号抽出開始要求を出力する（ステップＳ３０１）。
そして、ステップＳ３０２において、液晶レンズコントローラ１００に対して、レンズレベル取得要求を出力する（ステップＳ３０２）。
【０１１６】
一方、液晶レンズコントローラ１００においては、オートフォーカスコントローラ５からの焦点信号抽出開始要求を受けると、温度センサ６１より液晶レンズ系１の近傍の温度を取得する。またオートフォーカスコントローラ５から撮像素子３のフレーム周波数を取得する（ステップＳ４０１）。そして、上述した電圧調整制御に基づいて、液晶レンズ系１に印加する電圧を調整する（ステップＳ４０２）。なお、撮像素子３のフレーム周波数は、オートフォーカスコントローラ５より受信する。そして、上述した電圧印加方法により、過渡応答動作を開始する（ステップＳ４０３）。ここで、過渡応答の開始の際には、計測手段１０３により、過渡応答動作が開始してからの経過時間の計測を開始する（ステップＳ４０４）。
【０１１７】
そして、液晶レンズコントローラ１００においては、予め（第１の）記憶手段１０２に記憶している過渡応答終了時間と計測手段１０３による経過時間とを比較して（ステップＳ４０５）、過渡応答終了時間を経過している場合（ステップＳ４０５：Ｙｅｓ）は、過渡応答動作を終了する。
【０１１８】
それに対して、ステップＳ４０５において、過渡応答終了時間が経過していない場合（ステップＳ４０５：Ｎｏ）は、オートフォーカスコントローラ５からのレンズレベル取得要求（リクエスト）を受信したか否かの判断を行う（ステップＳ４０６）。ここで、オートフォーカスコントローラ５からのレンズレベル取得要求がない間（ステップＳ４０６：Ｎｏ）は、ステップＳ４０４に戻り、以後、ステップＳ４０５とステップＳ４０６とを繰り返す。
【０１１９】
また、ステップＳ４０６において、オートフォーカスコントローラ５からのレンズレベル取得要求を受けた場合（ステップＳ４０６：Ｙｅｓ）は、取得した液晶レンズ系１の近傍の温度に基づいて（第１の）記憶手段１０２に記憶している温度情報毎のレンズレベルテーブルから過渡応答開始からの経過時間に対応したレンズレベルを取得し（ステップＳ４０７）、オートフォーカスコントローラ５にレンズレベルを送信する（ステップＳ４０８）。既に、過渡応答動作が終了している場合には、レンズレベルの代わりに、過渡応答動作が示すレンズレベルとして、例えば負数の値をオートフォーカスコントローラ５に送信する。
【０１２０】
一方、オートフォーカスコントローラ５においては、液晶レンズコントローラ１００からレンズレベルを受け取ると、過渡応答動作中であるかを判断し（ステップＳ３０３）、過渡応答動作中であれば、オートフォーカス（ＡＦ）値を算出し（ステップＳ３０５）、過渡応答を開始してから最も大きいオートフォーカス値であるか否かを判断し（ステップＳ３０６）、最も大きいオートフォーカス値である場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）は、オートフォーカスコントローラ５内の（第２の）記憶手段２０２に、その時点のオートフォーカス値とレンズレベルを保持（更新）する（ステップＳ３０７）。一方、最も大きいオートフォーカス値でない場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）は、何もせずに、ステップＳ３０８へ移行する。
【０１２１】
そして、例えばフレーム時間である５０ミリ秒後（ステップＳ３０８）に、ステップＳ３０２に戻り、以後、過渡応答動作が完了するまで繰り返す。ステップＳ３０３において、過渡応答動作が完了していた場合（ステップＳ３０３：Ｎｏ）は、（第２の）記憶手段２０２に記憶している最も大きなオートフォーカス値となったレンズレベルを液晶レンズコントローラ１００に対して設定し（ステップＳ３０４）、一連の処理を終了する。
【０１２２】
ここで、ステップＳ４０７における第１の記憶手段１０２に記憶しているレンズレベルテーブルについて説明する。図２１は、過渡応答動作開始からの経過時間とレンズレベルとの対応テーブル例を示す図表である。
【０１２３】
図２１の図表に示す（第１の）記憶手段１０２におけるレンズレベルテーブルは、予め設定された温度状態（ここでは、一例として温度状態１〜４を示している。）毎の、過渡応答からの経過時間とレンズレベルとの関係を示している。本図表に記載したデータは、液晶レンズ７の光学的な実特性に基づいてテーブルが作成されている。また、経過時間とレンズレベルとのテーブルは、５℃刻みや１０℃刻みの温度状態毎に設けている。これも光学的な特性に基づいて設定すべきである。
【０１２４】
例えば、温度状態１においては、過渡応答が開始してから１５０ミリ秒未満の時には、オートフォーカスコントローラ５には、レンズレベル「０」を送信する。同様に、１５０ミリ秒以上２５０ミリ秒未満のときにはレンズレベル「１」、２５０ミリ秒以上３３０ミリ秒未満のときにはレンズレベル「２」、３３０ミリ秒以上４５０ミリ秒未満のときにはレンズレベル「３」、４５０ミリ秒以上６００ミリ秒未満の時にはレンズレベル「４」、６００ミリ秒以上６８０ミリ秒未満の時にはレンズレベル「５」、６８０ミリ秒以上７８０ミリ秒未満の時にはレンズレベル「６」、７８０ミリ秒以上９００ミリ秒未満の時にはレンズレベル「７」、９００ミリ秒以上１０００ミリ秒未満の時にはレンズレベル「８」、１０００ミリ秒以上の時にはレンズレベルとして「負数」をオートフォーカスコントローラ５に送信する。
【０１２５】
そして、他の温度状態２〜４においても、図２１の図表に示すデータに基づき動作させる。なお、本データは一例を示したものであり、温度情報を５以上設けることにより、より精度よくレンズレベルを制御することができる。
【０１２６】
以上のように、実施の形態２によれば、液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出することにより、実用にあたって十分な速さで合焦点検出することができる。また、カメラレンズユニット７０内の液晶レンズコントローラ１００で過渡応答開始からの経過時間に対応したレンズレベルを保持することで、オートフォーカスコントローラ５では液晶レンズの特性を考慮することなく、独立したモジュールとして設計、作成することができる。
なお、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、液晶レンズの近傍の温度及び／又は撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、焦点信号一括制御と焦点信号逐次抽出制御を選択するようにしてもよい。そして、焦点信号逐次制御に基づいてオートフォーカス処理を行う場合には、オートフォーカスコントローラ５がレンズレベル取得要求を出す代わりに、液晶レンズコントローラ１００は、液晶レンズのレンズレベルを変更し、液晶の過渡応答動作が終了する度に、オートフォーカスコントローラ５にレンズレベルを送信する。そして、オートフォーカスコントローラ５は、レンズレベルを取得する度にオートフォーカス信号を算出する。
【０１２７】
以上において本発明は、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、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、液晶の種類もネマティック液晶に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
以上のように、本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】
【０１２９】
【図１】図１は、本発明にかかる自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、液晶レンズの構成を示す正面図である。
【図３】図３は、液晶レンズの構成を示す断面図である。
【図４】図４は、パターン電極の構成を示す正面図である。
【図５】図５は、液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化を示す説明図である。
【図６】図６は、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を示す説明図である。
【図７】図７は、静的な状態における液晶レンズの焦点距離と駆動電圧との関係の一例を示す図表である。
【図８】図８は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの一例を示した図である。
【図９】図９は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの別の一例を示した図である。
【図１０】図１０は、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１１】図１１は、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１２】液晶レンズに印加する駆動電圧の組み合わせのテーブルの例を示した図である。
【図１３】液晶レンズに印加する駆動電圧を調整する動作を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、液晶に電圧を印加したときの温度毎の応答時間と焦点信号逐次抽出時の処理時間と焦点信号一括抽出時のサンプリング数を示す図表である。
【図１５】図１５は、実施の形態２における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、焦点信号逐次抽出制御の動作を模式的に示す図である。
【図１７】図１７は、焦点信号逐次抽出制御における液晶レンズに印加する電圧の変化の一例を示した図である。
【図１８】図１８は、焦点信号逐次抽出制御における液晶レンズに印加する電圧の一例を示した図表である。
【図１９】図１９は、実施の形態２における自動合焦点装置を示すブロック図である。
【図２０】図２０は、実施の形態２における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【図２１】図２１は、過渡応答動作開始からの経過時間とレンズレベルとの対応テーブル例を示す図表である。
【符号の説明】
【０１３０】
１，７ 液晶レンズ
２ 光学レンズ手段（組レンズ）
３ 光電変換手段（撮像素子）
４ 光電変換手段（ＤＳＰ）
５ 制御手段（オートフォーカスコントローラ）
６ 液晶レンズ駆動手段（液晶レンズドライバ）
８，９ ガラス基板
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 輪帯電極
