基于OAS光學軟件的混合現實仿真分析

1.簡介

虛擬現實和增強現實（VR 和 AR）在消費電子行業引起了極大的熱情。包括蘋果三星、索尼和 華為等在內的主要電子公司都將在近年發布虛擬現實產品，標志著 VR 作為主流娛樂技術的一次重大突破。娛樂之外的應用也在涌現。例如，家居裝飾連鎖店勞氏 (Lowes) 正在開發 Holoroom，一個 3D 增強現實房間，允許購物者設計一個生活區域，然后走進該空間的虛擬模型，以更好地感受其外觀。

雖然 VR 和 AR 有過高估預期的歷史——VR 在 1990 年代曾被認為將徹底改變媒體——但超高分辨率顯示器、低成本位置追蹤和高清視頻內容的結合，為融合現實世界與數字信息的“混合現實”技術奠定了堅實的基礎。在2024年，增強現實（AR）和虛擬現實（VR）賽車游戲市場的價值15億美元并有望達到62億美元到2033年，以復合年增長率22.3％在2026年至2033年之間。這項研究提供了細分市場的廣泛細分和對主要市場動態的有見地分析。

在未來 30 年，這些技術應該會變得更加普及。AR 顯示器將提供實時的、情境感知的數據覆蓋，而 VR 將實現融合視覺、聽覺、嗅覺和觸覺的深度沉浸式體驗。對于軍方來說，VR 和 AR 具有從訓練到作戰行動的應用價值。例如，維護人員將能夠通過 AR 覆蓋可視化診斷數據和維修程序，這些信息直接投射到物理設備上。另一方面，設計不會加劇信息過載或危及態勢感知的 VR 和 AR 系統將至關重要。

2.混合現實（Blended Reality）概述及其在光學領域的應用

混合現實（Blended Reality）的定義

混合現實（Blended Reality，簡稱MR），也常被稱為混合現實（Mixed Reality），是虛擬現實（Virtual Reality，VR）和增強現實（Augmented Reality，AR）的融合與發展。

它旨在將真實世界與虛擬世界無縫融合，創造一個用戶可以與物理和數字對象進行實時交互的環境。與VR完全沉浸于虛擬環境不同，MR允許用戶在看到真實世界的同時，疊加虛擬信息，并且這些虛擬信息能夠感知真實世界的環境，并與之進行交互。與AR僅僅將虛擬信息疊加在真實世界上不同，MR更強調虛擬與現實的深度融合和雙向交互。

實現混合現實的關鍵在于能夠精確地感知真實世界的三維信息，并將虛擬內容準確地定位、渲染并融合到真實場景中。這通常涉及到復雜的傳感器技術（如深度傳感器、攝像頭、慣性測量單元IMU）、強大的計算能力和先進的光學顯示技術。

混合現實在光學領域的核心應用

混合現實技術的核心在于其光學顯示系統，它直接決定了用戶體驗的沉浸感、舒適度和視覺質量。因此，光學設計和仿真在MR領域扮演著至關重要的角色。主要應用包括

● 頭戴式顯示器（HMD）的光學系統設計：MR設備通常采用光學透視（Optical See-Through）或視頻透視（Video See-Through）技術。光學透視HMD通過透明光學元件將虛擬圖像直接投射到用戶眼中，同時允許用戶看到真實世界。視頻透視HMD則通過攝像頭捕捉真實世界圖像，再將虛擬圖像疊加后顯示在屏幕上。這兩種技術都對光學系統的設計提出了極高要求，包括：

○ 大視場角（FOV）：為了提供更廣闊的沉浸感，需要設計大視場角的光學系統。

○ 大眼盒（Eyebox）：為了適應不同用戶的瞳距和眼球位置，需要提供足夠大的出瞳范圍。

○ 高分辨率與清晰度：確保虛擬圖像的細節和文字清晰可見。

○ 低畸變與色差：減少光學系統帶來的圖像失真和色彩分離，提升視覺質量。

○ 緊湊輕量化：為了長時間佩戴的舒適性，光學系統需要盡量小型化和輕量化。

○ 高透光率與均勻性：對于光學透視HMD，需要保證真實世界的透光率和虛擬圖像的亮度均勻性。

● 光波導技術：光波導是實現輕薄化AR/MR眼鏡的關鍵技術之一。它通過全內反射原理將顯示器發出的圖像光線傳輸到用戶眼中。光波導的設計涉及到微納結構（如光柵、衍射光學元件DOE）的精確控制，以實現光的耦入、擴展和耦出。仿真在光波導設計中用于預測光線傳輸效率、圖像質量、雜散光等。

