JP2002189205A - 調光装置及びその駆動方法、並びに撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 調光用の液晶素子を中間調で駆動する場合
に、たとえセルギャップが製造条件によって変動して
も、液晶の配向変化又はその緩和を常にスムーズに立ち
上がらせて光透過率の応答時間を短縮し、調光装置及び
撮像装置の性能、画質、信頼性の向上を図ること。 【解決手段】 液晶素子１２と；この液晶素子１２のセ
ルギャップを検出するＣＣＤ撮像素子５５ｃ等の検出手
段と；液晶素子１２から射出する光の透過率を現光透過
率から目標光透過率へ変化させる際に、少なくとも前記
目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小
光透過率又は最大光透過率に対応する制御用駆動パルス
をセルギャップ判定回路６５によるセルギャップに応じ
た制御に基づいて予め挿入する、パルス制御部６２（更
には６４）と；を具備する調光装置。また、この調光装
置を前記制御用駆動パルスを用いて駆動する駆動方法、
並びに、この調光装置が撮像系の光路中に配される撮像
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光の光量を調
節して出射するための調光装置及びその駆動方法、並び
にこの調光装置を用いた撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、液晶セルを用いる調光装置には、
偏光板が使用される。この液晶セルには、例えばＴＮ
（Twisted Nematic)型液晶セルやゲスト−ホスト（ＧＨ
（GuestHost)）型液晶セルが用いられる。

【０００３】図１７は、従来の調光装置の動作原理を示
す概略図である。この調光装置は、主に偏光板１とＧＨ
セル２とで構成される。ＧＨセル２は、図示省略した
が、２枚のガラス基板の間に封入され、また動作電極や
液晶配向膜を有している（以下、同様）。ＧＨセル２に
は、液晶分子３と二色性染料分子４とが封入されてい
る。

【０００４】二色性染料分子４は、光の吸収に異方性を
有し、例えば分子長軸方向の光を吸収するポジ型（ｐ
型）色素分子である。また、液晶分子３は、例えば誘電
率異方性が正のポジ型（正型）である。

【０００５】図１７（ａ）は、電圧を印加していない
（電圧無印加）時のＧＨセル２の状態を示す。入射光５
は、偏光板１を透過することにより直線偏光される。図
１７（ａ）では、この偏光方向と二色性染料分子４の分
子長軸方向とが一致するので、光は、二色性染料分子４
に吸収され、ＧＨセル２の光透過率が低下する。

【０００６】そして、図１７（ｂ）で示すように、ＧＨ
セル２に電圧印加を行なうと、液晶分子３が電界方向に
向くに伴なって二色性染料分子４の分子長軸方向は、直
線偏光の偏光方向と直角になる。このため、入射光５は
ＧＨセル２によりほとんど吸収されずに透過する。

【０００７】図１７に示したＧＨセル２においては、図
１８に示すように、動作電圧の印加に伴って、可視光の
平均光透過率（空気中。液晶セルに加えて偏光板を足し
たときの光透過率を参照（＝１００％）とした：以下、
同様）が増加するが、電圧を１０Ｖにまで上昇させたと
きの最大光透過率は６０％程度であり、しかも光透過率
の変化が緩やかである。

【０００８】なお、分子短軸方向の光を吸収するネガ型
（ｎ型）の二色性染料分子を用いる場合は、上記ポジ型
の二色性染料分子４の場合と逆になり、電圧無印加時に
は光が吸収されず、電圧印加時に光が吸収される。

【０００９】図１７に示した調光装置では、電圧印加時
と電圧無印加時との吸光度の比、即ち、光学濃度の比が
約１０である。これは、偏光板１を使用せずにＧＨセル
２のみで構成される調光装置に比べて約２倍の光学濃度
比を有する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した調光装置の駆
動において、光透過率を変化させる際に、ステップ状に
駆動パルスを変化させるが、用いる液晶セルの構造や液
晶材料によっては、透明時（最大光透過率）から遮光時
（最小光透過率）への大きなステップ応答、又は遮光時
から透明時への大きなステップ応答時に比べて、中間調
で光透過率をわずかに変化させる場合の応答時間が著し
く長くなることがあり、問題となっていた。

【００１１】即ち、調光装置の上記した光学濃度比は、
ＧＨセルを構成する２枚のガラス基板等の対向基板間の
距離（本明細書において、セルギャップと称する。）に
左右され、セルギャップが大きい程（液晶層の厚みが厚
い程）、透明時と遮光時との光透過率の差が大きくな
り、光学濃度比は大きくとれるが、透明時の光透過率が
低下してしまう。また、セルギャップが変わると、ＧＨ
セルによる調光装置としての過渡応答速度も変化し、ギ
ャップが大きくなると、有効光路長に存在する液晶分子
が多くなる分、応答速度は確実に遅くなる傾向をもつ。

【００１２】そこで、本発明の目的は、調光用の液晶素
子を中間調で駆動する場合に、たとえセルギャップが製
造条件によって変動しても、液晶の配向変化又はその緩
和を常にスムーズに立ち上がらせて光透過率の応答時間
（過渡応答速度）を大幅かつ適切に短縮し、調光装置及
び撮像装置の性能、画質、信頼性の向上を図ることにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、液晶素
子と；この液晶素子のセルギャップを検出するための検
出手段と；前記液晶素子から射出する光の透過率を現光
透過率から目標光透過率へ変化させる際に、少なくとも
前記目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、
最小光透過率又は最大光透過率に対応する制御用駆動パ
ルスを前記セルギャップに応じて予め挿入する、パルス
制御部と；を具備する調光装置に係り、またこの調光装
置を前記制御用駆動パルスを用いて駆動する駆動方法、
並びに、この調光装置が撮像系の光路中に配される撮像
装置に係るものである

【００１４】本発明によれば、液晶素子の光透過率を現
光透過率から目標光透過率へ中間調でわずかに変化させ
る際に、目標光透過率に対応する駆動パルスを与える前
に、完全遮光時（最小光透過率）又は完全透明時（最大
光透過率）に対応する制御用駆動パルスを予め適度に挿
入し、しかもこの制御用駆動パルスを応答速度を左右す
る実際のセルギャップ値に応じて挿入するため、単に目
標光透過率に対応する駆動パルスをステップ状に与えて
駆動する場合に比べて、液晶の配向変化又はその緩和が
スムーズに立ち上がるようになり、目標光透過率に達す
るまでの応答時間を大幅にしかも適切に短縮できる。

