用于具有动态视场的增强现实显示器的方法和系统与流程

用于具有动态视场的增强现实显示器的方法和系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年7月12日提交的题为“methods and systems for augmented reality display with dynamic field of view(用于具有动态视场的增强现实显示器的方法和系统)”的美国临时专利申请no.62/873,720，以及于2020年1月9日提交的题为“methods and systems for fabricating a high fidelity polymer waveguide for an augmented reality display(用于制造用于增强现实显示器的高保真聚合物波导的方法和系统)”的美国临时专利申请no.62/959,076，其整体内容通过引用并入本文用于所有目的。


背景技术：

3.现代计算和显示技术已经有助于用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字再现的图像或其部分以其看起来是真实的或可以被感知为真实的方式呈现给观看者。虚拟现实或者“vr“场景典型地涉及数字或者虚拟图像信息的呈现，而对于其他实际现实世界视觉输入不透明；增强现实或者“ar”场景典型地涉及将数字或者虚拟图像信息呈现为对观看者周围的实际世界的可视化的增强。
4.不管在这些显示技术中取得的进步，在本领域中需要涉及增强现实系统的改进的方法和系统。


技术实现要素：

5.本发明大体涉及用于“虚拟现实”或“增强现实”显示器(例如，具有动态视场的显示器)的方法和系统。更特别地，本发明的实施例提供了与用于屈光力调整的柔性波导层相关的方法和系统。
6.在特定实施例中，包括多个波导层(例如，与原色相关联的每个波导层)的动态目镜结合投影仪使用，以在多个深度平面处向用户显示虚拟内容，该深度平面可以在深度方面连续或数字地变化。本发明适用于计算机视觉和三维(3d)重建中的各种应用。
7.根据本发明的实施例，提供了一种用于将图像投射到观看者的眼睛的动态目镜。动态目镜包括具有输入表面、与输入表面相反的输出表面、和外缘的波导层。波导层被配置为在其中传播光。动态目镜还包括被耦接到波导层的外缘的至少一部分的机械结构。机械结构可操作以向波导层的外缘的至少一部分施加第一机械力，以在波导层的输出表面上施加第一表面轮廓，并向波导层的外缘的至少一部分施加第二机械力，以在波导层的输出表面上施加与第一表面轮廓不同的第二表面轮廓。
8.根据本发明的另一实施例，提供了一种操作增强现实头戴装置中的动态目镜的方法。该方法包括产生与第一深度平面相关联的第一虚拟内容，将第一虚拟内容耦接到动态目镜中，以及将第一虚拟内容通过动态目镜的一个或多个波导层投射到观看者的眼睛。一个或多个波导层以第一表面轮廓为特征。该方法还包括修改一个或多个波导层来以与第一表面轮廓不同的第二表面轮廓为特征，产生与第二深度平面相关联的第二虚拟内容，将第
二虚拟内容耦接到动态目镜中，以及将第二虚拟内容通过动态目镜的一个或多个波导层投射到观看者的眼睛。
9.根据本发明的特定实施例，提供了一种注视点显示器(foveated display)。注视点显示器包括第一投影仪和被光学耦合到第一投影仪的动态目镜。动态目镜包括具有可变表面轮廓的波导。注视点显示器还包括第二投影仪和被光学耦合到第二投影仪的固定深度平面目镜。
10.在一个实施例中，提供了一种形成用于使用在ar头戴装置中的目镜的方法。该方法包括浇铸具有光输入表面和光输出表面的聚合物波导，将浇铸的聚合物波导设置在具有均匀球形部分和局部平坦部分的第一模具上，以及在其上设置第二模具。第二模具包括被配置在聚合物波导之上的开口，该开口由以下各项定义：第一部分定义，该第一部分限定光输出表面和第一模具的球形部分的圆形底座的至少一半，以及开口的第二部分，该开口的第二部分限定光输入表面和平坦部分的至少一半。应用使聚合物波导变形为由第一模具和第二模具定义的形状的热处理。
11.在一些实施例中，一种形成用于在增强现实头戴装置中使用的目镜的方法可以包括：浇铸聚合物波导，其被配置为在其中传播光，该聚合物波导形成目镜的单层，并且包括：基本上均匀表面拓扑；聚合物波导的第一区域处的光输入表面；以及聚合物波导的第二区域处的光输出表面。在一些方面中，光输入表面和光输出表面以分离至少距离d。该方法还可包括将浇铸的聚合物波导设置在第一模具上，该第一模具包括具有圆形底座的均匀球形部分和平坦部分。在一些实施例中，聚合物波导被配置在第一模具上，使得第一区域与平坦部分垂直对准，并且第二区域与第一模具的均匀球形部分垂直对准。该方法还可包括将第二模具设置在聚合物波导上，其中，第二模具与聚合物波导和第一模具垂直对准，并且其中，第二模具包括被配置在聚合物波导之上的开口，该开口由以下各项定义：开口的第一部分，该开口的第一部分限定光输出表面和第一模具的均匀球形部分的圆形底座的至少一半；以及开口的第二部分，该开口的第二部分限定光输入表面和平坦部分的至少一半。在某些实施方式中，该方法还可包括应用热循环处理以将第一模具和第二模具加热至阈值温度，该阈值温度使聚合物波导变形为由第一模具和第二模具定义的形状，使得聚合物波导在第一区域处是平坦的，聚合物波导在第二区域处是均匀球形的，并且第一区域与第二区域之间的弯曲到平坦转换比距离d短。
12.在某些实施例中，基本上均匀表面拓扑可以是平坦拓扑或普遍球面拓扑。在一些情况下，聚合物波导是泪滴形的。热循环处理可以是后退火处理，并且阈值温度可以是120℃。光输入表面可以是耦入光栅(icg)，以及光输出表面可以是组合光瞳扩展器(cpe)。平坦部分可以是聚合物波导的翘曲小于20μm、弯曲小于20μm、和总厚度变化小于1μm的部分。
13.在一些实施例中，该方法还可包括将防粘化合物的均匀表面涂层施加到聚合物波导后浇铸，该后浇铸用以防止聚合物波导在热循环处理期间粘附到第一模具和第二模具。可替代地或附加地，该方法可包括将原材料颗粒施加到聚合物波导的表面，并且对聚合物波导进行表面研磨或蚀刻以实现10nm至10μm rms的表面粗糙度，该表面粗糙度用以防止聚合物波导在热循环处理期间粘附到第一模具和第二模具。可替代地或附加地，该方法可包括在聚合物波导与第一模具和/或第二模具之间插入一种或多种织物，该一种或多种织物被配置为防止聚合物波导在热循环处理期间粘附到第一模具和第二模具。在某些实施例
中，聚合物波导可以由1.72聚合物或1.75聚合物组成，并且可以是多层目镜的单层。
14.在进一步的实施例中，该方法还可以包括将刚性结合材料应用于在第二部分的至少一部分周围并限定光输入表面，刚性结合材料将第二部分结合到与聚合物波导相邻的一个或多个结构，该与聚合物波导相邻的一个或多个结构包括多层目镜堆叠的相邻聚合物波导或投影仪中的一个或多个，其中当聚合物波导被动态偏转时，刚性结合材料阻止或减少光输入表面的运动。
15.在某些实施例中，一种方法可包括在将聚合物波导设置在第一模具上，该第一模具具有均匀球形部分和平坦部分，该均匀球形部分具有圆形底座，其中，聚合物波导包括在第一区域处的光输入表面和在第二区域处的光输出表面，以及其中，光输入表面和光输出表面分离距离d，并且将第二模具设置在聚合物波导上，其中，第二模具与聚合物波导和第一模具垂直对准，其中，第二模具包括被配置在聚合物波导之上的开口，该开口由以下各项定义：开口的第一部分，该开口的第一部分限定光输出表面和第一模具的均匀球形部分的圆形底座的至少一半；以及开口的第二部分，该开口的第二部分限定光输入表面和平坦部分的至少一半。该方法还可包括应用热循环处理以将第一模具和第二模具加热至阈值温度，该阈值温度使聚合物波导变形为由第一模具和第二模具定义的形状，以使得：聚合物波导在第一区域处是平坦的，聚合物波导在第二区域处是均匀球形的，并且第一区域与第二区域之间的弯曲到平坦转换比距离d短。在一些情况下，聚合物波导最初可能具有基本上平坦表面拓扑或基本上球形表面拓扑。光输入表面可以是icg，以及光输出表面可以是cpe。在某些方面中，该方法还可包括将防粘化合物的均匀表面涂层应用于聚合物波导后浇铸，执行该聚合物波导后浇铸以防止聚合物波导在热循环处理期间粘附到第一模具和第二模具。
16.本发明通过常规技术实现了许多益处。例如，本发明的实施例提供了用于目镜中的一个或多个波导层的表面轮廓的双模或连续变化的方法和系统，从而使多个曲率半径能够实现。而且，本发明的实施例提供了提供可变深度平面成像系统的方法和系统，其特征在于比传统系统更低的重量和更高的效率。
17.此外，用于在本文所描述的配置中制造聚合物波导的先前制造技术通常受限于在弯曲区域(例如，组合光瞳扩展器)和平坦区域(例如，耦入光栅)之间的低产率或弱/损坏的转换区域，其中，弯曲到平坦的波导转换被制造得太短或弯曲到平坦的转换可能制造得太长，其中这两种场景可能对波导性能特性(例如，图像失真)引入有害影响。本发明的各种实施例提供了可提供具有一致和高性能波导性能特性的较短弯曲到平坦转换的益处的更可靠、高产量的制造方法，如关于下文所呈现的各种实施例进一步描述的。结合下文和附图更详细地描述本发明的这些和其他实施例及其许多优点和特征。
附图说明
18.图1示意性地示出了根据本发明的实施例的可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观看光学组件(voa)中的光路。
19.图2示出了根据本发明的实施例的被耦入到目镜的波导中的单子束的路径的示例。
20.图3a示出了根据本发明的实施例的具有单面配置中的组合正交光瞳扩展器区域(ope)和出射光瞳扩展器(epe)区域的波导的示例。
21.图3b示出了根据本发明的实施例的波导内的光路的示例。
22.图4是当波导层以预定曲率为特征时目镜的波导层和从波导层投射的光的简化剖视图。
23.图5是当波导层以预定曲率为特征时目镜的波导层和传播通过波导层的光的简化剖视图。
24.图6a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第一配置的剖视图。
25.图6b示出了用于图6a所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第二配置的剖视图。
26.图6c示出了用于图6a和图6b所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的平面图。
27.图6d示出了用于图6a和图6b所示的动态调整波导层的表面轮廓的可替代系统的平面图。
28.图6e示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第三配置的剖视图。
29.图6f示出了用于图6e所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第四配置的剖视图。
30.图7a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第一配置的剖视图。
31.图7b示出了用于图7a所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第二配置的剖视图。
32.图7c示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第三配置的剖视图。
33.图7d示出了用于图7c所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第四配置的剖视图。
34.图8a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的气动囊状系统的第一配置的剖视图。
35.图8b示出了用于图8a所示的动态调整波导层的表面轮廓的气囊系统的第二配置的剖视图。
36.图9a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的电活性聚合物(eap)系统的第一配置的剖视图。
37.图9b示出了用于图9a所示的动态调整波导层的表面轮廓的eap系统的第二配置的剖视图。
38.图9c示出了用于图9a和图9b所示的动态调整波导层的表面轮廓的eap系统的部件的平面图。
39.图9d示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的eap系统的部件的平面图。
40.图9e示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的可替代eap系统的组件的平面图。
41.图10a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的机械系统的第
一配置的剖视图。
42.图10b示出了用于图10a所示的动态调整波导层的表面轮廓的机械系统的第二配置的剖视图。
43.图10c示出了用于图10a和图10b所示的动态调整波导层的表面轮廓的机械系统的部件的平面图。
44.图11a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的可替代机械系统的第一配置的剖视图。
45.图11b示出了用于图11a所示的动态调整波导层的表面轮廓的可替代机械系统的第二配置的剖视图。
46.图11c示出了用于图11a和图11b所示的动态调整波导层的表面轮廓的可替代机械系统的部件的平面图。
47.图11d示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的另一可替代机械系统的部件的平面图。
48.图11e示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的又一可替代机械系统的部件的平面图。
49.图12a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的横向致动系统的剖视图。
50.图12b示出了用于图12a所示的动态调整波导层的表面轮廓的横向致动系统的部件的平面图。
51.图13a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的多环系统的第一配置的剖视图。
52.图13b示出了用于图13a所示的动态调整波导层的表面轮廓的多环系统的第二配置的剖视图。
53.图13c示出了用于图13a和图13b所示的动态调整波导层的表面轮廓的多环系统的部件的平面图。
54.图13d示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的多环系统的部件的平面图。
55.图14a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第一配置的剖视图。
56.图14b示出了用于图14a所示的动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第二配置的剖视图。
57.图14c示出了用于图14a和图14b所示的动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的部件的平面图。
58.图14d示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第三配置的剖视图。
59.图14e示出了用于图14d所示的动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第四配置的剖视图。
60.图15示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的气动系统的剖视图。
61.图16是示出根据一些实施例的多层目镜堆叠中的三个波导层的外缘部分的剖视图的简化示意图。
62.图17a是示出根据本发明的实施例的注视点显示系统的简化示意图。
63.图17b是示出在第一配置中图17a所示的注视点显示系统的波导层的简化剖视图。
64.图17c是示出在第二配置中图17a所示的注视点显示系统的波导层的简化剖视图。
65.图18是示出根据本发明的实施例的操作增强现实头戴装置中的动态目镜的方法的流程图。
66.图19是示出根据本发明的实施例的用于模制弯曲波导层的装置的简化示意图。
67.图20a是示出根据本发明的实施例的预退火平面波导层的简化示意图。
68.图20b是示出根据本发明的实施例的预退火弯曲波导层的简化示意图。
69.图20c是示出根据本发明的实施例的后退火弯曲波导层的简化示意图。
70.图21是示出根据本发明的实施例的用于形成一组弯曲波导层的装置的简化示意图。
71.图22示出了根据某些实施例的用于聚合物波导的制造工艺流程的简化方法。
72.图23示出了示出根据某些实施例的平坦衬底的各方面的简化图。
73.图24a至图24c示出了根据某些实施例的具有用于弯曲聚合物波导的自由表面的各种定制模具的剖面。
74.图25a和图25b示出了某些聚合物弯曲方法的各方面以及可能出现的对应问题。
75.图26a至图26c是示出根据某些实施例的用于聚合物波导的高保真弯曲处理的各方面的简化图。
