Meta为AR/VR光学模组提出电活性材料层致动器,在光学封装中实现可控变形响应

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实现可控、可定制和鲁棒的变形响应

映维网Nweon 2022年09月01日)对于AR/VR头显,可调透镜可实时调整透镜轮廓,或针对特定用户调整透镜轮廓以校正色差和单色像差,包括散焦、球面像差、彗差、像散、场曲率和图像失真等。透镜的调谐可以包括引入球面曲率和柱面曲率。如果在所有方向外推,球面透镜表面的曲线将形成球体。另一方面,圆柱曲线沿单轴弯曲,并沿垂直轴平面,因此,尽管球面曲线的焦点是单点,但圆柱曲线的焦点却是直线。

包括球面和圆柱曲线的透镜可以称为复合透镜或复曲面。在名为“Actuator with variable cylinder”的专利申请中,Meta提出了一种带包含电活性材料层的致动器,以在光学封装中实现可控、可定制和鲁棒的变形响应。

发明涉及可致动和透明多层光学元件以及用于形成此类光学元件的方法。光学元件(即多层致动器)可以包括电活性材料层,其中每一层夹在导电电极之间。

动态致动器可并入透镜(或其他光学元件)中,并配置为在透镜中创建球体以及可变圆柱体半径和轴。在各种实施例中,致动器可以包括具有相应电极的机电层的堆叠,所述对应电极布置成独立地跨每个机电层施加电场。

机电层可以具有双轴或单轴取向,并且可以定位在堆叠内,使得所选层的致动和位移产生期望的净位移。在特定实施例中,相邻的单轴取向机电层的取向可以不同,例如至少大约10度。

在一个实施例中,多层致动器可用于产生轴对称偏转,包括对整体偏转轮廓的球形或非球形贡献,以及非轴对称偏转,包括圆柱形、棱柱形、尖端/倾斜和/或自由形贡献,从而能够动态形成高质量规定透镜或其他光学元件。

这种致动器的多层堆叠内的机电层可以包括各种电活性材料,包括有机材料,例如电致伸缩或压电聚合物,或无机材料,例如形状记忆合金或压电陶瓷。在一个实施例中,压电聚合物和陶瓷的特征可以是压电系数d31和d32,它们将每单位面积的电荷位移(即体积变化)与施加的应力(即施加的电场)相关联。

专利描述的“电活性材料包括压电材料和电致伸缩材料。在一个示例中,它们可指在受到外部电场刺激时,尺寸或形状发生变化的材料。在存在电场的情况下,电活性材料可根据所施加场的大小和方向变形,例如压缩、拉长、弯曲等。

根据各种实施例,当暴露于外部电场时,电活性陶瓷内离子的累积位移可能在电场方向上产生总应变(伸长)。换句话说,正离子可以在场的方向上移位,负离子可以在相反方向上移位。反过来,电活性陶瓷的厚度可以在一个或多个正交方向上减小。

例如,可以通过将电活性材料放置在两个电极之间,即一次电极和二次电极之间,实现这种场的产生,每个电极处于不同的电势。随着电极之间的电位差(即电压差)增加或减少,变形量同样可以增加。

当达到一定的静电场强度时,这种变形可能达到饱和。在没有静电场的情况下,电活性材料可以处于松弛状态,不经历感应变形,或者等效地说,不经历内部或外部的感应应变。在示例性致动器中,多个机电层可以单独地电沉积,使得多层结构包括交替电极和电活性层。

当在初级电极和次级电极之间施加第一电压时,光学元件可以从初始状态变形为变形状态,并且当在初级和次级电极间施加第二电压时,可以进一步变形为第二变形状态。在一个实施例中,变形响应可以包括对电输入的机械响应,并在装置的空间范围内变化。

图1示出了具有8个独立电沉积的电活性层110、115、120、125、130、135、140、145的示例性多层致动器100。每个电活性层100-145设置在相应的电极对之间,例如,主电极105a和次电极105b分别位于电活性层10的上下。成对电极连接到相应的浮动电压源V1-V8。

