头盔显示器技术源于20世纪初的军事需求,随着科学技术的不断发展逐渐演变为是一种集成光学、信号处理、计算机科学及精密机械等现代科学的全新显示技术,作为生活和工作的一种补充已经在教育培训、医疗保健和休闲娱乐等领域得到广泛应用,并且在其余领域的需求仍在日益增加。本文在此背景下开展研究工作,完成了多款头盔显示器光学系统设计,并提出一种基于自由曲面的新结构形式的双焦面头盔显示器光学系统设计方案。文章首先在大量文献调研基础上,研究了国内外头盔显示器在军、民两领域和自由曲面发展应用的情况,展望了发展趋势并表述了课题的背景与意义。随后分析了离轴光学系统中的矢量像差与其分布特性并结合人眼特性与不同应用需求,对头盔显示器光学系统视场、出瞳和畸变等性能参数进行了分析。随后结合参数分析与应用需求进行了以下头盔显示器光学系统的设计工作:(1)分别设计了自由曲面棱镜结构和离轴合成器结构两种不同结构形式的头盔显示器光学系统。对XY多项式和Zernike多项式进行了详细研究,并在进行离轴合成器结构系统设计时,分别使用非球面和自由曲面表征的结合器面型设计了两个光学系统进行对比。其中以自由曲面为表征光学面的系统MTF得到了较大提升,且畸变和RMS光斑半径也均得到有效控制。(2)提出并设计出一种基于自由曲面的可以实现头盔显示器双焦面显示的结构。设计采用棱镜为主体,采用一个非球面和两个自由曲面的设计结构,其中又有一个自由曲面采用两个不同表征函数共同组成的多面共体结构,极大的增加了设计的自由度。设计实例显示,这款双焦面头盔显示器光学系统拥有17°×16°的视场角,出瞳直径8mm,出瞳距18.25mm,使用波段486～656nm,焦距分别为95.2mm和35.2mm。这种结构采用单个图像生成单元、单个棱镜和两片反射镜,解决了传统方式上多焦面头盔显示器设计结构复杂,体积庞大的问题。(3)文章最后对三种结构设计方案进行了综合性能比较,总结了每种结构的优缺点,并对双焦面头盔显示器光学系统进行了加工和装配的公差分析,结果证明了该设计方案的可行性与正确性。