CN117631399A

CN117631399A - 用温度控制提高的grin lc透镜响应时间

Info

Publication number: CN117631399A
Application number: CN202311110753.3A
Authority: CN
Inventors: 德米特罗·Y·列兹尼科夫; 阿法松·贾马利; 阿尔曼·博罗曼德; 罗宾·夏尔马
Original assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2023-08-30
Publication date: 2024-03-01

Abstract

一种系统包括：(a)光学器件，该光学器件具有GRIN LC透镜，该GRIN LC透镜包括液晶层；(b)传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的属性；(c)热源，以及(d)控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号，来调整该热源与该液晶层之间的热流。

Description

用温度控制提高的GRIN LC透镜响应时间

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年8月30日提交的、申请号为63/402,347的美国临时申请的优先权和权益，以及于2023年4月11日提交的、申请号为18/298,662的美国非临时申请的优先权和权益，该美国临时申请和美国非临时申请的全部内容通过引用结合在本文中。

技术领域

本公开总体上针对具有快速可切换操作的梯度折射率(gradient refractiveindex，GRIN)液晶(LC)透镜，并且更特别地，涉及包括GRIN LC透镜的系统。

背景技术

在包括眼镜、隐形眼镜、以及增强现实(augmented reality，AR)和虚拟现实(virtual reality，VR)系统中的视力矫正元件的各种光学工程应用中，液晶(LC)透镜由于其电可调聚焦能力而可以提供许多优点，其中，相关的光学机制是基于由外加电场驱动的LC分子取向引起的、光速的空间局域调制。

发明内容

一方面，提供了一种光学器件，该光学器件包括：透镜，该透镜包括设置在一对光学基板之间的液晶层；传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的至少一个属性；热源；以及控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号，来调整该热源与该液晶层之间的热流。

又一方面，提供了一种光学器件，该光学器件包括：液晶透镜，该液晶透镜包括：(a)第一光学基板，(b)第二光学基板，该第二光学基板覆盖该第一光学基板并与该第一光学基板间隔开，(c)液晶(LC)层，该液晶层设置在该第一光学基板与该第二光学基板之间，(d)第一电极结构，该第一电极结构位于该液晶层与该第一光学基板之间，以及(e)第二电极结构，该第二电极结构位于该液晶层与该第二光学基板之间；传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的至少一个属性；热源；以及控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号来调整该热源与该液晶层之间的热流。

又一方面，提供了一种方法，该方法包括：形成光学器件，该光学器件包括：(a)透镜，该透镜包括设置在光学基板之间的液晶层，(b)传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的属性，(c)热源，以及(d)控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号来调整该热源与该液晶层之间的热流；以及将热量以有效地改变该液晶层的属性的量从该热源引导到该液晶层。

附图说明

附图示出了多个示例性实施例，并且是说明书的一部分。这些附图与以下描述一起展示和解释了本公开的各种原理。

图1示出了根据一些实施例的示例GRIN LC透镜堆叠体的一部分，该GRIN LC透镜堆叠体具有设置在图案化电极与接地电极之间的液晶层。

图2为根据一些实施例的包括间隔元件阵列和金属化架构的GRIN LC透镜堆叠体的横截面图，该间隔元件阵列设置于第一光学基板与第二光学基板之间，该金属化架构用于在位于基板之间的液晶层两端施加电场。

图3显示了根据一些实施例的具有被热监测和温度控制的液晶层的光学系统的横截面图。

图4为根据各种实施例的显示了温度对代表性液晶组合物的折射率和粘度的影响的曲线图。

图5为可以结合本公开的实施例使用的示例性增强现实眼镜的图示。

图6为可以结合本公开的实施例使用的示例性虚拟现实头戴式设备(headset)的图示。

在所有附图中，相同的附图标记和描述表示类似但不一定相同的元件。虽然本文描述的示例性实施例易于进行各种修改和替代形式，但是具体实施例已经在附图中以举例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，本文所描述的示例性实施例并不旨在限于所公开的特定形式。而是，本公开涵盖落入所附权利要求的范围内的所有修改、等同物和替代物。

具体实施方式

在这种情况下，可以理解的是，在较大孔径(大于10mm)的LC透镜上实现连续的相位延迟分布可能受到LC材料的有限双折射率(小于0.4)以及它们的机械顺应性的挑战。在一些实施例中，梯度折射率配置可用于提供聚焦质量的可调性。

梯度折射率(GRIN)光学指光学的一个分支，其中，光学效应是由材料的折射率的空间梯度产生的。例如，渐变的折射率变化可以用于制造具有平面表面的透镜，或者用于减少成像应用中的像差。在具有轴向梯度配置的LC透镜中，折射率可以沿着非均匀介质的光轴变化，使得具有恒定折射率的表面是垂直于光轴取向的平面。另一方面，在径向/圆柱折射率梯度配置中，折射率分布可以沿横向方向从光轴的中心线到外缘连续变化，使得具有恒定折射率的表面是围绕光轴的同心圆柱体。还考虑了具有轴向和径向/圆柱折射率梯度配置的混合GRIN LC透镜。

梯度折射率透镜利用在透镜的观察孔径两端的、空间定义的折射率梯度来赋予在选定设计波长处的光学相位分布。在特定示例中，GRIN透镜可以具有平面形状要素(例如，盘形)以及这样的透镜性能：该透镜性能相对于由具有单一、空间不变的折射率的材料形成的透镜(例如由玻璃或石英制成的比较透镜)可以得到改进。

GRIN型变焦LC透镜可以被配置为响应于施加在一个或多个LC层两端的空间不均匀电场而呈现折射率的梯度分布。因此，GRIN型LC透镜的透镜光学能力也可以是连续可调的。在一些实例中，透镜材料内的折射率可以存在连续变化。LC透镜可以以平面和非平面(例如，凹面或凸面)几何形状配置。