76.图27a是示出根据某些实施例的具有局部弯曲cpe的普遍平坦多层目镜堆叠的示例的简化剖视图。
77.图27b是示出根据某些实施例的在动态弯曲目镜中具有局部弯曲cpe的普遍平坦目镜的示例的平面图。
78.图28a是示出根据某些实施例的普遍弯曲目镜堆叠中的局部平坦icg的示例的简化剖视图。
79.图28b是示出根据某些实施例的普遍弯曲动态目镜中的局部平坦icg的示例的平面图。
80.图29是示出根据某些实施例的用于形成用于在增强现实头戴装置中使用的聚合物波导的方法的各方面的简化流程图。
具体实施方式
81.本公开大体涉及用于具有动态视场的“虚拟现实”(vr)或“增强现实”(ar)显示器的方法和系统。更特别地，实施例涉及用于屈光力调整的柔性波导层。波导可以将光朝向用户的眼睛传播以模拟距用户一定距离的光源。改变柔性波导的曲率可以允许在从距用户的眼睛的不同深度处对各种光源进行双模或连续模拟。因此，柔性波导可用于将光朝向用户的眼睛传播以在vr或ar系统中模拟三维空间中的图像或对象。
82.如本文所描述的，本发明的实施例提供了动态改变波导层(也称为聚合物波导(实现为单层或多层堆叠))曲率的各种体系结构，其中至少部分波导层具有基本上球形表面，
从而在各种连续或离散深度平面(例如，从0.2m到无穷远的距离)处提供从聚合物目镜投射的投射图像，而无需任何屈光力。在特定实施例中，不同类型的致动器可酌情用于特定实施方式，以在一个或多个波导层上引起均匀应力和负载力，从而以高保真度修改球面的曲率半径。
83.在本文所描述的实施例中，通过弯曲目镜的出射光瞳扩展器(epe)区域来实现以可调谐屈光力为特征目镜，其中曲率半径与虚拟图像的焦距成比例。利用具有比基于玻璃的目镜小得多的杨氏模量值的基于聚合物的目镜，一些实施例使用合理且可管理的力/载荷(例如，《25n)引起球形弯曲表面(例如，在平坦聚合物衬底中高达的区上的0.3m的曲率半径)(例如，高达0.5mm厚)。如本文所描述的，在力/载荷被释放时，聚合物衬底能够通过松弛所存储的应变能来恢复其形状(例如，恢复到其原始形状，其可以是平坦形状，恢复到弯曲形状，恢复到其组合)。该机制用于在第一曲率状态与第二曲率状态之间动态调制波导层(例如，一个或多个聚合物波导层)的曲率(以连续或离散方式)。例如，从平坦状态到弯曲状态，从弯曲状态到平坦状态，从弯曲状态到具有较小或较大曲率半径的另一弯曲状态等。在一个特定示例中，平坦状态(或大曲率半径，例如2.0m)可被动态调制为弯曲状态(例如，0.1m曲率半径)，反之亦然。从而，针对从0.1m到无限远范围的曲率半径提供曲率半径的连续变化。
84.在本文所描述的一些实施例中，曲率的调制仅在一个方向上执行，即曲率半径增大或减小。然而，本发明不限于该条件。例如，如本文更充分地描述的，一些实施例利用被制造为具有中间曲率(例如650mm曲率半径)的波导层。在该示例中，机械力(例如，弹簧)可用于在一个方向上偏置波导层，然后针对机械力的致动可用于全范围的实现曲率半径。如对于本领域技术人员来说将显而易见的，这些实施例将减少或最小化光学误差，其通常随着波导层被远离标称状态修改而累积。
85.实施例提供波导的一层或多层的双模或连续操作。动态波导系统的双模操作可被解释为意味着波导可被转换为两种离散状态中的一个，静止状态展示在未施加外力时波导的自然曲率半径，以及强迫状态，在强迫状态中，波导的曲率半径通过外部机械力的径向压缩或膨胀而改变。切换到一种状态可能使光源出现在距用户眼睛的一定距离处。切换到另一种状态可能使光源出现在距用户眼睛的不同距离处。在一些示例中，可以实现双模操作以使两个光源对用户同时出现，其中每个光源的距离由两种状态下的波导的曲率半径定义。通过以比人眼能够感知的速率更快的速率(例如，比60hz的刷新率更快的)刷新或切换两个双模状态之间的波导，实施例可以允许用户实时感知不同距离处的多个光源。
86.能够连续操作波导的实施例可以在超过两个深度处渲染光源。取代“全有或全无”双模操作，在双模操作中，波导可以展示与到用户眼睛的两个离散和预定距离相对应的两个曲率半径值之一，波导的连续操作可以展示两个或两个以上曲率半径值。动态波导系统的连续操作可以实现波导的自然静止状态与波导的完全压缩或拉伸状态之间的状态，允许在超过两个距离处渲染光源。例如，多个光源可以被投射到用户的眼睛，其中这些光源可以看起来被同时投射。第一光源可以出现在距用户眼睛0.2米处，第二光源可以出现在0.5米处，以及第三光源可以出现在1米处。每个距离可以与通过在多个状态之间动态调整波导来获得的不同曲率半径值。以动态波导系统的双模操作似乎可以实时向用户渲染两个光源的类似方式，动态波导系统的连续操作可以通过在每个波导状态之间以比人眼能够感知的速
率更快的速率切换来实时向用户渲染两个或两个以上光源。
87.图1示意性地示出了根据本发明的实施例的可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观看光学组件(voa)中的光路。voa包括投影仪101和可穿戴在观看者的眼睛周围的目镜100。目镜100可包括一个或多个目镜层。在一个实施例中，目镜100包括三个目镜层，一个目镜层用于三种原色(红色、绿色和蓝色)中的每一种。在另一实施例中，目镜100可包括六个目镜层，即，一组目镜层，用于被配置为在一个深度平面处形成虚拟图像的三种原色中的每一种，以及另一组目镜层，用于被配置为在另一深度平面处形成虚拟图像的三种原色中的每一种。在其他实施例中，目镜100可包括用于三个或更多个不同深度平面的三种原色中的每一种的三个或更多个目镜层。每个目镜层包括平面波导，并且可以包括耦入光栅107、正交光瞳扩展器(ope)区域108、和出射光瞳扩展器(epe)区域109。
88.仍然参考图1，投影仪101将图像光投射到目镜层100中的耦入光栅107上。耦入光栅107将来自投影仪101的图像光耦合到在朝向ope区域108的方向上传播的平面波导中。波导通过全内反射(tir)在水平方向上传播图像光。目镜层100的ope区域108还包括衍射元件，该衍射元件将在波导中传播的图像光的一部分耦合并重新定向到epe区域109。epe区域109包括衍射元件，该衍射元件将在波导中在近似垂直于目镜层100的平面的方向上传播的图像光的一部分耦合并引导到观看者的眼睛102。以这种方式，可以由观看者的眼睛102观察由投影仪101投射的图像。
89.目镜层100的epe区域109中的衍射元件通常包括形成在目镜中的平面波导的表面上的光栅，例如周期性结构。当光束传播通过周期性结构时，它将被衍射成多个阶。重复结构的周期确定了阶之间的角分离。小周期产生大的角分离，而大周期产生紧密间隔的输出光束。引导到每个衍射级中的相对功率由单个光栅周期内的表面轮廓的形状和性质决定。
90.图2示出了根据本发明的实施例的耦入到目镜200的波导212中的单子束光的路径的示例。波导212可以包括icg 220、ope 230、和epe 240，每个icg 220、ope 230和epe 240被设置在由能够通过全内反射导引光波的材料(通常是具有高介电常数的介电材料)组成的衬底202上或内。在一些实施例中，目镜200可以包括三个波导212、214、和216，每个波导对应于特定的光波长。附加的或更少的波导是可能的。类似于波导212，波导214和216中的每一个可包括icg、ope、和epe。在一些实施例中，注入光222可以在与图2的描绘正交的z方向上进入icg 220处的目镜200。注入光222可进入icg 220，其中，icg 220内的光栅可衍射耦入光222内的某些波长的光，并且耦入光222的其他波长继续穿过目镜210的后续波导层。在一些实施例中，icg 220是特定于特定波长的多个单独光栅。
91.耦入光222可由icg 220在波导内的某些方向上衍射，跨越在通常 x方向上朝向ope 230诸如由扇形图案224所描绘的范围，但也在跨越在通常-x方向上远离ope 230的扇形图案226的范围内。跨越其他扇形图案的其他光路当然是可能的，并且取决于投射光学器件以及由icg 220配置的特定光栅和衍射图案。也就是说，光不作为发散光束衍射到波导中，但是在一些实施例中，图像光的部分的渐进分布采样可以跨越目镜创建子束的渐进扩展分布图案。在所描绘的扇形图案224内衍射的耦入光222通常可以沿着光路228进入ope 230并且在 x方向上遍历，当其照射组成ope 230的衍射光栅时，伴随着通过ope 230的分布式采样，以及部分周期性地向下引导到epe 240，并且在朝向用户的眼睛的-z方向上耦出之前在-y方向上遍历。
92.如图2所示，对应于波导212的波长中的许多光可能由于方向损失(诸如衍射到扇形图案226的光)或由于捕获由于扇形图案224内的所有光的不当位置或尺寸的ope 230的损失而丢失。关于目镜的更多细节在美国专利申请no.15/683,624中描述，其内容通过引用并入用于所有目的。
93.图3a示出了根据本发明的另一实施例的具有单面配置的组合ope/epe区域350(也称为组合光瞳扩展器(cpe))的波导300的示例。组合ope/epe区域350包括与在x方向和y方向上空间重叠的ope和epe两者相对应的光栅。在一些实施例中，与ope和epe两者相对应的光栅位于衬底302的同一侧，使得ope光栅被叠加在epe光栅上或epe光栅被叠加在ope光栅上(或两者)。在其他实施例中，ope光栅位于衬底302的与epe光栅的相反侧，使得光栅在x方向和y方向上空间重叠，但在z方向上(即，在不同平面内)彼此分离。因此，组合ope/epe区域350可以以单面配置或双面配置实现。
94.图3b示出了根据本发明的实施例的波导300内的光路328的示例。光路328包括被耦合到icg 320处的衬底302中的入射光(表示为328a)。耦入光(表示为328b)通过全内反射朝向光栅351、352、和353传播。当这些光线遇到第一ope光栅351时，光在 y方向(表示为328c)上被衍射，并且随后由epe光栅353在
–
z方向(表示为328d)上朝向用户的眼睛衍射到波导300之外。类似地，耦入光(表示为328b)可以可替代地照射第二ope光栅352并在
–
y方向上被衍射(表示为328e)。在
–
y方向上衍射的光(表示为328e)可由epe光栅353朝向用户的眼睛衍射到epe光栅353之外。光是在 y方向上(由第一ope光栅351)被衍射还是在
–
y方向上(由第二ope光栅352)被衍射是概率的，并且由光栅结构管理。通常，当耦入光(表示为328b)具有在 y方向或
–
y方向上衍射的50％机会时，组合ope/epe区域350的性能得以改进。在一些实例中，当第一ope光栅351和第二ope光栅352彼此垂直时，实现这一点。
95.尽管波导300被示出为仅具有单个icg 320，但是在一些实施例中，对于波导300来说在组合ope/epe区域350的相对侧包括第二icg作为icg 320可能是优选的。第二icg在形式和功能上可以与icg 320相同，并且可以是icg 320的镜像版本。例如，鉴于icg 320被配置为将与投射的图像相关的耦入光衍射到衬底302中，第二icg 320可被配置为对与投射的图像的镜像版本相关的耦入光进行衍射(例如，在x方向上翻转)。与与icg 320相关联的光路328相反，与第二icg相关联的光路可包括被耦合到第二icg处的衬底302中的入射光。耦入光通过全内反射朝向光栅351、352、和353传播。当这些光线照射第一ope光栅351时，光在
–
y方向上被衍射，并且随后由epe光栅353在
–
z方向上朝向用户的眼睛衍射到epe光栅353之外。类似地，耦入光可以可替代地照射第二ope光栅352并在 y方向上被衍射。在 y方向上被衍射的光可由epe光栅353朝向用户的眼睛衍射到波导300之外。
96.关于其他波导拓扑的更多细节在先前通过引用并入的美国专利申请no.15/683,624中描述。
97.图4是根据一些实施例的当波导层以预定曲率为特征时目镜的波导层和从波导层投射的光的简化剖视图。来自诸如投影仪(未示出)的光源的输入光束402可通过输入表面406(例如，通过来自耦入元件(未示出)的衍射)进入波导层404，并且通过输出表面408朝向用户的眼睛410出射。如图4所示，在波导层404上施加了表面轮廓。在一些实施例中，表面轮廓形成曲线，该曲线可由球面曲率的曲率半径定义。在其他实施例中，表面轮廓是非球面的，但是可以由球面形状近似。由于波导层404的结构，输入表面406可以贯穿波导层404的
长度平行于输出表面408。
98.如上文所讨论的，当光通过tir通过波导层404传播时，输出光被衍射到波导层404之外，如输出光线403所示。对于低曲率水平，输入表面406和输出表面408在跨越波导层的位置处彼此平行。因此，当光通过tir通过波导层传播时，波导表面的平行性质在tir期间保持反射角，使得输出光线与输出表面之间的角跨越波导层保持。由于表面法线跨越弯曲波导层输出表面缓慢变化，因此输出光线也缓慢变化，产生图4所示的发散。
99.由输出表面408的曲率产生的输出光线403的发散可以具有渲染输入光束402的效果，使得看起来光源自位于波导层404后面特定距离处的点光源。因此，施加在波导层404上的表面轮廓或曲率产生朝向用户或观看者的眼睛410的光的发散，有效地将光渲染为源自位于波导层后面的深度平面。
100.从输入光束似乎起源于的距波导层的距离可以与波导层404的曲率半径相关联。与具有较低曲率半径的波导相比，具有较高曲率半径的波导可以将光源渲染为起源于距波导层更大的距离处。例如，如图4所示，波导层404具有0.5m的曲率半径，这可通过跨越具有40mm的横向尺寸(例如，长度或宽度)的epe将波导层404弯曲0.4mm来实现。给定波导层404的该曲率，输入光束402似乎源自距波导层404 0.5m的距离处。作为另一示例，另一波导层是可操作的以具有0.2m曲率半径，渲染对于用户看起来源自距波导层0.2m距离处的光源。因此，利用与波导层材料兼容的少量曲率，即长度/深度为几十毫米的波导层上的一毫米弯曲的分数，可以实现二维扩展波导(也称为二维波导)的深度平面功能。根据本发明的实施例使用的曲率通常使用在各种商业产品中，包括太阳镜，其可以具有几毫米(例如，1-5毫米)弯曲、车辆挡风玻璃等。因此，在本发明的各种实施例中使用的少量曲率将不降低目镜的光学性能，例如，在中心视场处引入小于0.1弧分的模糊，并且跨越具有0.5m曲率半径的目镜的视场引入小于2弧分的模糊。
101.图4仅示出作为目镜的元件的波导层404的一维剖视图。然而，应理解到，施加在波导层上的表面轮廓也可以在与图平面正交的方向上施加，产生波导层的二维曲率。因此，本发明的实施例向目镜的结构，特别是目镜的波导层提供深度平面功能。如本文所描述的，深度平面功能可以是双模的或连续的，这取决于特定实施方式。
102.图5是根据一些实施例的当波导层以预定曲率为特征时目镜的波导层和传播通过波导层的光的简化剖视图。如图4中所描述的，从波导层404投射的光可以使光源在三维空间中向用户的眼睛显现。现实世界光502或出于vr或ar的目的未投射通过波导层404的光可传播通过波导层404的输入表面406和输出表面408并且朝向用户的眼睛410。具有低厚度变化(例如，小于1.0μm)的波导具有可忽略的屈光力，并且可以允许现实世界光502在很少或没有干扰的情况下传播通过波导层404的弯曲表面。在一些实施例中，不需要对现实世界光进行校正，并且使由波导层404的表面轮廓引起的现实世界光的离轴退化减少或不存在。因此，在波导层上施加表面轮廓或曲率允许从距目镜一定距离的位置处投射虚拟内容，同时保持现实世界光的完整性，从而允许待由用户观看的现实世界光和虚拟内容在三维空间中针对用户实时渲染。
103.在一些实施例中，波导层(其可以是聚合物波导层)的曲率半径可以在0.1m和无限远之间动态变化，其可以在0.1m和无限远之间动态变化目镜的深度平面(即，投射光源看起来被渲染的距离)。因此，本发明的实施例使得深度平面能够在0.1m和无限远之间变化，其
包括通常在增强或混合现实应用中使用的所有深度平面。波导层(例如柔性聚合物波导层)的表面轮廓可以使用各种方法和机制进行调整，如本说明书中更详细描述的。
104.在下文所描述的一些实施例中，提供了动态目镜，其中目镜的深度平面可以变化以在不同深度平面处显示虚拟内容，例如，作为时间的函数的时间变化。因此，可以显示虚拟内容的后续帧，看起来源自不同的深度平面。然而，静态实施方式也包括在本发明的范围内。在这些静态实施方式中，在目镜的波导层上施加固定和预定的表面轮廓或曲率，从而在固定深度平面处呈现虚拟内容。与使用外部透镜、衍射透镜或其他光学元件的系统相比，使用静态实施方式的实施例可以通过波导层的曲率实现深度平面，降低系统复杂性并且改进光学质量。而且，一些实施例可以实现一组目镜，每个目镜包括弯曲波导层的堆叠以提供两个静态深度平面。作为示例，三个弯曲波导层的第一堆叠可以利用跨越波导堆叠的宽度/长度的0.2mm弯曲在位于1m深度平面处实现三色场景，以及三个弯曲波导层的第二堆叠可以利用跨越波导堆叠的宽度/长度的0.4mm弯曲在位于0.5m处的深度平面处实现第二三色场景。
