1.引言

        虚拟现实和增强现实（VR 和 AR）在消费电子行业引起了极大的热情。包括苹果三星、索尼和 华为等在内的主要电子公司都将在近年发布虚拟现实产品，标志着 VR 作为主流娱乐技术的一次重大突破。娱乐之外的应用也在涌现。例如，家居装饰连锁店劳氏 (Lowes) 正在开发 Holoroom，一个 3D 增强现实房间，允许购物者设计一个生活区域，然后走进该空间的虚拟模型，以更好地感受其外观。虽然 VR 和 AR 有过高估预期的历史——VR 在 1990 年代曾被认为将彻底改变媒体——但超高分辨率显示器、低成本位置追踪和高清视频内容的结合，为融合现实世界与数字信息的“混合现实”技术奠定了坚实的基础。在2024年，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）赛车游戏市场的价值15亿美元并有望达到62亿美元到2033年，以复合年增长率22.3％在2026年至2033年之间。这项研究提供了细分市场的广泛细分和对主要市场动态的有见地分析。

       在未来 30 年，这些技术应该会变得更加普及。AR 显示器将提供实时的、情境感知的数据覆盖，而 VR 将实现融合视觉、听觉、嗅觉和触觉的深度沉浸式体验。对于军方来说，VR 和 AR 具有从训练到作战行动的应用价值。例如，维护人员将能够通过 AR 覆盖可视化诊断数据和维修程序，这些信息直接投射到物理设备上。另一方面，设计不会加剧信息过载或危及态势感知的 VR 和 AR 系统将至关重要。                                                                                                                                                               

2. 混合现实（Blended Reality）概述及其在光学领域的应用

2.1 混合现实（Blended Reality）的定义

       混合现实（Blended Reality，简称MR），也常被称为混合现实（Mixed Reality），是虚拟现实（Virtual Reality，VR）和增强现实（Augmented Reality，AR）的融合与发展。

       它旨在将真实世界与虚拟世界无缝融合，创造一个用户可以与物理和数字对象进行实时交互的环境。与VR完全沉浸于虚拟环境不同，MR允许用户在看到真实世界的同时，叠加虚拟信息，并且这些虚拟信息能够感知真实世界的环境，并与之进行交互。与AR仅仅将虚拟信息叠加在真实世界上不同，MR更强调虚拟与现实的深度融合和双向交互。

      实现混合现实的关键在于能够精确地感知真实世界的三维信息，并将虚拟内容准确地定位、渲染并融合到真实场景中。这通常涉及到复杂的传感器技术（如深度传感器、摄像头、惯性测量单元IMU）、强大的计算能力和先进的光学显示技术。                                                                                                                                                                                                                                                                                           

2.2 混合现实在光学领域的核心应用

       混合现实技术的核心在于其光学显示系统，它直接决定了用户体验的沉浸感、舒适度和视觉质量。因此，光学设计和仿真在MR领域扮演着至关重要的角色。主要应用包括：

• 头戴式显示器（HMD）的光学系统设计：MR设备通常采用光学透视（Optical See-Through）或视频透视（Video See-Through）技术。光学透视HMD通过透明光学元件将虚拟图像直接投射到用户眼中，同时允许用户看到真实世界。视频透视HMD则通过摄像头捕捉真实世界图像，再将虚拟图像叠加后显示在屏幕上。这两种技术都对光学系统的设计提出了极高要求，包括：
  • 大视场角（FOV）：为了提供更广阔的沉浸感，需要设计大视场角的光学系统。
  • 大眼盒（Eyebox）：为了适应不同用户的瞳距和眼球位置，需要提供足够大的出瞳范围。
  • 高分辨率与清晰度：确保虚拟图像的细节和文字清晰可见。
  • 低畸变与色差：减少光学系统带来的图像失真和色彩分离，提升视觉质量。
  • 紧凑轻量化：为了长时间佩戴的舒适性，光学系统需要尽量小型化和轻量化。
  • 高透光率与均匀性：对于光学透视HMD，需要保证真实世界的透光率和虚拟图像的亮度均匀性。