在一些系统中，可调架构可以包括形成在透镜的光学孔径内的、一个或多个LC层上的多个离散的环形电极。在操作期间，可以向各个电极施加不同的电压，该电压可以用于局部调节LC材料的折射率。然而，多个电极的图案化可能产生制造挑战并且还会导致性能缺陷，这些性能缺陷包括透射损失、光焦度的降低、和/或由于亚临界电极尺寸或相邻电极之间的间隙引起的角度衍射所导致的光学伪影(例如，雾度和/或重影)的产生。在一些实施例中，变焦GRIN LC透镜的观察孔径两端的电极间间隙可以大于大约1微米。

如本文中所使用的，术语“雾度(haze)”和“清晰度(clarity)”可以指与光透过材料相关联的光学现象，并且可以归因于光在材料内的折射，例如由于次生相或多孔性和/或光从材料的一个或多个表面的反射。如本领域技术人员将理解的，雾度可能与经历广角散射(即，与法线的夹角大于2.5°)的光量以及相应的透射对比度的损失有关，而透光度可能与经历窄角散射(即，与法线的夹角小于2.5°)的光量以及随之而来的光学锐度或“透视质量”的损失有关。

本公开总体上针对具有快速可切换操作的GRIN LC透镜，并且更特别地，涉及包括GRIN LC透镜的系统，其中，液晶材料的温度以这样的方式被监测和控制：该方式有效地调节液晶的切换速度和/或折射率。适合于向LC层提供热量的热源可以包括系统固有的元件，例如电源、显示元件、或投影仪。

根据一些实施例，GRIN LC透镜可以包括第一光学基板、覆盖该第一光学基板的至少一部分并与该第一光学基板的该至少一部分隔开的第二光学基板、设置在该第一光学基板与该第二光学基板之间的液晶层、设置在该液晶层与该第一光学基板之间的第一电极层、以及设置在该液晶层与该第二光学基板之间的第二电极层。这些光学基板可以包括例如高透射率和低雾度的玻璃基板。

第一光学基板和第二光学基板可以是透明的，并且可以限定GRIN LC透镜的光学孔径。如本文中所使用的，“光学”基板的特征在于：可见光光谱内的透射率至少为大约80％(例如，80％、90％、95％、97％、或99％，包括任何前述值之间的范围)，以及小于大约10％(例如，0、1％、2％、4％、6％、或8％的体雾度，包括任何前述值之间的范围)的体雾度(bulkhaze)。

第一电极层和第二电极层可以各自独立地包括一种或多种透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)，例如氧化铟、氧化锡、氧化铟锡(indium tinoxide，ITO)、和氧化铟镓锌(indium gallium zinc oxide，IGZO)等。在一些示例中，各电极(例如，第一图案化电极层和第二图案化电极层)可以具有范围为大约1nm至大约1000nm的厚度，其中，示例厚度为约10nm至约50nm。

在一些实施例中，GRIN LC透镜还可以包括位于各个电极与LC层之间的介电材料层或绝缘材料层。介电层或绝缘层的存在或不存在可以用于局部改变施加到液晶的电场的大小或方向，并相应地调节LC层的折射率和/或双折射率。示例介电层可以包括有机材料(例如，聚酰亚胺)或无机材料(例如，二氧化硅)。

液晶可能表现出光学各向异性或双折射率(Δn)。各种液晶的双折射率、平均折射率、和折射率的温度梯度可以由实验或经验确定。当光通过各向异性介质(例如，液晶)传播时，光将被分成两条光线，该两条光线以不同的速度穿过该材料。因此，该材料可以用不同的折射率来表征，即寻常折射率(n_o)和非寻常折射率(n_e)，其中的差异被定义为双折射率(birefringence或double refraction)(Δn＝n_e-n_o)。根据n_e和n_o的值，双折射率可以是正的，也可以是负的。

示例液晶组合物包括向列液晶，向列液晶包括普通向列相液晶和扭曲向列相(胆甾相)液晶，但是考虑了进一步的分类。液晶通常是透明或半透明的，并且可以被配置成使通过液晶的光波的偏振发生变化。偏振变化的程度可以是外加电场强度的函数。

液晶由于其各向异性折射率和响应于外加电压而重定向的能力，可以用于电光元件和电光器件(例如，可切换透镜)。液晶层可以使用各种不同的方法来改变通过透镜的光路长度，从而提供可变透镜元件。示例LC透镜平台包括凹面或凸面固体LC透镜、LC衍射带板(其中，当切换LC产生相位光栅时引发透镜化)、菲涅尔形状的LC透镜、以及电极图案化LC透镜。

一些透镜设计(例如，固体LC透镜)的特征在于由于较大的LC单元间隙而导致的较慢的切换时间。通常可以通过增加外加电压来实现更快的开启透镜。附加地或替代地，在改变外加电场的频率改变LC的响应的情况下，可以使用双频LC。

在不受理论约束的情况下，温度可能在影响液晶的折射率方面起到根本性作用。随着温度的升高，液晶的寻常折射率(n_o)和非寻常折射率(n_e)通常表现不同。此外，升高的温度可能会降低液晶材料的粘度，这可能会在某些应用中产生更快的切换速度。

液晶材料的温度可以以这样的方式被监测和控制：该方式有效地调节液晶材料的粘度并因此调节透镜的切换速度。由于这种透镜和透镜系统的操作电压低、制造经济、和切换速度相对高，其可以应用于许多现代光学器件和光子器件中。

根据各种实施例，一种光学器件可以包括：透镜，该透镜具有设置在一对光学基板之间的液晶层；传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的至少一个属性；热源；以及控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号，来调整该热源与该液晶层之间的热流。示例性传感器可以包括温度计和折射计。