105.图6a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第一配置的剖视图。在一些实施例中，波导层可被定位在两个成角度的刚性表面之间，当被致动时充当波导层上的夹具，产生对波导层的表面轮廓或曲率的调整。在图6a中，波导层606(其可以是平面或相对平面的聚合物波导层)被定位在两个环形夹紧机构之间，即顶部夹紧机构602和底部夹紧机构604。在图6a中，两个环形夹紧机构以未致动配置被定位，从而允许波导层606呈现第一表面轮廓，例如，平面表面轮廓或具有小固有曲率的表面轮廓。波导层606的外缘可以被定位或以其他方式对准在顶部夹紧机构602的底面与底部夹紧机构604的顶面之间。顶部夹紧机构602的底面和底部夹紧机构604的顶面可以彼此互补地成角度。关于图6c和图6d提供夹紧机构的附加描述。
106.图6b示出了用于图6a所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第二配置的剖视图。如图6b所示，顶部夹紧机构602和底部夹紧机构604可以被致动以对波导层606的外缘应用机械力。如图6b所示，两个环形夹紧机构的致动向波导层606的外缘施加机械力，波导层606响应于机械力以等于由顶部夹紧机构602和底部夹紧机构604的互补形状限定的角度弯曲。因此，例如，通过在波导层的外缘处应用机械力将波导层606从平面表面轮廓调整为弯曲表面轮廓可以调整波导层的曲率半径。由顶部夹紧机构602和底部夹紧机构604限定的角可以通过顶部夹紧机构602和底部夹紧机构604的结构预定义，使得能够施加应用不同的表面轮廓产生不同的深度平面的不同的结构可被制造用于各种应用。如图6a所示，两个环形夹紧机构的去致动移除波导层的外缘处的机械力，波导层返回到原始表面轮廓，例如，平面的表面轮廓。
107.根据本发明的实施例，在波导层的外缘处应用弯曲力矩导致对波导层的表面轮廓或曲率的调制均匀地跨越波导层的宽度/长度和相关联的目镜的孔径区。
108.图6c示出了用于图6a和图6b所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的平面图。如图6c所示，波导层606的外缘与环形顶部夹紧机构602和互补形底部夹紧机构604(未示出)接触。
109.利用如图6a和图6b所示的可变表面轮廓结构，提供了一种动态目镜，在该动态目镜中，目镜的深度平面可以变化以在不同深度平面处显示虚拟内容。因此，使用例如包含各
自与原色相关联的三个波导层的单个目镜，可以利用时分复用技术来显示看起来源自不同深度平面的虚拟内容。尽管图6a和图6b所示的实施例提供了两个不同的深度平面，但是其他实施方式使能表面轮廓的连续变化，从而提供了具有连续深度平面变化的动态目镜。此外，当用户眨眼等时，作为用户运动的函数，可以将虚拟内容移位到不同的深度平面。由于与目镜相关联的当前深度平面可以与要显示的虚拟内容相关，因此深度平面可以作为虚拟内容的函数进行调整。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
110.再次参考图6c，通过顶部夹紧机构602和底部夹紧机构604(未示出)的致动，可以将机械力均匀地应用到波导层606的外缘。在本实施例中，两个环形夹紧机构的环形形状符合波导层606的形状。在其他实施例中，夹紧机构可被成形为符合具有除圆形之外的形状的波导层。
111.图6d示出了用于图6a和图6b所示的动态调整波导层的表面轮廓的可替代系统的平面图。如图6d所示，目镜可包括波导层610，该波导层610在平面图中以泪滴形状为特征。尽管在图6d中示出了泪滴形状，但是本发明的实施例不限于该特定形状，并且其他形状被包括在本发明的范围内。
112.波导层的固定部分612可被附着到或以其他方式保持在邻近该固定部分的波导层610的部分中。作为示例，icg 613可被接近固定部分612的中部定位。为了防止修改icg 613附近的波导层的表面轮廓，固定部分612用于将波导层的该部分的表面轮廓保持在固定表面轮廓中。在其他实施例中，固定部分可以例如通过利用波导层之间的一个或多个垫片将波导层610松散地固定在适当位置，以允许邻近固定部分612的波导层610的部分弯曲或保持在初始状态而不受固定部分612阻碍，如关于图16的更详细讨论的。
113.顶部c形夹紧机构608然后可被耦合到固定部分612以沿着波导层的外缘完全围绕波导层610。顶部c形夹紧机构608可通过将波导层610夹紧在互补的底部c形夹紧机构(在该平面图中未示出)上来调整大部分波导层610的表面轮廓，如先前示例中所描述的。使用如图6d所示的c形夹紧机构使得波导层的外缘的足够部分能够以预定角度取向，使得目镜的观察区以表面轮廓或曲率为特征，该表面轮廓或曲率跨越观察区的宽度/长度是均匀的，同时独立于夹紧系统的致动将波导层的部分保持在固定的表面轮廓上。在利用多个波导层的实施例中，c形夹紧机构608可以包括垫片或其他柔性配合面，如关于图16更详细地描述的，以使得相邻波导层能够彼此独立地滑动和/或旋转。
114.在一些示例中，夹紧机构的部分可以被隔离，使得可以沿着波导层的外缘向不同部分应用不同的机械力。例如，环形夹紧机构可以被分叉、分成象限或具有相同或不同夹紧角度的任意数量的部分。夹紧机构的各部分可以被同时地、交替地或组合地激活，使得波导外缘的一些部分可以被夹紧，而一些部分可以保持未夹紧。这可以允许从用户的视角跨越不同深度平面的范围移动或定位虚拟内容。
115.在一些实施例中，波导可以被预弯曲并且然后被夹紧以弯曲到较低弯曲或平面状态。图6e示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第三配置的剖视图。图6f示出了用于图6e所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第四配置的剖视图。如图6e和图6f所示，波导层618可以被以预定的表面轮廓(例如，预定的曲率半径)弯曲。然后，波导层可以被以与关于图6a至图6b所描述的实施例类似的方式定位在两个环形夹紧机构(顶部夹紧机构614和底部夹紧机构616)之间。在图6e中，两个环形夹紧机构被以未致
动配置定位，从而允许波导层618呈现第一表面轮廓，例如，与第一深度平面的显示相关联的弯曲表面轮廓。波导层618的外缘可以被定位或以其他方式对准在顶部夹紧机构614的底面和底部夹紧机构616的顶面之间。波导层618的外缘可以与环形顶部夹紧机构614或互补形底部夹紧机构616接触。顶部夹紧机构614的底面和底部夹紧机构616的顶面可以彼此互补地成角度。夹紧机构的这些互补表面可以是平坦的或平面的，以将波导层618从预定曲率弯曲到平面状态或具有减小曲率的状态。在一些示例中，互补表面可以成角度以比波导层618的预定表面轮廓小的角度弯曲波导层618，以产生减小的曲率半径。如图6f所示，两个环形夹紧机构的致动向波导层618的外缘应用机械力，波导层606响应于机械力以等于由顶部夹紧机构614和底部夹紧机构616的互补形状限定的角度弯曲。因此，例如，通过在波导层的外缘处应用机械力将波导层618从弯曲表面轮廓调整为平面表面轮廓可以调整波导层的曲率半径。由顶部夹紧机构614和底部夹紧机构616限定的角可以通过顶部夹紧机构614和底部夹紧机构616的结构预定义，使得能够施加不同的表面轮廓产生不同的深度平面的不同结构，可被制造用于各种应用。如图6e所示，两个环形夹紧机构的去致动移除波导层的外缘处的机械力，波导层返回到原始表面轮廓，例如，弯曲的表面轮廓。
116.关于图6a至图6f所描述的实施例可以以双模方式提供操作，这意味着夹紧机构可以使得波导层在两个离散状态之间切换，以及从而在距用户的眼睛的两个不同和离散的深度处渲染投射的虚拟内容。例如，如图6a和图6b所示，波导层606可在平面或“平面”模式中操作，并且然后可被弯曲用以在弯曲模式中操作。波导层可以在这两种状态之间连续转换。作为双模操作的另一示例，如关于图6e和图6f所描述的，波导层616可在弯曲模式中操作，并且然后可被弯曲以在平面或“平面”模式中操作，反之亦然。在其他示例中，波导可以具有预定义的曲率半径，并且取决于夹紧机构的预定义角度被弯曲以具有不同的曲率半径，更低曲率半径或更高曲率半径。
117.图7a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第一配置的剖视图。如图7a所示，真空卡盘系统用于动态调整波导层的表面轮廓或曲率。关于图6a至图6f所提供的讨论酌情适用于图7a至图7d所示的实施例，例如，其中图6a所示的夹紧机构用如图7a所示的真空卡盘系统替换。在图7a至图7d所示的实施例中，波导层被定位或以其他方式位于真空卡盘机构的顶部。
118.参考图7a，可以是柔性聚合物波导的平面或相对平面的波导层702可以被定位在真空卡盘机构704上，真空卡盘机构704可以具有环形或基于环的形状，如关于图6c和图6d所讨论的。波导层702的外缘被定位或以其他方式与真空卡盘机构704对准。真空卡盘机构704可包括固定部分706，固定部分706还可安置用于在真空卡盘机构704内应用真空力的部件。
119.与图6a所示的底部夹紧机构604的顶面类似，固定部分706的顶面以预定角度倾斜。在致动之前，波导层702的外外缘被定位在固定部分706的顶面的外边缘之上，如图7a中这些部分之间的垂直间隙所示。波导层702的内边缘与固定部分706的顶面接触。因此，在该第一配置中，平面波导层可由真空卡盘机构704支撑并保持平面表面轮廓。
120.图7b示出了用于图7a所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第二配置的剖视图。在图7b中，响应于真空卡盘机构704的致动，向波导层702的外缘应用了真空力。响应于真空力，波导层702的外边缘与固定部分706的顶面的外边缘接触，使得波导层702的整个
外缘与固定部分706接触。因此，当真空卡盘机构704被致动时，在固定部分706处的真空力的产生向波导层702的外缘应用机械力，该波导层702响应于机械力以等于固定部分706的顶面的形状限定的角度弯曲。因此，例如，通过在波导层的外缘处应用机械力将波导层702从平面表面轮廓调整为弯曲表面轮廓，可以调整波导层的曲率半径。由固定部分706的顶面限定的角度可由真空卡盘机构704的结构预限定，使得能够施加不同表面轮廓产生不同深度平面的不同结构可被制造用于各种应用。如图7a所示，真空卡盘机构704的去致动移除波导层的外缘处的机械力，波导层返回到原始表面轮廓，例如，平面的表面轮廓。
121.图7a和图7b所示的真空卡盘机构704可以弯曲平面波导层，使得其以由真空卡盘机构704的结构的角度限定的表面轮廓为特征。在其他实施例中，波导层可以具有初始预定义曲率，并且可以转换为平面状态。
122.图7c示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的系统的第三配置的剖视图。图7d示出了用于图7c所示的动态调整波导层的表面轮廓的系统的第四配置的剖视图。如图7c所示，波导层708可以具有具有预限定曲率的原始或静止状态。真空卡盘机构710可以具有平坦表面，波导层708的外缘的一部分可被定位在或以其他方式位于该平坦表面上。由于波导层708的预定义曲率，波导层708的内边缘被定位在固定部分712的顶面的内边缘之上，如图7c中这些部分之间的垂直间隙所示。波导层708的外边缘与固定部分712的顶面接触。因此，在该第三配置中，弯曲波导层可由真空卡盘机构710支撑并保持弯曲表面轮廓。
123.如图7d所示，当真空卡盘机构710被致动时，真空力将波导层708的弯曲外缘朝向真空卡盘机构710的固定部分712的平坦表面拉拽，使得波导层均匀地弯曲成平面或基本上平面形状。根据本发明的实施例，在波导层的外缘处应用弯曲力矩导致对波导层的表面轮廓或曲率的调制均匀跨越波导层的宽度/长度和相关联的目镜的孔径区。
124.真空卡盘机构704可以是环形的，以符合波导层702的整个外缘，类似于图6c所示的夹紧机构。在其他实施例中，真空卡盘机构704可以是围绕泪滴形波导的c形，类似于图6d所示的c形夹紧机构。而且，在可替代实施例中，真空卡盘机构的部分可以被分割或隔离，使得可以沿着波导层的外缘向不同部分应用不同的机械力。例如，环形真空卡盘机构可以被分叉、分成象限或具有相同或不同角度的任意数量的部分，波导的外缘根据这些角度被弯曲。真空卡盘机构的各部分可以被同时地、交替地、或组合地激活，使得波导层的外缘的一些部分可以被真空夹持，而一些部分可以保持不被夹持。这可以允许从用户的视角跨越不同深度平面的范围移动或定位虚拟内容。
125.由图7a至图7d所描述的实施例可以以双模方式提供操作，这意味着真空卡盘机构可以使波导层在两个离散状态之间切换，以及从而在距用户的眼睛两个不同且离散的深度处渲染投射的虚拟内容。例如，如图7a和图7b所示，波导层702可以平面或“平面”模式操作，并且然后可被弯曲以在弯曲模式中操作。波导可以在这两种状态之间连续转换。作为双模操作的另一示例，如图7c和图7d所描述的，波导层708可在弯曲模式中操作，并且然后可被弯曲以在平面或“平面”模式中操作，反之亦然。在其他示例中，波导可以具有预定义的曲率半径，并且取决于真空卡盘机构的预定义角度弯曲以具有不同的曲率半径，更低曲率半径或更高曲率半径。
126.图8a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的气动囊状系统
的第一配置的剖视图。如图8a所示，气动系统包括气动室802和透镜l1、l2。气动室802包括左室部分804、右室部分806、和波导层810，波导层810被示出为预弯曲聚合物波导层。波导层810被密封在气动室802的气密外壳中。左室部分804和右室部分806彼此密封，因此可以在每个室部分内施加不同的压力。波导层810是基本上刚性的，但是可以被反转为基本上相等和相反的曲率。取决于先前存在于每个室部分内的压力水平，增大或减小左室部分804或右室部分806内的压力，使得波导层810反转，如下文关于图8b所描述的，反转波导层810的曲率。左室部分804和右室部分806内的压力可以使用一个或多个气动设备(例如，正压力/负压力，例如真空设备)(未示出)进行调整。
127.图8b示出了用于图8a所示的动态调整波导层的表面轮廓的气囊系统的第二配置的剖视图。为了将波导层810从如图8a所示的第一配置切换到如图8b所示的第二配置，可以在左室部分804和/或右室部分806中引起压力变化。例如，右室部分806中的压力可以被增加以使得波导层810将其曲率反转为图8b所示的曲率。可替代地，左室部分804中的压力可以被减小以使得波导层810将其曲率反转为图8b所示的曲率。作为另一示例，左室部分804和右室部分806中的压力值可以同时和反向改变以切换由图8a和图8b所示的状态。由于仅在波导层810的状态改变期间使用电力，因此图8a和图8b所示的实施例是节能的。
128.在示例性实施例中，透镜l1、l2具有用于实现两个深度平面而不影响如由用户的眼睛808所感知的现实世界光的互补透镜功能。例如，考虑图8a所示的第一配置中的波导层810和位于眼睛808与波导层810之间的透镜l1，波导层810具有 0.75d的屈光力，并且l1具有-0.75d的屈光力，这导致虚拟内容看起来起源于无限远(即，远平面)。参考图8a，世界光在其传播通过透镜l2时被聚焦，透镜l2具有 0.75d的屈光力，传播通过波导层810的弯曲表面时很少或没有干扰，如关于图5所描述的，并且在传播通过透镜l1时散焦，透镜l1具有-0.75d的屈光力。因此，透镜l2、波导层810、和透镜l1的组合使得世界光能够在没有屈光力的情况下由用户观察。
129.参考图8b，当波导层810被反转为图8b所示的第二配置时，波导层810具有-0.75d的屈光力。在该第二配置中，虚拟内容被从波导层810投射，并在其传播通过具有-0.75d的屈光力的l1时散焦。因此，第二配置中的波导层和l1的组合导致-1.5d(即，近平面)的屈光力。因此，虚拟内容在第一配置中被呈现在无限远处，并且在第二配置中被呈现在0.67m处。如上文所讨论的，由于第二配置中的世界光(与第一配置类似)传播通过波导层810的弯曲表面而很少或没有干扰，因此世界光在没有向世界光应用屈光力的情况下呈现给用户，如关于图5所讨论的。
130.关于图8a和图8b所描述的实施例可以以双模或双稳态方式提供操作，这意味着改变气动室802内的压力值可以使得波导层在两个离散状态之间切换，以及从而从用户的视角在两个不同且离散的深度处渲染投射的虚拟内容。例如，如图8a和图8b所示，波导层810可在弯曲模式中操作，并且然后被反转以在反转弯曲模式中操作。如关于图6c所讨论的，波导层的形状可以是圆形的，尽管这不是本发明的实施例所要求的。
131.在一些实施例中，波导层可被定位在使用电活性聚合物(eap)形成的层上、抵着该层或以其他方式附着到该层。eap可以通过粘合剂结合到波导层，或在浇铸处理期间模制为波导层的元件。eap的一些示例包括但不限于介电弹性体和离子聚合物，诸如全氟磺酸、全氟碳酸、聚乙烯醇(pva)凝胶、丙烯酰胺和乙烯基衍生物共聚物、共聚物(aam/vdmg)凝胶、