２２ 輪帯電極（外周部電極）
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
５１ マイクロプロセッサ
５２ 記憶手段
【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、それら焦点信号のピーク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】
従来より、光学系の焦点距離または焦点位置を変化させる合焦点機構として、レンズを移動させることにより焦点を合わせる方式が広く用いられている。しかし、この方式では、レンズ駆動機構が必要であるため、機構が複雑になるという欠点や、レンズ駆動用モータに比較的多くの電力を要するという欠点がある。また、一般に耐衝撃性が低いという欠点もある。そこで、レンズ駆動機構が不要な合焦点機構として、液晶レンズの屈折率を変化させることにより焦点を合わせる方式が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この従来の方式を達成するための液晶レンズは、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、このパターン電極は、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より電圧分布が形成され、液晶層に電圧分布が形成される。そして、可変抵抗をそれぞれ調整することにより、液晶層に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１０ポジションあるとし、ある方向に、ボケに対応する情報のピークを探しに行き、そのピークが見つかるまでに最大の１０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約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最大でも約０．６７秒（＝６７ミリ秒／ポジション×１０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約５００ミリ秒と長くなり、合焦点を検出するまでに最大約５秒（５００ミリ秒／ポジション×１０ポジション）もかかってしまう。
【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。このように、液晶レンズの動作を凸レンズとしたいときには、液晶層の全面に渡って印加した電圧に応じて応答すればよいが、過渡応答が完了するのに遅いところが生じると、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となるので、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、この部分での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）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、その様な構成とすると、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】
さらに、液晶に電圧を印加した場合の応答速度は、温度に応じて変化するため、使用環境によっては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。
【００１６】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消することを可能とする自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明は、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、焦点信号の最大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自動合焦点装置を提供することを目的とする。
【００１８】
さらに、本発明は、液晶レンズに印加する電圧を調整することによって、使用環境に応じて合焦点に要する時間を短縮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】
【００１９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、液晶レンズの近傍の温度又は光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて、所定電圧を調整し、且つ液晶レンズ駆動手段を制御して複数の焦点信号を抽出し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る自動合焦点装置では、電圧の調整は、液晶レンズの近傍の温度が低いほど所定電圧を高く設定することが好ましい。
あるいは、本発明に係る自動合焦点装置では、電圧の調整は、画像信号取得周期が短いほど所定電圧を高く設定することが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御により複数の焦点信号を抽出することが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶動作が安定した状態で光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、制御手段は、焦液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶動作が安定した状態で光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、温度又は画像信号取得周期に基づいて、焦点信号一括抽出制御又は焦点信号逐次抽出制御を選択することが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明に係る自動合焦点装置では、焦点信号一括抽出制御又は焦点信号逐次抽出制御の選択は、液晶レンズの近傍の温度に基づいて、液晶レンズの過渡応答動作に要する時間を推定し、且つ推定された時間を画像信号取得周期で除することにより、過渡応答動作中に得られる焦点信号数を算出し、算出した焦点信号数が所定数以上の場合、焦点信号一括抽出制御を選択し、焦点信号数が所定数未満の場合、焦点信号逐次抽出制御を選択することが好ましい。
【００２５】
また、本発明の別の形態に係る自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、液晶レンズ駆動手段を制御して、液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶動作が安定した状態で光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、温度又は画像信号取得周期に基づいて、焦点信号一括抽出制御又は焦点信号逐次抽出制御を選択し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の別の形態に係る自動合焦点装置は、印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、液晶レンズの近傍の温度又は光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて所定電圧を調整し、且つ光電変換手段から生成された画像信号を画像信号取得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から、焦点信号の最大値に対応する液晶レンズの焦点距離を表す信号を取得し、その信号に基づいて液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、焦点距離の調整用に液晶レンズを用い、その液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出し、それら焦点信号の最大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可能となる。
【００２８】
また、本発明によれば、液晶レンズに印加する電圧を調整することによって、使用環境に応じて合焦点に要する時間を短縮することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照して、この発明にかか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。
【００３０】
実施の形態１．
図１は、自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、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、液晶レンズドライバ６および温度センサー６１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、組レンズおよび赤外線カットフィルタを有し、光学レンズ系２から所定距離にある被写体を撮像素子３上に結像する。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ーとアナログ−デジタル変換器を有する。温度センサー６１は、液晶レンズ系１の近傍に配置され、液晶レンズ系１の近傍の温度を測定することにより、液晶レンズ系１の温度を推定する。
【００３１】
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のイメージセンサーにより、電気信号に変換される。イメージセンサーから出力された電気信号は、アナログ−デジタル変換器によりデジタル信号に変換される。ＤＳＰ４は、アナログ−デジタル変換器から出力されたデジタル信号に対して、特定領域の画像の高周波成分を抽出し、焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を求めている。オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号一括抽出制御により、液晶レンズ系１に印加する駆動電圧を変化させた際の過渡応答時に、ＤＳＰ４から出力される焦点整合度に対応した複数のオートフォーカス信号を抽出する。さらに、オートフォーカスコントローラ５は、温度センサー６１からの温度情報及び／又は撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、液晶レンズ系１に印加する電圧を調整する。なお、オートフォーカスコントローラ５は、撮像素子３のフレーム周波数を、撮像素子３の露光時間、光学レンズ系２に設けられる絞りの絞り径などを制御する、図示しない露出コントローラから取得する。