根据又一实施例，一种光学器件可以包括：液晶透镜，该液晶透镜包括：(a)第一光学基板；(b)第二光学基板，该第二光学基板覆盖该第一光学基板并与该第一光学基板间隔开；(c)液晶(LC)层，该LC层设置在该第一光学基板与该第二光学基板之间；(d)第一电极结构，该第一电极结构位于该LC层与该第一光学基板之间；以及(e)第二电极结构，该第二电极结构位于该LC层与该第二光学基板之间；传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的至少一个属性；热源；以及控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号来调整该热源与该液晶层之间的热流。

控制器可以被配置为以有效地将液晶层的温度升高了大约20℃的量来调整热流，同时将液晶层的折射率改变了小于大约0.1。在特定实施例中，控制器可以被配置为以有效地将透镜的响应时间减少了至少大约1ms的量来调整热流。

来自热源的重新定向的热量可以提高液晶层的温度，并相应地降低其粘度。例如，液晶层的温度可以升高到小于液晶的清晰点(T_C)的值，并且液晶层的粘度可以降低至少1％，例如1％、2％、4％、10％、20％、30％、或40％，包括上述任何值之间的范围。

一种方法可以包括：形成一种光学器件，该光学器件具有(a)透镜，该透镜包括设置在光学基板之间的液晶层，(b)传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的属性，(c)热源；以及(d)控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号，来调整该热源与该液晶层之间的热流；以及将热量以有效地改变该液晶层的属性的量从该热源引导到该液晶层。

根据各种实施例，可以将GRIN LC透镜结合到诸如AR眼镜或VR头戴式设备等光学元件中。温度传感元件和控制元件可以分别用于检测液晶材料的温度以及调整流入或流出LC层的热流。根据特定实施例，光学元件内的其它部件，例如电源或投影仪，也可以被配置为热源以加热LC材料。

根据本文描述的一般原理，来自本文描述的各实施例中的任一实施例的特征可以与其它实施例的特征彼此组合地使用。在结合附图和权利要求书阅读下文的详细描述后，将更充分地理解这些和其它实施例、特征和优点。

下文将参考图1至图6提供对梯度折射率(graded refractive index，GRIN)液晶透镜的详细描述。与图1至图3相关联的讨论涉及使用温度控制的示例性GRIN LC透镜架构。与图4相关联的讨论包括温度对液晶材料的折射率和粘度的影响的描述。与图5和图6相关联的讨论涉及可以包括本文公开的一个或多个GRIN LC透镜的示例性虚拟现实和增强现实设备。

参考图1，其示出了GRIN LC透镜的一部分的示意性横截面图。GRIN LC透镜100包括第一光学基板110、覆盖第一光学基板110的至少一部分并与第一光学基板110的该至少一部分间隔开的第二光学基板170、设置在该第一光学基板与该第二光学基板之间的液晶层140、设置在液晶层140与第一光学基板110之间的图案化电极层120、以及设置在液晶层140与第二光学基板170之间的接地电极层160。可选的绝缘层130、150可以分别设置在图案化电极120与液晶层140之间以及液晶层140与接地电极160之间。绝缘层130、150可以包括光学质量聚合物，例如聚酰亚胺，并且可以被配置为调节施加到液晶层的电场的大小。

转到图2，其示出了具有光学孔径(optical aperture)202的示例GRIN LC透镜200的一段的横截面图。GRIN LC透镜包括一对光学基板212、214，该对光学基板限定了位于基板之间的填充液晶的单元间隙220。基板212、214可以由玻璃或另一种光学透明并绝缘的材料形成，并且各自可以具有范围从大约100微米至大约300微米(例如，100微米、150微米、200微米、250微米、或300微米，包括上述任何值之间的范围)的厚度。

在所示实施例中，液晶层224设置在单元间隙220内，间隔物230的阵列跨单元间隙220延伸，并且被配置为在基板212与基板214之间保持均匀的间隔。此外，电极架构可以被配置为在单元间隙220两端施加电偏压，以调节液晶分子226在液晶层224内的取向。

每个基板212、214可以使用各自的电极242、244金属化，并且另一个电极层243可以邻近液晶层224设置。电极层242、243可以被图案化，例如以覆盖在各间隔物230之间的液晶层224的离散部分上。示例电极材料包括透明导电氧化物，例如铟锡氧化物(ITO)。

电极层243、244各自通过各自的面向单元间隙的介电层253、254(例如，聚酰亚胺层)与液晶层224绝缘。间隔物230的相对端可以直接接触每个介电层。GRIN LC透镜200还可以包括金属化架构260，该金属化架构包括设置在绝缘层264、266之间的总线262，该总线例如通过导电通孔268电连接到电极242、243的选定区域，以用于向液晶层224的选定区域提供电压。相对于比较GRIN LC透镜，本公开的透镜架构可以表现出改进的光学性能，包括降低的体雾度和视差，以及改进的可制造性和成本。

参考图3，其示出了根据一些实施例的包括GRIN LC透镜的VR头戴式设备的示意性横截面图。VR头戴式设备300具有前部刚性体305，该前部刚性体包括光学块330，该光学块向出射光瞳350提供改变的图像光。当用户穿戴着头戴式设备300时，出射光瞳350被定位在靠近用户眼睛345的位置。出于说明的目的，图3显示了与单只眼睛345相关联的横截面，但是与光学块330分离的另一光学块可以向用户的第二只眼睛提供改变的图像光。

在所示的配置中，光学块330包括电子显示元件335和光学模块315。电子显示元件335可以包括一个或多个电子显示面板(未单独示出)。电子显示面板可以例如是平面面板、柱面曲线面板或球面曲线面板。电子显示面板可以包括面板安装表面和面板显示表面。该面板安装表面可以耦接到前部刚性体305。该面板显示表面可以适于发射图像光。

根据各种实施例，电子显示元件335可以向光学模块315发射图像光，该光学模块可以被配置为放大图像光，并且在一些实施例中还校正一个或多个附加的光学像差(例如，散光等)。在操作期间，光学模块315将图像光引导到出射光瞳(350)，以呈现给用户。

