CN116917777A - 具有重力垂度校正的液体透镜 - Google Patents

具有重力垂度校正的液体透镜 Download PDF

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莉莉安娜·鲁伊斯·迪亚斯
劳拉·克雷斯曼
塔哈·马苏德
纳吉·胡斯尼·艾拉巴西
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Abstract

一种液体透镜包括：衬底；透明弹性的膜，该膜与该衬底形成腔；以及透明的流体，该流体填充位于该衬底与该膜之间的该腔。在该腔中没有该流体的情况下，该膜具有预扭曲、旋转非对称的形状。当该腔中填充有该流体并且该衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于该膜的弹性抵消了对该腔中的该流体施加向下力的重力，该膜采用基本旋转对称的形状，减小了重力垂度对该液体透镜的光学性能的影响。

Description

具有重力垂度校正的液体透镜
技术领域
本公开涉及光学器件，具体涉及液体透镜以及制造液体透镜的方法。
背景技术
视觉显示器用于向一位或多位观看者提供信息，这些信息包括静态图像、视频、数据等。视觉显示器在各种领域中都有应用，仅举几个示例，这些领域包括娱乐、教育、工程、科学、专业培训、广告。一些视觉显示器(例如，电视机)向若干用户显示图像，而一些视觉显示系统旨在针对单独用户。可以直接观看视觉显示器，或者通过特殊的眼镜以及特殊的变焦透镜观看视觉显示器，该眼镜可以包括光学快门(optical shutters)。
人工现实系统通常包括近眼显示器(例如，头戴式设备(headset)或一副眼镜)，该近眼显示器被配置为向用户呈现内容。近眼显示器可以显示虚拟对象、或将真实对象的图像与虚拟对象进行组合，如在虚拟现实(Virtual Reality，VR)应用、增强现实(AugmentedReality，AR)应用或混合现实(mixed reality，MR)应用中那样。例如，在AR系统中，用户可以观看叠加至周围环境上的虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(Computer-Generated Image，CGI))。在一些近眼显示器中，用户的每只眼睛观看线性域中的图像，该图像显示在微型显示面板上并且通过变焦目镜进行观察。
头戴式显示器期望使用紧凑高效的显示系统。因为HMD或NED的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以大型的、笨重的、不平衡的、和/或重型的显示设备对于用户穿戴而言将是麻烦的，并且可能不舒服。紧凑型显示设备需要紧凑高效的光源、图像投影仪、光导(lightguide)、透镜叠置体等。
发明内容
根据本发明，提供了一种液体透镜，该液体透镜包括：衬底；透明弹性的膜，该膜与该衬底形成腔；以及透明的流体，该流体填充位于该衬底与该膜之间的该腔。在该腔中没有该流体的情况下，该膜具有预扭曲、旋转非对称的形状，使得当该腔中填充有该流体并且该衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于该膜的弹性抵消了对该腔中的流体施加向下力的该重力，该膜采用基本旋转对称的形状。
在一些实施例中，该旋转非对称的形状包括该液体透镜的连续的凹入区域和凸出区域，使得在该腔中没有流体的情况下，当该液体透镜相对于重力以该预定的时钟角竖直地放置时，该液体透镜的该凸出区域设置在该液体透镜的该凹入区域的上方。该膜的厚度在该液体透镜的通光孔径上可以基本是均匀的。该基本旋转对称的形状可以包括球面形状。在一些实施例中，该液体透镜还包括电极，该电极用于向该膜施加电场，以通过改变该膜的曲率半径来改变该液体透镜的光焦度。该液体透镜的光焦度在的某种预定范围(例如不超出-2屈光度至2屈光度的范围)内可以是可变的。
在一些实施例中，该膜可以包括电活性材料层。在一些实施例中，该膜还可以包括至少一个透明电极。在一些实施例中，该膜还可以包括背衬层，该背衬层结合到该电活性材料层并且支撑该电活性材料层。该背衬层的杨氏模量可以大于该电活性材料层的杨氏模量。
在该液体透镜在该膜的外缘周围包括支撑该膜的弹簧的实施例中，该弹簧可以在该膜的外缘周围具有在空间上变化的刚度。该膜可以形成在具有该旋转非对称的形状的表面上。
根据本公开，提供了一种用于制造液体透镜的方法。该方法可以包括：形成透明弹性的膜，该膜具有预扭曲、旋转非对称的形状；将该膜安装在衬底的上方，以在该衬底与该膜之间形成腔；以及用透明的流体填充该腔。该膜的预扭曲的形状可以使得当该腔中填充有该流体并且该衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于该膜的弹性抵消了对该腔中的该流体施加向下力的该重力，使得该膜采用基本旋转对称的形状。形成透明弹性的膜可以包括：提供具有该旋转非对称的形状的固体表面；在该表面上形成该膜，该膜采用该旋转非对称的形状；以及将该膜从该表面移出。在该表面上形成该膜可以包括：在该表面上设置粘合层；以及在该表面上结合和固化膜材料层。膜材料可以包括PVDF。