【００１５】本発明者は、本発明を案出する以前に、特
願２０００−３１１５０１号において、液晶素子の光透
過率を現透過率から目標透過率へ中間調でわずかに変化
させる際に、目標透過率に対応する駆動パルスを与える
前に、完全遮光時（最小透過率）もしくは完全透明時
（最大透過率）に対応する制御用駆動パルスを予め適度
に挿入することにより、単に目標透過率に対応する駆動
パルスをステップ状に与えて駆動する場合に比べて、液
晶の配向変化（もしくはその緩和）がスムーズに立ち上
がるようになり、目標透過率に達するまでの応答時間を
大幅に短縮できることを明らかにした（以下、これを先
願発明と称する）。

【００１６】この先願発明について本発明者が更に検討
を鋭意進めた結果、液晶調光素子の過渡応答速度は、使
用する液晶セルを構成する２枚のガラス基板間の距離
（セルギャップ）に大きく左右され、中間調で高速応答
させる目的で、先願発明による制御用駆動パルスを挿入
した２段階変調駆動を行なう場合にも、制御用駆動パル
スの挿入時間の最適値は、セルギャップによって異なる
ことが判明した。

【００１７】そこで、本発明者は、実装した液晶素子の
セルギャップを自動認識する機構を備えることにより、
そのセルギャップに応じた最適制御パルスを加えてやれ
ば、個々の液晶素子の特徴に合った形で、より高速に液
晶光学素子を駆動できることを見い出し、本発明に到達
したのである。

【００１８】例えば、液晶素子の透明時及び／又は遮光
時の光透過率とセルギャップとの相関関係（液晶セルの
構成材料でほぼ一義的に定まる。）を予めインプットし
ておけば、製造工程のバラツキに起因して仕上がりのセ
ルギャップにバラツキが生じても、実装した現物のセル
の光透過率から、より正確なセルギャップを把握するこ
とができる。

【００１９】そして、液晶素子の光透過率を、現透過率
から目標透過率へ中間調でわずかに変化させる際には、
目標透過率に対応する駆動パルスを与える前に、完全遮
光時（最小透過率）もしくは完全透明時（最大透過率）
に対応する制御用駆動パルスを、このセルギャップに応
じたパルス数だけ予め適度に挿入することにより、個々
の液晶セルの特徴に合わせて最適な形で、液晶の配向変
化（もしくはその緩和）が一層スムーズに立ち上がるよ
うになり、目標透過率に達するまでの過渡応答時間を大
幅に短縮できるようになる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明においては、前記液晶素子
の透明時及び／又は遮光時の光透過率を予め検出し、こ
の検出値から前記セルギャップを判定するのがよい。

【００２１】また、前記制御用駆動パルスが、制御され
た少なくともパルス電圧及び／又はパルス数を有し、そ
してこのパルス電圧が、前記最小光透過率又は最大光透
過率を生じるパルス電圧と同等、或いはこのパルス電圧
と前記目標光透過率を生じるパルス電圧との間の値であ
るのがよい。

【００２２】また、前記制御用駆動パルスが、制御され
た少なくともパルス幅及び／又はパルス数を有し、そし
てこのパルス幅が、前記最小光透過率又は最大光透過率
を生じるパルス幅と同等、或いはこのパルス幅と前記目
標光透過率を生じるパルス幅との間の値であるのがよ
い。

【００２３】前記制御用駆動パルスは、上記のパルス電
圧又はパルス幅のみならず、パルス密度、更にはこれら
の併用によっても制御可能である。

【００２４】また、前記液晶素子が、ネガ型液晶をホス
ト材料とし、二色性染料をゲスト材料とするゲスト−ホ
スト型液晶素子であるのがよい。

【００２５】このような液晶素子は、本出願人が既に提
出した特願平１１−３２２１８６号に係る先願発明に依
拠したものである。この先願発明によれば、液晶素子
と、この液晶素子に入射する光の光路中に配される偏光
板とで調光装置を構成し、更に、ネガ型液晶をホスト材
料とするゲスト−ホスト型液晶を用いることにより、電
圧無印加時と電圧印加時の吸光度の比（即ち光学濃度の
比）が向上し、調光装置のコントラスト比が大きくな
り、明るい場所から暗い場所までにおいて、調光動作を
正常に行なうことを可能とする。

【００２６】図１７に示したゲスト−ホスト型液晶セル
（ＧＨセル）２において、ホスト材料３として誘電率異
方性（Δε）が正のポジ型の液晶を用い、ゲスト材料４
には二色性を有する光吸収異方性（ΔＡ）が正のポジ型
染料４を用い、偏光板１をＧＨセル２の入射側に配し、
矩形波を駆動波形として動作電圧印加時の光透過率の変
化を計測すると、図１８に示すように、動作電圧の印加
に伴って、可視光の平均光透過率（空気中。液晶セルに
加えて偏光板を足したときの透過率を参照（＝１００
％）とした：以下、同様）が増加するが、電圧を１０Ｖ
にまで上昇させたときの最大光透過率は６０％程度であ
り、しかも光透過率の変化が緩やかである。

【００２７】これは、ポジ型のホスト材料を用いる場
合、電圧無印加時に液晶セルの液晶配向膜との界面での
液晶分子の相互作用（interaction）が強いため、電圧
を印加してもダイレクタの向きが変化しない（或いは、
変化し難い）液晶分子が残ってしまうからであると考え
られる。

【００２８】これに対し、先願発明では、図９に示すよ
うに、ゲスト−ホスト型液晶セル（ＧＨセル）１２にお
いて、ホスト材料１３として、誘電率異方性（Δε）が
負のネガ型の液晶であるＭｅｒｃｋ社製のＭＬＣ−６６
０８を一例として用い、ゲスト材料４には二色性を有す
るポジ型染料であるＢＤＨ社製のＤ５を一例として用い
ることにより、偏光板１１をＧＨセル１２の入射側に配
し、矩形波を駆動波形として動作電圧印加時の光透過率
の変化を計測したところ、図１０に示すように、動作電
圧の印加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が
最大光透過率約７５％から数％にまで減少し、しかも光
透過率の変化が比較的急峻となる。