• 光波导技术：光波导是实现轻薄化AR/MR眼镜的关键技术之一。它通过全内反射原理将显示器发出的图像光线传输到用户眼中。光波导的设计涉及到微纳结构（如光栅、衍射光学元件DOE）的精确控制，以实现光的耦入、扩展和耦出。仿真在光波导设计中用于预测光线传输效率、图像质量、杂散光等。
• 
  Pancake光学设计：Pancake光学是一种利用偏振反射原理实现光路折叠的技术，可以大幅缩短光学模组的厚度，从而实现更轻薄的VR/MR头显。其设计涉及到偏振膜、反射镜和透镜的复杂组合，仿真对于优化光路、控制鬼影和提升图像质量至关重要。
• 杂散光分析：在MR设备中，环境光、显示器内部反射等都可能产生杂散光，严重影响图像对比度和清晰度。光学仿真软件能够精确模拟杂散光路径，帮助设计师识别并消除杂散光源。
• 人眼模型与视觉感知仿真：为了更好地模拟用户在MR环境中的视觉体验，光学仿真需要结合人眼模型，考虑人眼的生理特性（如瞳孔大小、视网膜特性）和视觉感知规律，从而更准确地评估光学系统的性能。
• 与真实环境的融合仿真：MR的特点在于虚拟与现实的交互。光学仿真不仅要考虑虚拟图像的生成，还要考虑其在真实环境中如何被感知，例如虚拟物体在真实物体上的遮挡、阴影、反射等效果，这需要将光学仿真与三维场景渲染技术相结合。

综上所述，混合现实技术的发展对光学设计和仿真提出了前所未有的挑战和机遇。精确、高效的光学仿真工具是推动MR设备性能提升和普及的关键。

3. OAS光学软件在混合现实仿真方面的能力分析

        OAS（Optical Analysis Software）是一款专业的非序列光学分析软件，其功能特点与混合现实（Blended Reality）光学系统的仿真需求高度契合。以下将详细分析OAS在MR仿真方面的能力：

3.1 强大的序列与非序列光线追迹融合能力

        混合现实光学系统往往包含复杂的结构，如自由曲面、衍射光学元件（DOE）、光波导等，并且需要精确模拟光线在这些复杂结构中的传播，以及杂散光对成像质量的影响。OAS的核心优势在于其实现了序列与非序列光线追迹的融合，这对于MR光学仿真至关重要：

• 序列光线追迹：适用于传统成像光学系统的设计和优化，如透镜组、目镜等。ROD作为二元科技的序列光学设计软件，其功能可以与OAS形成互补，共同支持MR系统中的成像部分设计。
• 非序列光线追迹：对于MR系统中的照明、杂散光分析、光波导、Pancake光学等非成像或复杂光路部分至关重要。OAS能够精确模拟光线在3D空间中的任意传播路径，包括反射、折射、散射、吸收等，这使得它能够处理MR设备中复杂的内部反射、环境光干扰等问题，从而准确评估系统性能。

• 融合优势：MR设备中往往同时存在成像和非成像光学元件，例如显示面板的光线传播属于非序列，而人眼观察的透镜组则属于序列。OAS的融合能力使得设计师可以在一个统一的平台下，对整个MR光学系统进行端到端的仿真，无需在不同软件之间切换，大大提高了设计效率和仿真精度。

3.2 对复杂光学元件的支持

        MR光学系统大量采用微纳光学、自由曲面和超表面等新型光学元件，以实现轻薄化、大视场和高性能。OAS在这些方面具有显著优势：

• 微纳光学与衍射光学元件（DOE）：OAS扩展了对光栅和衍射光学元件的计算工具支持。这对于光波导设计至关重要，因为光波导通常利用微纳结构（如光栅）实现光的耦入和耦出。OAS能够精确模拟光线在这些微纳结构中的衍射行为，从而优化光波导的效率和图像质量。

• 
  自由曲面和超表面设计：OAS近年来专注于微纳光学、自由曲面和超表面设计。自由曲面在MR光学中用于实现更紧凑的光路和更优异的像差校正，而超表面则可能带来超薄、多功能的光学元件。OAS对这些复杂面型的支持，使得设计师能够充分利用这些前沿技术来突破传统光学设计的限制，实现MR设备的小型化和高性能化。