【００３２】
上述した「焦点信号一括抽出制御」とは、例えば、液晶レンズドライバ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学像に基づいて生成された画像信号を、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制御のことを指す。焦点信号一括抽出制御の具体的な方法については後述する。
【００３３】
オートフォーカスコントローラ５は、抽出され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ように、液晶レンズ系１の駆動条件の制御を行う。
【００３４】
オートフォーカスコントローラ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部（ＲＯＭ部）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部（ＲＡＭ部）を有する。液晶レンズドライバ６は、オートフォーカスコントローラ５から出力された制御信号に基づいて液晶レンズ系１に電圧を印加する。
【００３５】
オートフォーカスコントローラ５により実行される処理内容については、後述する。撮像素子３およびＤＳＰ４は、光電変換手段に相当する。オートフォーカスコントローラ５は、液晶レンズ制御手段を駆動する制御手段に相当する。液晶レンズドライバ６は、液晶レンズ制御手段に相当する。温度センサー６１は、温度検出手段に相当する。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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同心円の円周に沿って複数のＣ字状の輪帯電極２１，２２が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。
【００４２】
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、レンズ部１５に重なるように配置される。
【００４３】
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た電圧に応じて、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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（図５（ａ））、液晶の屈折率は、その駆動電圧Ｖ０の立ち上がりのタイミングからｔｆの時間だけ遅れて駆動電圧Ｖ０に対応した状態となる（図５（ｂ））。また、液晶の屈折率は、駆動電圧Ｖ０の立ち下がりのタイミングからｔｒの時間だけ遅れて元の状態に戻る（図５（ｂ））。このｔｆおよびｔｒの時間は、液晶が過渡応答動作をしている期間であり、屈折率が漸次変化する。ここで、上述した通り、駆動電圧Ｖ０は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、焦点信号一括抽出制御に関して説明する。オートフォーカスコントローラ５は、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フレーム周波数でサンプリングする。すなわち、フレーム周波数が画像信号取得周期となる。そして、オートフォーカスコントローラ５は、特定領域の画像の高周波成分を抽出し、焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を求めている。そして、求め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液晶レンズ系１の焦点距離を判定する。オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス信号の最大レベルに対応する焦点距離になるように、液晶レンズドライバ６を通じて、液晶レンズ系１に電圧を印加する。
【００４８】
図６には、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が示されている。
【００４９】
例えば、図６（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（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。
【００５０】
図６（ｂ）の横軸よりも上側および下側に描かれた線は、それぞれ液晶レンズ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。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。
【００５１】
焦点信号一括抽出制御では、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オートフォーカス信号を抽出することができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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刻と液晶レンズ７の焦点距離との関係が求められている。この関係は、例えばオートフォーカスコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５４】
従って、オートフォーカスコントローラ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画像信号をサンプリングした時刻に基づいて、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の各焦点距離とオートフォーカス信号のレベルとの対応関係を得ることができるので、オートフォーカス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。
【００５５】
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、例えばオートフォーカスコントローラ５内の記憶手段５２のＲＯＭ部に格納されている。
【００５６】
従って、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、オートフォーカス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には、液晶レンズ７にどの程度の駆動電圧を印加すればよいかということを知ることができる。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。
【００５７】
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、様々なものが考えられるが、以下に代表的な２例を挙げて説明する。
【００５８】
第１のパターンを図８に示す。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、それぞれ外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒの経時変化及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒの経時変化を表す。各図において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は電圧を表す。また、図８（ｃ）は、第２のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を表す。図８（ｃ）において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は焦点距離ｆの逆数を表す。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、最初に外周部電極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。
【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。
【００６０】
図８（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。
【００６１】
第２のパターンを図９に示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒの経時変化及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒの経時変化を表す。各図において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は電圧を表す。また、図９（ｃ）は、第２のパターンにおける焦点距離ｆの逆数の変化を表す。図９（ｃ）において、グラフの横軸は経過時間を表し、縦軸は焦点距離ｆの逆数を表す。図９（ａ）および図９（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。
【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。
【００６３】
図９（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。
【００６４】
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に示す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。
【００６５】
従って、図１に示す構成では、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、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。
【００６６】
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。