在一个实施例中,电活性层110-145中的一个或多个可以以不对称的平面内机械响应为特征,即电活性层110-145中的一个或多个可以是单轴取向。在一个实施例中,电活性层110-145中的一个或多个的面内机械各向异性可以是至少大约2,例如2、5、10或20。多个电活性层110-145可以布置成使其各自的面内取向不对准。在多层致动器内,每个电活性层的取向可以独立布置,以对整体变形响应提供单独可驱动的贡献。

图3中示出了包括图1的多层致动器100的示例性透镜几何形状。根据一个实施例,为了产生商业相关的形状参数,每个电活性层110-145的厚度可以在约30微米至约200微米的范围内独立地选择。堆叠致动器内的一个或多个层的致动和伴随的位移可用于在透镜或其他光学元件的表面中产生期望的变形,包括引入球体和/或圆柱体轮廓。

转向图5,可以使用包括8层单轴取向压电材料的多层致动器堆叠来生成球形轮廓。图5A所示的球形轮廓对应于施加到层1-4的正相对偏置(V=+1),以及施加到层5-8的负相对偏置(V=-1)。图5B所示的球面轮廓对应于施加到层1和层3的正相对偏压(V=-1),施加到层3和层5的负相对偏压,无偏压施加到层2、4、6和8。图5C中所示的球形轮廓对应于施加到层1的正相对偏压(V=0.714),施加到层7的负相对偏压,无偏压施加到层2、3、4、5、6和7。

图6和7示出了具有可变半径和轴线的圆柱体轮廓。与前面的实施例一样,用于产生圆柱体的多层致动器叠层包括8层单轴取向的压电材料(D31=30pc/N;D32=0pc/N),其中连续层以45度的步长取向。

参见图6A,通过对层1施加正相对偏置(V=+1)和对层5施加负相对偏置(V=-1)来生成圆柱体轮廓。图6A的圆柱体轮廓具有90度的轴线对准。参考图6B,分别向层2和6施加正相对偏置(V=+1)和负相对偏置(V=-1)可用于创建轴定向为135度的柱面透镜轮廓。参考图6C,分别向层3和7施加正相对偏置(V=+1)和负相对偏置(V=-1)可用于创建具有水平轴的柱面透镜。参考图6D,分别向层4和层8施加正相对偏置(V=+1)和负相对偏置(V=-1)可用于创建轴定向为45度的柱面透镜。

如图7的等高线图所示,可以实现具有任意圆柱方向的透镜轮廓。例如参考图7A,以67.5度的角度定向的柱面透镜轮廓。可以通过对层1和层2施加正相对偏压(V=0.603)、对层3和层4施加负相对偏压,对层5和层6施加负相对偏压(V=-0.103),以及对层7和层8施加正相对偏压来获得相对于水平轴的相对偏压,可通过交替地分别向层1-8施加0.5、0.707、-0.207、0-0.5、-0-0-707、0.207和0的相对偏压来获得类似形状的圆柱形轮廓。

图8示出了具有无源层的示例性多层致动器。致动器800包括多个各向异性且单独电沉积的电活性层110、115、120和125,其中每个电活性层的电极对可由相应的电压源V1、V2、V3、V4驱动。

致动器800同时包括结合到多层堆叠的无源层825。无源层825可以包括一种或多种合适的聚合物、玻璃或陶瓷组合物。例如无源层可以包括弹性体、丙烯酸酯或本文公开的一种或多种电活性材料。

图9中示出了一个示例性液体透镜。液体透镜900可以包括多层致动器910、位于致动器910和被动支撑930之间的边缘密封920,以及设置在致动器910与支撑930间并由边缘密封922容纳的透镜流体940。在所示的透镜900中,多层致动器910可以直接覆盖透镜流体940。

在一个实施例,液体透镜可以包括基板、覆盖基板的致动器、设置在基板和致动器之间的液体层、以及位于基板和致动器间的密封件,其中所述致动器配置为在所述液体层的表面中产生可变的圆柱体半径和轴线。

在一个实施例中,上述的液体透镜可以用于XR头显之中。

相关专利Meta Patent | Actuator with variable cylinder

名为“Actuator with variable cylinder”的Meta专利申请最初在2021年2月提交,并在日前由美国专利商标局公布。

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