【００２９】これは、ネガ型のホスト材料を用いる場
合、電圧無印加時に液晶セルの液晶配向膜との界面での
液晶分子の相互作用（interaction）が非常に弱いた
め、電圧無印加時に光が透過し易く、また電圧印加と共
に液晶分子のダイレクタの向きが変化し易くなるからで
あると考えられる。

【００３０】このようにして、本発明において、ネガ型
のホスト材料を用いてＧＨセルを構成すれば、光透過率
（特に透明時）が向上し、ＧＨセルを撮像光学系中にそ
のまま位置固定して使用できるコンパクトな調光装置が
実現可能となる。この場合、液晶素子への入射光の光路
中に偏光板を配することにより、電圧無印加時と電圧印
加時の吸光度の比（即ち光学濃度の比）が一層向上し、
調光装置のコントラスト比が更に大きくなり、明るい場
所から暗い場所までにおいて、調光動作をより正常に行
なうことができる。

【００３１】なお、本発明においては、前記液晶素子の
ネガ型液晶の誘電率異方性は負であるのがよいが、ゲス
ト材料は、ポジ型又はネガ型の二色性染料分子からなっ
ていてよい。また、ホスト材料はネガ型であるのがよい
が、ポジ型でも差支えはない。

【００３２】本発明において、ネガ型（又はポジ型）の
ホスト材料、ポジ型（又はネガ型）のゲスト材料は公知
の材料から選択して用いることができる。但し、実際の
使用の場合は、実使用温度範囲でネマチック性を示すよ
うに選択し、ブレンドした組成物を用いてよい。

【００３３】上述したＧＨセル１２からなる調光装置２
３は、例えば図１１に示すように、ズームレンズのよう
に複数のレンズで構成されるレンズ前群１５とレンズ後
群１６との間に配置される。レンズ前群１５を透過した
光は、偏光板１１を介して直線偏光された後、ＧＨセル
１２に入射する。ＧＨセル１２を透過した光は、レンズ
後群１６で集光され、撮像面１７に映像として映し出さ
れる。

【００３４】この調光装置２３を構成する偏光板１１
は、本出願人による上述した先願発明と同様に、ＧＨセ
ル１２に入射する光の有効光路に対して出し入れ可能で
ある。具体的には、偏光板１１を仮想線で示す位置に移
動させることにより、光の有効光路の外へ出すことがで
きる。この偏光板１１を出し入れする手段として、図１
２に示すような機械式アイリスが用いられてもよい。

【００３５】この機械式アイリスは、一般にデジタルス
チルカメラやビデオカメラ等に用いられる機械式絞り装
置であり、主として２枚のアイリス羽根１８、１９と、
アイリス羽根１８に貼付された偏光板１１とからなる。
アイリス羽根１８、１９は、上下方向に移動させること
ができる。矢印２１で示される方向に、図示せぬ駆動モ
ーターを用いてアイリス羽根１８、１９を相対的に移動
させる。

【００３６】これにより、図１２で示すように、アイリ
ス羽根１８、１９は部分的に重ねられ、この重なりが大
きくなると、アイリス羽根１８、１９の中央付近に位置
する有効光路２０上の開口部２２が、偏光板１１により
覆われる。

【００３７】図１３は、有効光路２０付近の機械式アイ
リスの部分拡大図である。アイリス羽根１８が下方に移
動すると同時に、アイリス羽根１９が上方に移動する。
これに伴って、図１３（ａ）に示すように、アイリス羽
根１８に貼付された偏光板１１も有効光路２０の外へと
移動する。逆に、アイリス羽根１８を上方に、またアイ
リス羽根１９を下方に移動させることにより、互いのア
イリス羽根１８、１９が重なる。これに従って、図１３
（ｂ）に示すように、偏光板１１は有効光路２０上に移
動し、開口部２２を次第に覆う。アイリス羽根１８、１
９の互いの重なりが大きくなると、図１３（ｃ）に示す
ように、偏光板１１は開口部２０を全て覆う。

【００３８】次に、この機械式アイリスを用いた調光装
置２３の調光動作について説明する。

【００３９】図示せぬ被写体が明るくなるにつれて、図
１３（ａ）で示したように、上下方向に開いていたアイ
リス羽根１８、１９は、図示せぬモーターにより駆動さ
れ、重なり始める。これによって、アイリス羽根１８に
貼付されている偏光板１１は、有効光路２０上に入り始
め、開口部２２の一部を覆う（図１３（ｂ））。

【００４０】この時、ＧＨセル１２は光を吸収しない状
態にある（なお、熱的揺らぎ、又は表面反射等のため、
ＧＨセル１２による若干の吸収はある。）。このため、
偏光板１１を通過した光と開口部２２を通過した光は、
ほぼ強度分布が同等となる。

【００４１】その後、偏光板１１は、完全に開口部２２
を覆った状態になる（図１３（ｃ））。さらに、被写体
の明るさが増す場合は、ＧＨセル１２への電圧を上昇
し、ＧＨセル１２で光を吸収することにより調光を行な
う。

【００４２】これとは逆に、被写体が暗くなる場合は、
まず、ＧＨセル１２への電圧を減少又は無印加とするこ
とにより、ＧＨセル１２による光の吸収効果を無くす
る。さらに被写体が暗くなった場合は、図示せぬモータ
ーを駆動することにより、アイリス羽根１８を下方へ、
またアイリス羽根１９を上方へ移動させる。こうして、
偏光板１１を有効光路２０の外へ移動させる（図１３
（ａ））。

【００４３】また、図１１〜図１３に示したように、偏
光板１１（透過率例えば４０％〜５０％）を光の有効光
路２０から外に出すことができるので、偏光板１１に光
が吸収されない。従って、調光装置の最大透過率を例え
ば２倍以上に高めることができる。具体的には、この調
光装置を、従来の固定されて設置される偏光板及びＧＨ
セルからなる調光装置と比較すると、最大透過率は例え
ば約２倍になる。なお、最低透過率は両者で等しい。

