光场显示器旨在通过重建三维场景在不同方向发出的几何光线来渲染三维场景的视觉感知，从而为人的视觉系统提供自然舒适的视觉体验，解决传统平面立体三维显示器中的聚散调节冲突问题。近年来，多种光场显示方法被尝试应用到头戴式显示技术中。本文对头戴式光场显示器的最新发展进行全面概述。

为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求, 采用逆向设计方法, 通过理论计算与软件仿真, 设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明, 每个通道采用3片非球面透镜, 全视场角为90°, 出瞳直径为8mm, 出瞳距离为13mm, 在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3, 最大畸变为6.1%; 与参考文献相比, 此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量等要求, 采用非球面透镜设计了1种3片式虚拟现实头戴显示器光学系统, 对光学系统进行了公差分析。结果表明, 光学系统的平均调制传递函数（MTF）值均满足传递函数的要求；系统视场角为90°、出瞳直径为8mm、系统重量为33.67g、总长小于60mm、频率为9.31lp/mm时的MTF值均优于0.272, 最大畸变为8.17%, 最大垂轴色差为36.2μm, 小于一个像素尺寸；与已有研究相比, 增加了视场角、出瞳直径和出瞳距离等参量的信息, 提高了成像质量。该研究为沉浸式头戴显示器的光学设计提供了参考。

目前头戴显示器体积大、重量大、视场角小, 为了满足用户对轻小型头戴显示器的使用需求, 以冉斯登目镜为初始结构, 采用ZEMAX软件对其优化, 并进行了像质评价和公差分析。结果表明, 双目系统中的每个通道仅使用两片透镜, 光学系统的最大视场角为80°, 总长为54.24mm, 最大畸变小于4.7%, 两片透镜重量小于11.5g, 与相关研究比较, 增加了视场角和像素数量, 减小了体积, 提高了调制传递函数。该头戴显示器具有一定的市场前景, 能够为轻小型头戴显示器的光学设计提供参考。

虚拟现实技术是头戴显示技术的一个重要分支。为了提高虚拟现实头戴显示装置的视场角,获得更高的沉浸感,设计了一种基于视场拼接原理的大视场虚拟现实头戴显示装置。利用4套横向视场角为80°,且完全相同的目视光学系统,通过拼接实现大视场虚拟现实头戴显示。本装置的双目横向视场角为162°,其中每个单目系统的横向视场角为126°,双目重叠视场角为90°。

头戴显示器光学系统由于焦距短、视场大而容易产生图像畸变。提出了一种头戴显示器的图像畸变测量方法，采用单位矩阵的傅里叶变换图像作为标准测试图形，应用傅里叶变换分析了头戴显示器光学传递函数与测量图像球面化畸变的关系，得到了形状不变的关系曲线。实验测量了5种头戴显示器的图像球面化畸变，得到的负球面化枕形畸变范围为-22%~-65%。结果表明：头戴显示器的球面化图像畸变量CVR与方格成像实验的畸变量D具有一定的线性关系，且球面化图像畸变量CVR的测量简单，能体现头戴显示器的整体图像畸变程度。该研究结果对头戴显示器的图像显示质量测量具有一定的参考价值。

视网膜投影显示(RPD)是头戴显示器(HMD)领域的一个研究热点,能够克服传统HMD辐辏聚焦矛盾(VAC)。为了使RPD小型便携化,以微机电系统(MEMS)扫描镜作为空间光调制器(SLM)设计制造了折反式激光RPD系统。首先,介绍了辐辏聚焦矛盾,分析了RPD的基本原理。通过传统的RPD光路结构,实验验证了以MEMS激光扫描投影作为图像源的麦克斯韦观察法原理的可行性,分析并解决了黑斑问题。接着,完成了RPD系统的光学设计,分析评价了系统的性能。最后,制造出小型便携式的原型机,原型机瞳距可调,视场角为30°(H)×22°(V),无畸变,并通过实验对其显示效果进行了验证。

为提高静脉注射的成功率，设计了一款头戴静脉显示光学系统，该系统由红外成像系统与穿透型目镜式头戴显示器组成。近红外成像系统具有F/1.59的大数值孔径，利于弱红外散射光的收集成像，设计中采用了旋转对称的二次曲面设计，系统的质量是相应球面系统的77.8%。穿透型头戴显示器结构简单紧凑，采用了旋转对称的二次曲面设计，系统的质量是相应球面系统的55.6%。设计结果显示，近红外成像系统成像质量优异，分辨率可达扩展图形阵列(XGA)(1024 pixel×768 pixel)。穿透型目镜式头戴显示器具有10 mm的出瞳直径，50 mm的出瞳距离，0.068D的最大场曲(D为屈光度)，0.372%的最大相对畸变以及XGA(1024 pixel×768 pixel)的显示模式分辨率。双目光学系统的总质量为44 g。较之现有的静脉显示系统，本系统具有结构简单紧凑、数值孔径大、分辨率高、重量轻等特点。

设计了一套结合鱼眼摄像头和头戴显示器的新型全景显示系统。采用鱼眼正交投影法建立合适的数学模型, 基于该数学模型合理展开虚拟半球的UV, 将鱼眼图像映射到虚拟半球上, 同时使用双目虚拟摄像头采集已经矫正畸变的图像, 并将其显示在头戴显示器中, 达到头戴显示器全景显示的效果。通过实际测试验证了该方案的可行性。

虚拟现实头戴显示器(HMD)的光学系统应具有较大的视场角和出瞳，同时应具有重量轻和厚度薄的特性，从而适应人体的佩戴需要。为了同时满足这些要求，详细描述了一种基于初级像差理论的头戴显示器光学系统设计方法。根据这个方法，用两种聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)，设计了双片式的头盔系统，其出瞳直径为8 mm，视场角为70°。系统总长小于70 mm，镜头的总质量小于30 g。全视场相对照度大于0.4，其轴上像差和轴外像差都得到了有效校正，边缘视场点列图光斑半径在70 μm 左右，各个视场的调制传递函数(MTF)曲线分布较为均匀，同时中心视场和边缘视场的MTF值在8 cycle/mm 处分别为0.6和0.4左右，最大畸变小于2%，实际加工的系统对标准分辨率板的成像像质能够满足使用要求。