随着人民生活水平的提高,中国人均汽车保有量也年年攀升,但与此同时汽车交通事故也愈发严重。增强现实抬头显示系统(AR-HUD)在传统抬头显示系统(HUD)上结合了增强现实(AR)技术,可更为直观有效地展示与驾驶有关的车速、导航等信息,保证驾驶员的视线不离开路面,防止产生驾驶视野盲区,从而提升驾驶安全性。本文针对车载抬头显示系统及其与AR技术的结合,主要做了以下三点工作:第一、本文介绍了抬头显示系统的相关理论基础。首先分析了抬头显示系统的几种常见结构及其主流发展趋势,随后重点针对挡风玻璃集成式抬头显示介绍了其系统组成及性能要求:一是分析了抬头显示系统中常见的四种像源及其各自的优缺点;二是给出了简化楔形夹层玻璃消重影时楔角的求解方法、介绍了进行消畸变及像差校正的自由曲面反射镜的相关内容。三是根据实际用户需求,制定了抬头显示系统的性能参数,及其在增强现实应用下的具体要求。第二、本文实现了一种传统抬头显示系统的光学设计。从实际的参数及车型空间要求开始,推算出所需的像源背光指标。随后采用了逆向的设计思想,确定了光学设计所采用的优化参数,确定了横向折叠为空间布局方式,并优化地布置了初始结构。然后给出了光学系统的设计结果,对它从光迹图、点列图、格栅畸变图及调制传递函数四个方面做出了评价。之后通过计算确定最佳楔形角的大小,并讨论了非球面与低阶XY自由曲面设计的效果。最后介绍了传统HUD样机的加工,展示了虚像投影效果。图像显示清晰,畸变较小,验证了设计的合理性。第三、实现了增强现实抬头显示系统的光学设计。设计中心思想是利用双自由曲面的更多优化变量来矫正更严重的像差与畸变。首先确定纵向折叠作为最后的空间布置方式,并优化地布置了空间结构。随后分析了相关的优化策略,然后给出了光学系统的设计结果,对它从光迹图、点列图、格栅畸变图及调制传递函数四个方面做出了评价,同时给出了单个自由曲面系统的优化效果,证明单自由曲面无法保证AR-HUD系统的成像质量。随后讨论了自由曲面主镜的位置偏差对设计结果的影响。之后展示了 AR-HUD样机的实验场地及显示效果,证明本系统满足了增强现实技术的硬件要求。最后分析了反射式抬头显示设计的体积上的局限性。