【００４４】また、デジタルスチルカメラ等に実用化さ
れている機械式アイリスを用いて、偏光板１１の出し入
れが行なわれるので、調光装置は容易に実現可能とな
る。また、ＧＨセル１２を用いるので、偏光板１１によ
る調光に加えて、ＧＨセル１２自体が光を吸収すること
により、調光を行なうことができる。

【００４５】このようにして、この調光装置は、明、暗
のコントラスト比を高めると共に、光量分布をほぼ均一
に保つことができるものとなる。

【００４６】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面参照下
に説明する。

【００４７】実施例１ まず、ゲスト−ホスト型液晶（ＧＨ）セルを用いる調光
装置の一例を説明する。

【００４８】この調光装置は、図１１に示すように、Ｇ
Ｈセル１２と偏光板１１とからなる。そして、ＧＨセル
１２は、透明電極と配向膜をそれぞれ形成した２枚のガ
ラス基板（いずれも図示せず）の間に、ネガ型の液晶分
子（ホスト材料）とポジ型又はネガ型の二色性染料分子
（ゲスト材料）との混合物が封入されている。

【００４９】液晶分子には、例えば誘電率異方性が負の
ネガ型液晶であるＭｅｒｃｋ社製のＭＬＣ−６６０８を
一例として用い、また二色性染料分子４には、光の吸収
に異方性を有し、例えば分子長軸方向の光を吸収するポ
ジ型染料であるＢＤＨ社製のＤ５を一例として用いた。
偏光板１１の光吸収軸は、ＧＨセル１２に電圧を印加し
た時の光吸収軸と直交させた。

【００５０】このＧＨセル１２からなる調光装置２３
は、例えば図１１に示したように、ズームレンズのよう
に複数のレンズで構成されるレンズ前群１５とレンズ後
群１６との間に配置された。レンズ前群１５を透過した
光は、偏光板１１を介して直線偏光された後、ＧＨセル
１２に入射する。ＧＨセル１２を透過した光は、レンズ
後群１６で集光され、撮像面１７に映像として映し出さ
れる。

【００５１】そして、この調光装置２３を構成する偏光
板１１は、本出願人による上述した先願発明と同様に、
ＧＨセル１２に入射する光の有効光路に対して出し入れ
可能である。具体的には、偏光板１１を仮想線で示す位
置に移動させることにより、光の有効光路の外へ出すこ
とができる。この偏光板１１を出し入れする手段とし
て、図１２に示した機械式アイリスが用いられてもよ
い。

【００５２】このＧＨセル１２に、矩形波を駆動波形と
して入力し、動作電圧印加時の光透過率の変化を計測し
たところ（図９）、図１０に示すように、動作電圧の印
加に伴って、可視光の平均光透過率（空気中）が最大光
透過率約７５％から数％にまで減少した。用いる液晶セ
ル構造や構成材料によっても異なるが、ＧＨセル１２
は、±５Ｖ（１ｋＨｚ）以上のパルス電圧印加で、ほぼ
最小光透過率に達した。

【００５３】しかし、０Ｖ→±５Ｖ、±５→０Ｖのよう
に、透明状態から完全遮光状態へ、又は完全遮光状態か
ら透明状態へと変化させた場合、光透過率は、ある程度
高速に応答するが、中間調で光透過率をわずかに変化さ
せようとした場合は、数倍の応答時間を要する場合があ
った。

【００５４】例えば、図１（ａ）のように、２５℃の室
温下でセルギャップ４．１２μｍのＧＨセルに対して、
０Ｖ→±５Ｖの駆動パルス電圧変化を与えると、光透過
率が２３．４ｍｓで応答した場合に、図１（ｂ）のよう
に、±２Ｖ→±３Ｖで中間調の駆動を行うと、応答時間
が８７．４ｍｓ程度まで悪化した。

【００５５】この過渡応答速度は更に、液晶素子のセル
ギャップの影響を大きく受け、セルギャップが大きくな
る程、有効光路長に存在する液晶分子が増えるため、液
晶セルとしての過渡応答に要する時間は増加する。逆
に、セルギャップが小さくなるほど、応答時間は短くな
る。

【００５６】例えば、セルギャップが３．０４μｍの上
述と同一構成材料の液晶光学素子であれば、０→±５Ｖ
の駆動パルス電圧変化に対して、光透過率の応答時間は
７．８ｍｓまで速くなり、±２→±３Ｖで中間調の駆動
をしても、応答時間は２０．０ｍｓ程度まで速くなる。

【００５７】液晶セルを調光素子に用いて撮像装置を実
現しようとする場合、セルギャップのバラツキに振られ
た応答速度の変化、特にセルギャップが大きい場合の応
答速度の低下は、自動露出調整等に支障を来してしまう
ことになる。

【００５８】これを解決するために、本発明者が鋭意検
討を重ねたところ、予め透明時ないし遮光時の光透過率
の値から、実装した液晶光学素子のセルギャップを正確
に把握しておき、中間調で駆動する場合には、最初に完
全遮光状態（最小透過率）に対応する制御駆動波形を、
目標透過率を与える駆動波形の前に、液晶素子のセルギ
ャップに応じて適当な何パルス分かを挿入すれば、応答
時間を大幅に短縮できることが判明した。

【００５９】例えば、図１（ｃ）に示すように、セルギ
ャップ４．１２μｍの液晶光学素子に対して、±２→±
３Ｖで駆動する場合に、最初に完全遮光状態（最小透過
率）に対応する±５Ｖの矩形波を１２ｍｓ分だけ、±３
Ｖの駆動波形の前に挿入したところ、光透過率の応答時
間は、８７．４ｍｓから１１．０ｍｓへと、大幅に短縮
することができた。