【００６７】
上記第１の電圧印加パターンを例にして説明する。図１０および図１１は、第１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１０または図１１の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように、第１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、複数、特に限定しないが、図示例では６個のオートフォーカス信号が得られる。
【００６８】
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、複数、特に限定しないが、図示例では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。
【００６９】
図１０（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。
【００７０】
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１０（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。
【００７１】
また、図１１（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１１（ｄ）に示すようになる。
【００７２】
この図示例でも、−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。
【００７３】
上記第２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。
【００７４】
次に、オートフォーカスコントローラ５による液晶レンズに印加する電圧の調整制御について説明する。
一般に、液晶レンズの過渡応答動作期間は、液晶レンズの温度が高くなるにつれて短くなる。一方、上述したように、オートフォーカス信号は、撮像された画像信号を撮像素子３のフレーム周波数でサンプリングして取得される。そのため、一定期間内に取得されるオートフォーカス信号の数はフレーム周波数に依存して決定される。一例として、上述した第１の電圧印加パターンに対して、時刻Ｔ０からＴ１の期間及び時刻Ｔ２からＴ３の期間についてそれぞれ５点ずつの計１０点の焦点位置でオートフォーカス信号を取得する場合について説明する。上述した第１の電圧印加パターンでは、時刻Ｔ０からＴ１までの間および時刻Ｔ２からＴ３の間は、立ち上がり応答なので、過渡応答動作期間はそれぞれｔｆである。したがって、それぞれの過渡応答動作期間中に、５個の焦点位置に対するサンプリング信号を取得するためには、フレーム周波数をα（Ｈｚ）として、ｔｆ（ｍｓｅｃ）≧５×（１０００／α）を満たさなければならない。したがって、フレーム周波数が２０Ｈｚとすると、液晶レンズ７の立ち上がり応答時間ｔｆが２５０ｍｓｅｃ以上でなければ、所定数のオートフォーカス信号を取得できないことになる。なお、フレーム周波数は、被写体の明暗による露光時間の変化に応じて変化する。例えば、被写体が明るい場合、露出オーバーとなることを避けるために、撮像素子３のフレーム周波数は高く設定される。逆に、被写体が暗い場合、露出アンダーとなることを避けるために、撮像素子３のフレーム周波数は低く設定される。
【００７５】
さらに、印加する電圧が高いほど、液晶レンズ７の立ち上がり応答時の過渡応答動作期間ｔｆ、立ち下がり応答時の過渡応答動作期間ｔｒとも短くなる。そこで、オートフォーカスコントローラ５は、液晶レンズの温度が低いほど、印加電圧を高くなるように設定する。そのように制御することで、液晶レンズの温度が低い場合でも、過渡応答動作期間を短縮し、オートフォーカス処理を短時間で行うことができる。また、オートフォーカスコントローラ５は、被写体が明るく、フレーム周波数が高い場合、短時間で所定数のサンプリング信号を取得することができるので、さらに印加電圧を高くする。そのように制御することで、より短時間でオートフォーカス処理を行うことができる。
【００７６】
そのために、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号一括抽出制御中に、液晶レンズ７パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを示したテーブル（以下、電圧テーブルとする）を予め複数準備し、記憶手段５２に記憶しておく。そして、オートフォーカスコントローラ５は、液晶レンズ系１近傍の温度と撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、それら電圧テーブルから最適なものを選択する。なお、電圧テーブルを選択するために、各電圧テーブルには、その電圧テーブルを使用する温度およびフレーム周波数の条件が関連付けられる。具体的には、例えば、温度とフレーム周波数で使用する電圧テーブルを決定するルックアップテーブルを予め準備し、オートフォーカスコントローラ５の記憶手段５２に記憶しておく。
【００７７】
図１２及び図１３を用いて、この制御について詳細に説明する。図１２（ａ）〜（ｄ）は、液晶レンズ系１近傍の温度と撮像素子３のフレーム周波数に基づいて決定される、液晶レンズ７パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒの電圧テーブルの例を示す。図１２（ａ）に示す電圧テーブル１は、温度が２０℃以上でフレーム周波数が４０Ｈｚ未満の場合を示す。また、図１２（ｂ）に示す電圧テーブル２は、温度が２０℃未満でフレーム周波数が４０Ｈｚ未満の場合を示す。同様に、図１２（ｃ）に示す電圧テーブル３は、温度が２０℃以上でフレーム周波数が４０Ｈｚ以上の場合を示す。さらに、図１２（ｄ）に示す電圧テーブル４は、温度が２０℃未満でフレーム周波数が４０Ｈｚ以上の場合を示す。図１２の各電圧テーブルにおいて、初期状態、凸状態、フラット状態及び凹状態は、それぞれ上記第１の電圧印加パターンにおける時刻〜Ｔ０、時刻Ｔ０〜Ｔ１、時刻Ｔ１〜Ｔ２、時刻Ｔ２〜Ｔ３の状態に対応する。
また、図１２（ｅ）は、電圧テーブルを選択するためのルックアップテーブルを示す。図１２（ｅ）において、テーブルの左端の縦列は温度範囲を示し、テーブルの上端列はフレーム周波数を示す。そして、テーブルの各欄の数値は、各電圧テーブルに関連付けられた識別番号を示す。
【００７８】
図１３は、オートフォーカスコントローラ５による、液晶レンズ７へ印加する電圧の調製制御の動作を示すフローチャートである。
まず、温度センサー６１から液晶レンズ系１近傍の温度及び撮像素子３のフレーム周波数を取得する（ステップＳ１０１）。次に、上記のルックアップテーブルを記憶手段５２から読み込む（ステップＳ１０２）。そして、ルックアップテーブルを参照して、取得した温度およびフレーム周波数に該当する電圧テーブルを特定する（ステップＳ１０３）。電圧テーブルを特定すると、その特定された電圧テーブルを記憶手段５２から読み込み、液晶レンズ７パターン電極１０の外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒ及び中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを決定する（ステップＳ１０４）。
【００７９】
なお、上記では、液晶レンズ７に印加する電圧を示した電圧テーブルを４通り準備したが、さらに多数の電圧テーブルを準備してもよい。特に、液晶レンズ系１の温度によって、液晶レンズ７の応答速度は大きく変動するので（例えば、図１４参照）、液晶レンズ系１近傍の温度が５℃変化する度に、異なる電圧テーブルを準備してもよい。
また、本実施形態にかかる自動合焦点装置に冷却装置が付加されるような場合、液晶レンズ系１の温度をほぼ一定に保つことができる。この場合、上記の印加電圧の調整を、過渡応答動作に要する時間を一定と仮定して、フレーム周波数のみに基づいて行ってもよい。同様に、撮像素子３の露出調整を、光学レンズ系２の絞りのみで行う場合には、フレーム周波数は一定となる。この場合、上記の印加電圧の調整を、フレーム周波数を一定として、温度のみに基づいて行ってもよい。
【００８０】
さらに、一般に、液晶の立ち上がり応答時の過渡応答動作期間は、立ち下がり応答時の過渡応答動作期間よりも短い。そこで、フレーム周波数が高い場合には、液晶レンズの立ち上がり応答時の過渡応答時にサンプリングを行ってオートフォーカス信号を取得し、フレーム周波数が低い場合には、液晶レンズの立ち下がり応答時の過渡応答時にサンプリングを行ってオートフォーカス信号を取得するようにしてもよい。
【００８１】
以上説明したように、本実施形態によれば、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。また、液晶レンズ系の温度及び撮像素子のフレーム周波数を考慮して、液晶レンズに印加する駆動電圧を調整することにより、液晶レンズの過渡応答期間を調整するので、オートフォーカス処理をより短時間で実行することができる。
【００８２】
次に、オートフォーカスコントローラ５によるオートフォーカス処理の別の制御方法について説明する。この場合、オートフォーカスコントローラ５は、上述した焦点信号一括抽出制御の代わりに、焦点信号逐次抽出制御によってオートフォーカス信号を取得することもできる。そして、オートフォーカスコントローラ５は、温度センサー６１から取得した温度及びフレーム信号に基づいて、オートフォーカス処理の際、焦点信号逐次抽出制御または焦点信号一括抽出制御の何れかを選択して使用する。
【００８３】
上述した「焦点信号逐次抽出制御」とは、例えば、液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズドライバにより液晶レンズに印加する電圧を変化させて、液晶レンズの液晶の動作が安定した状態でサンプリングすることにより複数の焦点信号を抽出する制御のことを指す。この制御によって所定数の焦点位置に対するオートフォーカス信号を取得するためには、焦点位置の数×過渡応答動作期間に相当する時間を要する。なお、焦点信号逐次抽出制御の具体的な方法については後述する。
【００８４】
図１４及び図１５を用いて、焦点信号逐次抽出制御と焦点信号一括抽出制御の選択について説明する。図１４は、液晶に電圧を印加したときの温度毎の応答時間、焦点信号逐次抽出時の処理時間及び焦点信号一括抽出時のサンプリング数を示す図表である。図１４において、一例として、駆動電圧Ｖ０の３Ｖから５Ｖへの立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｆ、および駆動電圧Ｖ０の５Ｖから３Ｖへの立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒを示す。