3.3 高性能的仿真与分析能力

        OAS提供了真实的设计功能、精确的分析功能和高性能的产品可视化能力，这些对于MR光学仿真至关重要：

• 精确模拟：OAS能够精确模拟光学系统的性能表现，包括光线追迹的精度、能量分布、像差分析、MTF（调制传递函数）等，这些都是评估MR设备显示质量的关键指标。
• 产品可视化：高性能的可视化能力使得设计师能够直观地观察光线路径、能量分布和虚拟图像在真实环境中的叠加效果，从而快速识别设计问题并进行迭代优化。
• 公差分析：虽然OAS的描述中未直接提及公差分析，但作为一款专业的分析软件，其应具备或可扩展公差分析能力，以评估制造和装配误差对MR光学系统性能的影响，确保产品可制造性。

3.4 光学元件数据库的适配

        OAS能够自动适配主流供应商的光学元件数据库，这对于MR光学设计非常实用。设计师可以方便地调用现有的光学元件模型，加速设计过程，并确保仿真结果与实际元件的性能相符。这对于快速迭代和原型验证至关重要。

3.5 挑战与机遇

尽管OAS在MR仿真方面具备诸多优势，但仍面临挑战：

• 人眼模型与视觉感知：更深入地集成人眼模型和视觉感知理论，以更准确地模拟用户在MR环境中的主观视觉体验，是未来OAS需要加强的方向。
• 与真实环境的交互仿真：MR强调虚拟与现实的交互，OAS需要进一步加强与三维场景渲染、物理引擎的结合，以模拟虚拟物体在真实环境中的遮挡、阴影、反射等复杂效果。
• 计算效率：MR光学系统日益复杂，对仿真计算效率提出了更高要求，OAS需要持续优化算法和利用并行计算等技术来提升性能。

        总体而言，OAS凭借其强大的非序列光线追迹能力、对复杂光学元件的支持、AI融合潜力以及与OTS的协同作用，在混合现实光学仿真领域具有显著的竞争优势和广阔的应用前景。通过持续的技术投入和功能拓展，OAS有望成为MR设备研发中不可或缺的关键工具。

4. 结论与展望

混合现实（Blended Reality）技术作为下一代计算平台，正以前所未有的速度发展，其核心驱动力之一在于光学显示技术的不断突破。OAS光学分析软件，凭借其在非序列光线追迹、复杂光学元件支持、高性能仿真以及AI技术融合方面的独特优势，在MR光学仿真领域展现出巨大的潜力和价值。

        OAS能够有效地模拟MR设备中复杂的光线传播路径，处理杂散光问题，并支持微纳光学、自由曲面和超表面等前沿光学元件的设计与优化。特别是其序列与非序列光线追迹的融合能力，使得设计师能够在统一的平台下对整个MR光学系统进行端到端的高精度仿真，这对于加速MR产品的研发周期、提升产品性能至关重要。

        展望未来，随着MR技术的进一步成熟和普及，对光学仿真软件的需求将更加迫切和多样化。OAS应继续深耕以下几个方面，以巩固其在MR仿真领域的领先地位：

1. 深化AI融合：进一步探索AI在光学设计中的应用，例如利用深度学习进行逆向设计、自动优化复杂光学系统、预测制造公差对性能的影响等，从而实现更智能、更高效的设计流程。
2. 加强人眼模型与视觉感知仿真：集成更先进的人眼模型和视觉感知理论，以更准确地预测用户在MR环境中的主观视觉体验，包括舒适度、沉浸感和图像质量等，从而指导光学系统设计。
3. 拓展与物理引擎和三维渲染的集成：为了更好地模拟虚拟内容与真实环境的交互，OAS可以加强与主流物理引擎和三维渲染软件的集成，实现虚拟物体在真实场景中的精确遮挡、阴影、反射等效果，提供更真实的MR仿真体验。
4. 提升计算效率与并行化能力：随着MR光学系统复杂度的增加，对仿真计算效率的要求也越来越高。OAS需要持续优化算法，并充分利用GPU并行计算、云计算等技术，以缩短仿真时间，支持大规模、高精度的仿真任务。
5. 构建开放的生态系统：积极与MR硬件制造商、内容开发者、学术机构等合作，共同构建开放的生态系统，提供丰富的API接口和开发工具，方便第三方集成和定制开发，从而扩大OAS在MR领域的影响力。

        通过持续的技术创新和生态建设，OAS光学软件有望成为推动混合现实技术发展的重要力量，助力光学工程师和研究人员设计出更具沉浸感、更舒适、性能更卓越的下一代MR设备，共同开启智能光学的新篇章。