【００６０】同様に、セルギャップ４．１２μｍの液晶
光学素子に対して、±３→±２Ｖで駆動する場合には、
最初に完全透明状態（最大透過率）に対応する０Ｖの制
御駆動波形を１８ｍｓ分だけ、±２Ｖの駆動波形の前に
挿入したところ、図２（ｃ）のように、光透過率の応答
時間は、５１．４ｍｓから１８．８ｍｓに短縮すること
ができた。

【００６１】なお、本実施例で、中間挿入する制御駆動
パルスの時間幅や電圧は、制御し易いように、ある程度
自由に選択できる。しかしながら、液晶素子のセルギャ
ップに応じて中間挿入する制御パルスの時間幅には、最
適値が存在し、光透過率の過渡応答が目標値をオーバー
シュートするような設定（図３（ｃ））は好ましくな
い。

【００６２】例えば、セルギャップが３．０４μｍの前
述の液晶光学素子であれば、±２→±３Ｖで駆動する場
合には、最初に完全遮光状態（最小透過率）に対応する
±５Ｖの矩形波を３ｍｓ分だけ、±３Ｖの駆動波形の前
に挿入したところ、光透過率の応答時間は、２０．０ｍ
ｓから３．０ｍｓへと、更に大幅に短縮することができ
た。

【００６３】同様に、セルギャップが３．０４μｍの液
晶光学素子で±３→±２Ｖで駆動する場合には、最初に
完全透明状態（最大透過率）に対応する０Ｖの駆動波形
を１０ｍｓ分だけ、±２Ｖの駆動波形の前に挿入したと
ころ、光透過率の応答時間は、２０．０ｍｓから７．０
ｍｓに短縮することができた。

【００６４】図５には、±２→±３Ｖ及び±３→±２Ｖ
の中間調で液晶素子を駆動する場合の過渡応答速度の改
善について、様々なセルギャップの液晶光学素子で検討
した結果得られた、中間挿入制御パルスの最適時間幅を
示す。

【００６５】この関係を把握することにより、製造工程
でセルギャップがバラついても、予め透明時ないし遮光
時の光透過率を検出し、これから、実装した液晶光学素
子のセルギャップを正確に認識しておき（図４）、これ
に応じた最適時間幅で制御駆動パルスを中間挿入するこ
とにより（図５）、図６及び図７に示すように、個々の
液晶セルに合った最適な形で、中間調駆動の過渡応答速
度を大幅に改善できることが可能となった。

【００６６】実施例２ 本実施例は、液晶セルの駆動法を、実施例１で述べたパ
ルス電圧変調（ＰＨＭ）からパルス幅変調（ＰＷＭ）に
変えたものである。

【００６７】例えば、基本的なパルス発生周期を１００
μｓとして、この基本周期内でパルス幅を制御すること
により、図８に示すように、パルス幅の増加に伴って、
前述のパルス電圧変調と同様に、可視光の平均光透過率
（空気中）が最大光透過率約７５％から数％にまで減少
した。

【００６８】そして、パルス波高値を５Ｖで固定し、パ
ルス幅を制御して、０μｓ→１００μｓ、１００μｓ→
０μｓのように、透明状態から完全遮光状態へ、又は完
全遮光状態から透明状態へと変化させた場合、光透過率
は、ある程度高速に応答するが、中間調で光透過率をわ
ずかに変化させようとした場合は、やはり数倍の応答時
間を要した。

【００６９】例えば、２５℃の室温下でセルギャップ４
μｍのＧＨセルにおいて、０μｓ→１００μｓの駆動パ
ルス幅変化に対して、光透過率が約２０ｍｓで応答した
場合に、２０μｓ→４０μｓで中間調の駆動すると、応
答時間が約９０ｍｓ程度まで悪化した。

【００７０】パルス幅変調で駆動する場合の過渡応答速
度も、液晶素子のセルギャップの影響を大きく受け、セ
ルギャップが大きくなる程、有効光路長に存在する液晶
分子が増えるため、液晶セルとしての過渡応答に要する
時間は増加する。逆にセルギャップが小さくなるほど、
応答時間は短くなる。

【００７１】例えば、セルギャップが３μｍの上述と同
一構成材料の液晶光学素子であれば、０→１００μｓの
駆動パルス幅変化に対して、光透過率の応答時間は約１
０ｍｓまで速くなり、２０→４０μｓで中間調の駆動を
しても、応答時間は約２０ｍｓまで速くなる。

【００７２】液晶セルを調光素子に用いて撮像装置を実
現しようとする場合、セルギャップのバラツキに振られ
た応答速度の変化、特にセルギャップが大きい場合の応
答速度の低下は、自動露出調整等に支障を来してしまう
ことになる。

【００７３】これを解決するために、本発明者が鋭意検
討を重ねたところ、パルス幅変調（ＰＷＭ）で中間調駆
動する場合も、予め透明時ないし遮光時の光透過率の値
から、実装した液晶光学素子のセルギャップを正確に把
握しておき、中間調で駆動する場合には、最初に完全遮
光状態（最小透過率）に対応する制御駆動波形を、目標
透過率を与える駆動波形の前に、液晶素子のセルギャッ
プに応じて適当な何パルス分かを挿入すれば、応答時間
を大幅に短縮できることが判明した。

【００７４】例えば、セルギャップ４μｍの液晶光学素
子に対して、２０→４０μｓのパルス幅変化で駆動する
場合に、最初に完全遮光状態（最小透過率）に対応する
１００μｓのパルス幅の矩形波を１２ｍｓ分だけ、４０
μｓのパルス幅の駆動波形の前に挿入したところ、光透
過率の応答時間は、約９０ｍｓから約１０ｍｓへと大幅
に短縮することができた。

【００７５】同様に、セルギャップ４μｍの液晶光学素
子に対して、４０→２０μｓのパルス幅変化で駆動する
場合には、最初に完全透明状態（最大透過率）に対応す
る０μｓの制御駆動波形を１８ｍｓ分だけ、２０μｓの
パルス幅の駆動波形の前に挿入したところ、光透過率の
応答時間は、約５５ｍｓから約２０ｍｓに短縮すること
ができた。