根据本发明，还提供了一种液体透镜，该液体透镜包括：衬底；透明弹性的膜，该膜与该衬底形成腔；以及透明的流体，该流体填充位于该衬底与该透明膜之间的该腔。该膜可以包括电活性层，该电活性层被配置为在该腔中没有该流体时，响应于向该电活性层施加可控电场而采用旋转非对称的形状，使得当该腔中填充有该流体并且该衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于该可控电场抵消了对该腔中的该流体施加向下力的该重力，该膜采用基本旋转对称的形状。该膜可以包括第一电极，该第一电极用于向该膜的该电活性层施加该可控电场。该膜还可以包括第二电极，该第二电极用于向该膜施加电场，以通过改变该膜的曲率半径来改变该液体透镜的光焦度。
应当理解的是，本文中描述为适合于结合到本公开的一个或多个方面、或实施例中的任何特征旨在通用于本公开的任何方面和所有方面和实施方案。本领域技术人员根据本公开的说明书、权利要求书和附图，可以理解本公开的其他方面。上述总体描述和以下详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对权利要求的限制。
附图说明
现在将结合附图描述示例性实施例，在附图中：
图1为无重力垂度校正的未填充的液体透镜和经填充的液体透镜的示意性剖面图；
图2A为具有重力垂度校正的未填充的液体透镜和经填充的液体透镜的示意性剖面图；
图2B是图2A的未填充的液体透镜的三维视图；
图3是具有重力垂度校正的第一预扭曲液体透镜在不同加载情况下的表面垂度分布图；
图4是图3的第一预扭曲液体透镜与对应的未扭曲液体透镜(即，图1的液体透镜)相比的柱面度与平均光焦度的曲线图；
图5A和图5B是图1和图3的液体透镜在-1.0屈光度的初始设置下的局部光焦度分布图；
图6A和图6B是图1和图3的液体透镜在-0.5屈光度的设置下的局部光焦度分布图；
图7A和图7B是图1和图3的液体透镜在0.0屈光度的设置下的局部光焦度分布图；
图8A和图8B是图1和图3的液体透镜在+0.5屈光度的设置下的局部光焦度分布图；
图9A和图9B是图1和图3的液体透镜在+1.0屈光度的设置下的局部光焦度分布图；
图10是图1和图3的液体透镜在透镜的不同倾斜(时钟)角下的柱面度与平均光焦度的曲线图；
图11A和图11B是图1和图3的液体透镜在-1.0屈光度和未倾斜的设置下的表面垂度分布图；
图12A和图12B是图1和图3的液体透镜在-1.0屈光度和倾斜15°的设置下的表面垂度分布图；
图13A和图13B是图1和图3的液体透镜在-1.0屈光度和倾斜-15°的设置下的表面垂度分布图；
图14A和图14B是图1和图3的液体透镜在-1.0屈光度和倾斜-30°的设置下的表面垂度分布图；
图15是在透镜的不同倾斜(时钟)角下的较软的第二预扭曲液体透镜的柱面度与平均光焦度的曲线图，以及对应的未扭曲液体透镜的柱面度与平均光焦度的曲线图；
图16是第二预扭曲液体透镜的柱面度与平均光焦度的曲线图；
图17A是本公开的液体透镜的膜的实施例的侧视剖面图；
图17B是图2A和图2B的液体透镜的未填充的液体透镜变体的剖视三维视图，该液体透镜具有三个电极膜；
图17C是图17B的透镜填充有透明流体的放大的剖视三维视图；
图18A是本公开的制造液体透镜的方法的流程图；
图18B是通过将电活性材料层压靠弯曲的预成形衬底而形成的液体透镜的膜的三维视图；
图19是具有膜的液体透镜的实施例的侧视剖面图，该膜在施加电场时采用非对称形状；
图20是本公开的具有一副眼镜的形状要素的近眼显示器的俯视图；以及
图21是本公开的头戴式显示器的三维视图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是不旨在将本教导局限于这样的实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代方案和等同物。本文中引用本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。此外，这些等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，所开发的用于执行相同功能的任何元件，而无需考虑结构。
如本文所使用的，术语“第一”和“第二”等不旨在暗示顺序次序，而是旨在将一个元件与另一个元件区分开，有明确说明除外。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序排序并不暗示这些方法步骤执行的顺序次序。在图1、图2A至图2B、图17以及图19中，相似的附图标记表示相似的元件。
液体透镜由透明的衬底、可以改变形状的柔性透明的层以及位于衬底与柔性的层之间的流体组成。当液体透镜处于竖直时，重力增加了透镜底部处的流体压力，并且降低了顶部处的压力。这会导致形成“重力垂度失真”，有时也被称为彗差(coma)。在被设置为光轴与重力垂直的大型透镜中，重力垂度尤为突出。由于重力垂度引起的透镜的光学失真与透镜高度的立方大致成比例。可以通过增加膜的硬度、通过对膜施加张力、或增加膜的硬度和对膜施加张力这二者，来减小重力垂度。增加硬度增加了移动膜来创建透镜的预定义的光焦度(即，聚焦度或散焦度)所需的能量。可以通过增加膜的模量、膜厚度或增加膜的模量和膜厚度这二者来增加硬度。减小重力垂度的另一种方法是创建具有第一衬底、第一流体、可变形膜、第二流体和第二衬底的系统，其中，第一流体和第二流体具有不同的折射率。这些流体可以具有相似的密度。虽然这种方法有效，但是该方法增加了透镜的厚度和重量、降低了转变速度、并且缩小了液体透镜的可实现的光焦度范围。