prodot-(ch3)、聚丙烯酰胺凝胶、聚吡咯(ppy)和聚苯胺(pani)。eap可以具有具有特定宽度的初始未扩展状态。随后，当电压被应用到eap时，eap可以膨胀。改变应用的电压可以允许eap扩展到不同的长度。较高的应用电压可能导致eap扩展到比与较低应用电压相关联的扩展距离更大的距离。如下文更充分地描述的，向附着到波导层的eap应用不同的电压可能使得波导基于所应用的电压弯曲到预定的曲率或表面轮廓。
132.图9a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的电活性聚合物(eap)系统的第一配置的剖视图。如图9a所示，波导层902的外缘定位、结合或以其他方式附着到eap膜906的一个侧面，eap膜906可以是预拉伸的eap膜。eap膜906的相反侧被附着到固定框架结构904。在图9a所示的实施例中，波导层902可以具有弯曲的或几乎平面的表面轮廓，从而以大曲率半径(例如，2.0米)为特征，该大曲率半径通常适合于提供可接受的容纳空间。通常，在该配置中一些曲率是期望的，以便实现波导层的可预测弯曲，如下文更充分地描述的。
133.图9b示出了用于图9a所示的动态调整波导层的表面轮廓的eap系统的第二配置的剖视图。在图9b所示的第二配置中，电压源908被电耦合到eap膜906。可通过电压源908向eap膜906应用电压。跨越eap膜906应用电压使得eap膜906在体积上向波导层902的中心向内线性扩展。因此，向内扩展eap膜906使得结合到eap膜906的波导层902在所有方向上均匀且径向压缩，增加波导层902的曲率并且导致减小的曲率半径(例如，在本示例中为0.3m)。当移除来自电压源908的应用电压时，eap膜906收缩回到其初始状态，从而使得波导层902由于波导层902的自然拉伸强度而返回其初始未压缩状态。
134.在一些示例性实施例中，由电压源908提供的应用电压可以从最大应用电压降低或改变。改变应用到eap膜906的电压可使得波导层902被压缩成对应于不同的曲率半径值的多个配置，使得应用到eap膜906的每个电压电平对应于由波导层902体现的不同的产生的曲率半径值。因此，改变应用到eap膜906的电压可以使能波导层902的曲率的连续调制。因此，通过eap膜906的结构操纵，波导层902可被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。例如，波导层902的自然状态可以具有适合于投射源自距目镜2m的距离处的虚拟内容的曲率半径值。然后可以使用电压源908将小电压值应用到eap膜906，以使得波导层902轻微压缩。减小波导层902的曲率半径的该轻微压缩可与被投射为源自距用户比2m近(例如，1m)的距离处的虚拟内容相对应。然后可以使用电压源908将较高的电压应用到eap膜906，以使得波导层902压缩附加量。进一步压缩波导层902进一步减小曲率半径值，曲率半径值可用于渲染源自距用户比1米更近(例如，0.5米)的距离处的虚拟内容。例如，以90hz的刷新率连续地向eap膜应用无电压、小电压、和更高电压，使能在三个深度平面处显示虚拟内容，这三个深度平面与使用eap膜的延伸和波导层的最终压缩实现的三个曲率半径。
135.通常，eap膜在长度上与应用的电压线性延伸。类似地，波导层的曲率的减小可以是应用的电压的线性函数。对于本文所描述的许多操作条件，该线性行为是适用的。然而，这不是由本发明所要求的。在一些实施例中，波导层的压缩将最初导致随应用的电压的曲率半径的线性减小，但是然后随着波导层进一步压缩而变得非线性。因此，本发明的实施例可以将曲率半径映射到应用电压，考虑波导层的响应中的任何非线性。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
136.在可替代实施例中，波导层被制造有1m的曲率半径。当被附接到eap膜时，波导层
被拉伸以使波导层部分变平，使得曲率半径是2m。在操作期间，曲率半径变化的第一米由系统中内置的恢复力提供。为了将曲率半径减小到小于1m的值，利用应用的电压来延长eap膜的长度。
137.图9c示出了用于图9a和图9b所示的动态调整波导层的表面轮廓的eap系统的部件的平面图。如图9c所示，波导层902在外缘位置处被附接到eap膜906，eap膜906围绕波导层902并被附接到固定框架结构904。尽管波导层902的外缘是圆形的，并且被结合到环形eap膜906，该环形eap膜906被结合到图9c中的固定框架结构904，但是本发明的实施例不限于该实施方式。尽管在图9c中未示出，但是eap膜906被电耦合到电压源。电压源可向eap膜906应用一个或多个电压值以从固定框架结构904向内扩展eap膜906，从而向内朝向系统中心压缩波导层902，连续改变如图9c所示的波导层902的曲率半径。
138.图9d示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的eap系统的部件的平面图。在图9d所示的实施例中，波导层被实现为泪滴形波导层908，该泪滴形波导层908被结合到附着到泪滴形固定框架结构910的对应泪滴形eap膜912。以与关于图9c所讨论的方式类似的方式，eap膜的致动导致波导层的压缩和波导层的表面轮廓的修改。
139.图9e示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的可替代eap系统的部件的平面图。图9e示出了具有被结合到圆形eap膜918的外缘的泪滴形波导914，该环形eap膜918被附着到圆形固定框架结构916。可以以与关于图9c所描述的方式类似的方式向图9e中的eap膜918应用电压，以线性扩展eap膜并向内压缩波导层。作为径向位置的函数的eap膜的变化宽度使能不同的扩展长度和最终力，从而使得不同的压缩值能够作为径向位置的函数被应用于波导层。因此，通过选择eap膜宽度，本发明的实施例可以提供更均匀的球面曲率。如本领域技术人员将显而易见的，用于epa膜和/或固定框架结构的各种形状可影响eap膜如何扩展以跨越波导层的不同部分应用不同的力。
140.在一些示例中，eap膜的部分可以被隔离，使得可以沿着波导层的外缘向不同部分应用不同的机械力。例如，环形或泪滴形eap膜可以被分叉、分成象限或任意数量的部分。每个部分可被连接到一个或多个电压源，以在给定情况下向eap膜的不同部分应用不同水平的电压。eap膜的各部分可以被同时地、替代地、或组合地致动，使得eap膜的部分可以比eap膜的其他部分更多或更少地朝向波导向内扩展。这可以减少聚焦误差，并且解释关于波导形状的具有不同部件形状的eap系统。当向eap膜应用单个电压值时，改变eap膜部分的电阻率可产生改变应用到波导外缘的压缩力的类似效果。
141.图10a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的机械系统的第一配置的剖视图。如图10a至图10b所示，径向拉伸用于动态调整表面轮廓，例如波导层的曲率半径。参考图10a，波导层1002的外缘可以抵着粘弹性聚合物层1006定位、结合到粘弹性聚合物层1006或以其他方式附着到粘弹性聚合物层1006。粘弹性聚合物层1006可以吸收能量和松弛应力，并且可以被反复拉伸和松弛用于连续操作。这样的粘弹性聚合物膜的示例包括但不限于丙烯酸泡沫、pdms、pvc、聚烯烃、和聚乙烯。粘弹性聚合物层1006可以通过粘合剂结合到波导层1002，波导层1002可以是聚合物波导层，或者在浇铸处理期间直接模制为波导层1002的元件。粘弹性聚合物层1006可被附着到支撑柱1004/1009和1005/1007上，支撑柱1004/1009和1005/1007被机械耦合到开槽盘，如下文关于图10c更充分描述的。
142.波导层1002可以以这样的方式制造来以表面轮廓中的初始曲率为特征，例如，具
有预定的曲率半径，例如0.3m。
143.图10b示出了用于图10a所示的动态调整波导层的表面轮廓的机械系统的第二配置的剖视图。在图10b中，已经向支撑柱1004/1009和1005/1007应用了机械力以径向向外拉拽粘弹性聚合物层1006，这使得波导层1002径向向外拉伸，例如将波导层1002的曲率半径减小到2m。利用图10a至图10c所示的实施例，波导层1002可被连续拉伸直到平面或基本上平面表面轮廓，从而实现具有曲率半径值范围的多种配置。在一些实施方式中，波导层1002的外缘可以形成有平坦表面轮廓，以促进结合到支撑柱1004/1009和1005/1007。
144.图10c示出了用于图10a和图10b所示的动态调整波导层的表面轮廓的机械系统的部件的平面图。如图10c所示，粘弹性聚合物层的径向拉伸使用一对盘实现，该对盘包括顶盘1010和对应的底盘(未示出)。这些盘具有插槽，支撑柱1004/1009和1005/1007分别通过该插槽。顶盘1010和底盘(未示出)可围绕波导层1002的中心彼此相对旋转。例如，顶盘1010可以顺时针旋转，并且底盘可以同时逆时针旋转，以将支撑柱从图10a所示的第一配置移动到图10b所示的第二完全拉伸配置。例如，随着顶盘1010和底盘彼此相对旋转，支撑柱1005可以沿着插槽1012移动，以及支撑柱1007可以沿着插槽1014移动。该机构有时被称为朗沃斯卡盘(longworth chuck)。通过旋转盘应用到支撑柱的机械力可使得支撑柱沿着插槽移动，这可增加支撑柱与波导层1002中心之间的距离。支撑柱距系统中心的距离的增加可以径向向外拉伸粘弹性聚合物层1006，以及进而增加波导层1002的曲率半径。
145.取决于应用，图10a至图10c所示的机械(即径向拉伸器)系统可包括任意数量的支撑柱和对应的插槽。例如，如果支撑柱被直接连接到波导层，则可使用更多支撑柱(例如，大于或等于8)来实现均匀的径向拉伸，这可导致波导层的球形曲率，因为波导层可能是比粘弹性聚合物层更低柔性的。如果机械(即径向拉伸器)系统通过另一层粘弹性“记忆”聚合物被连接到聚合物波导，则支撑柱的数量可以减少，因为粘弹性膜将重新分配应力。无论如何，在一些实施例中，增加支撑柱的数量可以在聚合物波导上产生更均匀的应力分布。
146.在一些实施方式中，通过顶盘1010和底盘连同对应的支撑柱的旋转运动应用的拉伸力可以以不同的力值被应用，以在连续操作中产生多个波导配置。因此，顶盘1010和底盘可以被旋转到图10a所示的第一配置(即，波导层1002处于静止状态)和图10b所示的第二配置之间的任何配置(即，当支撑柱到达插槽的末端时，波导拉伸到最大值，将支撑柱定位在离系统中心最远的最大距离处)。改变支撑柱沿着插槽的位置，导致针对粘弹性聚合物层的不同拉伸距离，可以使波导层被拉伸成与变化的表面轮廓或曲率半径值相对应的多个状态。因此，波导层1002的表面轮廓可被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。释放用于旋转顶盘1010和底盘的力可允许粘弹性聚合物层1006经由其拉伸强度收缩到其初始配置，这可使得波导层1002恢复到图10a所示的第一配置。在不使用粘弹性聚合物层的情况下，在释放由旋转盘机构产生的拉伸力之后，波导层被直接连接到支撑柱的示例中，波导层的拉伸力可以使波导层收缩到其初始状态，并将支撑柱拉回到第一非拉伸配置。当所有支撑柱逐渐向内移动时，粘弹性聚合物层1006和波导层1002两者可以逐渐恢复到其初始配置。
147.在一些示例中，顶盘和底盘中的插槽可以是不同的长度和形状，使得朝向径向拉伸器系统的一侧的插槽逐渐比朝向相反侧的插槽更长。在波导和/或粘弹性聚合物层设计为非圆形的应用中，可以使用不同的插槽尺寸，使得波导和粘弹性聚合物层的某些部分比
其他部分被拉伸更多，从而实现均匀的应力分布。应当注意，可以实现可替代实施例，其中第一配置以较大的曲率半径为特征并且第二配置以较小的曲率半径为特征，其中机械系统在从第一配置到第二配置的连续转换期间压缩波导层。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
148.图11a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的可替代机械系统的第一配置的剖视图。如对本领域技术人员将显而易见的，利用图11a至图11e所示的粘弹性聚合物膜的拉伸的系统与图10a至图10c所示的系统共享公共元件，并且关于图10a至图10c所提供的描述酌情适用于图11a至图11e。如图11a所示，波导层1102的外缘可以被抵着粘弹性聚合物层1104定位、被结合到粘弹性聚合物层1006或以其他方式附着到粘弹性聚合物层1006。粘弹性聚合物层1104可被附接到致动器1108，致动器1108可被成形为环形或环形元件。
149.图11b示出了用于图11a所示的动态调整波导层的表面轮廓的可替代机械系统的第二配置的剖视图。具有比致动器1108小的直径的固定框架1106(其也可具有环形或环形)可位于波导层1102下。波导层1102可以以这样的方式制造来以表面轮廓中的初始曲率为特征，例如，具有预定的曲率半径，例如0.3m。参考图11b，当致动器1108相对于固定框架1106同轴移动时，粘弹性聚合物层1104例如被均匀地围绕固定框架1106的边缘拉伸并经过固定框架1106的外缘，从而使波导层1102径向向外拉伸成平面、基本上平面或较少弯曲的配置。因此，通过向下拉动致动器1108，可以实现波导层1102的表面轮廓的连续变化。为了减小曲率半径，致动器1108的向上运动使得粘弹性聚合物层1104和波导层1102的拉伸强度能够恢复到图11a所示的第一配置。可在这些和类似实施例中使用的致动器类型的示例可包括但不限于音圈致动器、压电致动器、气缸等。因此，本发明的实施例使能致动器的垂直运动导致波导层的水平拉伸的紧凑设计。
150.图11c示出了用于图11a和图11b所示的动态调整波导层的表面轮廓的可替代机械系统的部件的平面图。如图11c所示，波导层1102在外缘位置处被附接到环形粘弹性聚合物层1104，环形粘弹性聚合物层1104围绕波导层1102并被附接到致动器1108。尽管波导层1102的外缘是圆形的，并且被结合到环形粘弹性聚合物层1104，该环形粘弹性聚合物层1104被结合到图11c中的致动器1108，但是本发明的实施例不限于该实施方式。如上文所描述的，致动器1108可在垂直于固定框架1106的方向上移动，以横向拉伸粘弹性聚合物层1104和波导层1102，从而连续改变波导层102的曲率半径，如图所示。
151.图11d示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的另一可替代机械系统的部件的平面图。在图11d所示的实施例中，波导层被实现为泪滴形波导层1110，该泪滴形波导层1110被结合到附着到泪滴形致动器1114的对应泪滴形粘弹性聚合物层1112。以与关于图11c所讨论的方式类似的方式，致动器的致动导致波导层的压缩和波导层的表面轮廓的修改。
152.图11e示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的又一可替代机械系统的部件的平面图。图11e示出了具有被结合到圆形粘弹性聚合物层1118的外缘的泪滴形波导1116，该圆形粘弹性聚合物层1118被附着到圆形致动器1108。如图11b所示的致动器1108的驱致动使粘弹性聚合物层线性扩展并向外拉伸波导层。作为径向位置的函数的粘弹性聚合物层的变化宽度使能不同的扩展长度和产生的力，从而使得不同的扩展值
能够作为径向位置的函数被应用于波导层。因此，通过选择粘弹性聚合物层宽度，本发明的实施例可以提供更均匀的球面曲率。如对本领域技术人员将显而易见的，用于粘弹性聚合物层和/或固定框/致动器结构的各种形状可影响粘弹性聚合物层如何扩展以跨越波导层的不同部分应用不同的力。
153.在一些示例中，粘弹性聚合物层可以被隔离，使得可以沿着波导层的外缘向不同部分应用不同的机械力。例如，环形或泪滴形粘弹性聚合物层可以被分叉、分成象限或任意数量的部分。每个部分可被连接到一个或多个致动器，以在给定情况下向粘弹性聚合物层的不同部分应用不同水平的拉伸。粘弹性聚合物的各部分可以被同时地、替代地或组合地致动，使得粘弹性聚合物层的部分可以比粘弹性聚合物层的其他部分更多或更少地远离波导层向外扩展。这可以减少聚焦误差，并且解释关于波导层的形状的具有不同部件形状的粘弹性聚合物层系统。
154.波导层可被连续拉伸直到平面或基本上平面位置，以实现具有不同曲率半径值的多个状态。在一些实施方式中，通过致动器1108的运动应用的拉伸力可以以不同的力值被应用，以在连续操作中产生多个波导配置。因此，致动器1108可以被定位在图11a所示的第一配置(即，波导层1102处于静止状态)和图11b所示的第二配置(即，当致动器到达其最终位置时，波导被拉伸到最大值)之间的任何位置。沿着致动器运动范围改变致动器的位置，导致针对粘弹性聚合物层的不同拉伸距离，可以使波导层被拉伸成与变化的表面轮廓或曲率半径值相对应的多个状态。因此，波导层1102的表面轮廓可被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。释放用于向下拉动致动器1108的力可允许粘弹性聚合物层1104经由其拉伸强度收缩回其初始配置，这可使得波导层1102恢复到图11a所示的第一配置。