光学模块315可以包括一个或多个光学元件(未单独示出)。光学元件可以包括光圈、菲涅尔透镜、GRIN LC透镜、凸透镜、凹透镜、过滤器、或被配置为影响从电子显示元件335发射的图像光的任何其它合适的光学元件。在特定实施例中，光学模块315可以包括GRIN LC透镜(例如，GRIN LC透镜100或GRIN LC透镜200)。此外，光学模块315可以包括不同光学元件的组合。

光学模块315可以被配置为校正一种或多种类型的光学像差。光学像差的示例包括：二维光学像差、三维光学像差、或其某种组合。二维光学像差是在两个维度上产生的误差。二维光学像差的示例类型包括：桶形失真、枕形失真、纵向色差、横向色差、或任何其它类型的二维光学像差。三维光学像差是在三个维度上产生的误差。三维光学像差的示例类型包括球面像差、光学像差、场曲率、散光、或任何其它类型的三维光学像差。

VR头戴式设备300还可以包括用于向一个或多个头戴式设备部件供电的电池360。除了供电外，该电池还可以构成热源。控制器/传感器370可以被配置为评估各头戴式设备部件中的一个或多个部件的特性或状态，包括GRIN LC透镜的性能或一个或多个特性。在一些实施例中，示例过程可以与实时反馈回路集成，该实时反馈回路被配置为评估GRIN LC透镜的一个或多个属性，例如LC介质的粘度、折射率、和/或温度，并相应地调节一个或多个操作变量，该操作变量包括热源的温度、或从热源传递到液晶层的热量。

当光通过各向异性介质(例如，液晶)传播时，将被分成以不同速度穿过材料的多条光线。因此，这种材料可以用不同的折射率来表征，这些折射率包括寻常折射率(n_o)和非寻常折射率(n_e)，其中它们的差异是双折射率(Δn＝n_e-n_e)。

液晶的折射率基本上是由温度决定的。例如，随着温度的升高，LC的寻常折射率(n_o)和非寻常折射率(n_e)表现不同，但通常在清晰点(T_C)附近会聚，清晰点对应于从液晶相到各向同性液体的相变。

参考图4，半定量曲线图显示了温度对代表性液晶的折射率和动态粘度的影响。在某些实施例中，一种方法可以包括提高GRIN LC透镜内的LC层的温度，而不经历液晶到液相的转变。仍参考图4，对于这样的过程，操作温度范围可以由条形401来描绘，条形401对应于折射率(n_o和n_e)和动态粘度(m)这两者都随着温度的变化近似线性地变化的温度。

如本文中所公开的，可以通过控制液晶介质的温度来改善梯度折射率(GRIN)液晶(LC)透镜的响应时间。在一些实施例中，可以在操作期间对液晶的粘弹性以及因此的切换速度进行热调节，这可以有利地影响透镜的性能。此外，可以控制液晶介质的折射率。

影响热控制的合适热源可以包括固有透镜部件，例如电源(例如，电池)、显示元件或投影仪。示例GRIN LC透镜可以包括温度传感元件和相关的控制系统，用于监测LC介质的温度和调整热流的进入和输出。

示例实施例

示例1：一种光学器件，该光学器件包括：透镜，该透镜具有设置在一对光学基板之间的液晶层；传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的至少一个属性；热源；以及控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号，来调整该热源与该液晶层之间的热流。

示例2：根据示例1所述的光学器件，其中，该传感器包括折射计。

示例3：根据示例1和2中任一示例所述的光学器件，其中，该传感器包括温度计。

示例4：根据示例1至3中任一示例所述的光学器件，其中，该液晶层的该至少一个属性选自由以下项组成的组：粘度、折射率和温度。

示例5：根据示例1至4中任一示例所述的光学器件，其中，该热源选自由以下项组成的组：电源、显示元件和投影仪。

示例6：根据示例1至5中任一示例所述的光学器件，其中，该控制器被配置为以有效地将该液晶层的温度升高了高达大约20℃并且将该液晶层的折射率改变了小于大约0.1的量来调整热流。

示例7：根据示例1至6中任一示例所述的光学器件，其中，该控制器被配置为以有效地将该透镜的响应时间减少了至少大约1ms的量来调整热流。

示例8：一种光学器件，该光学器件包括：液晶透镜，该液晶透镜包括：(a)第一光学基板，(b)第二光学基板，该第二光学基板覆盖该第一光学基板并与该第一光学基板间隔开，(c)液晶(LC)层，该LC层设置在该第一光学基板与该第二光学基板之间，(d)第一电极结构，该第一电极结构位于该LC层与该第一光学基板之间，以及(e)第二电极结构，该第二电极结构位于该LC层与该第二光学基板之间；传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的至少一个属性；热源；以及控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号，来调整该热源与该液晶层之间的热流。

示例9：根据示例8所述的光学器件，还包括第一介电层，该第一介电层设置在该第一电极结构与该液晶层之间；以及第二介电层，该第二介电层设置在该第二电极结构与该液晶层之间。

示例10：根据示例8和9中任一示例所述的光学器件，其中，该液晶透镜包括光学孔径，该光学孔径具有相互正交的横向尺寸，每个横向尺寸至少为大约10mm。

示例11：根据示例8至10中任一示例所述的光学器件，其中，该第一光学基板和该第二光学基板各自的厚度独立地位于大约100微米至大约300微米的范围内。

示例12：根据示例8至11中任一示例所述的光学器件，其中，该第一电极结构和该第二电极结构各自包括光学透明导电层。

示例13：根据示例8至12中任一示例所述的光学器件，其中，该第一电极结构和该第二电极结构各自设置在液晶透镜的光学孔径内。

示例14：一种方法，该方法包括形成光学器件，该光学器件具有：(a)透镜，该透镜包括设置在光学基板之间的液晶层，(b)传感器，该传感器被配置为评估该液晶层的属性，(c)热源，(d)控制器，该控制器被配置为基于由该传感器提供的信号，来调整该热源与该液晶层之间的热流；以及将热量以有效地改变该液晶层的属性的量从该热源引导到该液晶层。

