头戴显示器经过四十多年的发展,取得了巨大的进步。近年来高分辨率微显示器件制造工艺和虚拟现实技术的成熟使其应用更加广泛。民用领域和现代数字化部队的需求,使头戴显示器成为很有前景的微显示设备。头戴显示器包含像源、光学和支撑三个子系统,其中光学子系统是头戴显示器中最重要的,已经由早期的共轴球面演进为多种光学形态。理想的头戴显示器光学系统应该在保证像质的同时尽量做到重量轻、体积小,传统的光学系统很难兼顾。最近十几年发展起来的自由曲面光学元件,以其特殊的光学特性在照明和成像系统中得到越来越多的应用。本文基于自由曲面棱镜,设计了一个适用于轻型大视场视透式头戴显示器的光学系统。主要工作内容和创新点如下:1)对已有的头戴显示器的光学系统进行剖析,同时针对人眼的生理结构特点,分析了光学系统的视场角、出瞳直径、出瞳距离等因素对成像质量的影响,并得到相应的约束集合,提出了50度以上大视场的目标。2)参照光学设计的基本方法,结合离轴光学系统理论,根据性能指标进行初始结构的设计。3)将系统的初始结构在Zemax软件中进行优化设计,并按本系统的特点使用多种函数对优化的结果进行分析,最后得到符合并超出性能参数目标的自由曲面棱镜。4)对头戴显示器的两种视透方式进行了分析,结合轻型化等需求实际确定了相应的视透方案。在所设计的自由曲面棱镜的基础上,将全反射膜改成半反半透膜。之后对补偿棱镜进行设计,使外界景物的畸变得到校正,获得了很好的半反半透效果。本文以接近虚拟环境下人眼最佳视场角为目标进行了光学系统的设计,避免了盲目追求大视场导致的像质损失。在大量的反复优化后,自由曲面形态下的系统光学性能已经比较理想。另外设计的校正畸变的补偿棱镜,使采用自由曲面棱镜的头戴显示器的光学视透效果得到很大提升。