● Pancake光學設計：Pancake光學是一種利用偏振反射原理實現光路折疊的技術，可以大幅縮短光學模組的厚度，從而實現更輕薄的VR/MR頭顯。其設計涉及到偏振膜、反射鏡和透鏡的復雜組合，仿真對于優化光路、控制鬼影和提升圖像質量至關重要。

● 雜散光分析：在MR設備中，環境光、顯示器內部反射等都可能產生雜散光，嚴重影響圖像對比度和清晰度。光學仿真軟件能夠精確模擬雜散光路徑，幫助設計師識別并消除雜散光源。

● 人眼模型與視覺感知仿真：為了更好地模擬用戶在MR環境中的視覺體驗，光學仿真需要結合人眼模型，考慮人眼的生理特性（如瞳孔大小、視網膜特性）和視覺感知規律，從而更準確地評估光學系統的性能。

● 與真實環境的融合仿真：MR的特點在于虛擬與現實的交互。光學仿真不僅要考慮虛擬圖像的生成，還要考慮其在真實環境中如何被感知，例如虛擬物體在真實物體上的遮擋、陰影、反射等效果，這需要將光學仿真與三維場景渲染技術相結合。

綜上所述，混合現實技術的發展對光學設計和仿真提出了前所未有的挑戰和機遇。精確、高效的光學仿真工具是推動MR設備性能提升和普及的關鍵。

3.OAS光學軟件在混合現實仿真方面的能力分析

武漢二元科技有限公司的OAS（Optical Advanced Software）是一款專業的非序列光學分析軟件，其功能特點與混合現實（Blended Reality）光學系統的仿真需求高度契合。以下將詳細分析OAS在MR仿真方面的能力：

強大的序列與非序列光線追跡融合能力

混合現實光學系統往往包含復雜的結構，如自由曲面、衍射光學元件（DOE）、光波導等，并且需要精確模擬光線在這些復雜結構中的傳播，以及雜散光對成像質量的影響。OAS的核心優勢在于其實現了序列與非序列光線追跡的融合，這對于MR光學仿真至關重要：

● 序列光線追跡：適用于傳統成像光學系統的設計和優化，如透鏡組、目鏡等。ROD作為二元科技的序列光學設計軟件，其功能可以與OAS形成互補，共同支持MR系統中的成像部分設計。

● 非序列光線追跡：對于MR系統中的照明、雜散光分析、光波導、Pancake光學等非成像或復雜光路部分至關重要。OAS能夠精確模擬光線在3D空間中的任意傳播路徑，包括反射、折射、散射、吸收等，這使得它能夠處理MR設備中復雜的內部反射、環境光干擾等問題，從而準確評估系統性能。

● 融合優勢：MR設備中往往同時存在成像和非成像光學元件，例如顯示面板的光線傳播屬于非序列，而人眼觀察的透鏡組則屬于序列。OAS的融合能力使得設計師可以在一個統一的平臺下，對整個MR光學系統進行端到端的仿真，無需在不同軟件之間切換，大大提高了設計效率和仿真精度。

對復雜光學元件的支持

MR光學系統大量采用微納光學、自由曲面和超表面等新型光學元件，以實現輕薄化、大視場和高性能。OAS在這些方面具有顯著優勢：

● 微納光學與衍射光學元件（DOE）：OAS擴展了對光柵和衍射光學元件的計算工具支持。這對于光波導設計至關重要，因為光波導通常利用微納結構（如光柵）實現光的耦入和耦出。OAS能夠精確模擬光線在這些微納結構中的衍射行為，從而優化光波導的效率和圖像質量。

● 自由曲面和超表面設計：OAS近年來專注于微納光學、自由曲面和超表面設計。自由曲面在MR光學中用于實現更緊湊的光路和更優異的像差校正，而超表面則可能帶來超薄、多功能的光學元件。OAS對這些復雜面型的支持，使得設計師能夠充分利用這些前沿技術來突破傳統光學設計的限制，實現MR設備的小型化和高性能化。