本公开的液体透镜即使具有模量相对低的柔性透明的层也几乎不显示彗差。该透镜包括透明柔性的膜，该膜在腔中没有流体的情况下具有预扭曲的、旋转非对称的形状，使得当腔中填充有流体并且衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于膜的弹性抵消了对腔中的流体施加向下力的重力，该膜采用基本上旋转对称的形状。在一些实施例中，膜可以包括电活性层，该电活性层被配置为在腔中没有流体时，响应于对电活性层施加可控电场，而采用旋转非对称的形状。
现在参考图1，未填充的液体透镜105和经填充的液体透镜125包括衬底110(例如，透明衬底、吸收衬底或反射衬底)、以及透明弹性的膜120，当被外缘的边缘密封件115密封时该膜与衬底110形成腔155。经填充的液体透镜125的腔中填充有透明的流体160。在经填充的透镜125中，流体160被重力沿箭头165的方向向下拉，这使得柔性的膜120在底部区域135被向外推，并且相应地在顶部区域130被向内拉。向内拉和向外推使经填充的液体透镜125产生光学失真。
图2A示出了本公开的未填充的补偿液体透镜205和经填充的补偿液体透镜225。液体透镜205和225这二者包括衬底210(例如，透明衬底、吸收衬底或反射衬底)以及透明弹性的膜220，当通过具有顶部部分215和底部部分275的边缘密封件密封时该膜与衬底210形成腔255。液体透镜225填充有透明的流体260。在未填充的液体透镜205的腔255中没有流体的情况下，膜220可以具有预扭曲、旋转非对称的形状。在所示的实施例中，膜220包括连续的凹入区域230和凸出区域235。此处，术语“凹入”和“凸出”应用在液体透镜205和225的形状的上下文中。在未填充的透镜225中，液体透镜的凸出区域235向外延伸，并且相对于由箭头165表示的重力设置在液体透镜的向内延伸的凹入区域230的上方。膜220在液体透镜205和225的通光孔径(clear aperture)上可以是均匀的，即，膜在液体透镜105和125的通光孔径上可以具有基本恒定的厚度。
当腔255填充有流体260并且衬底210相对于重力(即，沿着由箭头165表示的重力)竖直地设置时，膜220采用基本上平坦的形状(如图2A中示出的经填充的液体透镜225)或旋转对称的形状。这是由于膜220的弹性抵消了对腔255中的流体260施加向下力的重力而发生的。换言之，流体260的向内拉使得向外推膜220的底部以及向内拉膜220的顶部，使得相应的预扭曲的底部区域240和顶部区域245变直，成为一个均匀的、基本上对称的表面，例如，平坦的表面或旋转表面(例如，球面或非球面)。在一些实施例中，可以设置至少一个电极270，用于向膜220施加电场，以通过改变膜220的曲率半径来改变经填充的液体透镜225的光焦度。膜220可以包括电活性材料。在其他实施例中，可以通过可控地改变流体160的体积来改变经填充的液体透镜225的光焦度，例如，通过在膜220的外缘周围设置支撑膜220的弹簧275，并且由致动器(例如，音圈致动器)致动弹簧275。在一些实施例中，例如，在非圆形透镜中，弹簧275的刚度在空间上是变化的，即，是透镜周围位置的函数。顶部和底部弹簧之间可能存在预加载。例如，边缘密封件的顶部部分215可以被预加载为向外推，边缘密封件的底部部分275可以被预加载荷为向内拉，以克服透镜的棱镜效应。
图2B还示出了图205的未填充的液体透镜205的预扭曲形状，其中，以三维视图重新绘制了未填充的液体透镜205。未填充的液体透镜205的旋转非对称形状包括连续的凹入表面区域230和凸出表面区域235。当未填充的液体透镜205(即，当腔中没有流体时)相对于重力以预定的时钟角θ竖直地放置时，液体透镜205的凸出区域235设置在凹入区域230的上方。此处，时钟角θ被定义为液体透镜围绕液体透镜的光轴250从某个参考方向或取向开始(例如，从如所示出的水平取向261开始)的旋转角。因此，时钟角θ可以被定义为水平方向261与具有其连续的凹入表面区域230和凸出表面区域235的预扭曲形状的对称轴线251之间的角。
参考图3，图3示出了图2A和2B的液体透镜225的示例对于不同的加载情况的表面垂度分布图。该示例的液体透镜被构造为具有-1.0屈光度的初始(标称)光焦度，并且由0.2mm厚的电活性聚合物(Electro-active Polymer，EAP)组成，该电活性聚合物具有5.0m4/C2的Q12电致伸缩系数、400的介电常数、以及750Pa的杨氏模量。EAP层结合到厚度为0.2mm且模量为6.4GPa(即，远高于EAP层的杨氏模量)的背衬层。液体透镜在外缘周围用平均刚度为1x104N/m/m的可变刚度弹簧来支撑。该预扭曲液体透镜在整个说明书中被称为“第一预扭曲液体透镜”。330中的轮廓线示出了如所制造的在无重力情况下的第一预扭曲液体透镜表面高度。该透镜表面不是球面形状。320中的轮廓线示出了在有重力情况下的表面高度。在这种情况下，透镜表面更接近于球面。310中的轮廓线示出了施加到透镜上的预变形，以使透镜对抗重力垂度。在310的轮廓线上，总垂度在-0.1mm至0.1mm之间变化；在320至330的轮廓线上，总垂度在0.2mm至0.7mm之间变化。