155.图12a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的横向致动系统的剖视图。如图12a所示，波导层1202的外缘抵着环形致动器1204的内部定位、被结合到环形致动器1204的内部或以其他方式附着到环形致动器1204的内部。在图12a所示的实施例中，波导层1202可以具有弯曲的或几乎平面的表面轮廓，从而以大曲率半径(例如，2.0米)为特征，该大曲率半径通常适合于提供可接受的容纳空间。通常，在该配置中一些曲率是期望的，以便实现波导层的可预测弯曲，如下文更充分地描述的。
156.环形致动器1024的外部被附着到固定框架结构1208。环形致动器1204可以被径向地和重复地扩展或收缩以用于波导层1202的表面轮廓的连续调制。环形致动器的示例包括但不限于压电致动器、电热致动器、磁致伸缩致动器等。出于清晰的目的，未示出用于驱动环形致动器的电压源。波导层和环形致动器可被单独制造，并且然后被结合在一起或作为单个单元制造，这取决于所使用的特定制造过程。
157.参考图12a，环形致动器1204的外部经由充当支撑环的旋转机构1206(例如，铰链)被附着或销接到固定框架结构1208。因此，环形致动器1204可绕旋转机构1206旋转，该旋转机构1206与环形致动器1204的径向横向扩展和收缩垂直。环形致动器1204可横向扩展，其中环形致动器的边界条件可使波导层1202变平为平面或基本上平面配置。相反地，环形致动器1204可横向收缩，其中环形致动器的边界条件可使波导层1202比环形致动器收缩较少时更显著地弯曲。如图12a所示，虚线表示当环形致动器1204处于各种扩展或收缩状态时波导层1202的可能配置。
158.图12b示出了用于图12a所示的动态调整波导层的表面轮廓的横向致动系统的部件的平面图。在图12b所示的实施例中，圆形波导层1202抵着环形致动器1204定位并被连结到环形致动器1204，环形致动器1204是环形的。环形致动器1204可向波导层1202的中心扩展以使波导层1202减小曲率半径，并且可从波导层1202的中心向外收缩以使波导层1202变平，增加了曲率半径。因此，通过环形致动器1204的横向或径向运动，波导层1202可以被连续变平到平面或基本上平面的位置，或者引起以各种曲率半径值弯曲，从而在连续操作中实现多个波导配置。沿着环形致动器运动范围改变环形致动器的收缩/延伸可以使波导层被拉伸到与变化的表面轮廓或曲率半径值相对应的多个状态。因此，波导层1202的表面轮廓可被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。
159.环形致动器1204可以是完全围绕波导层1202的整个外缘的连续环或环状物。在一些示例中，环形致动器的部分可被隔离成多个分段部分，使得可以沿着波导层的外缘向不同部分应用不同的机械力。在一些示例中，用于每个分段部分的不同材料或致动器类型可在给定应用中的任何组合中使用。环形致动器的各部分可以被同时地、替代地、或组合地致动，使得环形致动器的部分可以比环形致动器的其他部分更多或更少地远离波导层向外扩展。这可以减少聚焦误差，并且解释关于波导层的形状的具有不同部件形状的环形致动器系统。
160.图13a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的多环系统的第一配置的剖视图。如图13a所示，平面或基本上平面的波导层1302的外缘位于致动器1304与固定框架1306之间。致动器1304和固定框架1306通过机械连接被连结，如下文更充分地描述的。图13a和图13b所示的多环系统也可以被称为环对环系统。波导层1302的内缘可抵着致动器1304的延伸部分1305的表面定位，并且波导层1302的外外缘可抵着固定框架1306的表面，例如，固定框架1306的底面1307，定位。在图13a所示的实施例中，波导层1302可以具有平面的或几乎平面的表面轮廓，从而以大曲率半径(例如，2.0米)为特征，该大曲率半径通常适合于提供可接受的容纳空间。致动器1304可通过定位机构被耦合到固定框架1306，该定位机构可用于响应于致动器1304的致动，将固定框架1306定位在距致动器1304的可调节距离处。
161.图13b示出了用于图13a所示的动态调整波导层的表面轮廓的多环系统的第二配置的剖视图。在图13b所示的第二配置中，响应于致动器1304朝向固定框架1306的运动，致动器1304被致动以减小致动器1304与固定框架1306之间的距离。随着固定框架1306与致动器1304之间的距离减小，固定框架1306向波导层1302的外外缘应用机械力，而致动器1304的延伸部分1305的表面在相反的方向上将机械力应用在波导层1302的内外缘上。这使波导层1302的外缘以定义为致动器1304与固定框架1306之间的距离、在波导层1302的外缘和内缘处应用的机械力之间的距离、以及致动器1304的延伸部分1305的长度中的一个或多个的函数的角度成角。当致动器1304更靠近固定框架1306定位时，如图13b所示，使波导层1302以增加的角度弯曲，导致减小的曲率半径。相反地，致动器1304可以被致动以增加致动器1304与固定框架1306之间的距离，从而将波导层1302转换到图13a所示的第一配置与图13b所示的第二配置之间的任何配置。当逐渐增加致动器1304与固定框架1306之间的距离时，波导层1302可以通过释放其存储的应变能逐渐恢复到其初始平面或基本上平面状态，如图13a所示。在一些示例性实施例中，波导可以被预弯曲，并且致动器和固定框架可以以所描
述的类似方式向波导的外缘和内缘应用机械力，以减小波导被弯曲的角度，使波导变为平面或基本上更平面的。
162.作为示例，致动器1304的延伸部分1305(有时被称为杠杆臂)的长度可以是0.8mm，从致动器1304的顶面1303向外延伸以接触波导层1302的内缘。定位机构的～65μm致动行程和22n致动力可用于将330μm聚合物波导从以0.3m曲率半径为特征的状态变平到以2.0m曲率半径为特征的状态。致动器1304可以是任何类型的适合的致动器，包括但不限于气缸、压电致动器、线性机电致动器、磁性致动器等。
163.在一些示例性实施例中，由致动器1304和固定框架1306应用在波导层1302的外缘和内处的力可以从最大应用力减小或改变，其中最大应用力引起最小曲率半径。改变致动器1304与固定框架1306之间的距离可使波导层1302被弯曲成与不同的曲率半径值相对应的多个配置，使得每个致动器到固定框架的距离与由波导层1302展示的不同的产生的曲率半径值相对应。改变致动器到固定框架距离(其影响应用到波导层1302的内缘和外缘的力)因此可使能波导层1302的曲率的连续调制。因此，通过致动器1304的操纵，波导层1302可被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。例如，波导层1302的自然状态可以具有适合于投射源自距目镜2m的距离处的虚拟内容的曲率半径值。致动器1304与固定框架1306之间的距离可以被减小，以增加波导层1302的外缘的弯曲力矩，从而使波导层1302曲率增加。减小波导层1302的曲率半径的增加的弯曲力矩可与投射为源自距用户比2m近(例如，1m)的距离处的虚拟内容相对应。致动器到固定框架距离可以被进一步减小以使得波导层1302进一步弯曲。进一步弯曲波导层1302进一步减小曲率半径值，曲率半径值可用于渲染源自距用户比1米近(例如，0.3米)的距离处的虚拟内容。释放致动器以将致动器1304与固定框架1306之间的距离恢复回到第一静止配置使波导1302的应变能恢复到其静止配置。例如，以90hz的刷新率在第一静止配置、弯曲波导的第二配置和进一步弯曲波导的第三配置之间连续交替使能在三个深度平面处显示虚拟内容，这三个深度平面与使用致动器针对固定框架的压缩以使波导层成角度实现的三个曲率半径相对应。当然，这些值仅是示例性的，并且可以使用本发明的实施例实现其他深度平面。
164.图13c示出了用于图13a和图13b所示的动态调整波导层的表面轮廓的多环系统的部件的平面图。如图13c所示，固定框架1306定位在波导层1302周围以接触波导层1302的外缘的外部。在图13c中，致动器1304的一部分围绕固定框架1306的外缘可见，但这不是由本发明所要求的，并且可以利用横向紧凑设计，其中致动器1304的外缘和固定框架1306垂直对准。尽管波导层1302的外缘是圆形的并且与环形固定框架1306接触，该环形固定框架1306被耦合到图13c中的环形致动器1304，但是本发明的实施例不限于该实施方式。尽管在图13c中未示出，但是固定框架1306通过定位机构被耦合到致动器1304。环形致动器1304和固定框架1306可以是环形的并且彼此成比例，使得致动器1304的至少一部分与固定框架1306的一部分重叠。
165.图13d示出了根据一些实施例的用于动态调整可替代波导层的表面轮廓的多环系统的部件的平面图。如图13d所示，目镜可包括波导层1308，该波导层1308以平面图中的泪滴形状为特征。尽管在图13d中示出了泪滴形状，但是本发明的实施例不限于该特定形状，并且其他形状包括在本发明的范围内。
166.波导层的固定部分1312可被附着到或以其他方式保持在邻近固定部分1312的波
导层1308的部分中。作为示例，icg 1314可被定位在固定部分1312的中间附近。为了防止修改icg 1314附近的波导层的表面轮廓，固定部分1312用于将波导层的该部分的表面轮廓保持在固定表面轮廓中。在其他实施例中，固定部分可以例如通过利用波导层之间的一个或多个垫片将波导层1308松散地固定在适当位置，以允许邻近固定部分1312的波导层1308的部分弯曲或保持初始情况而不受固定部分1312阻碍。c形致动器1310然后可被耦合到固定部分1312以沿着波导层的外缘完全围绕波导层1308。c形致动器1310可以通过将波导层1308的外缘压在互补的c形固定框架(在该平面图中未示出)上来调整大部分波导层1308的表面轮廓，如先前示例中所描述的。如图13d所示的c形致动器的使用使得波导层的外缘的足够部分能够以预定角度取向，使得目镜的观察区以表面轮廓或曲率为特征，该表面轮廓或曲率跨越观察区的宽度/长度是均匀的，同时独立于系统的致动将波导层的部分保持在固定的表面轮廓处。
167.在一些示例性实施例中，固定框架/致动器机构的部分可以被隔离，使得可以沿着波导层的外缘向不同部分应用不同的机械力。例如，环形致动器和固定框架机构可以被分叉、分成象限或具有相同或不同尺寸的任意数量的部分，该部分限定了波导外缘弯曲的(一个或多个)角度。致动器和(一个或多个)固定框架机构的各部分可以被同时地、交替地、或组合地激活，使得波导外缘的一些部分可以以与波导外缘的其他部分不同的角度弯曲。这可以允许从用户的视角跨越不同深度的范围移动或定位光源。
168.图14a示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第一配置的剖视图。在一些实施例中，波导层可被定位在多组成对滚柱机构之间，这些滚柱机构可用以变平或弯曲波导层，从而调整波导层的曲率半径。在图14a中，波导层1402(其可以是平面或相对平面的聚合物波导层)被定位在多个成对圆柱形滚动机构(即顶部滚动机构1404与底部滚动机构1406成对，以及顶部滚动机构1408与底部滚动机构1410成对)之间。在图14a中，顶部滚动机构1404/1408和底部滚动机构1406/1410以未致动配置被定位，从而允许波导层1402呈现第一表面轮廓，例如，平面表面轮廓或具有小的固有曲率的表面轮廓。波导层1402的外缘可以在顶部滚动机构1404与底部滚动机构1406之间以及顶部滚动机构1408与底部滚动机构1410之间定位、压紧或以其他方式对准。图14c提供了滚动系统的附加描述。
169.图14b示出了用于图14a所示的动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第二配置的剖视图。如图14b所示，顶部滚动机构1404/1408和底部滚动机构1406/1410可以被致动以对波导层1402的外缘应用横向机械力。顶部滚动机构1404和底部滚动机构1406可用以在彼此相反的方向上转动，使得波导层1402的外缘的一部分取决于顶部滚动机构1404和底部滚动机构1406的旋转而在顶部滚动机构1404和底部滚动机构1406之间通过或通过顶部滚动机构1404和底部滚动机构1406拉拽。顶部滚动机构1408和底部滚动机构1410可以被致动以与顶部滚动机构1404和底部滚动机构1406类似的方式操作。顶部滚动机构1404/1408和底部滚动机构1406/1410可以通过摩擦力和/或“齿”或凹槽来夹住或以其他方式横向移动波导1402的外缘，从而使滚动机构夹住波导1402。在一些示例性实施例中，波导1402的外缘可以具有与位于滚动机构上的对应“齿”或凹槽兼容的“齿”或凹槽。
170.如图14b所示，成对顶部滚动机构1404/1408和底部滚动机构1406/1410的致动使波导层1402的外缘朝向波导1402的中心向内滚动一段长度，波导层1402响应于使波导1402
的外缘径向向内移动的机械力而弯曲。因此，例如，通过在波导层的外缘处应用横向机械力将波导层1402从平面表面轮廓调整为弯曲表面轮廓可以调整波导层的曲率半径。波导1402的弯曲以及导致的曲率半径值的变化是波导1402的外缘被位移的长度的函数。顶部滚动机构1404/1408和底部滚动机构1406/1410的去致动移除波导层的外缘处的机械力，波导层返回到初始表面轮廓，例如，平面或基本上平面表面轮廓，如图14a所示。
171.根据本发明的实施例，在波导层的外缘处由滚动机构引起的弯曲力矩的应用导致对波导层的表面轮廓或曲率的调制均匀跨波导层的宽度/长度和相关联的目镜的孔径区。在一些示例性实施例中，滚动机构的一部分可被致动以使波导变平或弯曲。例如，顶部滚动机构1404/1408可以被致动，而底部滚动机构1406/1410可以被允许独立和自由移动，或者在没有致动机构的情况下用销或轮替换。相反地，底部滚动机构1406/1410可以被致动，而顶部滚动机构1404/1408可以被允许独立和自由移动，或者在没有致动机构的情况下用销或轮替换。
172.在一些示例性实施例中，通过滚动机构应用在波导层外缘处的机械力可以在全弯曲配置和全平面配置之间被调制。改变由滚动机构移动的外缘的长度可使波导层弯曲成与不同的曲率半径值相对应的多个配置，使得每个移动的长度量与由波导层展示的不同的产生的曲率半径值相对应。因此，改变移动的波导的外缘的长度可以使能波导层的曲率的连续调制。因此，通过成对滚压机构的操纵，波导层可被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。
173.例如，波导层1402的自然状态可以具有适合于投射源自距目镜2m的距离处的虚拟内容的曲率半径值。波导层1402的外缘可以朝向波导层1402的中心径向向内移动，以使波导层1402的曲率增加。减小波导层1402的曲率半径的增加的波导层的弯曲可与投射为源自距用户比2m近(例如，1m)的距离处的虚拟内容相对应。波导层1402的外缘可以被进一步径向向内移动，以使波导层1402进一步弯曲。进一步弯曲波导层1402进一步减小曲率半径值，曲率半径值可用于渲染源自距用户比1米近(例如，0.3米)的距离处的虚拟内容。将滚动机构的保持力释放到第一静止配置使波导1402恢复到其静止配置。例如，以90hz的刷新率在第一静止配置、弯曲波导的第二配置和进一步弯曲波导的第三配置之间连续交替使能在三个深度平面处显示虚拟内容，这三个深度平面与使用滚动机构以使波导层成角而实现的三个曲率半径相对应。当然，这些值仅是示例性的，并且可以使用本发明的实施例实现其他深度平面。
174.图14c示出了用于图14a和图14b所示的动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的部件的平面图。如图14c所示，波导层1402的外缘与顶部滚动机构1404/1408和底部滚动机构(未示出)接触。附加的顶部滚动机构被示出为沿着波导1402的外缘均匀分布。例如，示出了八个顶部滚动机构，并与八个对应的底部滚动机构(未示出)成对，以在致动时在波导1402上引起均匀应力。沿着波导1402的外缘均匀分布的附加滚动机构可用于更精确地在波导1402上引起均匀应力。在本实施例中，滚动机构的环形定位符合波导层1402的形状。尽管在图14c示出了圆形形状，但是本发明的实施例不限于该特定形状，并且其他形状包括在本发明的范围内。在其他实施例中，滚动机构可被定位为符合具有除圆形之外的形状(例如，泪滴形状)的波导层。
175.仍然参考图14c，由于沿着波导1402的外缘分布的成对滚动机构的隔离性，可以向
沿着波导层1402的外缘的不同部分应用不同的机械力。各种成对滚动机构可以被同时地、交替地、部分地或组合地激活，使得波导1402的外缘的一些部分可以被移动，一些部分可以保持未移动，并且其他部分可以被更多或更少地移动。这可以允许从用户的视角跨越不同深度的范围移动或定位光源。