示例15：根据示例14所述的方法，其中，将热量从该热源引导到该液晶层将该液晶层的温度升高了大约20℃。

示例16：根据示例14和15中任一示例所述的方法，其中，将热量从该热源引导到该液晶层将该液晶层的温度升高至低于该液晶的清晰点(T_C)的值。

示例17：根据示例14至16中任一示例所述的方法，其中，将热量从该热源引导到该液晶层将该液晶层的粘度降低了大约1％至大约40％的量。

示例18：根据示例14至17中任一示例所述的方法，其中，将热量从该热源引导到该液晶层将该液晶层的折射率改变了小于大约0.1。

示例19：根据示例14至18中任一示例所述的方法，其中，将热量从该热源引导到该液晶层将该透镜的响应时间减少了至少大约1ms。

示例20：根据示例14至19中任一示例所述的方法，其中，将热量从该热源引导到该液晶层将该透镜的响应时间减少至小于大约100ms。

本公开的实施例可以包括各种类型的人工现实系统或结合各种类型的人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前以某种方式调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实、混合现实、或其某种组合和/或派生物。人工现实内容可以包括完全计算机生成的内容或与采集的(例如，真实世界的)内容组合的计算机生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，它们中的任何一者可以在单个通道或多个通道中呈现(例如，向观看者产生三维(3D)效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。

人工现实系统可以以各种不同的形状要素和配置来实现。一些人工现实系统可以被设计成在没有近眼显示器(near-eye display，NED)的情况下工作。其他人工现实系统可以包括NED(例如，图5中的增强现实系统500)，该NED包括也提供对真实世界的可见性或在视觉上使用户沉浸在人工现实(例如，图6中的虚拟现实系统600)中。虽然一些人工现实设备可以是独立系统，但是其他人工现实设备可以与外部设备通信和/或协调以向用户提供人工现实体验。这种外部设备的示例包括手持式控制器、移动设备、台式计算机、用户佩戴的设备、一个或多个其他用户佩戴的设备、和/或任何其他合适的外部系统。

转到图5，增强现实系统500可以包括具有框架510的眼镜设备502，框架510被配置为将左显示设备515(A)和右显示设备515(B)保持在用户的眼前。左显示设备515(A)和右显示设备515(B)可以一起或独立地运行以向用户呈现一个图像或一系列图像。虽然增强现实系统500包括两个显示器，但是本公开的实施例可以在具有单个NED或多于两个NED的增强现实系统中实现。

在一些实施例中，增强现实系统500可以包括一个或多个传感器，例如传感器540。传感器540可以响应于增强现实系统500的运动而生成测量信号，并且可以位于框架510的基本任何部分上。传感器540可以代表各种不同的感测机构中的一者或多者，例如位置传感器、惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)、深度相机部件、结构光发射器和/或检测器、或其任意组合。在一些实施例中，增强现实系统500可以包括或可以不包括传感器540，或者可以包括多于一个的传感器。在传感器540包括IMU的实施例中，IMU可以基于来自传感器540的测量信号生成校准数据。传感器540的示例可以包括但不限于加速度计、陀螺仪、磁强计、检测运动的其他合适类型的传感器、用于IMU纠错的传感器或其某种组合。

在一些示例中，增强现实系统500还可以包括传声器阵列，该传声器阵列具有多个声学转换器520(A)至520(J)，统称为声学转换器520。声学转换器520可以表示检测由声波引起的空气压力变化的转换器。每个声学转换器520可以被配置为检测声音并将检测到的声音转换成电子格式(例如，模拟或数字格式)。图5中的传声器阵列可以包括，例如十个声学转换器：可以被设计成置于用户的相应耳朵内的声学转换器520(A)和520(B)；可以被定位在框架510上的不同位置处的声学转换器520(C)、520(D)、520(E)、520(F)、520(G)和520(H)；和/或可以被定位在相应的颈带505上的声学转换器520(I)和520(J)。

在一些实施例中，声学转换器520(A)至520(J)中的一个或多个可以用作输出转换器(例如，扬声器)。例如，声学转换器520(A)和/或520(B)可以是耳机(headphone)或任何其他合适类型的耳机或扬声器。

传声器阵列的声学转换器520的配置可以变化。虽然如图5所示的增强现实系统500具有十个声学转换器520，但是声学转换器520的数量可以大于或小于十个。在一些实施例中，使用更多数量的声学转换器520可以增加所收集的音频信息量和/或音频信息的灵敏度和准确性。相反，使用更少数量的声学转换器520可以降低相关控制器50处理所收集的音频信息所需的计算能力。此外，传声器阵列的每个声学转换器520的位置可以变化。例如，声学转换器520的位置可以包括用户身上的限定位置、框架510上的限定坐标、与每个声学转换器520相关联的取向或其某种组合。

声学转换器520(A)和520(B)可以位于用户耳朵的不同部分上，例如耳廓(pinna)后面、耳屏后面、和/或耳廓(auricle)或耳窝内。或者，除了耳道内的声学转换器520之外，耳朵上或耳朵周围可能还有另外的声学转换器520。将声学转换器520定位在用户的耳道旁边可以使传声器阵列能够收集关于声音如何到达耳道的信息。通过将至少两个声学转换器520定位在用户头部的任一侧(例如，作为双耳传声器)，增强现实设备500可以模拟双耳听力并捕获围绕用户头部的3D立体声场。在一些实施例中，声学转换器520(A)和520(B)可以经由有线连接530连接到增强现实系统500，并且在其它实施例中，声学转换器520(A)和520(B)可以经由无线连接(例如，蓝牙连接)连接到增强现实系统500。在其他实施例中，声学转换器520(A)和520(B)可以根本不与增强现实系统500结合使用。