图4示出了第一预扭曲液体透镜(即，图3的透镜)的柱面度随光焦度的变化，该第一预扭曲液体透镜与具有相同膜参数的对应的未扭曲(未预成形)液体透镜的柱面度变化进行了相比，该未扭曲(未预成形)液体透镜仅在未填充时具有对称的膜，例如图1的液体透镜105。两个液体透镜都竖直地放置，即，两个液体透镜的衬底与重力平行。在此处以及在说明书的其余部分中，柱面度被定义为包含透镜的光轴的两个垂直平面的光焦度(即，聚焦度或散焦度)的差：当透镜竖直地放置时，这两个垂直平面为水平面和竖直面。示出了无重力情况下的未预成形(non-preformed)液体透镜的结果，以供参考并且与预成形的(preformed)液体透镜的结果进行了对比。预成形的液体透镜曲线在405处用圆圈示出。对于小于1屈光度的平均光焦度，柱面度保持在0.1屈光度以下。未预成形的液体透镜曲线在410处用“X”形示出。对于小于1屈光度的平均光焦度，柱面度保持在0.3屈光度以下，即，比预成形的液体透镜差三倍。该结果示出了，预成形的液体透镜在致动屈光度的全范围内具有较低的光学误差。这是因为在这种情况下，光学误差的主要来源是重力垂度，而不是致动。在有预成形和重力情况下的光学响应与在没有预成形和重力这二者情况下的光学响应几乎相同，没有预成形和重力这二者情况下的光学响应在415处用虚线示出，该虚线贯穿预成形液体透镜数据405。因此，预成形成功地消除了在很宽范围的致动光焦度下，而不仅仅是在-1屈光度的标称(初始)光焦度下，由于重力引起的柱面度误差。要注意的是，为了实现可变光焦度，通过致动透镜来改变膜的形状。尽管透镜的形状改变，但是通过膜的预扭曲施加的校正在-1屈光度至1屈光度的范围内仍然有效。在一些实施例中，该范围可以更宽，例如，从-2屈光度到2屈光度。
参考图5A和图5B，将第一预扭曲液体透镜的光焦度均匀度(图5B)与对应的未扭曲或未预成形的液体透镜的光焦度均匀度(图5A)进行了对比。未预成形的液体透镜(例如，图1的透镜105和125)与图3的第一预扭曲液体透镜具有相同的膜参数。这个对比是在两个透镜的初始光焦度为-1.0屈光度时进行的。局部光焦度用灰度分布图示出。在此处和整个说明书的其余部分中，术语“局部光焦度”指的是小直径光束入射到透镜的特定位置时所经历的局部聚焦度或散焦度。
可以看出，对应于预成形的透镜的图5B的分布图比对应于未预成形的透镜的图5A的分布图均匀得多。值得注意的是，图5A的分布图中的光焦度变化超过0.2屈光度，而图5B的分布图中光焦度的变化小得多，约为0.05屈光度，证明了预扭曲使得显著改善了透镜在其通光孔径上的光焦度均匀性。
现在参考图6A至图6B、图7A至图7B、图8A至图8B以及图9A至9B，将图3的第一预扭曲液体透镜的光焦度均匀度(图“B”)与对应的经填充的未预成形液体透镜的光焦度均匀度(图“A”)进行了对比。这些对比是在不同光焦度水平下进行的：-0.5屈光度(图6A至图6B)；0屈光度(图7A至图7B)；0.5屈光度(图8A至图8B)；以及1.0屈光度(图9A至图9B)。通过将图“A”与图“B”进行对比，可以看出，在与图3的第一预扭曲液体透镜对应的分布图“B”中，分布图更加对称，并且总体示出了透镜表面上的光焦度的变化较小，使得光学性能更好以及光学像差更小。
图6A至图6B以及图9A至图9B中的重力垂度校正针对未倾斜的液体透镜(即，针对具有90度的完美时钟角θ(时钟角θ在图2B中定义)的透镜)进行了优化。换言之，当用户水平观看而其头部没有向右或向左倾斜时，液体透镜不倾斜。然而，在现实生活场景中，用户将可能会在一定程度上倾斜其头部。因此，已经执行了验证来证明本公开的预成形或预补偿的液体透镜也可以在非零倾斜角下运行。参考图10，示出了当未致动液体透镜时，第一预扭曲液体透镜(虚线，1002)和对应的未预成形的透镜(实线，1004)的柱面度随头部倾斜角的变化。每个实验点附近都以单位度示出了透镜的倾斜角。预成形(1002)并且零倾斜的结果近乎完美，在某种意义上，柱面度几乎为零。当头部未倾斜时，在未预成形(1004)的情况下，柱面度要高得多，约为0.25屈光度。随着承载透镜的头部倾斜，柱面度误差随着预成形而增加，并且只有当倾斜接近45度时，椭圆度才会达到零度倾斜时未预成形透镜的柱面度。
参考图11A和图11B，图11A和图11B将第一预成形液体透镜的光焦度均匀度(图11B)与对应的经填充的未预成形的液体透镜的光学焦度均匀度(图11A)进行了对比。这个对比是在-1.0屈光度的初始光焦度和零倾斜角下进行的，零倾斜角相当于90度的时钟角θ。图11A的分布图(未预成形的液体透镜)中的光焦度变化超过0.2屈光度，而图11B的分布图(预成形的液体透镜)中的光焦度变化明显更好—约0.05屈光度。
现在参考图12A至图12B、图13A至图13B以及图14A至图14B，这些图将第一预扭曲液体透镜的光焦度均匀度(图“B”)与对应的经填充的未预成形液体透镜的光焦度均匀度的基准(图“A”)进行了对比。这个对比是在不同的倾斜角下进行的：15度(图12A至图12B)；-15度(图13A至图13B)；以及-30度(图13A至图13B)。15度倾斜(图12A至图12B)和-15度倾斜(图13A至图13B)的结果示出了共同的趋势：与第一预成形液体透镜(图12B和图13B)相比，未预成形液体透镜(图12A和图13A)的光焦度更不均匀。对于非预成形液体透镜，不均匀幅度约为0.2屈光度，而对于第一预成形液体透镜，不均匀幅度约为0.05屈光度。预成形(预扭曲)液体透镜数据也示出了更小的梯度和更对称的图案。这个趋势通常延续到-30度倾斜的情况(图14A和图14B)。对于未预成形的液体透镜情况(图14A)，不均匀幅度约为0.3屈光度。对于预成形的液体透镜情况(图14B)，不均匀幅度较小，约为0.2屈光度，并且光焦度梯度较小，如图14B的较宽的黑白峰1400B与图14A的尖锐的黑白峰1400A相比所证明的。