【００７６】なお、本実施例でも、中間挿入する制御駆
動パルスの時間幅や電圧は、制御し易いように、ある程
度自由に選択できる。しかしながら、液晶素子のセルギ
ャップに応じて中間挿入する制御パルスの時間幅には、
最適値が存在し、光透過率の過渡応答が目標値をオーバ
ーシュートするような設定は、やはり好ましくない。

【００７７】例えば、セルギャップが３μｍの前述の液
晶光学素子であれば、２０→４０μｓのパルス幅変化で
駆動する場合には、最初に完全遮光状態（最小透過率）
に対応する１００μｓのパルス幅の矩形波を３ｍｓ分だ
け、４０μｓのパルス幅の駆動波形の前に挿入したとこ
ろ、光透過率の応答時間は、約２０ｍｓから約３ｍｓへ
と短縮することができた。

【００７８】同様に、セルギャップが３μｍの液晶光学
素子で、４０→２０μｓのパルス幅変化で駆動する場合
には、最初に完全透明状態（最大透過率）に対応する０
μｓの制御駆動波形を１０ｍｓ分だけ、２０μｓのパル
ス幅の駆動波形の前に挿入したところ、光透過率の応答
時間は、約２０ｍｓから約７ｍｓに短縮することがで
た。

【００７９】さらに、本実施例では、パルス幅変調を用
いて駆動しているため、実施例１のパルス電圧変調に比
べて、しきい値電圧が低く、全体的に特性が低電圧側に
シフトするため、低電圧での制御が可能であり、消費電
力の低減も図れる。また、光透過率の変化は比較的緩や
かとなるため、電圧により透過率を制御しやすく、階調
性が向上した。

【００８０】実施例３ 図１４は、上記実施例による調光装置２３をＣＣＤ（Ch
arge coupled device）カメラに組み込んだ例を示すも
のである。

【００８１】即ち、ＣＣＤカメラ５０において、一点鎖
線で示す光軸に沿って、前記のレンズ前群１５に相当す
る１群レンズ５１及び２群レンズ（ズーム用）５２、前
記のレンズ後群１６に相当する３群レンズ５３及び４群
レンズ（フォーカス用）５４、ＣＣＤパッケージ５５が
適宜の間隔をおいてこの順に配設されており、ＣＣＤパ
ッケージ５５には赤外カットフィルタ５５ａ、光学ロー
パスフィルタ系５５ｂ、ＣＣＤ撮像素子５５ｃが収納さ
れている。

【００８２】２群レンズ５２と３群レンズ５３との間に
は、３群レンズ５３寄りに、上述した本発明に基づくＧ
Ｈセル１２と偏光板１１からなる調光装置２３が光量調
節（光量絞り）のために同じ光路上に取付けられてい
る。なお、フォーカス用の４群レンズ５４は、リニアモ
ータ５７により光路に沿って３群レンズ５３とＣＣＤパ
ッケージ５５との間を移動可能に配設され、またズーム
用の２群レンズ５２は、光路に沿って１群レンズ５１と
調光装置２３との間を移動可能に配設されている。

【００８３】図１５には、このカメラシステムにおける
調光装置２３による光透過率制御のシーケンスのアルゴ
リズムを示す。

【００８４】この実施例によると、２群レンズ５２と３
群レンズ５３の間に本発明に基づく調光装置２３が設け
られているので、上述したように電界の印加によって光
量を調節でき、システムを小型化でき、実質的に光路の
有効範囲の大きさまで小型化できる。したがって、ＣＣ
Ｄカメラの小型化を達成することが可能である。また、
パターン化された電極への印加電圧の大きさによって光
量を適切に制御できるので、従来のような回折現象を防
止し、撮像素子へ十分な光量を入射させ、像のぼやけを
なくせる。

【００８５】図１６は、上記のＣＣＤカメラの駆動回路
ブロック図である。これによれば、調光装置２３の光出
射側に配されたＣＣＤ撮像素子５５ｃの駆動回路部６０
を有し、ＣＣＤ撮像素子５５ｃの出力信号がＹ／Ｃ信号
処理部６１で処理され、輝度情報（Ｙ信号）としてＧＨ
セル駆動制御回路部６２にフィードバックされ、この制
御回路部からの制御信号により、駆動回路部６０の基本
クロックと同期して、上述した如くにパルス電圧又はパ
ルス幅が制御された駆動パルスがパルス発生回路部６３
から得られるようになっている。制御回路部６２と、パ
ルス発生回路部６３とで、パルス電圧又はパルス幅の制
御のためのＧＨ液晶駆動制御部６４が構成されている。

【００８６】そして、セルギャップの判定についてはそ
の動作前に、実装された調光装置２３の透明時及び／又
は遮蔽時の光透過率をＣＣＤ撮像素子５５ｃで検出し、
この検出情報を輝度情報としてセルギャップ判定回路６
５へ入れる。これによって自動的に（自己）認識された
セルギャップに応じたパルス電圧、パルス数又はパルス
幅、パルス数がパルス発生回路６３から生じるように、
制御回路部６２により制御する。

【００８７】なお、このカメラシステムとは別のシステ
ムにおいても、調光装置２３の出射光をフォトディテク
タ（又はフォトマル）で受け、ここから出射光の輝度情
報を制御回路部６２へフィードバックし、ＧＨセル駆動
回路部（図示せず）のクロックと同期して、パルス発生
回路部からパルス電圧又はパルス幅が制御された駆動パ
ルスを得ることができる。

【００８８】以上、本発明を実施の形態及び実施例につ
いて説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基
づき種々に変形が可能である。

【００８９】例えば、液晶素子や調光装置の構造や材
質、その駆動機構、駆動回路、制御回路の構成などは種
々に変更が可能である。また、駆動波形は矩形波、台形
波、三角波、正弦波のいずれでも駆動可能であり、両電
極間の電位差に応じて液晶分子の傾きが変化し、光透過
率が制御される。セルギャップの検出方法や、これに基
づく駆動パルス制御方法も上述したものに限定されるこ
とはない。

【００９０】本発明の調光装置及び撮像装置は、前記液
晶光学素子の駆動電極が少なくとも有効光透過部の全域
にわたって形成されている場合に好適であり、そのよう
に形成された駆動電極への駆動パルスの制御によって有
効光路幅全体にわたって光透過率の一括制御を高精度に
行なうことができる。

