（映维网Nweon 2025年05月26日）对于MR头显，用于虚拟图像的光可能会泄漏，并造成浪费。另外，从波导组合器中泄漏的光向设备现实世界一侧向前传播通常表现为“眼睛发光”，而这会引起安全和社交方面的问题。

为了帮助减少前向传播的虚拟图像光，微软在一份专利申请中介绍了一种具有梯度折射率光栅的波导组合器。

图3示出由用户315佩戴的混合现实头显设备100，其中显示系统105实现为具有透明波导组合器的近眼显示系统。

在示例中，用户315实际行走在现实世界的城市区域中，包括具有各种建筑物、商店等的城市街道，远方则是乡村。设备可以在现实世界视图呈现静态和/或动态虚拟图像。

图4显示出系统105的组件。显示系统包括显示引擎125和光学系统410，并用于通过光路412向用户315提供虚拟对象和真实世界的视图。光学系统包括成像光学器件415，以支持光引擎和波导组合器420之间的光学接口。

在本例中，组合器包括出瞳扩展器EPE功能，而波导组合器420通常并入头显器件的透镜102中。成像光学器件通常包括诸如透镜、反射镜、滤波器、光栅等光学元件，并且可以进一步包括诸如扫描型显示引擎实现中的MEMS器件的机电元件。

波导425通过光路412促进在显示引擎125和用户眼睛315之间的光传输。可以在显示系统105中使用一个或多个波导。

在一个实施例中，波导425使用全内反射TIR原理，如图5所示。

图6示出了为用户315生成虚拟图像的说明性波导组合器420、显示引擎125和成像光学元件415。波导组合器包括EPE功能，并从各自的显示引擎接收一个或多个输入光束作为虚拟图像光的入瞳605，以相对于输入在一个或两个方向产生一个或多个具有扩展出口瞳的输出光束。

具有梯度折射率光栅的波导组合器可配置为支持头显设备。对于单色应用，单层波导组合器通常用于在真实世界的视图渲染单色虚拟图像。对于多色应用，波导组合器通常使用多个波导板和相关的DOE堆叠排列来实现。

图12A显示了三个波导板的堆叠，其中每个板处理RGB（红、绿、蓝）色彩空间的单独颜色。

在一个实施例中，两个波导板可用于支持RGB色彩空间。如图12B所示，板1220支持红色分量，而堆栈中的第二板1225同时支持RGB色彩空间的绿色和蓝色分量。

如图12C所示，板1230在显示器的整个视场中支持RGB色彩空间的红色分量，同时支持绿色分量的视场的选定部分。板1235支持整个视场的蓝色分量和RGB色彩空间的绿色分量的剩余视场。

目前SRG的设计主要是通过在纳米尺度配置光栅结构来控制光的衍射和传播。光栅周期、方向、倾斜角度和光栅深度是选择和平衡的示例性参数，以实现满足设计要求的DOE性能。

例如，在当前的SRG设计中，最接近DOE光输入的光栅深度通常较浅，以使合适的光通过DOE传播，从而令人满意的色彩平衡填充视场的所有角度，并以最少的伪影显示均匀性和亮度。但当光栅具有浅设计时，在制造过程中由于尺寸自由度普遍不足，无法实现有效的倾斜光栅，所以在实际操作中，结构实现为二元光栅。

图13示出具有直（即非倾斜）光栅特征的二元SRG 1300。光栅周期用d表示，光栅高度用h表示，条宽用c表示，填充系数用f表示，其中f=c/d。

通过与图13中SRG 1300的二元光栅特征进行比较，图14显示了SRG 1400的一部分具有可用于外耦合DOE的倾斜光栅特征的轮廓。如图所示，光栅特征以预定的角度1倾斜，槽周期为a。倾斜光栅可以是非常通用的元件，以提供SRG设计的灵活性，因为它们的光谱和角带宽可以通过倾斜角度进行调整。前后斜角在同一周期（或从一个周期到另一个周期）可以仔细调整，以实现所需的角度和光谱操作。光栅宽度为w，光栅1405的高度为h。

SRG 1400包括一个高度为b的偏压层1410，这是由于在制造过程中从光栅特征之间的沟槽1415中不完全排出树脂造成。偏压层作为一个平面界面可作为菲涅耳反射面，以限制从波导基片传播到光栅的场的视场。不需要的菲涅耳反射通常随着树脂1440和波导1445的光学衬底的折射率差的增加而增加。

上述关于由浅光栅引起的限制可通过具有实现梯度折射率的深度调制光栅的耦出DOE来解决。

在图15所示的说明性示例中，显示系统105中的每一个耦入、中间和耦出DOE 1110、1115和1120都具有深度调制光栅，其沿箭头所示的方向变化并由阴影表示。例如，光栅深度从大约100 nm到250 nm变化。

显示系统105中的DOE使用具有两种不同折射率的光学材料制造。在本例中，用高折射率材料制备耦入DOE 1110和中间DOE 1115中的SRG。耦出DOE 1120中的SRG由低折射率材料和高折射率材料组合而成。低折射率材料1505用于较浅光栅，高折射率材料1510用于较深光栅。在耦出DOE中，SRG中使用的低折射率和高折射率材料之间的过渡边界位于大约150 nm的光栅深度，如虚线1515所示。