转到图15，图15示出了第二预扭曲液体透镜的柱面度随头部倾斜角的变化。第二预扭曲液体透镜比图3以及图14A至14B的第一预扭曲透镜软。第二预扭曲液体透镜的膜包括0.2mm厚的EAP层，该EAP层具有1.394m4/C2的Q12系数、800的介电常数和40MPa的较软的杨氏模量。该层与厚度为0.18mm且模量为8.0Gpa的背衬层结合。透镜在外缘周围用平均刚度为1x104N/m/m的可变刚度弹簧来支撑。预成形(1502)且零倾斜的结果近乎完美，在某种意义上，柱面度几乎为零。当头部未倾斜时，在未预成形(1504)的情况下，柱面度要高得多，约为0.55屈光度。随着承载透镜的头部倾斜，柱面度误差随着预成形而增加，并且只有当倾斜接近45度时，椭圆度才会达到零度倾斜时未预成形透镜的柱面度。图15的结果与图10的结果类似，图10示出了较硬的第一预扭曲液体透镜的柱面度变化与倾斜的关系，只是图15中未倾斜、未扭曲的透镜基准的柱面度的值约高至两倍，为0.5屈光度而不是0.25屈光度。该结果表明，预扭曲可以在膜硬度方面开辟液体透镜的设计空间，使得能够使用更软的膜。
现在参考图16，图16将第二预扭曲(预成形)液体透镜的柱面度随光焦度的变化与具有相同膜参数的对应的未扭曲(未预成形)液体透镜的柱面度变化进行了对比，该未扭曲(未预成形)液体透镜仅在未填充时具有对称的膜，例如图1的液体透镜105。两个液体透镜都竖直地放置，即，两个液体透镜的衬底的平面与重力平行。示出了无重力情况下的未预成形液体透镜的结果，以供参考并且与预成形液体透镜的结果进行了对比。预成形的液体透镜曲线在1605处用圆圈示出。对于小于1屈光度的平均光焦度，柱面度保持在约0.3屈光度以下。在1610处，用“X”形示出了未预成形的液体透镜曲线。对于小于1屈光度的平均光焦度，柱面度保持在0.45屈光度到0.6屈光度之间，即，比预成形的液体透镜差约两倍。该结果示出了，预成形的液体透镜在-1屈光度至1屈光度的全致动范围内具有较低的光学误差。在预成形和重力情况下的光学响应与在没有预成形和重力这二者的情况下的光学响应非常相似，没有预成形和重力这二者的情况下的光学响应在1615处用虚线示出，该虚线非常接近预成形的液体透镜数据1605延伸。由于第二液体透镜的膜比第一透镜的膜软，使得第二预扭曲液体透镜的柱面度大于以上参考图4考虑的第一预扭曲液体透镜的柱面度。
转到图17A，本公开的液体透镜的透明的膜1720可以包括电活性材料(例如，诸如聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF))层1772，该电活性材料层可以由结合到电活性材料层1772的背衬层1774支撑。合适的背衬材料包括聚合物(例如，聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或环状聚烯烃)、玻璃、陶瓷(例如，蓝宝石)及它们的组合。背衬层1774的杨氏模量可以大于电活性材料层1772的杨氏模量，以为膜1720提供更大的弹性力。弹簧1776可以在膜1720的外缘周围支撑膜1720。弹簧1776在透明膜1720的外缘周围可以具有在空间上变化的刚度。弹簧1776还可以具有预加载，向外施加力以在顶部增加衬底与膜1720之间的分离，并且在底部向内拉。例如，通过改变弹簧材料的模量、密封件的形状、或者弹簧材料的模量和密封件的形状这二者的组合，可以将预定的刚度和预加载结合到密封件中。
参考图17B和图17C，未填充的补偿液体透镜1705(图17B)是图2A的未填充的补偿液体透镜205的变形，经填充的补偿液体透镜1725(图17C)是图2A的未填充的补偿液体透镜225的变形。未填充的补偿液体透镜1705(图17B)包括衬底1710和透明弹性的膜1720，当由具有顶部部分1715和底部部分1775的边缘密封件密封时，该膜与衬底1710形成腔1755。经填充的液体透镜1725(图17C)填充有透明液体1760。在未填充的液体透镜7105的腔7155中没有流体的情况下，膜1720可以具有预扭曲、旋转非对称的形状。在图17C示出的实施例中，膜1720包括以下透明层的叠置体：第一电极1782、第一材料1784、第二电极1786、第二材料1788和第三电极1790。当通过第一电极1782、第二电极1786和第三电极1790对第一材料1784和第二材料1788施加电场时，膜变形，使得经填充的液体透镜1725的光焦度发生变化。
例如，第一材料1784可以是压电材料或电致伸缩聚合物。对于双晶片(bimorph)压电材料，第一电极1782和第二电极1786以及第三电极1790可以是但不限于透明导电氧化物(例如，氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)或氧化铟镓锌(indium gallium zinc oxide，IGZO))、或纳米线电极、石墨烯电极或碳纳米管电极、金属(包括铝或银)电极、或例如ITO薄膜和银薄膜的多层光学叠置体。电致伸缩材料可以是丙烯酸酯弹性体、硅树脂、PVDF-TrFE-CTF等。压电材料可以是PVDF、PVDF-TrFE聚合物或陶瓷(例如，PMN-PT、PZT、LiNbO3等)。对于单晶片(unimorph)膜，第一材料1784或第二材料1788中的任何一种可以是无源材料，例如，聚合物、玻璃或陶瓷，或它们的组合。如上所述，边缘密封件的硬度可以在空间上变化。