框架510上的声学转换器520可以以各种不同的方式进行定位，包括沿镜腿(temple)的长度、跨过镜梁(bridge)、在左显示设备515(A)和右显示设备515(B)的上方或下方、或它们的某种组合。各声学转换器520还可以被定向为使得传声器阵列能够检测穿戴着增强现实系统500的用户周围的宽范围方向内的声音。在一些实施例中，可以在增强现实系统500的制造期间执行优化工艺，以确定每个声学转换器520在传声器阵列中的相对定位。

在一些示例中，增强现实系统500可以包括外部设备(例如，配对设备)或连接到外部设备，该外部设备例如为颈带505。颈带505通常表示任何类型或形式的配对设备。因此，颈带505的以下论述也可以应用于各种其它配对设备，例如充电盒、智能手表、智能手机、腕带、其它可穿戴设备、手持式控制器、平板计算机、便携计算机、其它外部计算设备等。

如图所示，颈带505可以经由一个或多个连接器耦接到眼镜设备502。这些连接器可以是有线或无线的，并且可以包括电子部件和/或非电子(例如，结构)部件。在一些情况下，眼镜设备502和颈带505可以在它们之间没有任何有线或无线连接的情况下独立地运行。虽然图5示出了眼镜设备502和颈带505的部件位于眼镜设备502和颈带505上的示例位置，但是这些部件可以位于眼镜设备502和/或颈带505上的其它位置、和/或以不同方式分布在眼镜设备502和/或颈带505上。在一些实施例中，眼镜设备502的部件和颈带505的部件可以位于与眼镜设备502配对的一个或多个附加的外围设备上、颈带505上、或它们的某种组合。

将外部设备(例如，颈带505)与增强现实眼镜设备进行配对可以使眼镜设备能够实现一副眼镜的形状要素，并且仍然为扩展能力提供足够的电池容量和计算能力。增强现实系统500的电池功力、计算资源和/或附加特征中的一些或全部可以由配对设备提供，或者在配对设备与眼镜设备之间共享，因此总体上减小了眼镜设备的重量、热分布和形状要素，同时仍然保留所期望的功能。例如，由于相较于在用户头部上承受的重量、用户可以在他们的肩部上承受更重的负荷，颈带505可以允许以其它方式将包括在眼镜设备上的部件包括在颈带505中。颈带505还可以具有更大的表面积，在该表面积上将热量扩散和分散到周围环境。因此，相较于原本可能在独立眼镜设备上的电池容量和计算能力，颈带505可以允许实现更大的电池容量和计算能力。由于相较于眼镜设备502中携带的重量，颈带505中携带的重量可能对用户的侵害更小，因此相较于用户容忍佩戴沉重的独立眼镜设备的持续时间，用户可以容忍佩戴更轻眼镜设备并携带或佩戴配对设备的持续时间更长，从而使用户能够更充分地将人工现实环境融入到他们的日常活动中。

颈带505可以与眼镜设备502通信耦接，和/或通信耦接至其它多个设备。这些其它设备可以为增强现实系统500提供某些功能(例如，跟踪、定位、深度图构建、处理、存储等)。在图5的实施例中，颈带505可以包括作为传声器阵列的一部分(或者潜在地形成其自身的传声器子阵列)的两个声学转换器(例如，声学转换器520(I)和声学转换器520(J))。颈带505还可以包括控制器525和电源535。

颈带505中的声学转换器520(I)和声学转换器520(J)可以被配置为检测声音并将检测到的声音转换为电子格式(模拟或数字)。在图5的实施例中，声学转换器520(I)和声学转换器520(J)可以被定位在颈带505上，从而增加颈带的声学转换器520(I)和声学转换器520(J)与被定位在眼镜设备502上的其它声学转换器520之间的距离。在一些情况下，增加传声器阵列的各声学转换器520之间的距离能够提高经由传声器阵列执行的波束成形的准确性。例如，如果由声学转换器520(C)和声学转换器520(D)检测到声音，并且声学转换器520(C)与声学转换器520(D)之间的距离大于例如声学转换器520(D)与声学转换器520(E)之间的距离，则相较于声音被声学转换器520(D)和声学转换器520(E)检测到的情况，检测到的声音所确定的源位置可能更准确。

颈带505的控制器525可以处理由颈带505和/或增强现实系统500上的传感器生成的信息。例如，控制器525可以处理来自传声器阵列的、描述由传声器阵列检测到的声音的信息。对于每个检测到的声音，控制器525可以执行到达方向(direction-of-arrival，DOA)估计，以估计检测到的声音从哪个方向到达传声器阵列。当传声器阵列检测到声音时，控制器525可以用信息填充音频数据集。在增强现实系统500包括惯性测量单元的实施例中，控制器525可以计算来自位于眼镜设备502上的IMU的所有惯性和空间计算。连接器可以在增强现实系统500与颈带505之间、以及在增强现实系统500与控制器525之间传送信息。这些信息可以是光学数据、电数据、无线数据的形式，或者任何其它可传输的数据形式。将增强现实系统500生成的信息进行处理移动到颈带505可以减小眼镜设备502的重量和减小眼镜设备502中的热量，使得该眼镜设备对用户而言加更舒适。

颈带505中的电源535可以向眼镜设备502和/或颈带505供电。电源535可以包括但不限于锂离子电池、锂-聚合物电池、一次性锂电池、碱性电池、或任何其它形式的电力存储装置。在一些情况下，电源535可以是有线电源。将电源535包括在颈带505上而不是眼镜设备502上可以有助于更好地分布重量和由电源535产生的热量。