176.在一些实施例中，波导可以被预弯曲并且然后使用示出的滚动机构被弯曲到较低弯曲状态或平面状态。图14d示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第三配置的剖视图。图14e示出了用于图14d所示的动态调整波导层的表面轮廓的滚柱系统的第四配置的剖视图。如图14d和图14e所示，波导层1412可以以预定的表面轮廓(例如，预定的曲率半径)被弯曲。然后，以与关于图14a和图14b所描述的实施例类似的方式，波导层1412可以被定位在顶部滚动机构1414与底部滚动机构1416之间，以及顶部滚动机构1418与底部滚动机构1420之间。在图14d中，顶部滚动机构1414/1418和底部滚动机构1416/1420以未致动配置定位，从而允许波导层1412呈现第一表面轮廓，例如，与第一深度平面的显示相关联的弯曲表面轮廓。
177.如图14e所示，顶部滚动机构1414/1418和底部滚动机构1416/1420的致动向波导层1412的外缘应用机械力，该波导层1412响应于将波导1412的外缘径向向外移动的机械力而变平。因此，例如，通过在波导层的外缘处应用横向机械力将波导层1412从弯曲表面轮廓调整为平面或基本上平面表面轮廓，可以调整波导层的曲率半径。波导1412的弯曲以及产生的曲率半径值是波导1412的外缘被位移的长度的函数。顶部滚动机构1414/1418和底部滚动机构1416/1420的去致动移除波导层的外缘处的机械力，波导层恢复到初始表面轮廓，例如，弯曲的表面轮廓，如图14d所示。
178.可以使用各种方法来形成弯曲波导层，即，由静止位置的预定曲率限定的波导层。如下文所描述的，这些方法包括使用弯曲模具，利用制造后退火步骤弯曲初始平坦的波导层等。
179.图15示出了根据一些实施例的用于动态调整波导层的表面轮廓的气动系统的剖视图。如图15所示，气动系统包括波导层1502(例如，具有2.0m的曲率半径的预弯曲聚合物波导层)、连续压力调节器1510、和透镜l1、l2。波导层1502可以抵着透镜l2的平坦、透明、刚性底座定位或以其他方式结合到透镜l2的平坦、透明、刚性底座，沿着波导层1502的外缘形成气密密封1506，使得在波导层1502与透镜l2之间封闭加压腔1504。在一些示例性实施例中，平坦、透明、刚性底座可以是与透镜l2不同并被结合到透镜l2的部件。在气密密封1506的部分处，连续压力调节器1510可经由入口点1508被耦合到气密密封1506。连续压力调节器1510可用以经由耦合到入口点1508的路径1512传递加压腔1504内的压力变化。当连续压力调节器1510用以传递加压腔1504内的压力变化时，在波导层1502上引起压力变化。加压腔1504中的压力变化可引起波导层1502的曲率变化。尽管示出了一个压力感应设备，即压力调节器1510，但是示例性实施例允许使用一个或多个压力调节设备。如关于图6c所讨论的，波导层的形状可以是圆形的，尽管这不是本发明的实施例所要求的。
180.在示例性实施例中，波导层1502在第一默认配置中可以是平面的或基本上平面的，其中在加压腔1504中很少或没有压力对波导层1502施加力。连续压力调节器1510可用以增加加压腔1504内的压力，使得均匀负载被分布在波导层1502上，从而修改表面轮廓。加压腔1504内的压力可增加以使波导层1502修改其配置以增加波导层的曲率。减小或释放加
压腔1504中的压力可使波导层1502释放存储的应变能，从而使波导层1502恢复到具有平面或基本上平面形状的第一默认配置。
181.在其他实施例中，波导层1502可以处于以具有基本上弯曲形状的第二默认配置。连续压力调节器1510可用以减小加压腔1504内的压力(即，产生具有负压值的真空或降低预先存在的正压力值)，从而使波导层1502的表面轮廓被均匀地向内朝向透镜l2反转。加压腔1504内的压力可以被减小以使波导层1502转换到以减少曲率为特征的配置。增加加压腔1504中的压力可以使波导层1502恢复到具有基本上弯曲形状的第二默认配置。
182.在进一步的实施例中，波导层1502可以处于第三默认配置中，该第三默认配置具有在平面和基本上弯曲之间预先存在的曲率(即，在上文所描述的第一默认配置与第二默认配置之间)。连续压力调节器1510可用以减小加压腔1504内的压力(即，产生具有负压值的真空或降低预先存在的正压值)，从而使波导层1502的表面轮廓均匀地向内朝向透镜l2反转。加压腔1504内的压力可以被减小以使得波导层1502处于波导层1502展示减少的曲率的配置中。增加加压腔1504中的压力可以使波导层1502恢复到第三默认配置。可替代地，连续压力调节器1510也可用以增加加压腔1504内的压力，使均匀负载被分布在波导层1502上并修改表面轮廓。加压腔1504内的压力可以被增加以使波导层1502处于波导层1502展示增加的曲率的配置中。减小或释放加压腔1504中的压力可使波导层1502释放存储的应变能，使波导层1502恢复到第三默认配置。
183.在示例性实施例中，类似于图8a和图8b中所讨论的实施例，透镜l1、l2具有用于实现两个深度平面而不影响如由用户的眼睛1514所感知的现实世界光的互补透镜功能。因此，透镜l2、波导层1502、和透镜l1的组合使得世界光能够在没有屈光力的情况下由用户观察。如上文所讨论的，由于在任何波导层1502配置中世界光通过波导层1502的弯曲表面而很少或没有干扰，因此世界光在没有向世界光应用屈光力的情况下被呈现给用户，如关于图5所讨论的。
184.在一些示例性实施例中，由压力调节器1510在加压腔1504中引起的压力可被调制以引起波导1502处于全弯曲配置和全平面配置中。改变压力值可使波导层1502被弯曲或被变平成与不同的曲率半径值相对应的多个配置，使得每个压力值与由波导层1502展示的不同的产生的曲率半径值相对应。因此，改变加压腔1504中的压力值可以使能波导层的曲率的连续调制。因此，通过经由压力调节器1510对压力值进行调制，波导层1502可以被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。例如，波导层1502的自然状态可以具有适合于投射源自距目镜2m的距离处的虚拟内容的曲率半径值。加压腔1504内的压力值可被增加以使波导层1502展示曲率的增加。减小波导层1502的曲率半径的增加的波导层1502的弯曲可与投射为源自距用户比2m近(例如，1m)的距离处的虚拟内容相对应。加压腔1504内的压力值可被进一步增加以使波导层1502进一步弯曲。进一步弯曲波导层1502进一步减小曲率半径值，曲率半径值可用于渲染源自距用户比1米近(例如，0.3米)的距离处的虚拟内容。释放压力使波导1502恢复到其静止配置。可替代地，取代完全释放压力，可以减少或增加压力以实现由波导1502的配置确定的任何其他曲率半径值。例如，以90hz的刷新率在第一静止配置、弯曲波导的第二配置和进一步弯曲波导更弯曲的第三配置之间连续交替使能在三个深度平面处显示虚拟内容，这三个深度平面与使用压力调节器1510来调整波导层1502的曲率实现的三个曲率半径相对应。当然，这些值仅是示例性的，并且可以使用本发明的实施
例实现其他深度平面。
185.发明人已经确定，在修改包括多个波导层的多层目镜堆叠的曲率期间，多层堆叠中相邻波导层之间的机械关系可能影响性能。特别是，如果相邻波导层的外缘使用硬层间粘合剂结合，则可能在层之间引入显著的曲率误差。
186.图16是示出根据一些实施例的多层目镜堆叠中的三个波导层的外缘部分的剖视图的简化示意图。如图16所示，固定框架1610支撑多层目镜堆叠1620的外外缘，并且致动器1612接触多层目镜堆叠1620的内缘。尽管图16示出了固定框架1610和致动器1612以向多层目镜堆叠1620的内缘/外缘应用机械力，从而使多层目镜堆叠1620的外缘成角度，关于图16所提供的讨论适用于如本文所描述的本发明的各种实施例，其中外缘的成角度导致波导层或多层目镜堆叠的表面轮廓或曲率的修改。
187.参考图16，第一机械移动接头1622和第二机械移动接头1624分别位于波导层1626与1628之间以及波导层1628与1630之间。机械移动接头1622和1624(其也可称为垫片或垫片层)的存在使得波导层1626、1628、和1630中的每一个彼此独立旋转，这可导致波导层之间产生更均匀的曲率。机械移动接头1622和1624使得波导层能够在预定范围内关于彼此滑动，防止顶部波导层中的压缩和底部波导层中的拉伸，这可能由相邻层之间的紧固或硬层间结合造成。可以制造机械移动接头以匹配波导层的部分或全部外缘，并且以类似于相邻波导层之间的垫圈的方式组装。如图6d所示，外缘的一部分(例如，c形夹紧机构608)可以利用垫片，而外缘的另一部分(例如，固定部分612)可以利用相邻波导层之间的紧固或硬结合。
188.利用图16中所示的机械移动接头，制造包括一个或多个动态波导层和一个或多个静态波导层的目镜是可能的，因为可以独立地控制单独目镜的曲率。
189.图17a是示出根据本发明的实施例的注视点显示系统的简化示意图。参考图17a，注视点显示系统1705包括中心目镜1710和外缘目镜1720。中心目镜1710包括耦入衍射光学元件1712和中心组合ope/epe 1714。中心目镜1710从第一投影仪(未示出)接收显示信号。在所示的实施例中，中心目镜1710用于为观看者视场的中心部分，例如，观看者视场的中心的40
°
x 40
°
视场，提供内容。如关于图17b和图17c所讨论的，中心目镜1710中使用的波导层可用以实现将提供动态深度平面目镜的可变曲率。
190.除了中心目镜1710之外，注视点显示系统1705包括外缘目镜1720，其包括耦入衍射光学元件1722和外缘组合ope/epe 1724。外缘目镜1720从第二投影仪(未示出)接收显示信号。在所示的实施例中，外缘目镜1720用于为观看者的视场的外缘部分，例如，观看者的视场的外缘的50
°
x 50
°
视场，提供内容。如关于图17b和图17c所讨论的，外缘目镜1720中使用的波导层可以以固定平面几何形状操作，从而提供固定深度平面目镜。
191.尽管外缘目镜1720示出在中心目镜1710的左侧，但是这不是本发明所要求的，并且其他几何布置包括在本发明的范围内，包括多个外缘目镜、在超过一侧邻接中心目镜1710的外缘目镜，从而在不止一侧至少部分地围绕中心目镜1710等。而且，与中心目镜和外缘目镜相关联的视场不限于上文所提供的特定视场，并且可以根据特定应用变化。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
192.图17b是示出在第一配置中图17a所示的注视点显示系统的波导层的简化剖视图。出于清晰的目的，在图17b中仅示出了相应目镜中的每一个的单个波导层，但是应当理解，
例如，可以使用三个波导层(每个波导层与原色相关联)来实现多色显示。因此，实现所示曲率的多个波导层的实施方式包括在本发明的范围内。
193.如图17b所示，中心目镜1714的波导层1730以第一曲率(r1)为特征。类似地，还示出了外缘目镜1724的波导层1740，其具有平面轮廓，即无限曲率半径。由于不同的曲率半径，在预定深度平面(例如3m)处显示观看者的视场的中心部分的内容，而在更大的距离(例如无限远)处显示观看者的视场的外缘部分的内容。
194.图17c是示出在第二配置中图17a所示的注视点显示系统的波导层的简化剖视图。参考图17c，中心目镜1714的波导层1730以第二曲率(r2)为特征。如图17b所示，还示出了外缘目镜1724的波导层1740，其具有平面轮廓，即无限曲率半径。由于不同的曲率半径，在预定深度平面(例如1m)处显示观看者的视场的中心部分的内容，而在更大的距离(例如无限远)处显示观看者的视场的外缘部分的内容。除了图17b和图17c中分别所示的两个曲率半径r1和r2之外，可使用本文所描述的各种系统产生其他曲率半径以实现如贯穿本说明书所描述的连续变化的曲率半径。因此，在一些实施例中，当与不同深度平面相关联的虚拟内容由第一投影仪产生时，可以通过修改中心目镜1714的一个或多个波导层的曲率半径在适当的深度平面处显示虚拟内容。
195.因此，本发明的实施例提供了一种注视点显示系统，其中第一投影仪向被光学耦合到第一投影仪的动态深度平面目镜提供内容。动态深度平面目镜包括波导层，该波导层可用以具有不同的曲率半径，即可变曲率。在一些实施例中，动态深度平面目镜是注视点显示器的中心目镜，在用户或观看者的视场的中心部分提供可变深度平面内容。第二投影仪与光学耦合到第二投影仪的固定深度平面目镜结合使用。因此，注视点显示器包括以固定深度平面为特征的视场的第二区域。在一些实施例中，固定深度平面目镜用于用户或观看者的视场的外缘部分中的内容。因此，本发明的实施例提供了一种注视点显示器，其以视场为特征并且包括与视场的中心部分重叠的动态深度平面目镜和与视场的外缘部分重叠的固定深度平面目镜。目镜除了在可变或固定深度平面方面不同之外，目镜的其他特性可以改变，例如，分辨率，利用用于外缘目镜1724的较低分辨率目镜。
196.图18是示出根据本发明的实施例的操作增强现实头戴装置中的动态目镜的方法的流程图。该方法包括产生与第一深度平面相关联的第一虚拟内容(1810)。虚拟内容可包括三种颜色，以及一个或多个波导层可包括三个波导层，每个波导层与三种颜色中的一种相关联。此外，该方法包括将第一虚拟内容耦合到动态目镜中(1812)，并将第一虚拟内容通过动态目镜的一个或多个波导层投射到观看者的眼睛(1814)。一个或多个波导层以第一表面轮廓为特征。
197.该方法还包括修改一个或多个波导层来以与第一表面轮廓不同的第二表面轮廓为特征(1816)。修改一个或多个波导层可包括向波导层的外缘部分应用剪切应力。此外，修改一个或多个波导层可包括向波导层的外缘部分应用拉力和/或压力。而且，修改一个或多个波导层可以包括朝向固定框架移动致动器。
198.该方法还包括产生与第二深度平面相关联的第二虚拟内容(1818)，将第二虚拟内容耦合到动态目镜中(1820)，以及将第二虚拟内容通过动态目镜的一个或多个波导层投射到观看者的眼睛(1822)。
199.在另一实施例中，该方法包括产生与第一深度平面相关联的第三虚拟内容，修改
波导层来以第一表面轮廓为特征，将第三虚拟内容耦合到动态目镜中，以及将第三虚拟内容通过一个或多个波导层投射到观看者的眼睛。
200.应当理解，图18中所示的特定步骤提供了根据本发明的实施例的操作动态目镜的特定方法。还可以根据可替代实施例执行其他步骤序列。例如，本发明的可替代实施例可以以不同的顺序执行上述步骤。而且，图18所示的单独步骤可包括多个子步骤，该子步骤可以以适合于单独步骤的各种序列执行。此外，可以取决于特定应用添加或移除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
201.图19是示出根据本发明的实施例的用于模制弯曲波导层的装置的简化示意图。参考图19，波导层1910(其可以是模制弯曲聚合物层)或多个波导层(其中的每一个可以是模制弯曲聚合物层)位于两个模具1920和1922之间。可由玻璃制成的模具1920和1922以预定曲率为特征，例如球面曲率(例如，半径》0.1m)，并且用于模制波导层1910，使得波导层在波导层1910的每个表面上具有预定曲率，例如球面曲率。在一些实施例中，表面1912具有第一预定曲率，以及表面1914具有第二预定曲率。第一预定曲率和第二预定曲率可以是相同的曲率或者不同的曲率。
202.为了形成模具1920和1922，可以使用图案化、压印或其他技术，例如，在弯曲模板上图案化。对于在弯曲模板上图案化的示例，模板的曲率对应于波导层的最终期望或预定曲率。在一些实施方案中，可称为底部模具和顶部模具的模具1920和1922以高准确度对准以获得期望的总厚度变化(ttv)。作为示例，可以利用模具的弯曲表面的外缘或附加标记，诸如模具的平坦部分上的基准点，来对准模具。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
203.图20a是示出根据本发明的实施例的预退火平面波导层的简化示意图。图20b是示出根据本发明的实施例的预退火弯曲波导层的简化示意图。图20c是示出根据本发明的实施例的后退火弯曲波导层的简化示意图。
204.在图20a至图20c中，利用弯曲衬底上的波导层的制造后退火(被称为后退火)的处理来形成弯曲波导层。除了后退火的术语之外，该处理可称为“在热作用下”，因为该处理不必作为后退火处理步骤执行。参考图20a，该处理可利用位于弯曲衬底2012上的平面波导层2010。如关于图19所讨论的，弯曲表面1912(以及下文所讨论的弯曲表面1922)具有预定曲率，并且可以用作弯曲衬底2012。
205.此外，如图20b所示，该处理可利用位于弯曲衬底2012上的预弯曲波导层2020。因此，在初始模制波导层以形成平面波导层或弯曲波导层之后，例如，使用图19所示的模制处理，为后退火过程作准备将波导层定位或以其他方式放置在弯曲衬底上。
206.在实施例中，以高于组成波导层的材料的玻璃转换温度(tg)的退火温度(t
ann
)对波导层(例如，平面波导层2010或预弯曲波导层2020)和弯曲衬底2012进行加热。作为示例，对于聚合物波导层，退火温度可以是t
ann