参考图18A，制造本公开的液体透镜的方法1800包括形成(1802)透明弹性的膜，该膜具有预扭曲、旋转非对称的形状。该旋转非对称的形状使得当液体透镜的腔填充有透明的流体并且液体透镜的衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于膜的弹性抵消了对液体透镜的腔中的流体施加向下力的重力，该膜采用基本上旋转对称的形状。可以将形成的膜安装(1804)在液体透镜的衬底的上方，在衬底与膜之间形成腔。可以用透明的流体填充(1806)腔。
形成步骤1802可以包括提供(1808)具有旋转非对称的形状的固体表面。可以计算或根据经验确定旋转非对称的形状，并且可以例如通过金刚石车削来制造其上形成有膜的表面。然后，在该表面上形成(1810)膜，该膜采用支撑表面的旋转非对称的形状。然后，可以将膜从支撑表面移出(1812)。膜形成步骤1810可以依次包括在表面上设置(1814)粘合层，然后，在表面上结合(1816)和固化(1818)膜材料层。
现在参考图18B，可以通过将电活性材料1860结合到衬底或预成形件1870来形成液体透镜的膜。电活性材料1860符合预成形件1870的形状。预成形件1870的接触电活性材料1860的表面可以是平坦的、具有例如圆柱形的简单曲线、或例如球面或非球面的复合曲线、或它们的组合。该表面可以是更复杂的形状，这些形状包括泽尼克(Zernike)形状。该表面可以是凸出的或凹入的，或者可以有一些区域是凹入的而另一些区域是凸出的。可以向电活性材料1860和预成形件1870这二者施加压力1880。可以机械地施加压力，例如，通过保持电活性材料1860的框架或者通过例如加压空气或真空的流体压力来施加。电活性材料1860和预成形件1870的表面可以具有应用到一个或多个表面的涂层。合适的涂层包括电极或粘合剂，或电极和粘合剂这二者。合适的粘合剂包括可辐射固化材料(例如，丙烯酸单体)和热固化粘合剂(例如，环氧树脂、聚氨酯)以及热引发的丙烯酸酯(thermally initiatedacrylates)。也可以使用其他结合方法，例如，晶圆邦定(bonding)技术。一种或多种粘合剂可以包括溶剂，该溶剂可以在结合后通过扩散移出。
在本公开的一些实施例中，可以通过向膜施加非对称力，例如通过向膜施加适当配置的电场，使膜变形到期望的形状，来使液体透镜的膜适应所需的预扭曲、非旋转对称的形状。转到图19，例如，本公开的未填充的补偿液体透镜1905和经填充的补偿液体透镜1925包括衬底1910(例如，透明衬底或反射衬底)、以及与衬底1910形成腔1955的透明弹性的膜1920。膜1920可以包括电活性层1922。经填充的液体透镜1925填充有透明的流体1960。
膜1920可以设置有成形和/或分段电极1980，用于将可控电场施加到膜1920的电活性层1922。此处，术语“成形”是指具有与膜1920的形状或足迹不同的形状或足迹，例如，占据膜1920的区域的非对称部分。成形和/或分段电极1980可以是例如图17C的液体透镜1725的第一电极1782、第二电极1786和/或第三电极1790中的一者。电活性层1922可以被配置为在腔中没有流体1960时，响应于成形和/或分段电极1980向电活性层施加可控电场而采用旋转非对称的形状(与图2的未填充的液体透镜205的形状类似)。成形和/或分段电极1980可以被配置为产生所需的电场。
当腔1955填充有流体1960且衬底1910相对于箭头165所示的重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于由成形和/或分段电极1980产生的可控电场抵消了对腔1955中的流体1960施加向下力的重力，膜采用基本上旋转对称的形状。液体透镜1925的电极结构还可以包括聚焦电极1984，该聚焦电极用于向膜施加电场，以通过改变膜1920的曲率半径来改变液体透镜1925的光焦度。聚焦电极1984可以是例如液体透镜1725(图17C)的第一电极1782、第二电极1786和/或第三电极1790中的另一者。施加到成形和/或分段电极1980(图19)的电信号可以根据施加到聚焦电极1984的电压而改变，以校正不同光焦度水平下的透镜形状，并且进一步减小由于不同光焦度水平下的重力垂度引起的光学像差。
参考图20，增强现实(AR)近眼显示器2000包括具有一副眼镜的形状要素的框架2001。对于每只眼睛，框架2001支撑：电子显示面板2008、光学耦合到电子显示面板2008的目镜(ocular lens)系统2010、眼睛追踪摄像头2004和多个照明器2006。目镜系统2010可以包括本文公开的任何液体透镜。照明器2006可以由目镜系统2010支撑，用于照射适眼区(eyebox)2012。电子显示面板2008提供线性域中的图像，该图像由目镜系统2010转换为角域中的图像以供用户的眼睛观察。