如所提到的，一些人工现实系统可以用虚拟体验来大体上代替用户对真实世界的多个感官知觉中的一个或多个感官知觉，而不是将人工现实与真实现实相混合。这种类型的系统的一个示例是大部分或完全地覆盖用户的视野的头戴式显示系统，例如图6中的虚拟现实系统600。虚拟现实系统600可以包括前部刚性体602和被成形以适配成围绕用户头部周围的带604。虚拟现实系统600还可以包括输出音频转换器606(A)和输出音频转换器606(B)。此外，虽然未在图6中示出，但是前部刚性体602可以包括一个或多个电子元件，该电子元件包括一个或多个电子显示器、一个或多个惯性测量单元(IMU)、一个或多个跟踪发射器或检测器、和/或用于创建人工现实体验的任何其它合适的设备或系统。

人工现实系统可以包括各种类型的视觉反馈机制。例如，增强现实系统500和/或虚拟现实系统600中的显示设备可以包括一个或多个液晶显示器(liquid crystaldisplay，LCD)、发光二极管(light emitting diode，LED)显示器、微型LED显示器、有机LED(organic LED，OLED)显示器、数字光投影(digital light project，DLP)微型显示器、硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)微型显示器、和/或任何其它合适类型的显示屏。这些人工现实系统可以包括用于双眼的单个显示屏，或者可以为每只眼睛提供一个显示屏，这可以为变焦调节或校正用户的屈光不正提供额外的灵活度。这些人工现实系统中的一些人工现实系统还可以包括光学子系统，该光学子系统具有一个或多个透镜(例如，传统的凹透镜或凸透镜、菲涅尔透镜、可调液体透镜等)，用户可以通过该一个或多个透镜观看显示屏。这些光学子系统可以用于各种目的，这些目的包括对光进行准直(例如，使对象显现在比其物理距离更远的距离处)、放大光(例如，使对象显现得比其实际尺寸更大)和/或中继光(例如，到达观看者的眼睛)。这些光学子系统可以用于直视型架构(例如，直接对光进行准直但会导致所谓枕形失真的单透镜配置)和/或非直视型架构(诸如，导致所谓的桶形失真以消除枕形失真的多透镜配置)。

除了使用显示屏之外或者代替使用显示屏，本文中所描述的多个现实系统中的一些人工现实系统可以包括一个或多个投影系统。例如，增强现实系统500和/或虚拟现实系统600中的显示设备可以包括将光(例如，使用波导)投射到显示设备中的微型LED投影仪，例如允许环境光穿过的透明组合式透镜。显示设备可以将投射的光朝向用户的瞳孔折射，并且可以使用户能够同时观看人工现实内容和现实世界这两者。显示设备可以使用各种不同光学组件中的任何一种来实现这一点，各种光学部件包括波导部件(例如，全息元件、平面元件、衍射元件、偏振元件、和/或反射波导元件)、光操纵表面和元件(例如，衍射元件和光栅、反射元件和光栅、以及折射元件和光栅)、耦合元件等。人工现实系统还可以配置有任何其它合适类型或形式的图像投影系统，例如在虚拟视网膜显示器中使用的视网膜投影仪。

本文中所描述的人工现实系统还可以包括各种类型的计算机视觉部件和子系统。例如，增强现实系统500和/或虚拟现实系统600可以包括一个或多个光学传感器，例如二维(2D)相机或3D相机、结构化光发射器和检测器、飞行时间深度传感器、单波束测距仪或扫描激光测距仪、3D激光雷达(LiDAR)传感器、和/或任何其它合适类型或形式的光学传感器。人工现实系统可以处理来自这些传感器中的一个或多个传感器的数据，从而识别用户的位置、绘制真实世界的地图、向用户提供关于真实世界环境的内容、和/或执行各种其他功能。

本文中所描述的人工现实系统还可以包括一个或多个输入音频转换器和/或输出音频转换器。输出音频转换器可以包括音圈扬声器、带式扬声器、静电扬声器、压电扬声器、骨传导转换器、软骨传导转换器、耳屏振动转换器和/或任何其它合适类型或形式的音频转换器。类似地，输入音频转换器可以包括电容式传声器、动态传声器、带式传声器、和/或任何其它类型或形式的输入转换器。在一些实施例中，单个转换器可以用于音频输入和音频输出这两者。

在一些实施例中，本文中所描述的人工现实系统还可以包括触觉(即，触感)反馈系统，该触觉反馈系统可以结合到头饰、手套、连体衣、手持式控制器、环境设备(例如，椅子、地板垫等)、和/或任何其它类型的设备或系统中。触觉反馈系统可以提供各种类型的皮肤反馈(包括振动、力、牵引力、纹理和/或温度)。触觉反馈系统还可以提供各种类型的动觉反馈，例如运动和顺应性(compliance)。触觉反馈可以使用马达、压电致动器、流体系统和/或各种其他类型的反馈机制来实现。触觉反馈系统可以独立于其他人工现实设备、在其他人工现实设备内、和/或与其他人工现实设备结合来实现。

通过提供触觉感知、听觉内容和/或视觉内容，人工现实系统可以在各种情境和环境中创建完整的虚拟体验或增强用户的现实世界体验。例如，人工现实系统可以辅助或扩展用户在特定环境内的感知、记忆或认知。一些系统可以增强用户在现实世界中与其他人的交互，或者可以实现与虚拟世界中的其他人的更加沉浸式的交互。人工现实系统还可以用于教育目的(例如，用于学校、医院、政府组织、军事组织、商业企业等的教学或训练)、娱乐目的(例如，用于玩视频游戏、听音乐、观看视频内容等)和/或用于可访问目的(例如，如助听器、视觉辅助等)。本文所公开的实施例可以在这些情境和环境中的一者或多者和/或在其他情境和环境中实现或增强用户的人工现实体验。

