头盔显示器经过四十多年的发展，已经取得了巨大的进步，而且随着高分辨率微显示技术的不断发展，以及虚拟现实技术的日趋成熟，头盔显示器已经从原来的军用领域逐渐向工业、医疗、教育等民用领域发展，具有广泛的应用前景。头盔显示器系统主要包含像源、光学系统和支撑系统，其中光学系统是头盔显示器中最重要的部分，但是传统的光学子系统无法同时做到重量轻、体积小、视场角大等理想光学系统所应该具有的功能。最近十几年，随着光学设计理念及超精密加工技术的不断发展，自由曲面棱镜被逐渐应用到头盔显示器的光学系统中，并且达到了理想光学系统要求的重量轻，体积小，视场角大的功能。但是由于自由曲面棱镜对结构公差以及面形公差有严格的要求，致使其加工难度相当大，也导致了自由曲面棱镜一直未被广泛应用的现状。针对这一现状，以及自由曲面棱镜本身的特性，文中从实际加工角度出发，研究了基于小角度自由曲面棱镜的设计、加工以及公差优化分析方法，具体研究工作如下：1、详细阐述了头盔显示器中自由曲面棱镜的设计思路及设计方法，通过建立恰当的初始模型，确定合适的优化控制条件及面型升级策略，得到了性能良好的自由曲面棱镜设计方案；2、针对金刚石车削加工过程中可能造成的加工误差，就面形误差对棱镜系统的成像影响进行了详细分析，提出了自由曲面棱镜对面形精度的公差要求，对实际加工过程起到了一定的指导作用，也为分析棱镜成像提供了有力的依据；3、针对棱镜对公差要求严格，加工难度大的特点，提出了棱镜结构公差约束的优化方法，极大地提高了自由曲面棱镜的结构公差，减小了加工难度，从一定程度上确保了加工后棱镜的成像质量。最后，通过实验进一步验证了自由曲面棱镜的高质量成像性能和公差优化设计对棱镜在实际应用中的作用。另外，通过对加工后自由曲面棱镜的一系列性能分析，验证了设计方法的合理性也确定了进一步优化设计的方向。