在DOE 1120中，较浅的光栅采用了低折射率材料，以故意降低SRG在眼睛侧和现实侧方向衍射光的效率，这有利于减少眼睛发光。

图16示出DOE 1120中SRG的另一个说明性实施例，并定义低折射率1605和高折射率1610区域之间的过渡区域1615。

图16B显示了具有深度调制光栅的DOE 1120的边缘视图。如图所示，虚像光1625从左侧进入，并在波导1630中向右侧传播。当虚拟像光沿着传播方向在TIR中传播时，它作为光束1635向DOE的眼侧1640耦出。

如图17中的图1700所示，过渡区提供了一个渐变调制折射率在1.65和1.8之间的过渡窗口，它以大约150 nm到180 nm的光栅深度为界。

可以采用数种不同的工艺制备具有梯度折射率光栅的SRG。一种制造方法是利用灰度喷墨打印技术。除了具有不同折射率的树脂外，灰度喷墨应用过程可以令薄膜中的树脂液滴具有不同的尺寸，并在二维空间中形成空间图案。这种空间变化使得在定义折射率梯度时具有更多的设计自由度。

图18显示了喷墨打印头的说明性阵列1805，每个喷墨打印头应用不同的树脂，具有来自树脂储层的唯一折射率。

如图19所示，灰度喷墨打印进一步适应于同时或连续使用多个喷墨打印头，以使具有相同或不同折射率的树脂在薄膜层1905中以第三维度堆叠。

使用目前的技术，具有不同折射率和液滴尺寸/体积的树脂可以在湿混合过程中在三维空间中定义阵列，然后在随后的光栅压印或复制过程中固化，例如喷射和闪光压印光刻（J-FIL）。

在一个实施例中，如图20所示，通过打印头阵列1805和基板之间沿多个轴的相对运动来辅助树脂图案化。

图21示出当前灰度喷墨印刷所提供的大范围设计自由，喷墨印刷适于在湿混合工艺中对不同的喷墨光固化树脂使用可变折射率。不同的树脂可以在三维空间中应用于空间模式，包括沿基材平面的变化和通过堆叠薄膜层与基材垂直的变化。可以看出，在灰度化过程中增加不同树脂的数量和改变树脂滴的尺寸可以进一步增加SRG空间梯度折射率光栅的设计自由度。

图22A， 22B和22C显示了使用诸如J-FIL制造具有深度调制光栅的SRG的说明性过程。在图22A中，软冲压件2205由硬母材产生，并使用上述喷墨打印工艺分配可变形粘性光固化树脂层2215。

在图22B中，使用机械力将2205压在树脂层2215，以压印树脂中的微/纳米结构，然后使用来自一个或多个UV光源2225的光固化，并通过树脂中的交联。

在图22C中，2205从固化树脂中释放出来。分离后，负极图案压印在固化树脂层，以产生压印SRG 2240。

随后的树脂开发或加工可以用来从光栅沟槽中疏散树脂，以减少菲涅耳反射，并降低不必要的前向传播。

具有梯度折射率光栅的SRG的另一种制造方法是利用PVD工艺。图23示出了具有恒定深度光栅结构2305的耦出DOE中的SRG2300。

例如，在所述DOE使用热蒸发或溅射沉积了一层低折射率树脂2310的深度调制层。使用PVD可以精确控制树脂层的调制厚度，以实现满足所需设计标准的SRG光栅的梯度折射率。另外，PVD使偏压层2315最小化，以减少光栅沟槽中不必要的菲涅耳反射。

图24示出制造具有梯度折射率光栅的混合现实波导组合器。

2405提供具有折射率的透明光学基板。

2410配置用于在光学基材上形成灰度树脂薄膜的喷墨系统，所述喷墨系统使用两种或更多种不同的喷墨可打印树脂，每种树脂具有相对于光学基材的折射率较低的不同折射率。

2415包括操作喷墨系统，以在具有折射率梯度的灰度树脂薄膜中的光学基板以图案化阵列分配不同的喷墨可打印树脂，其中灰度树脂薄膜中任何给定点的折射率由不同树脂的图案决定。

2420包括压印所述灰度树脂薄膜以在所述光学基板产生衍射光栅结构。

图25的2505包括生产具有恒定深度光栅特征的SRG。

2510包括将树脂层应用于SRG中的光栅特征，树脂层具有相对于第一折射率较低的第二折射率，树脂层具有沿SRG沿传播方向增加的非均匀厚度，其中非均匀树脂层为SRG沿传播方向提供增加的光栅深度和可变梯度折射率。

相关专利：Microsoft Patent | Mixed-reality waveguide combiner with gradient refractive index gratings

名为“Mixed-reality waveguide combiner with gradient refractive index gratings”的微软专利申请最初在2023年10月提交，并在日前由美国专利商标局公布。