【００８５】
図１４の図表から、例えば、温度が４０℃の場合に、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｆおよび立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒは、それぞれ１００ミリ秒および１５０ミリ秒であり、温度が２０℃の場合に、立ち上がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｆおよび立ち下がりに対する液晶の過渡応答動作期間ｔｒは、それぞれ２５０ミリ秒および３７５ミリ秒であることがわかる。
【００８６】
ここで、本実施形態における液晶レンズ系１及び光学レンズ系２を含む光学系が、被写体の像を撮像素子３上に合焦するために、液晶レンズ系１の焦点距離を、１０ポジションに分けて変化させるものとする。図１４の逐次抽出時処理時間は、近遠景に対して予め設定されている焦点位置が１０ポジションである場合の処理時間であり、一括抽出時サンプリング数１は、フレーム周波数２０Ｈｚ、すなわち５０ミリ秒毎にオートフォーカス信号が求められる場合の液晶の過渡応答動作中のサンプリング数である。一括抽出時サンプリング数２は、フレーム周波数４０Ｈｚ、すなわち２５ミリ秒毎にオートフォーカス信号が求められる場合の液晶の過渡応答動作中のサンプリング数である。なお、一括抽出時サンプリング数は、液晶レンズ７のパワーを負から正までの設定された範囲全域で変化させる間に取得されるサンプリング数である。したがって、そのサンプリング数は、少なくとも２回の過渡応答動作に要する時間に基づいて算出される。
【００８７】
ここで、図１４の逐次抽出時処理時間に示すように、１５℃より低い温度において、逐次抽出制御を行ってしまうと、３秒以上のオートフォーカス動作時間が必要となってしまい、実用的なものではなくなってしまう。一方、被写体が比較的暗い場合、図１４の一括抽出時サンプリング数１に示すように、２０℃より高い温度では、過渡応答動作中に取得できるサンプリング数が、近遠景に対して予め設定されている焦点位置のポジション数よりも少ない。そのため、一括抽出制御を行ってしまうと、全ての焦点位置に対応するオートフォーカス信号を取得できなくなってしまい、正確な焦点位置を判定できなくなってしまう。しかし、被写体が比較的明るい場合、図１４の一括抽出時サンプリング数２に示すように、温度が３０℃以下であれば、一括抽出制御を行っても、近遠景に対して設定されている１０ポジションの焦点位置全てのオートフォーカス信号を取得することが可能となる。
【００８８】
そこで、オートフォーカスコントローラ５は、温度センサー６１から得た温度に基づいて液晶レンズ系１に含まれる液晶レンズ７の過渡応答動作期間を算出し、その過渡応答動作期間とフレーム周波数に基づいて、一括抽出制御を行った場合に取得可能なサンプリング数を算出する。そして、そのサンプリング数が、所定の焦点位置のポジション数以上となる場合は、一括抽出制御を行い、それ以外の場合には、逐次抽出制御を行う。なお、図１４から分かるように、例えば、２０℃の場合、一括抽出制御におけるオートフォーカス信号の取得に要する時間は、時刻Ｔ０〜Ｔ１が２５０ミリ秒、時刻Ｔ１〜Ｔ２が３７５ミリ秒、そして時刻Ｔ２〜Ｔ３が２５０ミリ秒となるので、合計で８７５ミリ秒となる。
【００８９】
次に、オートフォーカスコントローラ５におけるオートフォーカス処理について、図１５のフローチャートを用いて説明する。図１５は、実施の形態１における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【００９０】
オートフォーカス処理が開始されると、まず、図１に示した温度センサー６１より液晶レンズ系１の近傍の温度を検出する（ステップＳ２０１）。
【００９１】
次に、検出した温度に基づき、記憶手段５２から液晶レンズ７の過渡応答動作期間と温度との関係を示したテーブルを読み込み、液晶レンズ７の過渡応答動作期間を算出する（ステップＳ２０２）。そして、液晶レンズ７の応答時間と、フレーム周波数に基づいて、液晶レンズ７の焦点距離を設定範囲全域にわたって変化させる間に、取得可能なオートフォーカス信号のサンプリング数を算出する（ステップＳ２０３）。そして、算出したサンプリング数と、焦点位置のポジション数を比較する（ステップＳ２０４）。算出したサンプリング数が焦点位置のポジション数以上の場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号一括抽出制御を選択する（ステップＳ２０５）。
【００９２】
一方、ステップＳ２０４において、算出したサンプリング数が所定の焦点位置のポジション数よりも少ない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号逐次抽出制御を選択する（ステップＳ２０６）。
【００９３】
このように、液晶レンズ系１の近傍の温度と撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、焦点信号逐次抽出制御と焦点信号一括抽出制御を選択して使用することにより、オートフォーカス処理に要する時間を極力少なく抑えつつ、正確なフォーカスを行うことができる。
なお、オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号逐次抽出制御と焦点信号一括抽出制御の選択に、上述した印加電圧調整制御を組み合わせてもよい。この場合、オートフォーカスコントローラ５は、印加電圧の調整を行っても、所定のサンブリング数を確保できない特定条件では焦点信号逐次抽出制御を行い、それ以外の条件では焦点信号一括抽出制御を行う。そのような選択制御を行うために、例えば、上述した電圧テーブル選択のルックアップテーブルにおいて、上記の特定条件に相当する部分に、電圧テーブルの識別番号の代わりに焦点信号逐次抽出制御を示すコードを埋め込んだルックアップテーブル（ここでは、統合ルックアップテーブルと呼ぶ）を予め準備する。そして、オートフォーカスコントローラ５は、上述した図１３の手順と同様に、取得した温度およびフレーム周波数に基づいて、統合ルックアップテーブルを参照することにより、焦点信号逐次抽出制御を行うか、焦点信号一括抽出制御を行うか判定することができる。また、焦点信号一括抽出制御が選択される場合には、液晶レンズへの印加電圧も決定できる。
【００９４】
次に、焦点信号逐次抽出制御について説明する。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、それぞれスキャン方式及び山登り方式による焦点信号逐次抽出制御による動作を模式的に示した図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）において、横軸は液晶レンズ７の焦点距離を表し、縦軸はオートフォーカス信号を表す。
図１６（ａ）に示すスキャン方式では、オートフォーカスコントローラ５が液晶レンズドライバ６を通じて、あるポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズ７に印加し、図１４の過渡応答動作期間経過後にオートフォーカス信号を取得する。その後、次のポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズ７に印加して、図１４の過渡応答動作期間経過後に、オートフォーカス信号の取得を行う。そして、このような動作を繰り返し行い、全フォーカシング領域のオートフォーカス信号を求める。オートフォーカスコントローラ５は、その中から、オートフォーカス信号の最大値を求め、その最大値に対応する駆動電圧を液晶レンズ７に印加して合焦する。
【００９５】
また、図１６（ｂ）に示す山登り方式では、取得したオートフォーカス信号を、直前に取得したオートフォーカス信号と比較して増減を逐次調べながら最大値を求める。
焦点信号逐次抽出制御では、上記のスキャン方式と山登り方式の何れを用いても構わないが、以下ではスキャン方式に基づいて説明する。
【００９６】
図１７及び図１８を用いて、この焦点信号逐次抽出制御における、液晶レンズ７への電圧印加方法について説明する。図１７（ａ）は、焦点信号逐次抽出時における印加電圧の変化を示す。また、図１７（ｂ）は、合焦時における印加電圧の変化を示す。さらに、図１７（ｃ）は、合焦後における印加電圧の変化を示す。各図において、縦軸は印加電圧を表す。また、図の左端は、中心部電極２０への印加電圧Ｖｉｎｎｅｒを表し、図の右端は、外周部電極２２への印加電圧Ｖｏｕｔｅｒを表す。そして左端と右端の中間部分は、各輪帯電極２１に印加される電圧を模式的に表し、右端に近いほど外周部電極２２に近い輪帯電極に印加される電圧を表す。
【００９７】
図１７（ａ）に示すように、まず、オートフォーカスコントローラ５は、パターン電極１０の中心部電極２０に印加する電圧Ｖｉｎｎｅｒを点１７１を固定する。そして、液晶レンズ７に立ち上がり応答動作のみを行わせるように、印加電圧を変化させる。すなわち、オートフォーカスコントローラ５は、外周部電極２２に印加する電圧Ｖｏｕｔｅｒを図中の点１７２から１７３にまで変化するように、外周部電極２２に印加する電圧のみを徐々に高く変化させる。
【００９８】
図１８（ａ）は、図１７（ａ）に対応する制御を行う場合の印加電圧の具体例を示す。図１８（ａ）では、液晶レンズ系１および光学レンズ系２からなる光学系の焦点位置を無限遠から最短撮影距離までの間で１０ポジションに設定した場合において、各焦点位置で液晶レンズ７の中心部電極２０及び外周部電極２２に印加する電圧を示す。この例では、中心部電極２０に印加する電圧を５．５Ｖで固定する。そして、光学系の合焦位置が無限遠から徐々に短くなるように液晶レンズ７の焦点距離を凹から凸に変化させるため、オートフォーカスコントローラ５は、外周部電極２２に印加する電圧を、負のパワーが最大となる状態（レンズレベル９）に相当する３．５Ｖから、正のパワーが最大となる状態（レンズレベル０）に相当する７．５Ｖまで変化させる。なお、各レンズレベルｉ（ｉ＝０，１，２，．．．，９）は、各焦点位置に対応する液晶レンズ系１の焦点距離を便宜的に表したものである。
【００９９】
全てのポジションのオートフォーカス信号を取得すると、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス信号が最大となるレンズレベルを求める。そして、オートフォーカスコントローラ５は、合焦するために、求めたレンズレベルとなるように、液晶レンズドライバ６を通じて液晶レンズ７に電圧を印加する。