眼睛追踪摄像头2004的目的在于确定用户的两只眼睛的位置和/或取向。一旦已知了用户眼睛的位置和取向，就可以确定凝视会聚距离和方向。考虑用户的凝视，可以动态地调整由显示面板2008显示的图像，以使用户更逼真地沉浸在所显示的增强现实场景中、和/或提供与增强现实交互的特定功能。还可以通过调节目镜系统2010相应的液体透镜来调整目镜系统2010的焦距，以减少可能导致某些用户疲劳和头痛的辐辏调节冲突。在运行中，照明器2006照亮相应适眼区2012处的眼睛，以使眼睛追踪摄像头2004能够获取眼睛的图像，以及提供参考反射，即闪烁。闪烁可以用作所采集的眼睛图像中的参考点，通过确定眼睛瞳孔图像相对于闪烁图像的位置以便于眼睛凝视方向的确定。为了避免照明光分散用户的注意力，可以使照明光对用户不可见。例如，红外光可以用于照亮适眼区2012。
转到图21，HMD 2100为AR/VR可穿戴显示系统的示例，该可穿戴显示系统包围用户的面部，以便使该用户更大程度地沉浸在AR/VR环境中。HMD 2100的功能可以是生成完全虚拟的3D图像。HMD 2100可以包括前部本体2102和带2104。前部本体2102被配置用于以可靠且舒适的方式放置在用户的眼睛的前方，并且带2104可以被拉伸以将前部本体2102固定在用户的头部上。显示系统2180可以设置在前部本体2102中，用于向用户呈现AR/VR影像。显示系统2180可以包括本文公开的任何液体透镜。前部本体2102的侧部2106可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前部本体2102包括定位器2108和用于追踪HMD 2100的加速度的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)2110、以及用于追踪HMD 2100的位置的位置传感器2112。IMU 2100为基于接收到的来自多个传感器2112中的一个或多个位置传感器的测量信号而生成表示HMD 2100的位置的数据的电子设备，其中，该一个或多个位置传感器响应于HMD 2100的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器2112的示例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的其他合适类型的传感器、用于IMU 2110的误差校正的一类传感器、或它们的某种组合。位置传感器2112可以位于IMU 2110的外部、IMU 2110的内部、或它们的某种组合。
定位器2108由虚拟现实系统的外部成像设备来追踪，使得虚拟现实系统可以追踪整个HMD 2100的位置和取向。可以将由IMU 2110和位置传感器2112生成的信息与通过追踪定位器2108获取的位置和取向进行比较，以提高HMD 2100的位置和取向的追踪精度。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和取向对于向用户呈现合适的虚拟场景非常重要。
HMD 2100还可以包括深度摄像头组件(Depth Camera Assembly，DCA)2111，该深度摄像头组件采集描述HMD 2100部分或全部周围局部区域的深度信息的数据。可以将深度信息与来自IMU 2110的信息进行比较，以便更准确地确定HMD 2100在3D空间中的位置和取向。
HMD 2100还可以包括眼睛追踪系统2114，该眼睛追踪系统用于实时确定用户眼睛的取向和位置。所获取的眼睛的位置和取向还允许HMD 2100确定用户的凝视方向，并且相应地调整由显示系统2180生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，即，用户的眼睛注视的会聚角。可以使用所确定的凝视方向和聚散角来调节显示系统2180的液体透镜的焦距，以减少辐辏调节冲突。注视方向和聚散度也可以用于实时补偿取决于视角和眼睛位置的视觉伪影。此外，所确定的聚散度和注视角可以用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以设置音频系统，该音频系统包括例如内置到前部本体2102中的一组小形扬声器。
本公开的实施例可以包括人工现实系统、或者结合人工现实系统来实施。人工现实系统在呈现给用户之前以某种方式调整通过感测获取的关于外界的感觉信息(例如，视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等)。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(Mixed Reality，MR)、混合现实(Hybrid Reality)或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全产生的内容或与所采集的(例如，真实世界的)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈、或它们的某种组合。这些内容中的任何内容可以在单个频道中或在多个频道中(例如，在向观看者产生三维效果的立体视频中)呈现。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用程序、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用程序、产品、附件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实中(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括可穿戴显示器(例如，连接至主控计算机系统的HMD)、独立的HMD、具有眼镜的形状要素的近眼显示器、移动设备或计算系统、或者能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本公开的范围不受本文描述的特定实施例的限制。