【００９１】また、ＧＨセルとして、上述したもの以外
に、２層構造等のＧＨセルも使用可能である。偏光板１
１のＧＨセル１２に対する位置は、レンズ前群１５とレ
ンズ後群１６との間としたが、この配置に限らず、撮像
レンズの設定条件から最適となる位置に配置されればよ
い。即ち、位相差フィルム等の偏光状態が変化する光学
素子を用いない限り、偏光板１１は、例えば撮像面１７
とレンズ後群１６との間等、被写体側又は撮像素子側の
任意の位置に置くことができる。さらにまた、偏光板１
１は、レンズ前群１５又はレンズ後群１６に代わる単一
のレンズ（単レンズ）の前又は後に配置されてもよい。

【００９２】また、アイリス羽根１８、１９は２枚に限
られず、より多くの枚数を用いることにしてもよいし、
逆に１枚でもよい。また、アイリス羽根１８、１９は、
上下方向に移動することにより重ねられるが、他の方向
に移動してもよく、周囲から中央に向けて絞り込むこと
にしてもよい。

【００９３】また、偏光板１１は、アイリス羽根１８に
貼付されているが、アイリス羽根１９の方に貼付されて
もよい。

【００９４】また、被写体が明るくなるにつれて、先に
偏光板１１の出し入れによる調光を行なった後、ＧＨセ
ル１２による光の吸収を行なったが、逆に、先にＧＨセ
ル１２の光吸収による調光を行なうことにしても良い。
この場合、ＧＨセル１２の透過率が所定の値まで低下し
た後に、偏光板１１の出し入れによる調光を行なう。

【００９５】また、偏光板１１を有効光路２０から出し
入れする手段として、機械式アイリスを用いたが、これ
に限られない。例えば、偏光板１１が貼付されたフィル
ムを駆動モーターに直接設置することにより、偏光板１
１を出し入れしてもよい。

【００９６】また、上記の例では偏光板１１を有効光路
２０に対し出し入れしたが、有効光路中に位置固定する
ことも勿論可能である。

【００９７】また、本発明の調光装置は、公知の他のフ
ィルター材（例えば、有機系のエレクトロクロミック
材、液晶、エレクトロルミネッセンス材等）と組み合わ
せて用いることも可能である。

【００９８】更に、本発明の調光装置は、既述したＣＣ
Ｄカメラ等の撮像装置の光学絞り以外にも、各種光学
系、例えば、電子写真複写機や光通信機器等の光量調節
用としても広く適用が可能である。更に、本発明の調光
装置は、光学絞りやフィルター以外に、キャラクターや
イメージを表示する各種の画像表示素子に適用すること
ができる。

【００９９】

【発明の作用効果】本発明によれば、液晶素子の光透過
率を、現光透過率から目標光透過率へ中間調でわずかに
変化させる際に、目標光透過率に対応する駆動パルスを
与える前に、完全遮光時（最小光透過率）又は完全透明
時（最大光透過率）に対応する制御用駆動パルスを予め
適度に挿入し、しかもこの制御用駆動パルスをセルギャ
ップに応じて挿入するため、単に目標光透過率に対応す
る駆動パルスをステップ状に与えて駆動する場合に比べ
て、液晶の配向変化又はその緩和がスムーズに立ち上が
るようになり、目標光透過率に達するまでの応答時間を
大幅にしかも適切に短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による、中間調の応答速度の改
善結果の一例を示すグラフである。

【図２】同、中間調の応答速度の改善結果の別の一例を
示すグラフである。

【図３】同、中間調の応答速度の改善のための駆動パル
ス制御の一例を示すグラフである。

【図４】同、透明時及び遮光時のセルギャップによる透
過率変化を示すグラフである。

【図５】同、セルギャップと適正パルス挿入時間の関係
を示すグラフである。

【図６】同、立ち上り時のセルギャップによる応答時間
の変化を示すグラフである。

【図７】同、立ち下り時のセルギャップによる応答時間
の変化を示すグラフである。

【図８】本発明の他の実施例による調光装置の光透過率
と駆動パルスのパルス幅との関係を示すグラフ及び駆動
パルス波形図である。

【図９】本発明による調光装置の一例の動作原理を示す
概略図である。

【図１０】同、調光装置の光透過率と駆動印加電圧との
関係を示すグラフである。

【図１１】同、液晶光学素子を用いた調光装置の概略側
面図である。

【図１２】同、調光装置の機械式アイリスの正面図であ
る。

【図１３】同、調光装置の有効光路付近の機械式アイリ
スの動作を示す概略部分拡大図である。

【図１４】同、調光装置を組み込んだカメラシステムの
概略断面図である。

【図１５】同、カメラシステムにおける光透過率制御の
アルゴリズムである。

【図１６】同、駆動回路を含むカメラシステムのブロッ
ク図である。

【図１７】従来の調光装置の動作原理を示す概略図であ
る。

【図１８】同、調光装置の光透過率と駆動印加電圧との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１、１１…偏光板、２、１２…ＧＨセル、３…ポジ型液
晶、４…ポジ型染料分子、５…入射光、１３…ネガ型液
晶、１５、１６…レンズ群、１７…撮像面、１８、１９
…アイリス羽根、２０…有効光路（セル中間部又は中央
部）、２２…開口部、２３…調光装置、２４…セル周辺
部、３１Ａ、３１Ｂ…ガラス基板、３２Ａ、３２Ｂ…透
明（動作）電極、３３Ａ、３３Ｂ…配向膜、３４…液晶
材料、３５…封止（シール）材、３６…球状スペーサ
ー、３７…柱状スペーサー、５０…ＣＣＤカメラ、５１
…１群レンズ、５２…２群レンズ、５３…３群レンズ、
５４…４群レンズ、５５…ＣＣＤパッケージ、５５ｂ…
光学ローパスフィルタ、５５ｃ…ＣＣＤ撮像素子、６０
…ＣＣＤ駆動回路部、６１…Ｙ／Ｃ信号処理部、６２…
制御回路部、６３…パルス発生回路部、６４…パルス電
圧又はパルス幅の制御部（ＧＨ液晶駆動制御装置）、６
５…セルギャップ判定回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H088 EA37 EA38 GA02 GA13 HA06 JA06 KA02 MA10 2H093 NA01 NA53 NA56 NC52 NC65 ND06 ND32 ND60 NF06 NG07 5C006 AA15 AA16 AA17 AF45 AF46 AF51 BA19 BB11 BF39 EC02 FA14 FA20 FA21 5C080 AA10 BB05 DD30 EE29 FF07 JJ02 JJ04 JJ05 JJ06 JJ07 KK52