その際、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス信号取得時において、印加電圧を固定した方の電極に対する電圧を調整する。例えば、外周部電極２２に対する印加電圧が、図１７（ａ）の点１７４のところでオートフォーカス信号が最大となったとする（このとき、レンズレベルをＬｍａｘとする）。オートフォーカスコントローラ５は、図１７（ｂ）に示すように、外周部電極２２の印加電圧を点１７３で固定し、中心部電極２０に印加する電圧を上昇させる。そして、その印加電圧Ｖｉｎｎｅｒを、液晶レンズ７のレンズレベルがＬｍａｘとなる点１７５に設定する。このように電圧を調整することで、液晶の立ち上がり応答だけを用いて合焦させることができるので、オートフォーカス処理を高速化することができる。なお、図１７（ａ）において、点１７４でオートフォーカス信号が最大であると判定できる場合は、必ずしも点１７３まで順にスキャンする必要はなく、オートフォーカス信号が最大値と判定できた時点で、点１７３までＶｏｕｔｅｒをシフトさせても構わない。この様に制御することにより、オートフォーカス制御に要する時間をより短縮させることができる。
【０１００】
上記のようなオートフォーカス処理を行う場合、複数回のオートフォーカス処理を続けて実行すると、液晶レンズ７に印加する電圧が徐々に上昇する。そのため、液晶レンズドライバ６は、液晶レンズ７の駆動電圧範囲を広く持つ必要が生じる。または、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス処理の度に、液晶レンズ７のパワーが正の最大設定値から負の最大設定値となるように、あるいは、液晶レンズ７のパワーが負の最大設定値から正の最大設定値となるように、印加電圧を固定しない方の電極に印加する電圧を下げなければならず、オートフォーカス信号の取得を開始する前に多くの時間を要してしまう。
【０１０１】
そこで、オートフォーカスコントローラ５は、一旦オートフォーカス処理が行われた後、オートフォーカス処理と関係のないタイミングで、中心部電極２０及び外周部電極２２に印加する電圧を、液晶レンズ７のレンズレベルを合焦時の状態に保つようにして、待機時の基準電圧まで低下させる。なお、オートフォーカス処理と関係のないタイミングとは、例えば、シャッタが切られた直後の、キャプチャされた画像が図示しない画像メモリに書き込まれている期間である。このように、キャプチャ画像の書き込み中に印加電圧を低下させることにより、キャプチャ画像の書き込み中、ビューファインダにその書き込み中のキャプチャ画像を表示するカメラでは、電圧低下時の過渡応答によるピントのずれをユーザに気付かせずに済ませることができる。あるいは、オートフォーカスコントローラ５は、３段階程度に分けて、徐々に基準電圧まで低下させてもよい。このように制御すると、キャプチャ画像の書き込み中も、ビューファインダに最新のキャプチャ画像を表示するカメラであっても、各段階での過渡応答時のゆらぎが小さいため、ピントのずれをユーザに気付かれることなく、液晶レンズ７の印加電圧を低下させることができる。
【０１０２】
図１８（ｂ）に、待機時におけるレンズレベルと中心部電極２０及び外周部電極２２に印加する基準電圧の関係を表すテーブルの一例を示す。このテーブルは予め準備され、オートフォーカスコントローラ５の記憶手段５２に記憶される。そして、待機時の基準電圧の取得時に使用される。
図１７（ｃ）に示すように、オートフォーカスコントローラ５は、合焦時のレンズレベルＬｍａｘに基づき、図１８（ｂ）に示したテーブルを参照して、レンズレベルＬｍａｘに対応する中心部電極２０および外周部電極２２への印加電圧１７６、１７７を取得する。そして、オートフォーカスコントローラ５は、取得した印加電圧になるように、液晶レンズドライバ６を制御し、液晶レンズ７への印加電圧を低下させる。
【０１０３】
液晶レンズ７が待機時にある場合において、再度オートフォーカス処理を実行する場合、オートフォーカスコントローラ５は、中心部電極２０に対する印加電圧をレンズレベルが９（液晶レンズ７のパワーが負の最大値）になるまで上昇させる。その後、上記と同様にオートフォーカス処理を実行する。
【０１０４】
以上説明してきたように、焦点信号逐次抽出制御において、立ち上がり応答のみを用いることにより、オートフォーカス処理に要する時間を抑制することができる。
また、オートフォーカス処理に関係しないタイミングで液晶レンズに印加する電圧を低下させるよう液晶レンズドライバ６を制御することで、液晶レンズドライバ６は、広い駆動電圧範囲を持つ必要が無く、またオートフォーカス処理に要する時間の増大を防止することができる。
【０１０５】
なお、オートフォーカスコントローラ５は、オートフォーカス処理開始直前の液晶レンズ７に対する電圧印加状態を参照して、中心部電極２０に印加する電圧と外周部電極２２に印加する電圧のどちらを固定するかを決定してもよい。この場合、オートフォーカス処理開始時の初期状態を達成するまでに要する時間が少なくて済むように、印加されている電圧が高い方を基準電圧として固定する。例えば、オートフォーカス処理開始直前において、液晶レンズ７が、凹レンズである場合、中心部電極２０に印加された電圧の方が外周部電極２２に印加された電圧よりも高いため、中心部電極２０に印加する電圧を基準電圧として固定する。逆に、オートフォーカス処理開始直前において、液晶レンズ７が、凸レンズである場合、外周部電極２２に印加された電圧の方が中心部電極２０に印加された電圧よりも高いため、外周部電極２０に印加する電圧を基準電圧として固定する。
【０１０６】
さらに、逐次抽出制御によってフォーカス動作を行う場合においても、一括抽出制御を行う場合と同様に、液晶レンズ系１の温度等に基づいて、液晶レンズ７に印加する電圧を調整してもよい。
また、一括抽出制御を、上述した逐次抽出と同様に、立ち上がり応答のみを用いて実行するようにしてもよい。この場合、オートフォーカスコントローラ５は、例えば、中心部電極２０に印加する電圧を固定し、一方、外周部電極２２に印加する電圧を、液晶レンズ７のレンズレベルが９（液晶レンズ７のパワーが負の最大値となる状態）になるように設定する。その後、オートフォーカスコントローラ５は、外周部電極２２に印加する電圧を、液晶レンズ７のレンズレベルが０（液晶レンズ７のパワーが正の最大値となる状態）となる値まで上昇させる。そして、液晶レンズ７の過渡応答動作中のオートフォーカス信号を順次取得すればよい。
【０１０７】
実施の形態２．
図１９は、本発明の自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。図１９に示すように、本発明の自動合焦点装置は、カメラレンズユニット７０とオートフォーカスコントローラ５から構成される。ここで、カメラレンズユニット７０は、液晶レンズ系１、光学レンズ系２、撮像素子３、液晶（ＬＣ）レンズコントローラ１００、温度センサー６１とを備えている。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、組レンズおよび赤外線カットフィルタを有し、光学レンズ系２から所定距離にある被写体を撮像素子３上に結像する。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ーとアナログ−デジタル変換器を有する。温度センサー６１は液晶レンズ系１の近傍に配置され、液晶レンズ系１の近傍の温度を測定して液晶レンズ系１の温度を推定する。
【０１０８】
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のイメージセンサーにより、電気信号に変換される。イメージセンサーから出力された電気信号は、アナログ−デジタル変換器によりデジタル信号に変換される。オートフォーカスコントローラ５は、アナログ−デジタル変換器から出力されたデジタル信号に対して、所定の周期のサンプリングで、特定領域の画像の高周波成分を抽出し、焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を求めている。そして、求め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焦点位置を判定し、液晶レンズコントローラ１００に対してそのレベルが最大となる焦点位置に対応するレンズレベルを設定する。なお、レンズレベルは、上記の焦点信号逐次抽出制御で説明したのと同様に、各焦点位置に対応する液晶レンズ系１の焦点距離を便宜的に表したものである。
【０１０９】
オートフォーカスコントローラ５は、上述した一連の制御を行うマイクロプロセッサ２０１と（第２の）記憶手段２０２を有する。（第２の）記憶手段２０２は、マイクロプロセッサ２０１が実行するプログラムを格納した読み出し専用メモリ部（ＲＯＭ部）と、マイクロプロセッサ２０１が作業領域として使用する書き込み可能なメモリ部（ＲＡＭ部）を有する。
【０１１０】
液晶レンズコントローラ１００は、液晶レンズ駆動手段１０１、（第１の）記憶手段１０２、計測手段１０３および電圧調整手段１０４を備えている。オートフォーカスコントローラ５からオートフォーカス処理開始要求を受けると、計測手段１０３により、過渡応答開始からの経過時間を計測する。（第１の）記憶手段１０２には、温度毎に、過渡応答開始からの経過時間とそのときのレンズレベルを予め記憶しておく。液晶レンズ駆動手段１０１は、過渡応答中には、後述する駆動方法により、液晶レンズ系１に電圧を印加する。電圧調整手段１０４は、液晶レンズ系１の近傍の温度および撮像素子３のフレーム周波数（画像信号取得周期）を参照して、液晶レンズ系１に印加する電圧を調整する。
【０１１１】
撮像素子３は、光電変換手段に相当する。オートフォーカスコントローラ５は、焦点信号抽出手段、第２の記憶手段に相当し、焦点信号の一括抽出を行う。液晶レンズコントローラ１００は、制御手段、液晶レンズ駆動手段、第１の記憶手段、計測手段に相当する。温度センサー６１は、温度検出手段に相当する。
【０１１２】
このように、カメラレンズユニット７０内の液晶レンズコントローラ１００が過渡応答開始からの経過時間に対応したレンズレベルを保持するため、オートフォーカスコントローラ５は液晶パネルの特性やバラツキを考慮することなく、正確にレンズレベルを取得することができる。
【０１１３】