＝120℃(对于lpb-1102)。波导层和弯曲衬底针对给定时间段(通常10-20分钟)保持在或保持高于退火温度，并且然后冷却，例如以慢速率(诸如《2℃/min)冷却。当波导层(例如，聚合物材料)以高于tg的温度软化时，波导层2030在包括如图20c所示的冷却阶段的退火处理期间形成弯曲衬底2012的形状。在一些实施方式中，利用具有小于波导层的尺寸的弯曲模板以减少或最小化最终波导层中的不期望的弯曲/翘曲。而且，在一些实施例中，防止弯曲衬底的表面粘结或以其他方式粘附到波导层材
料，使得波导层材料(例如，聚合物)可以在热循环期间自由拉伸和收缩。为了防止粘附，可以使用几种技术中的一种，包括使用具有预定粗糙度(例如，10nm～1000nm或粗糙度)的弯曲衬底或用提供疏水性和/或超疏水性的材料涂覆弯曲衬底。示例疏水性材料是特氟隆。如上文所讨论的，图20b所示的处理可以与图19所示的处理结合使用。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
207.图21是示出根据本发明的实施例的用于形成一组弯曲波导层的装置的简化示意图。参考图21，在堆叠一组波导层期间弯曲该组波导层(其可形成目镜的元件)的方法。如图21所示，波导层(例如，聚合物波导层)在执行了浇铸/模制过程和/或后退火处理之后可以是平坦的或弯曲的。
208.参考图21，第一波导层2110和第二波导层2112的曲率通过使用弯曲真空卡盘2120来保持第一目镜层2110和弯曲真空喷嘴(curved vacuum nozzle)2122以在第一波导层2110附近放置或定位第二波导层2112来确定。通过在第一波导层2110和第二波导层2112的外缘部分使用胶粘材料2130，可以在第一波导层2110与第二波导层2112之间形成气隙。胶粘材料2130在第一波导层2110和第二波导层2112中施加应力，以保持由制造工艺产生的弯曲形状。通常，胶粘材料2130以与波导层材料(例如，聚合物层)的强粘附为特征。在实施方式中，胶粘材料2130是uv固化粘合剂或压敏粘合剂。在使用uv固化粘合剂的实施例中，弯曲喷嘴2122可以是透明的，以允许uv光入射在uv固化粘合剂上。
209.图22示出了根据某些实施例的用于聚合物波导的制造工艺流程的简化方法2200。根据某些实施例，在操作2210处，方法2200可包括浇铸聚合物波导。聚合物浇铸可包括利用顶部模具2270和底部模具2260来形成聚合物波导2280。为了便于解释，聚合物波导2280被示出为单个线性目镜，然而，如本文进一步描述的，这样的波导通常是三维结构，例如如图10a至图10c所示。在浇铸期间，顶部模具2270和底部模具2260提供热量和压力以形成和成形聚合物波导2280。通常，浇铸温度通常在从室温(例如，20℃-22℃)到120℃范围之间且浇铸时间可在从5s
–
10min范围之间，这取决于组成和uv功率。在典型过程中，浇铸在室温至40℃处进行持续25s
–
1min。
210.根据某些实施例，在操作2220处，方法2200可包括脱模过程。脱模可能发生在模具中的一个从聚合物波导释放。脱模处理通常在室温发生，尽管其他温度是可能的，并且可能包括各种不同的机制(例如，机械力、压力差、附着力调制等)，以将第一模具与浇铸聚合物分离，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。
211.根据某些实施例，在操作2230处(图22中的步骤3)，方法2200可包括分离过程。“剥离”或分离处理发生在顶部模具2270从聚合物波导2280移除时。
212.根据某些实施例，在操作2240处，方法2200可包括制造后退火处理。退火通常是一种处理，其中材料经历热处理至一定温度并保持一定时间，并且然后冷却至室温以改变材料特性。退火处理通常是时间和温度相关的。关于聚合物(例如，波导聚合物)，退火处理包括将聚合物部件加热至高于其玻璃转换温度，以减轻在其制造工艺(例如，模制、模制后冷却、加工、焊接等)期间可能引入的内应力。在一些情况下，退火可包括在让塑料冷却之前将塑料部件加热到低于其玻璃转换温度适当的一段时间的处理，这可用以“松弛”材料并减少模制应力。通常，这些应力可通常包括拉力或压力(例如，内置应力或模制应力)。退火聚合物/塑料可以具有更好的机械和热特性，因为在聚合物中可能存在较少的位点(由于退火处
理)，其可能传播裂纹或改变器件(例如波导)的形状。
213.返回参考操作2240，聚合物波导被配置在平坦模板2275或弯曲模板2277上以使聚合物波导2280采用模板的形式。弯曲衬底或模板2277上波导层的制造后退火(“后退火”)可用于形成弯曲波导层。除了后退火的术语之外，该处理可称为“在热作用下”，因为该处理不必作为后退火处理步骤执行。应当注意，本文所描述的模板可被称为模具，其中应当理解，浇铸模具和退火后模具是不同的工具并执行不同的操作，如本文所描述的。
214.举例来说，可以高于组成波导层的材料的玻璃转换温度(tg)的退火温度(t
ann
)对波导层(例如，平面波导层或预弯曲波导层)和弯曲衬底(例如，如图24a至24c所示的弯曲衬底2420、2440、2460)进行加热。作为示例，对于聚合物波导层，退火温度可以是t
ann
＝120℃(对于1.72聚合物)。波导层和弯曲衬底(通常10-20分钟)保持在或高于退火温度给定时间段，并且然后冷却，例如以慢速率(诸如《2℃/min)冷却。当波导层(例如，聚合物材料)以高于tg的温度被软化时，波导层在包括冷却阶段的退火处理(2250)期间形成弯曲衬底的形状。而且，在一些实施例中，防止弯曲衬底的表面粘结或以其他方式粘附到波导层材料，使得波导层材料(例如，聚合物)可以在热循环期间自由拉伸和收缩。为了防止粘附，可以使用几种技术中的一种，包括使用具有预定粗糙度(例如，10nm～1000nm或粗糙度)的弯曲衬底或用提供疏水性和/或超疏水性的材料涂覆弯曲衬底。示例疏水性材料是特氟隆。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
215.根据某些实施例，在操作2260处，方法2200可包括后道工序(beol)处理。beol处理的一些示例可包括金属化、堆叠、层压、分离、集成等，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。
216.应当理解，根据某些实施例，图22中所示的特定步骤提供了用于聚合物波导的制造工艺流程的特定方法。还可以根据可替代实施例执行其他步骤序列。此外，可以取决于特定应用添加或移除附加步骤。例如，方法示出了用于单聚合物波导的制造工艺。一些实施例可使用包含多个模板(退火后模具)的多模板垂直“堆叠”，其可用于同时形成特定形状(例如，弯曲和平坦区域的组合)的多个聚合物波导。可以使用任何组合，并且本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解到其许多变化、修改、和替代实施例。
217.图23示出了示出根据某些实施例的平坦衬底2300的各方面的简化图。本技术常常涉及制造工艺期间聚合物波导(或切割形成聚合物波导的晶圆)的“平坦”衬底或平坦特征。然而，“平坦”可以通过常常与制造工艺相关联的某些参数更适当地限定。例如，术语“弯曲”和“翘曲”通常表示在没有任何真空吸力(来自卡盘)或可能使晶圆变形的其他力的情况下晶圆在自然状态下静止时的形状。弯曲通常是表面与未夹紧晶圆中心处的最佳拟合板之间的距离。翘曲通常是与最佳拟合平面的最大正偏差和负偏差的和，其通常具有未夹紧的晶圆(没有外力以使静止晶圆变形)。全局后理想范围(gbir)和总厚度值(ttv)是晶圆厚度的最大值和最小值之间的差(通常在晶圆夹紧在适当位置的情况下)。当处于自然状态(未夹紧)时，还可以在晶圆的前表面和后表面处测量gbir(ttv)。
218.返回参考图23，出于本公开的目的，“平坦”衬底通常是指具有距参考位置2310小于20μm的的翘曲、小于20μm的弯曲、小于1μm的总厚度变化的晶圆2300。理想地，平坦衬底中的曲率半径是无穷大。出于呈现本文所描述的新颖概念的目的，晶圆(和对应的聚合物波导)可以被认为是具有等于无穷大的曲率半径(即，∞的半径)，其中公差等于或优于此处限
定的极值。这不应当被认为是限制性的，并且本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解到根据行业标准通常被视为“平坦”的许多修改、变化和替代实施例。
219.图24a至图24c示出了根据某些实施例的具有用于弯曲聚合物波导的自由式表面的各种定制模具的剖面。这三个示例示出了在聚合物波导的不同区域中产生特定形状的各种拓扑。自由式表面可以是平坦、球面和非球面的组合或更复杂的形状，这取决于期望的光学功能和应用，并且不限于此处呈现的示例，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。
220.图24a示出了根据某些实施例的用以沿着聚合物波导引入通用曲线的自由式表面2420的示例。聚合物波导可以被称为具有通用曲线，因为聚合物波导的整个长度(也被称为横向范围)以作为横向位置的函数(即，在x-y平面中)的恒定曲率为特征。聚合物波导2410可被升高至退火温度(例如120℃)一段时间(例如10-20分钟)，在该时间段之后是冷却时段(例如《2℃/min)。在一些实施例中，聚合物波导可包括1.72聚合物(例如，90℃至120℃的退火温度范围)或1.75聚合物(例如，80℃至100℃的退火温度范围)。在后退火处理期间，波导变形为模具2420的底层表面的形状。参考图24a，沿着聚合物波导2410长度(通用弯曲)或其一部分形成球面曲率。尽管弯曲区域可能非常适合于ope、epe、或cpe区域，但是它们对于icg区域可能是有问题的，并且可能容易产生有害的成像效果，诸如在聚合物波导的曲率的动态调制期间的图像游移和失真，并且平坦区域有助于更好地将图像投影仪对准icg，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。注意，术语“自由式表面”、“模板”和“模具”可用于是指相同的制造工具结构。例如，自由式表面2420可以被称为模具2420或模板2420，如以下实施例中所做。然而，在后退火处理中使用的术语“模具”不应当与最初浇铸波导时使用的模具类型混淆。
221.图24b示出了根据某些实施例的聚合物波导2430在底层表面模具2440的球形区域2434之上的局部弯曲，以及波导在底层表面2440的平坦区域2432之上的平坦部分。局部弯曲部分可与聚合物波导2430的cpe区域相对应，而平坦区域可非常适合于放置icg，如上文所指示的。
222.图24c示出了根据某些实施例的聚合物波导2450在底层表面2460的球形区域2454之上的局部弯曲，以及波导在底层表面2460的平坦区域2452之上的平坦部分。局部弯曲部分可与聚合物波导2430的cpe区域相对应，而平坦区域2452可以是投影仪集成(例如，icg)或在beol处理(包括金属化、堆叠、和分离)中更容易处理的区域的优选位点。在每个示例中，弯曲区域可以是球面(例如，r0.1 m
–
r20.0 m)或非球面的，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。而且，尽管在图24b和图24c的局部曲率区域中示出了恒定曲率半径，这是不需要的，并且可以在局部曲率区的不同横向位置处使用不同的曲率。
223.在一些实施例中，底层定制模具(例如，图24a-24c中所示)可以具有防粘特性，使得聚合物波导不粘附到其表面，并且在弯曲处理的热循环期间自由移动。存在使用防粘特性的许多方式。例如，防粘化合物的均匀表面涂层，诸如聚四氟乙烯(ptfe)、氟化乙烯丙烯(fep)或其他适合的非粘涂层，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。在一些情况下，自由式表面可以被直接在非粘块(例如ptfe)上加工。
224.自由式定制模具的表面可以是无颗粒的，以保持弯曲处理之后聚合物波导的清洁度。在一些方面中，表面可具有中等粗糙度(例如，10nm至10μm rms)，使得波导聚合物不粘
附于表面(例如，经由光学结合)，并且在弯曲处理的热循环期间自由移动。这可以通过加工(例如，金刚石车削、模制、浇铸)原材料(例如，玻璃、熔融石英、金属等)，继之以表面研磨或蚀刻来实现期望的粗糙度，同时仍然保持无颗粒表面。在不满足针对粗糙度或清洁度的阈值的情况下，在弯曲处理期间可以在聚合物样品和自由表面之间放置干净且依从(compliable)的织物(例如，由合成聚酯制成的洁净室擦拭布)，以改进非粘特性。
225.图25a和图25b示出了某些聚合物弯曲方法的方面以及可能出现的对应问题。在一些实例中，在退火后热循环处理期间，当没有应用除重力之外的附加力时，聚合物波导可能不严格符合自由式定制模具的底层表面轮廓。这可能导致长弯曲到平坦转换长度，诸如当聚合物波导(例如，cpe)的球形部分转换到可配置icg的平坦部分时。取决于聚合物厚度和弯曲区域，转换长度可能增加，并且包括眼动范围(eye box)的边缘处的图像失真。参考图25a，聚合物波导2510在自由式定制模具2520之上的延伸弯曲到平坦转换可能发生，在转换2522处或附近的聚合物波导的区域上引起图像失真，并且特别是更长的延伸可能进入或侵入icg可能位于的平坦区域，这可以进一步在波导中引入有害的图像效应。注意，聚合物波导2510不与转换2522接触，留下间隙并且从而有助于弯曲到平坦转换的延伸。
226.图25b示出了“三明治”聚合物弯曲方法的简化图以及由此可能产生的对应问题。聚合物波导2510位于自由式表面模具2520(“底部模具”)上，位于顶部的第二模具2530(“顶部模具”)将聚合物波导2510“夹在中间”并且应用额外的力，以使聚合物波导2510更好地符合底层模具的轮廓。这样的方法可用以合并更锐利的弯曲到平坦转换，然而，例如由于顶部和底部模具的未对准，这样的方法容易在锐利转换处对聚合物波导引起损坏，诸如划痕、压痕等。参考图25b，聚合物波导2510可能由于不适当的未对准而在位置2540处发生损坏，这可能难以可靠控制。在一些情况下，当与顶部和/或底部模具硬接触时，损坏也可能影响有源光栅(例如icg)。
227.在以下实施例中，引入了产生改进的聚合物波导的各种高保真弯曲技术。这些实施例和方法可帮助减轻上文所描述的延伸的弯曲到平坦转换，同时避免对聚合物波导的损坏，允许在后退火/弯曲处理期间的改进的顶部和底部模具对准，并防止有源光栅(例如，icg)在弯曲处理期间发生损坏，如下文进一步描述的。
228.图26a至图26c是示出根据某些实施例的用于聚合物波导2600的高保真弯曲处理的各方面的简化图。图26a示出了包括圆形和球形cpe区域2630和icg区域2650的聚合物波导2600的平面图。如图26a所示，目镜可包括波导层，该波导层以在平面图中的泪滴形状为特征。尽管在图26a中示出了泪滴形状，但是本发明的实施例不限于该特定形状，并且其他形状包括在本发明的范围内。
229.聚合物波导2600夹在底部模具2610(从该视图不可见)与顶部模具2620之间。顶部模具2620可具有预限定的切口区，该切口区可用以限定期望的转换长度，而不会对敏感光传播区域(例如，弯曲和平坦区域之间的转换处)引起损坏，允许在后退火/弯曲处理期间的顶部和底部模具对准，并防止有源光栅(例如icg 2650)在弯曲处理期间被损坏。图26b示出了在弯曲处理期间从聚合物波导2600的26b-26b'(参见图26a)的侧剖视图。从该透视图可以更容易地看到底部模具2610、顶部模具2620、和夹在它们之间的聚合物波导2600之间的关系。从26b-26b'透视图，顶部模具2620在26b和26b'两侧并定位或对准(2660)底部模具2610的弯曲到平坦转换处(例如，其中局部弯曲部分2635转换到平坦部分2640处)或附近，
从而导致针对聚合物波导2600的短的对应转换，同时仍然避免可能影响tir或其他光学参数的任何损坏。也就是说，沿着26b-26b’剖面的弯曲到平坦转换可能是突然的(例如，理想地，0mm或尽可能小的转换长度)，因为光不沿着该方向传播，以及因此该区域不受限于有害的光耦合效应(例如，失真)。
230.图26c示出了在弯曲处理期间从图26a的26c-26c
′
的侧剖视图。在26c'侧，顶部模具2620被定位并对准底部模具2610的弯曲到平坦转换处或其附近，从而导致针对聚合物波导2600的短的对应转换长度d1。在26c侧，顶部模具2620位于icg 2650的外部。在该配置中，可以在不导致icg 2650损坏的情况下限定期望的转换长度d2(例如，如果顶部模具2620位于icg 2650的顶部)，但是仍然限定期望的转换长度，使得聚合物波导2600在icg 2650位点处平坦，以保持良好的光学性能。也就是说，沿着26c-26c'剖面的弯曲到平坦转换具有足够短的转换，以确保icg 2650是平坦的(例如，弯曲到平坦转换不会重叠或太紧密地侵占icg 2650)，并且也足够长以避免弯曲到平坦转换处的损坏，如上文所描述的。对于参考点，一些实施例在没有顶部模具2620的情况下可以具有约9mm的转换长度d2，顶部模具2620不会侵入icg区域；具有顶部模具2620，d2可以减小至约6mm，顶部模具2620被配置为距icg 2650约5mm。顶部模具2620可以在不接触的情况下尽可能靠近icg 2650配置(例如，直到icg 2650的边缘)，并且顶部模具2620越靠近icg 2650，通常转换长度d2可能越短。