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液晶素子と；この液晶素子のセルギャッ
   プを検出するための検出手段と；前記液晶素子から射出
   する光の透過率を現光透過率から目標光透過率へ変化さ
   せる際に、少なくとも前記目標光透過率に対応する駆動
   パルスを与える前に、最小光透過率又は最大光透過率に
   対応する制御用駆動パルスを前記セルギャップに応じて
   予め挿入する、パルス制御部と；を具備する調光装置。
2. 【請求項２】 前記液晶素子の透明時及び／又は遮光時
   の光透過率を予め検出し、この検出値から前記セルギャ
   ップを判定する、請求項１に記載した調光装置。
3. 【請求項３】 前記制御用駆動パルスが、制御された少
   なくともパルス電圧及び／又はパルス数を有している、
   請求項１に記載した調光装置。
4. 【請求項４】 前記制御用駆動パルスのパルス電圧が、
   前記最小光透過率又は最大光透過率を生じるパルス電圧
   と同等、或いはこのパルス電圧と前記目標光透過率を生
   じるパルス電圧との間の値である、請求項３に記載した
   調光装置。
5. 【請求項５】 前記制御用駆動パルスが、制御された少
   なくともパルス幅及び／又はパルス数を有している、請
   求項１に記載した調光装置。
6. 【請求項６】 前記制御用駆動パルスのパルス幅が、前
   記最小光透過率又は最大光透過率を生じるパルス幅と同
   等、或いはこのパルス幅と前記目標光透過率を生じるパ
   ルス幅との間の値である、請求項５に記載した調光装
   置。
7. 【請求項７】 前記液晶素子が、ネガ型液晶をホスト材
   料とし、二色性染料をゲスト材料とするゲスト−ホスト
   型液晶素子である、請求項１に記載した調光装置。
8. 【請求項８】 液晶素子からなる調光装置を駆動する方
   法であって、前記液晶素子のセルギャップを予め検出
   し、前記液晶素子から射出する光の透過率を現光透過率
   から目標光透過率へ変化させる際に、少なくとも前記目
   標光透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光
   透過率又は最大光透過率に対応する制御用駆動パルスを
   前記セルギャップに応じて予め挿入する、調光装置の駆
   動方法。
9. 【請求項９】 前記液晶素子の透明時及び／又は遮光時
   の光透過率を予め検出し、この検出値から前記セルギャ
   ップを判定する、請求項８に記載した方法。
10. 【請求項１０】 前記制御用駆動パルスを少なくともパ
    ルス電圧及び／又はパルス数によって制御する、請求項
    ８に記載した調光装置の駆動方法。
11. 【請求項１１】 前記制御用駆動パルスのパルス電圧
    を、前記最小光透過率又は最大光透過率を生じるパルス
    電圧と同等、或いはこのパルス電圧と前記目標光透過率
    を生じるパルス電圧との間の値とする、請求項１０に記
    載した調光装置の駆動方法。
12. 【請求項１２】 前記制御用駆動パルスを少なくともパ
    ルス幅及び／又はパルス数によって制御する、請求項８
    に記載した調光装置の駆動方法。
13. 【請求項１３】 前記制御用駆動パルスのパルス幅を、
    前記最小光透過率又は最大光透過率を生じるパルス幅と
    同等、或いはこのパルス幅と前記目標光透過率を生じる
    パルス幅との間の値とする、請求項１２に記載した調光
    装置の駆動方法。
14. 【請求項１４】 前記液晶素子として、ネガ型液晶をホ
    スト材料とし、二色性染料をゲスト材料とするゲスト−
    ホスト型液晶素子を用いる、請求項８に記載した調光装
    置の駆動方法。
15. 【請求項１５】 液晶素子からなる調光装置が撮像系の
    光路中に配されている撮像装置であって、前記調光装置
    が、 前記液晶素子のセルギャップを検出するための検出手段
    と、 前記液晶素子から射出する光の透過率を現光透過率から
    目標光透過率へ変化させる際に、少なくとも前記目標光
    透過率に対応する駆動パルスを与える前に、最小光透過
    率又は最大光透過率に対応する制御用駆動パルスを前記
    セルギャップに応じて予め挿入する、パルス制御部とを
    具備する、撮像装置。
16. 【請求項１６】 前記液晶素子の透明時及び／又は遮光
    時の光透過率を予め検出し、この検出値から前記セルギ
    ャップを判定する、請求項１５に記載した調光装置。
17. 【請求項１７】 前記制御用駆動パルスが、制御された
    少なくともパルス電圧及び／又はパルス数を有してい
    る、請求項１５に記載した撮像装置。
18. 【請求項１８】 前記制御用駆動パルスのパルス電圧
    が、前記最小光透過率又は最大光透過率を生じるパルス
    電圧と同等、或いはこのパルス電圧と前記目標光透過率
    を生じるパルス電圧との間の値である、請求項１７に記
    載した撮像装置。
19. 【請求項１９】 前記制御用駆動パルスが、制御された
    少なくともパルス幅及び／又はパルス数を有している、
    請求項１５に記載した撮像装置。
20. 【請求項２０】 前記制御用駆動パルスのパルス幅が、
    前記最小光透過率又は最大光透過率を生じるパルス幅と
    同等、或いはこのパルス幅と前記目標光透過率を生じる
    パルス幅との間の値である、請求項１９に記載した撮像
    装置。
21. 【請求項２１】 前記液晶素子が、ネガ型液晶をホスト
    材料とし、二色性染料をゲスト材料とするゲスト−ホス
    ト型液晶素子である、請求項１５に記載した撮像装置。