实际上，根据前述的描述和附图，除了本文描述的实施例和修改之外，其他各种实施例和修改对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管在本文中将本公开在用于特定目的特定环境中的特定实施方式的上下文中进行了描述，但是本领域的普通技术人员将认识到，本公开的实用性不限于此，并且本公开可以在用于任何数量的目的的任何数量的环境中有利地实施。因此，下面随附的权利要求应当根据如本文所描述的本公开的全部广度来解释。

Claims (15)

1.一种液体透镜，所述液体透镜包括：
衬底；
透明弹性的膜，所述膜与所述衬底形成腔；以及
透明的流体，所述流体填充位于所述衬底与所述膜之间的所述腔；
其中，在所述腔中没有所述流体的情况下，所述膜具有预扭曲、旋转非对称的形状，使得当所述腔中填充有所述流体并且所述衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于所述膜的弹性抵消了对所述腔中的所述流体施加向下力的重力，所述膜采用基本旋转对称的形状。
2.根据权利要求1所述的液体透镜，其中，所述旋转非对称的形状包括所述液体透镜的连续的凹入区域和凸出区域，使得在所述腔中没有所述流体的情况下，当所述液体透镜相对于重力以所述预定的时钟角竖直地放置时，所述液体透镜的所述凸出区域设置在所述液体透镜的所述凹入区域的上方。
3.根据权利要求1或2所述的液体透镜，其中，所述膜的厚度在所述液体透镜的通光孔径上基本上是均匀的。
4.根据权利要求1、2或3所述的液体透镜，其中，所述基本旋转对称的形状包括球面形状。
5.根据前述权利要求中任一项所述的液体透镜，所述液体透镜还包括电极，所述电极用于向所述膜施加电场，以通过改变所述膜的曲率半径来改变所述液体透镜的光焦度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的液体透镜，其中，所述液体透镜的光焦度在不超出-2屈光度至2屈光度的范围内是可变的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的液体透镜，其中，所述膜包括电活性材料层。
8.根据权利要求7所述的液体透镜，其中，所述膜还包括以下中的一者或多者：
i.至少一个透明电极；
ii.背衬层，所述背衬层结合到所述电活性材料层并且支撑所述电活性材料层；优选地，其中，所述背衬层的杨氏模量大于所述电活性材料层的杨氏模量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的液体透镜，所述液体透镜还包括弹簧，所述弹簧在所述膜的外缘周围支撑所述膜；优选地，其中，所述弹簧在所述膜的所述外缘的周围具有在空间上变化的刚度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的液体透镜，其中，所述膜形成在具有所述旋转非对称的形状的表面上。
11.一种制造液体透镜的方法，所述方法包括：
形成透明弹性的膜，所述膜具有预扭曲、旋转非对称的形状；
将所述膜安装在衬底的上方，以在所述衬底与所述膜之间形成腔；以及
用透明的流体填充所述腔；
其中，所述膜的预扭曲的形状使得当所述腔中填充有所述流体并且所述衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于所述膜的弹性抵消了对所述腔中的所述流体施加向下力的重力，所述膜采用基本旋转对称的形状。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成透明弹性的所述膜包括：
提供具有所述旋转非对称的形状的固体表面；
在所述表面上形成所述膜，所述膜采用所述旋转非对称的形状；以及
将所述膜从所述表面移出。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述表面上形成所述膜包括：
在所述表面上设置粘合层；以及
在所述表面上结合和固化膜材料层；优选地，其中，膜材料包括PVDF。
14.一种液体透镜，所述液体透镜包括：
衬底；
透明弹性的膜，所述膜与所述衬底形成腔；以及
透明的流体，所述流体填充位于所述衬底与所述透明膜之间的所述腔；
其中，所述膜包括电活性层，所述电活性层被配置为在所述腔中没有所述流体时，响应于向所述电活性层施加可控电场而采用旋转非对称的形状，使得当所述腔中填充有所述流体并且所述衬底相对于重力以预定的时钟角竖直地设置时，由于所述可控电场抵消了对所述腔中的所述流体施加向下力的重力，所述膜采用基本旋转对称的形状。
15.根据权利要求14所述的液体透镜，其中，所述膜包括第一电极，所述第一电极用于向所述膜的所述电活性层施加所述可控电场；优选地，其中，所述膜还包括第二电极，所述第二电极用于向所述膜施加电场，以通过改变所述膜的曲率半径来改变所述液体透镜的光焦度。
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