本文所描述和/或示出的工艺参数和步骤的顺序仅作为实施例给出，并且可以根据需要改变。例如，虽然本文所示出和/或所描述的步骤可以以特定顺序示出或讨论，但是这些步骤不一定需要以所示或所讨论的顺序执行。本文所描述和/或所示出的各种示例性方法还可以省略本文所描述或所示出的步骤中的一个或多个步骤，或者包括除了那些公开的步骤之外的额外步骤。

已经提供了前述的描述，以使本领域的其他技术人员能够最好地利用本文公开的示例性实施例的各个方面。该示例性描述并不旨在穷举或限于所公开的任何精确形式。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，许多修改、组合和变化是可能的。本文所公开的实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。在确定本公开的范围时，应当参照所附的任何权利要求及其等同物。

除非另有说明，否则如在说明书和/或权利要求中使用的术语“连接到(connectedto)”和“耦接到(coupled to)”(及其派生词)应被解释为允许直接和间接(即，经由其它元件或部件)连接。另外，如在说明书和/或权利要求中使用的术语“一”或“一个”应被解释为表示“至少一个”。最后，为了便于使用，如在说明书和/或权利要求中使用的术语“包括(including)”和“具有(having)”(及其派生词)可以与词语“包括(comprising)”互换并且具有相同的含义。

应理解的是，当元件(例如，层或区域)被称为形成在另一元件上、沉积在另一元件上或设置在另一元件“上”或“上方”时，其可以直接位于另一元件的至少一部分上，或者也可以存在一或多个中间元件。相反地，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件上方”时，其可以位于另一元件的至少一部分上，而不存在中间元件。

如本文所使用的，在引用给定参数、特性或条件时，术语“基本上”可以意味或包括本领域技术人员将会理解的程度，这种程度满足给定参数、特性或条件具有较小程度(例如，在可接受的制造公差内)的变化。作为示例，根据基本满足条件的特定参数、特性或条件，这些参数、特性或条件可以满足至少约90％、满足至少约95％、或甚至满足至少约99％。

如本文所使用的，在某些实施例中，在引用特定数值或数值范围时，术语“近似”意味并包括所述数值以及在所述数值的10％内的所有值。因此，作为示例，在某些实施例中，对数值“50”引用的“大约50”可以包括等于50±5的值，即位于45到55范围内的值。

虽然可以使用过渡短语“包括”来公开特定实施方案的各种特征、元件或步骤，但是应当理解的是，隐含了包括可以使用过渡短语“组成”或“基本上由……组成”描述的那些替代实施方案。因此，例如，包含或包括偶氮化合物的光配向层的隐含替代实施方案包括其中光配向层基本上由偶氮化合物组成的实施方案和其中光配向层由偶氮化合物组成的实施方案。

Claims

1.一种光学器件，所述光学器件包括：

透镜，所述透镜包括设置在一对光学基板之间的液晶层；

传感器，所述传感器被配置为评估所述液晶层的至少一个属性；

热源；以及

控制器，所述控制器被配置为基于由所述传感器提供的信号，来调整所述热源与所述液晶层之间的热流。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述传感器包括折射计。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述传感器包括温度计。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述液晶层的所述至少一个属性选自由以下项组成的组：粘度、折射率和温度。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述热源选自由以下项组成的组：电源、显示元件和投影仪。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述控制器被配置为以有效地将所述液晶层的温度升高高达大约20℃并且将所述液晶层的折射率改变小于大约0.1的量来调整所述热流。

7.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述控制器被配置为以有效地将所述透镜的响应时间减少至少大约1ms的量来调整所述热流。

8.一种光学器件，所述光学器件包括：

液晶透镜，所述液晶透镜包括：

第一光学基板；

第二光学基板，所述第二光学基板覆盖所述第一光学基板并与所述第一光学基板间隔开；

液晶LC层，所述液晶层设置在所述第一光学基板与所述第二光学基板之间；

第一电极结构，所述第一电极结构位于所述液晶层与所述第一光学基板之间；以及

第二电极结构，所述第二电极结构位于所述液晶层与所述第二光学基板之间；

热源；以及

9.根据权利要求8所述的光学器件，还包括：

第一介电层，所述第一介电层设置在所述第一电极结构与所述液晶层之间；以及

第二介电层，所述第二介电层设置在所述第二电极结构与所述液晶层之间。

10.根据权利要求8所述的光学器件，其中，所述液晶透镜包括光学孔径，所述光学孔径具有相互正交的横向尺寸，每个横向尺寸至少为约10mm。

11.根据权利要求8所述的光学器件，其中，所述第一光学基板和所述第二光学基板各自的厚度独立地位于约100微米至约300微米的范围内。

12.根据权利要求8所述的光学器件，其中，所述第一电极结构和所述第二电极结构各自包括光学透明导电层。

13.根据权利要求8所述的光学器件，其中，所述第一电极结构和所述第二电极结构各自设置在所述液晶透镜的光学孔径内。

14.一种方法，所述方法包括：

形成光学器件，所述光学器件包括：

透镜，所述透镜包括设置在光学基板之间的液晶层；

传感器，所述传感器被配置为评估所述液晶层的属性；

热源；以及

控制器，所述控制器被配置为基于由所述传感器提供的信号，来调整所述热源与所述液晶层之间的热流；以及

将热量以使有效地改变所述液晶层的属性的量从所述热源引导到所述液晶层。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述热量从所述热源引导到所述液晶层将所述液晶层的温度升高了大约20℃。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述热量从所述热源引导到所述液晶层将所述液晶层的温度升高至低于所述液晶的清晰点T_C的值。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述热量从所述热源引导到所述液晶层将所述液晶层的粘度降低了大约1％至大约40％的量。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述热量从所述热源引导到所述液晶层将所述液晶层的折射率改变了小于大约0.1。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述热量从所述热源引导到所述液晶层将所述透镜的响应时间减小了至少大约1ms。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，将所述热量从所述热源引导到所述液晶层将所述透镜的响应时间减少至小于大约100ms。