高性能的仿真與分析能力

OAS提供了真實的設計功能、精確的分析功能和高性能的產品可視化能力，這些對于MR光學仿真至關重要：

● 精確模擬：OAS能夠精確模擬光學系統的性能表現，包括光線追跡的精度、能量分布、像差分析、MTF（調制傳遞函數）等，這些都是評估MR設備顯示質量的關鍵指標。

● 產品可視化：高性能的可視化能力使得設計師能夠直觀地觀察光線路徑、能量分布和虛擬圖像在真實環境中的疊加效果，從而快速識別設計問題并進行迭代優化。

● 公差分析：雖然OAS的描述中未直接提及公差分析，但作為一款專業的分析軟件，其應具備或可擴展公差分析能力，以評估制造和裝配誤差對MR光學系統性能的影響，確保產品可制造性。

光學元件數據庫的適配

OAS能夠自動適配主流供應商的光學元件數據庫，這對于MR光學設計非常實用。設計師可以方便地調用現有的光學元件模型，加速設計過程，并確保仿真結果與實際元件的性能相符。這對于快速迭代和原型驗證至關重要。

挑戰與機遇

盡管OAS在MR仿真方面具備諸多優勢，但仍面臨挑戰：

● 人眼模型與視覺感知：更深入地集成人眼模型和視覺感知理論，以更準確地模擬用戶在MR環境中的主觀視覺體驗，是未來OAS需要加強的方向。

● 與真實環境的交互仿真：MR強調虛擬與現實的交互，OAS需要進一步加強與三維場景渲染、物理引擎的結合，以模擬虛擬物體在真實環境中的遮擋、陰影、反射等復雜效果。

● 計算效率：MR光學系統日益復雜，對仿真計算效率提出了更高要求，OAS需要持續優化算法和利用并行計算等技術來提升性能。

總體而言，OAS憑借其強大的非序列光線追跡能力、對復雜光學元件的支持、AI融合潛力以及與OTS的協同作用，在混合現實光學仿真領域具有顯著的競爭優勢和廣闊的應用前景。通過持續的技術投入和功能拓展，OAS有望成為MR設備研發中不可或缺的關鍵工具。

結論與展望

混合現實（Blended Reality）技術作為下一代計算平臺，正以前所未有的速度發展，其核心驅動力之一在于光學顯示技術的不斷突破。武漢二元科技有限公司的OAS光學分析軟件，憑借其在非序列光線追跡、復雜光學元件支持、高性能仿真以及AI技術融合方面的獨特優勢，在MR光學仿真領域展現出巨大的潛力和價值。

OAS能夠有效地模擬MR設備中復雜的光線傳播路徑，處理雜散光問題，并支持微納光學、自由曲面和超表面等前沿光學元件的設計與優化。特別是其序列與非序列光線追跡的融合能力，使得設計師能夠在統一的平臺下對整個MR光學系統進行端到端的高精度仿真，這對于加速MR產品的研發周期、提升產品性能至關重要。

展望未來，隨著MR技術的進一步成熟和普及，對光學仿真軟件的需求將更加迫切和多樣化。OAS應繼續深耕以下幾個方面，以鞏固其在MR仿真領域的領先地位：

1) 深化AI融合：進一步探索AI在光學設計中的應用，例如利用深度學習進行逆向設計、自動優化復雜光學系統、預測制造公差對性能的影響等，從而實現更智能、更高效的設計流程。

2) 加強人眼模型與視覺感知仿真：集成更先進的人眼模型和視覺感知理論，以更準確地預測用戶在MR環境中的主觀視覺體驗，包括舒適度、沉浸感和圖像質量等，從而指導光學系統設計。

3) 拓展與物理引擎和三維渲染的集成：為了更好地模擬虛擬內容與真實環境的交互，OAS可以加強與主流物理引擎和三維渲染軟件的集成，實現虛擬物體在真實場景中的精確遮擋、陰影、反射等效果，提供更真實的MR仿真體驗。

4) 提升計算效率與并行化能力：隨著MR光學系統復雜度的增加，對仿真計算效率的要求也越來越高。OAS需要持續優化算法，并充分利用GPU并行計算、云計算等技術，以縮短仿真時間，支持大規模、高精度的仿真任務。

5) 構建開放的生態系統：積極與MR硬件制造商、內容開發者、學術機構等合作，共同構建開放的生態系統，提供豐富的API接口和開發工具，方便第三方集成和定制開發，從而擴大OAS在MR領域的影響力。

通過持續的技術創新和生態建設，OAS光學軟件有望成為推動混合現實技術發展的重要力量，助力光學工程師和研究人員設計出更具沉浸感、更舒適、性能更卓越的下一代MR設備，共同開啟智能光學的新篇章。