実施の形態２にかかる自動合焦点装置における液晶レンズ系１の構成については、図２および３に示した実施の形態１に係る自動合焦点装置と同様であるのでそれらの説明は省略する。また、実施の形態２に係る自動合焦点装置における液晶レンズ７に備えたパターン電極１０の構成とこの液晶レンズ７の作用についても、図４に示した実施の形態１にかかる自動合焦点装置と同様であるのでそれらの説明は省略する。また、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も、図５に示した実施の形態１にかかる自動合焦点装置と同様であるのでそれらの説明は省略する。また、実施の形態２にかかる自動合焦点装置における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は、図６に示した実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。さらに、液晶レンズに印加する電圧の調整についても、実施の形態１に係る電圧調整制御と同様であるため、その説明は省略する。
【０１１４】
次に、オートフォーカスコントローラ５と液晶レンズコントローラ１００とにおける自動合焦処理について、図２０のフローチャートを用いて説明する。図２０は、実施の形態２における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【０１１５】
オートフォーカス処理が開始されると、まず、オートフォーカスコントローラ５においては、液晶レンズコントローラ１００に対して、焦点信号抽出開始要求を出力する（ステップＳ３０１）。
そして、ステップＳ３０２において、液晶レンズコントローラ１００に対して、レンズレベル取得要求を出力する（ステップＳ３０２）。
【０１１６】
一方、液晶レンズコントローラ１００においては、オートフォーカスコントローラ５からの焦点信号抽出開始要求を受けると、温度センサ６１より液晶レンズ系１の近傍の温度を取得する。またオートフォーカスコントローラ５から撮像素子３のフレーム周波数を取得する（ステップＳ４０１）。そして、上述した電圧調整制御に基づいて、液晶レンズ系１に印加する電圧を調整する（ステップＳ４０２）。なお、撮像素子３のフレーム周波数は、オートフォーカスコントローラ５より受信する。そして、上述した電圧印加方法により、過渡応答動作を開始する（ステップＳ４０３）。ここで、過渡応答の開始の際には、計測手段１０３により、過渡応答動作が開始してからの経過時間の計測を開始する（ステップＳ４０４）。
【０１１７】
そして、液晶レンズコントローラ１００においては、予め（第１の）記憶手段１０２に記憶している過渡応答終了時間と計測手段１０３による経過時間とを比較して（ステップＳ４０５）、過渡応答終了時間を経過している場合（ステップＳ４０５：Ｙｅｓ）は、過渡応答動作を終了する。
【０１１８】
それに対して、ステップＳ４０５において、過渡応答終了時間が経過していない場合（ステップＳ４０５：Ｎｏ）は、オートフォーカスコントローラ５からのレンズレベル取得要求（リクエスト）を受信したか否かの判断を行う（ステップＳ４０６）。ここで、オートフォーカスコントローラ５からのレンズレベル取得要求がない間（ステップＳ４０６：Ｎｏ）は、ステップＳ４０４に戻り、以後、ステップＳ４０５とステップＳ４０６とを繰り返す。
【０１１９】
また、ステップＳ４０６において、オートフォーカスコントローラ５からのレンズレベル取得要求を受けた場合（ステップＳ４０６：Ｙｅｓ）は、取得した液晶レンズ系１の近傍の温度に基づいて（第１の）記憶手段１０２に記憶している温度情報毎のレンズレベルテーブルから過渡応答開始からの経過時間に対応したレンズレベルを取得し（ステップＳ４０７）、オートフォーカスコントローラ５にレンズレベルを送信する（ステップＳ４０８）。既に、過渡応答動作が終了している場合には、レンズレベルの代わりに、過渡応答動作が示すレンズレベルとして、例えば負数の値をオートフォーカスコントローラ５に送信する。
【０１２０】
一方、オートフォーカスコントローラ５においては、液晶レンズコントローラ１００からレンズレベルを受け取ると、過渡応答動作中であるかを判断し（ステップＳ３０３）、過渡応答動作中であれば、オートフォーカス（ＡＦ）値を算出し（ステップＳ３０５）、過渡応答を開始してから最も大きいオートフォーカス値であるか否かを判断し（ステップＳ３０６）、最も大きいオートフォーカス値である場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）は、オートフォーカスコントローラ５内の（第２の）記憶手段２０２に、その時点のオートフォーカス値とレンズレベルを保持（更新）する（ステップＳ３０７）。一方、最も大きいオートフォーカス値でない場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）は、何もせずに、ステップＳ３０８へ移行する。
【０１２１】
そして、例えばフレーム時間である５０ミリ秒後（ステップＳ３０８）に、ステップＳ３０２に戻り、以後、過渡応答動作が完了するまで繰り返す。ステップＳ３０３において、過渡応答動作が完了していた場合（ステップＳ３０３：Ｎｏ）は、（第２の）記憶手段２０２に記憶している最も大きなオートフォーカス値となったレンズレベルを液晶レンズコントローラ１００に対して設定し（ステップＳ３０４）、一連の処理を終了する。
【０１２２】
ここで、ステップＳ４０７における第１の記憶手段１０２に記憶しているレンズレベルテーブルについて説明する。図２１は、過渡応答動作開始からの経過時間とレンズレベルとの対応テーブル例を示す図表である。
【０１２３】
図２１の図表に示す（第１の）記憶手段１０２におけるレンズレベルテーブルは、予め設定された温度状態（ここでは、一例として温度状態１〜４を示している。）毎の、過渡応答からの経過時間とレンズレベルとの関係を示している。本図表に記載したデータは、液晶レンズ７の光学的な実特性に基づいてテーブルが作成されている。また、経過時間とレンズレベルとのテーブルは、５℃刻みや１０℃刻みの温度状態毎に設けている。これも光学的な特性に基づいて設定すべきである。
【０１２４】
例えば、温度状態１においては、過渡応答が開始してから１５０ミリ秒未満の時には、オートフォーカスコントローラ５には、レンズレベル「０」を送信する。同様に、１５０ミリ秒以上２５０ミリ秒未満のときにはレンズレベル「１」、２５０ミリ秒以上３３０ミリ秒未満のときにはレンズレベル「２」、３３０ミリ秒以上４５０ミリ秒未満のときにはレンズレベル「３」、４５０ミリ秒以上６００ミリ秒未満の時にはレンズレベル「４」、６００ミリ秒以上６８０ミリ秒未満の時にはレンズレベル「５」、６８０ミリ秒以上７８０ミリ秒未満の時にはレンズレベル「６」、７８０ミリ秒以上９００ミリ秒未満の時にはレンズレベル「７」、９００ミリ秒以上１０００ミリ秒未満の時にはレンズレベル「８」、１０００ミリ秒以上の時にはレンズレベルとして「負数」をオートフォーカスコントローラ５に送信する。
【０１２５】
そして、他の温度状態２〜４においても、図２１の図表に示すデータに基づき動作させる。なお、本データは一例を示したものであり、温度情報を５以上設けることにより、より精度よくレンズレベルを制御することができる。
【０１２６】
以上のように、実施の形態２によれば、液晶レンズの過渡応答動作中に焦点整合度に対応した複数の焦点信号を一括して抽出することにより、実用にあたって十分な速さで合焦点検出することができる。また、カメラレンズユニット７０内の液晶レンズコントローラ１００で過渡応答開始からの経過時間に対応したレンズレベルを保持することで、オートフォーカスコントローラ５では液晶レンズの特性を考慮することなく、独立したモジュールとして設計、作成することができる。
なお、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、液晶レンズの近傍の温度及び／又は撮像素子３のフレーム周波数に基づいて、焦点信号一括制御と焦点信号逐次抽出制御を選択するようにしてもよい。そして、焦点信号逐次制御に基づいてオートフォーカス処理を行う場合には、オートフォーカスコントローラ５がレンズレベル取得要求を出す代わりに、液晶レンズコントローラ１００は、液晶レンズのレンズレベルを変更し、液晶の過渡応答動作が終了する度に、オートフォーカスコントローラ５にレンズレベルを送信する。そして、オートフォーカスコントローラ５は、レンズレベルを取得する度にオートフォーカス信号を算出する。
【０１２７】
以上において本発明は、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、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、液晶の種類もネマティック液晶に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
以上のように、本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】
【０１２９】
【図１】図１は、本発明にかかる自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、液晶レンズの構成を示す正面図である。
【図３】図３は、液晶レンズの構成を示す断面図である。
【図４】図４は、パターン電極の構成を示す正面図である。
【図５】図５は、液晶に電圧を印加したときの屈折率の変化を示す説明図である。
【図６】図６は、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を示す説明図である。
【図７】図７は、静的な状態における液晶レンズの焦点距離と駆動電圧との関係の一例を示す図表である。
【図８】図８は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの一例を示した図である。
【図９】図９は、本発明に係る自動合焦点装置で用いられる電圧印加のパターンの別の一例を示した図である。
【図１０】図１０は、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１１】図１１は、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１２】液晶レンズに印加する駆動電圧の組み合わせのテーブルの例を示した図である。
【図１３】液晶レンズに印加する駆動電圧を調整する動作を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、液晶に電圧を印加したときの温度毎の応答時間と焦点信号逐次抽出時の処理時間と焦点信号一括抽出時のサンプリング数を示す図表である。
