现代化的头盔显示是一种光、机、电、算多学科融合的技术,在军民两大领域得到了广泛的运用。头盔显示光学系统作为头盔显示设备的核心部分,其光学性能的好坏将直接影响头盔显示设备的显示效果。为了使头显光学系统全彩显示且像质优良、增加人机交互的准确性、提高头显设备的信息获取维度,本文设计了一款以双通道头显光学系统为核心,以视线追踪镜头和场景摄录变焦镜头为辅助的增强型头盔显示光学系统。根据提出的增强型头盔显示光学系统设计方案,在设计之初分析了目视仪器的基本光学参数及其之间的制约关系,从几何像差和离轴矢量像差两个角度探讨了像差特性,介绍了几种常规非球面和自由曲面的表征方法。上述分析为后续光学系统设计提供了理论依据。为了使头显系统全彩显示且像质优良,提出了基于双棱镜结构的双通道头显光学模型。采用自定义约束函数,结合矩形阵列光瞳采用算法,对双通道头显光学系统进行了迭代优化。设计得到出瞳直径为8.5mm、镜目距为21mm、投影通道视场角为45°、透射通道视场角为52.5°的双通道显示光学系统。通过对设计结果进行常规像质评价、眼球动态像质分析和公差分析,结果表明:基于双棱镜结构的双通道光学模型不仅可以实现可见光范围内全彩显示、像质优良,而且结构简单、工艺性好。为了增加人机交互的准确性,分析了视线追踪的原理,根据双通道头显的设计结果,计算了视线追踪镜头的光学设计参数,采用近红外光源辅助照明,针对性的设计了视线追踪镜头。该镜头由4片光学塑料非球面透镜组成,具有F/2.5的光圈,70°的全视场角,光学畸变≤0.6%,工作距离为22.4mm～24.4mm,光学总长为4.85mm,设计结果满足大视场、低畸变、超短工作距、小体积的视线追踪需求。为了提高信息获取维度,分析了人眼的辨识距离,计算得出场景摄录变焦镜头的基本设计参数。利用多种光学软件交替优化,得到了合理的变焦结构,变焦范围14mm～85mm,光圈为F/4.0,最大光学口径为16mm,光学总长为65mm。采用多点拟合的方式绘制了凸轮曲线,最终设计出了像面清晰稳定、变焦范围广、体积小巧的场景摄录变焦镜头。