231.尽管图26a至图26c示出了使用模板形成单个聚合物波导，但是应当理解，可以使用堆叠实施方式来制造多个聚合物波导。因此，本文所描述的技术适用于多个波导制造工艺。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。在典型实施例中，cpe可具有35-40mm的直径，icg可具有1-3mm的直径，并且cpe与icg之间的距离(例如，表示为d)可以是10-15mm。其他尺寸和比例是可能的，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。
232.图27a是示出根据某些实施例的具有局部弯曲cpe的普遍平坦的多层目镜堆叠(“目镜”、“目镜堆叠”、“聚合物波导堆叠”)2700的示例的简化剖视图。在一些实施例中，目镜堆叠2700可包括用于rgb颜色成像的三个或更多个聚合物波导，诸如聚合物波导2720(例如绿色)、2730(例如蓝色)、和2740(例如红色)。投影仪2710可以是分光瞳投影仪，并且可以被配置为覆盖每个聚合物波导的平坦区域，以允许以相同的角度光学注入rgb颜色用于适当混合针对每个聚合物波导的rgb图像(icg 2755)。平坦icg通常优选用于同轴icg，其可经由层间串扰产生增加的视场。在一些方面中，涂层2725、2735、和2745可被添加到icg，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。
233.垫片可以分别配置在每个聚合物波导2720、2730、2740下(参见图27b)。通常，每个垫片被结合到一个波导层，该波导层可用以将每个波导层隔开一定距离，并允许每个层彼此独立旋转，以容纳动态弯曲期间每个波导层中的均匀曲率变形。垫片可包括通常在一侧具有粘合剂的低摩擦(《0.5)载体膜(例如ptfe、pet 硬涂层等)。低摩擦表面可以允许所有层的均匀变形。垫片厚度可以在从约20μm到500μm范围之间，但是其他均匀或不均匀的厚度是可能的。
234.图27b是示出根据某些实施例的在动态弯曲目镜中具有局部弯曲cpe的普遍平坦目镜2700的示例的平面图。对于动态弯曲目镜，固定且平坦的icg可用于最小化目镜曲率的动态调制期间的图像游移和失真(例如，聚合物波导2720、2730、2740)。如图27a更好地看到
的，对于其他通用平坦目镜上的局部弯曲cpe，icg 2755的位置和平坦性可以经由目镜2700形状中固有的增加弯曲刚度来很好地保持。在一些实施方式中，刚性粘合剂2750可被耦合在icg周围用于将不同层结合在一起和/或结合到框架和投影仪，以进一步最小化icg 2755的运动来创建目镜堆叠2700的固定(非移动)部分2760。在不干扰来自投影仪2710的光路或通过目镜2700传播的光的区中，刚性粘合剂2750可以被配置在目镜2700周围(例如，结合到目镜2700上)。通常，刚性粘合剂的结合长度可被配置为在动态调制期间保持icg区的平坦性并最小化目镜的球面曲率的像差。举例来说，如图27b所示，结合长度通常是约10-30mm，这可导致良好的光学性能特性。在一些方面中，局部球形区域(例如，cpe)周围的区域2765可被配置有放置在目镜2700的垂直相邻层之间的垫片，以允许每个层独立旋转，用于在动态弯曲期间的每个目镜层中的均匀曲率变形。
235.环形致动器2770可被耦合到局部球形区域并以任何适合的形状配置，但是通常为圆形或c形，以最小化对传播通过目镜2700的光的任何干扰，如下文进一步描述的。
236.根据本发明的实施例，在波导层的外缘处应用弯曲力矩(例如，经由环形致动器)可导致对波导层的表面轮廓或曲率的调制均匀跨越波导层的宽度/长度和相关联的目镜的孔径区域，以实现上文所描述的各种深度平面。
237.如本文所呈现的，具有可变表面轮廓结构的波导结构提供了一种动态目镜，其中目镜的深度平面可以变化以在不同深度平面处显示虚拟内容。因此，使用例如包含各自与原色相关联的三个波导层(例如，目镜堆叠2700)的单个目镜，可以利用时分复用技术来显示看起来源自不同深度平面的虚拟内容。尽管本文中所示的实施例通常提供了两个不同的深度平面，但是其他实施方式使能表面轮廓的连续变化，从而提供了具有连续深度平面变化的动态目镜。此外，当用户眨眼等时，作为用户运动的函数，可以将虚拟内容移动到不同的深度平面。由于与目镜相关联的当前深度平面可以与待显示的虚拟内容相关，因此深度平面可以作为虚拟内容的函数进行调整。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
238.在一些方面中，波导层的固定部分2760可被附着到或以其他方式保持在邻近固定部分的波导层的部分中。作为示例，icg 2755可定位在固定部分2760的中间附近。为了防止修改icg 2755附近的波导层的表面轮廓，固定部分2760用于将波导层的该部分的表面轮廓保持在固定表面轮廓中。在其他实施例中，固定部分可以例如通过利用波导层之间的一个或多个垫片将多个波导层(例如，2720、2730、2740)松散地固定在适当位置，以允许与固定部分2760相邻的波导层的部分弯曲或保持在初始状态而不受固定部分2760阻碍，如关于图16的附加细节所讨论的。
239.如上文所描述的，目镜堆叠2700的外缘抵着环形致动器2770的内部定位、结合到环形致动器1204的内部或以其他方式附着到环形致动器1204的内部。环形致动器2770的外部可被附着到固定框架结构，如本文中进一步描述的。环形致动器2770可以径向地和重复地扩展或收缩用于目镜2700的波导层(例如，2720)的表面轮廓的连续调制。环形致动器的示例包括但不限于压电致动器、电热致动器、磁致伸缩致动器等。为了防止混淆本文所描述的新颖概念，用于驱动环形致动器的电压源未示出。(一个或多个)波导层和(一个或多个)环形致动器可被单独制造，并且然后结合在一起或作为单个单元制造，这取决于所使用的特定制造工艺。
240.参考图27b，环形致动器2770的外部经由充当支撑环的旋转机构(例如，铰链)被附着或销接到固定框架结构。环形致动器2770可横向扩展，其中环形致动器的边界条件可使波导层2700变平为平面或基本上平面配置。相反地，环形致动器2770可横向收缩，其中环形致动器的边界条件可使波导层(例如，2720)比环形致动器收缩较少时更显著地弯曲。换句话说，环形致动器2770可朝向波导层的中心扩展以使波导层减小曲率半径，并且可从波导层的中心向外收缩以使波导层变平，增加了曲率半径。因此，通过环形致动器2770的横向或径向运动，波导层(例如波导2720、2730、2740)可以连续变平到平面或基本上平面的位置，或者引起以各种曲率半径值弯曲，从而在连续操作中实现多个波导配置。沿着环形致动器运动范围改变环形致动器的收缩/延伸可以使波导层被拉伸到与变化的表面轮廓或曲率半径值相对应的多个状态。因此，目镜堆叠2700中的每个波导层的表面轮廓可被连续改变以在多个深度平面处将虚拟内容投射给用户。
241.环形致动器2770可以是围绕cpe外缘的一部分的环或环状物，例如如图27b所示。在一些示例中，环形致动器的部分可隔离成多个分段部分，使得可以沿着波导层的外缘向不同部分应用不同的机械力。在一些示例中，用于每个分段部分的不同材料或致动器类型可在给定应用中的任何组合中使用。环形致动器的各部分可以被同时地、替代地、或组合地致动，使得环形致动器的部分可以比环形致动器的其他部分更多或更少地远离波导层向外扩展。这可以减少聚焦误差，并且解释关于波导层的形状的具有不同部件形状的环形致动器系统。
242.图28a是示出根据某些实施例的普遍弯曲目镜堆叠2800中的局部平坦icg的示例的简化剖视图。在一些实施例中，目镜堆叠2800可包括用于rgb颜色成像的三个或更多个聚合物波导，诸如聚合物波导2820(例如绿色)、2830(例如蓝色)、和2840(例如红色)。投影仪2810可以是分光瞳投影仪，并且可以被配置为覆盖每个聚合物波导的平坦区域，以允许以相同的角度光学注入rgb颜色用于适当混合针对每个聚合物波导的rgb图像(icg 2855)。垫片可以分别配置在每个聚合物波导2820、2830、2840下。通常，每个垫片被结合到一个波导层，该波导层可用以将每个波导层隔开一定距离，并允许每个层彼此独立旋转，以容纳动态弯曲期间每个波导层中的均匀曲率变形，如上文并且关于图16进一步描述的。将局部平坦icg集成在弯曲目镜堆叠中使得从局部平坦icg到弯曲目镜波导区域的平坦到弯曲转换区域更平滑，从而减少对聚合物波导的损坏，并且提高icg与弯曲目镜波导区域之间的光耦合效率。
243.图28b是示出根据某些实施例的普遍弯曲动态目镜2800中的局部平坦icg的示例的平面图。对于动态弯曲目镜，固定且平坦的icg可用于最小化目镜曲率的动态调制期间的图像游移和失真(例如，聚合物波导2820、2830、2840)。如图28a更好地看到的，对于其他通用球形目镜上的局部平坦icg，icg 2855的位置和平坦性可以经由目镜2800形状中固有的增加弯曲刚度来很好地保持。在一些实施方案中，刚性粘合剂2850可被耦合在icg周围用于将不同层结合在一起和/或结合到框架和投影仪，以进一步最小化icg 2855的运动来创建目镜堆叠2800的固定(非移动)部分2860，如上文关于图27a至图27b进一步描述的。在一些方面中，球形区域(例如，cpe)周围的区域2860(或在一些情况下靠近在icg 2855附近的刚性区域处)可配置有放置在目镜2800的垂直相邻层之间的垫片，以允许每个层独立旋转，用于在动态弯曲期间的每个目镜层中的均匀曲率变形。垫片通常被配置在cpe的区域周围，因
为该区域由于聚合物波导变形等而经历运动，如上文进一步描述的。垫片通常不配置在固定区域(例如icg)中，因为这些区域通常配置为刚性，其中层(聚合物波导)单独或相对于彼此几乎没有运动。环形致动器2870可被耦合到局部球形区域并以任何适合的形状配置，但是通常为圆形或c形，以最小化对传播通过目镜2800的光的任何干扰，如上文进一步描述的。
244.本领域技术人员将理解到，图27a至图27b和图28a至图28b可以酌情与用于动态调整图6a至图16所示的波导层的表面轮廓的系统结合使用。仅举例来说，考虑图6e至图6f，利用预定的弯曲表面轮廓(例如，如图27a和图28a所示的预定曲率半径)制造的波导层可使用图6e和图6f所示的两个环形夹紧机构进行操作，以便向波导层的外缘应用机械力，然后该波导层的外缘将响应于机械力而弯曲，从而导致波导层的曲率半径被修改，例如，修改为平面轮廓或更大的曲率半径。因此，使用本文所描述的制造方法制造的各种设备可以与本文所描述的各种动态调整系统集成。尽管作为示例讨论了图6e至图6f，但是图6a至图16所示的其他系统也可酌情使用。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改、和替代。
245.图29是示出根据某些实施例的用于形成用于在增强现实头戴装置中使用的聚合物波导的方法2900的各方面的简化流程图。在某些实施例中，方法2900的方面可利用浇铸和模制处理及设备来执行。尽管方法2900描述了形成单层高保真聚合物波导的方法，但是应当理解，本文所描述的聚合物波导可以是多层目镜的一部分，并且可以采用多堆叠工艺(例如，以同时创建多个波导的方式堆叠的多个模具)制造多层，如本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解的。
246.在操作2910处，根据某些实施例，方法2900可以浇铸如图26a至图26c所示的聚合物波导2600，该聚合物波导2600被配置为在其中传播光。在一些方面中，聚合物波导是多层(例如，多聚合物波导)目镜的单层。聚合物波导可以具有基本上均匀的拓扑。例如，在浇铸之后，聚合物波导可能部分或普遍平坦或弯曲。聚合物波导2600可包括第一区域处的光输入表面(例如，icg 2650)和第二区域处的光输出表面(例如，cpe 2630)，其中光输入表面和光输出表面以预定距离分离。浇铸可以利用多个模具执行，通常具有夹在其之间的聚合物波导的顶部模具和底部模具，以及上文进一步描述的浇铸温度。本文所描述的浇铸模具不应与上文所描述的退火后模具(也称为模板、自由式表面等)混淆。
247.在操作2920处，方法2900可包括从模具移除聚合物波导，例如如图22所示。移除聚合物波导可包括脱模处理，其中底部模具与聚合物波导分离，继之以将聚合物波导与顶部模具分离的分离处理(例如剥离处理)。可替代地，脱模处理可以从首先移除顶部模具开始，继之移除底部模具。本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解到其许多修改、变化、和替代实施例。
248.在操作2930处，方法2900可包括将浇铸的聚合物波导设置在第一模具(例如，底部模具2610)上，该第一模具可包括具有圆形底座的均匀球形部分2635和平坦部分2640。聚合物波导可以被配置在第一模具上，使得第一区域2660与平坦部分垂直对准，并且第二区域与第一模具的均匀球形部分垂直对准。
249.根据某些实施例，在操作2940处，方法2900可包括在聚合物波导上设置第二模具(顶部模具2620)。第二模具2660可与聚合物波导2600和第一模具2610垂直对准。第二模具2620可包括配置在聚合物波导之上的开口，该开口由开口的第一部分限定，该开口的第一
部分限定光输出表面和第一模具的均匀球形部分的圆形底座的至少一半，以及开口的第二部分，该开口的第二部分限定光输入表面和平坦部分的至少一半。例如，参考图27b，第二模具可以具有泪滴形(或楔形)的开口(也称为“切口区”或“腔”)，其中区2765限定cpe部分的至少一半，区域2760限定icg部分的至少一半，以及区域2785耦合(例如，线性或以任何适合的弯曲拓扑)两个限定区域。第二模具(顶部模具2620)可用以限定期望的转换长度(例如，减少转换长度)而不对敏感光传播区域造成损坏(例如，影响tir或其他光学参数)，允许在后退火/弯曲处理期间的顶部和底部模具对准，并防止有源光栅(例如，icg 2650)在弯曲处理期间损坏，因为顶部模具被配置在icg的外缘周围而不接触icg，但是距弯曲到平坦转换足够近以仍然将转换长度减少到期望的量，如上文在图26a至图26c中的a-a'和b-b'的剖面中进一步描述的。
250.在操作2950中，方法2900还可包括应用热循环处理(后退火处理)以将第一和第二模具加热至阈值温度，该阈值温度使聚合物波导变形为由第一模具和第二模具限定的形状，使得聚合物波导在第一区域处是平坦的，聚合物波导在第二区域处是均匀球形的，并且第一区域与第二区域之间的弯曲到平坦转换短于预定距离，使得使有源光栅不与第二模具接触，产生高保真聚合物波导，如图26c所示。在一些方面中，阈值温度(例如，对于1.72聚合物)可以是120℃，尽管取决于所使用的聚合物的类型，更低或更高的阈值温度是可能的。例如，1.75聚合物可以具有可在从80℃到100℃范围之间的阈值温度。
251.在一些实施例中，方法2900还可包括防止聚合物波导在热循环处理期间粘附的处理。例如，方法2900可包括将防粘化合物的均匀表面涂层应用于聚合物波导后浇铸，该聚合物波导后浇铸用以防止聚合物波导在热循环处理期间粘附到第一模具和第二模具。可替代地或附加地，2900方法可包括将原材料颗粒应用于聚合物波导的表面，并且对聚合物波导进行表面研磨或蚀刻以实现10nm至10μm rms的表面粗糙度，该表面粗糙度用以防止聚合物波导在热循环处理期间粘附到第一模具和第二模具。在一些实施方式中，方法2900可包括在聚合物波导与第一模具和/或第二模具之间插入一种或多种织物，该一种或多种织物被配置为防止聚合物波导在热循环处理期间粘附到第一模具和第二模具。本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解到其许多修改、变化和替代实施例。
252.在一些实施例中，方法2900可包括在第二部分的至少一部分周围应用刚性结合材料并限定光输入表面，根据某些实施例，刚性结合材料将第二部分结合到与聚合物波导相邻的一个或多个结构，包括多层目镜堆叠相邻聚合物波导或投影仪中的一个或多个。在一些方面中，当聚合物波导被动态偏转时，刚性结合材料可防止或减少光输入表面的运动。
253.应当理解，根据某些实施例，图29中所示的特定步骤提供了用于形成用于在增强现实头戴装置中使用的聚合物波导的特定方法。还可以根据可替代实施例执行其他步骤序列。此外，可以取决于特定应用添加或移除附加步骤。例如，方法还可包括垫片、环形致动器或其他元件的制造、安装和/或实施，如上文关于图27a至图28b进一步描述的。可以使用变化的任何组合，并且本领域普通技术人员在受益于本公开的情况下将理解到其许多变化、修改、和替代实施例。
254.还应理解，本文所描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且将向本领域技术人员建议根据其进行的各种修改或改变，并且将包括在本技术的精神和范围内以及权利要求书的范围内。