【図１５】図１５は、実施の形態２における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、焦点信号逐次抽出制御の動作を模式的に示す図である。
【図１７】図１７は、焦点信号逐次抽出制御における液晶レンズに印加する電圧の変化の一例を示した図である。
【図１８】図１８は、焦点信号逐次抽出制御における液晶レンズに印加する電圧の一例を示した図表である。
【図１９】図１９は、実施の形態２における自動合焦点装置を示すブロック図である。
【図２０】図２０は、実施の形態２における自動合焦点装置のオートフォーカス動作を示すフローチャートである。
【図２１】図２１は、過渡応答動作開始からの経過時間とレンズレベルとの対応テーブル例を示す図表である。
【符号の説明】
【０１３０】
１，７ 液晶レンズ
２ 光学レンズ手段（組レンズ）
３ 光電変換手段（撮像素子）
４ 光電変換手段（ＤＳＰ）
５ 制御手段（オートフォーカスコントローラ）
６ 液晶レンズ駆動手段（液晶レンズドライバ）
８，９ ガラス基板
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 輪帯電極
２２ 輪帯電極（外周部電極）
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
５１ マイクロプロセッサ
５２ 記憶手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度又は前記光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて、前記所定電圧を調整し、且つ前記液晶レンズ駆動手段を制御して複数の焦点信号を抽出し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項２】
前記電圧の調整は、前記液晶レンズの近傍の温度が低いほど前記所定電圧を高く設定する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項３】
前記電圧の調整は、前記画像信号取得周期が短いほど前記所定電圧を高く設定する、請求項１又は２に記載の自動合焦点装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御により複数の焦点信号を抽出する、請求項１〜３の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに印加する電圧を変化させて、前記液晶レンズの液晶動作が安定した状態で前記光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出する、請求項１〜３の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、
前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は前記液晶レンズに印加する電圧を変化させて、前記液晶レンズの液晶動作が安定した状態で前記光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、
前記温度又は前記画像信号取得周期に基づいて、前記焦点信号一括抽出制御又は前記焦点信号逐次抽出制御を選択する、請求項１〜３の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項７】
前記焦点信号一括抽出制御又は前記焦点信号逐次抽出制御の選択は、前記温度に基づいて、前記液晶レンズの過渡応答動作に要する時間を推定し、且つ推定された時間を前記画像信号取得周期で除することにより、過渡応答動作中に得られる焦点信号数を算出し、前記焦点信号数が所定数以上の場合、前記焦点信号一括抽出制御を選択し、前記焦点信号数が前記所定数未満の場合、前記焦点信号逐次抽出制御を選択する、請求項６に記載の自動合焦点装置。
【請求項８】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、
液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は前記液晶レンズに印加する電圧を変化させて、前記液晶レンズの液晶動作が安定した状態で前記光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、前記温度又は前記画像信号取得周期に基づいて、前記焦点信号一括抽出制御又は前記焦点信号逐次抽出制御を選択し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項９】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度又は前記光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて前記所定電圧を調整し、且つ前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得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から、焦点信号の最大値に対応する前記液晶レンズの焦点距離を表す信号を取得し、前記信号に基づいて前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項１】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度又は前記光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて、前記所定電圧を調整し、且つ前記液晶レンズ駆動手段を制御して複数の焦点信号を抽出し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項２】
前記電圧の調整は、前記液晶レンズの近傍の温度が低いほど前記所定電圧を高く設定する、請求項１に記載の自動合焦点装置。
【請求項３】
前記電圧の調整は、前記画像信号取得周期が短いほど前記所定電圧を高く設定する、請求項１又は２に記載の自動合焦点装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御により複数の焦点信号を抽出する、請求項１〜３の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに印加する電圧を変化させて、前記液晶レンズの液晶動作が安定した状態で前記光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出する、請求項１〜３の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記液晶レンズ駆動手段を制御して、
前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は前記液晶レンズに印加する電圧を変化させて、前記液晶レンズの液晶動作が安定した状態で前記光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、
前記温度又は前記画像信号取得周期に基づいて、前記焦点信号一括抽出制御又は前記焦点信号逐次抽出制御を選択する、請求項１〜３の何れか一項に記載の自動合焦点装置。
【請求項７】
前記焦点信号一括抽出制御又は前記焦点信号逐次抽出制御の選択は、前記温度に基づいて、前記液晶レンズの過渡応答動作に要する時間を推定し、且つ推定された時間を前記画像信号取得周期で除することにより、過渡応答動作中に得られる焦点信号数を算出し、前記焦点信号数が所定数以上の場合、前記焦点信号一括抽出制御を選択し、前記焦点信号数が前記所定数未満の場合、前記焦点信号逐次抽出制御を選択する、請求項６に記載の自動合焦点装置。
【請求項８】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、
液晶レンズ駆動手段を制御して、前記液晶レンズに所定電圧を印加して過渡応答動作させながら、前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得周期でサンプリングする焦点信号一括抽出制御、又は前記液晶レンズに印加する電圧を変化させて、前記液晶レンズの液晶動作が安定した状態で前記光電変換手段から生成された画像信号をサンプリングする焦点信号逐次抽出制御により複数の焦点信号を抽出可能であり、前記温度又は前記画像信号取得周期に基づいて、前記焦点信号一括抽出制御又は前記焦点信号逐次抽出制御を選択し、抽出された複数の焦点信号に基づいて焦点信号が最大となるように前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【請求項９】
自動合焦点装置であって、
印加された電圧に応じて焦点距離が変化する液晶レンズと、
前記液晶レンズに所定電圧を印加する液晶レンズ駆動手段と、
前記液晶レンズを透過した光学像から画像信号を生成する光電変換手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度を検出する温度検出手段と、
前記液晶レンズの近傍の温度又は前記光電変換手段の画像信号取得周期に基づいて前記所定電圧を調整し、且つ前記光電変換手段から生成された画像信号を前記画像信号取得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から、焦点信号の最大値に対応する前記液晶レンズの焦点距離を表す信号を取得し、前記信号に基づいて前記液晶レンズ駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする自動合焦点装置。
【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】
【公開番号】特開２００７−３２２６２０（Ｐ２００７−３２２６２０Ａ）
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５１３９４（Ｐ２００６−１５１３９４）
【出願日】平成１８年５月３１日（２００６．５．３１）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月３１日（２００６．５．３１）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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