针对头盔显示系统高像质、全彩显示、结构简单紧凑的应用需求，提出双自由曲面棱镜结构，利用离轴折/反射的原理，设计了一款双通道头盔显示光学系统。通过自定义约束函数，构建了双棱镜模型，运用矩形阵列光瞳采样算法结合矢量像差理论，迭代优化了离轴非旋转对称系统。所设计的投影和透射双通道系统工作波段为400~700 nm，出瞳直径为8.5 mm，出瞳距离为21 mm，体积为41.5 mm×31.5 mm×14.1 mm。投影通道视场为45°，全视场调制传递函数值在61 lp/mm处大于0.3，透射通道视场为52°，全视场调制传递函数值在30 cycle/（°）处大于0.4。对双通道系统进行了眼球动态像质分析，结果表明，在出瞳直径范围内，人眼所接收到的像质基本不受眼球姿态的影响。该双棱镜结构为下一代双通道头盔显示系统提供了可参考的设计方向。

基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息，形态相对便携，近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构，一般需额外添加曲面护目镜，系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法，实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导，搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统，实现了出瞳大小约10 mm，单目视场角约24°的增强现实显示效果，将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。

基于Erfle透镜结构，设计了可用于头盔显示系统的传统折射式目镜。在此基础上添加了衍射面，设计出了折衍射目镜。这两种系统的基本结构参数相同，出瞳距为27 mm，出瞳直径为8 mm。与传统折射式结构相比，折衍射目镜的总长度减小了11%，重量减轻了约23%，畸变减小了59.45%。考虑到衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率对系统调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）的影响，在40 lp/mm空间频率处，折衍射头盔目镜轴上视场的MTF值和最小MTF值分别高于0.68和0.28，满足设计要求。该系统可以应用于虚拟现实的头盔显示系统。

针对视觉式头部姿态测量系统存在编码特征点安装空间需求大的问题, 设计一种结构简单、需求空间小的瞄准线测量方法。使用定位摄像机拍摄头盔上的编码特征点图像, 计算机对图像进行解析和计算, 结合正交迭代(OI)算法解算头部姿态。根据编码特征点随意布局特点进行了多组多次的仿真分析, 仿真数据表明此方法是合理、有效的, 利用小空间布局的编码特征点可以解算出高精度瞄准线。

针对头盔瞄准线快速、精准测量的要求，研究一种全新的综合瞄准线测量方法。在电磁瞄准线测量基础上，增加微惯性测量技术，实现头部姿态的高精度、快速、实时测量。通过卡尔曼滤波算法以及微惯性器件零偏估计，将电磁和惯性测量技术融合在一起进行综合瞄准线测量。根据瞄准线测量原理建立有效的数学模型，并用实物搭建实验平台进行测试和验证。实验结果表明，惯性和电磁综合瞄准线测量技术可以快速、有效地计算出高精度瞄准线。

针对头盔显示器(HMD)的头部姿态检测系统中单一传感器进行头部姿态解算准确度低、精度粗略的问题, 提出了一种基于MARG传感器的头部姿态解算方法。将互补滤波与PI算法相结合估算陀螺仪的漂移误差, 再通过扩展卡尔曼滤波(EKF)实现姿态数据融合。设计了由CC1310、陀螺仪、加速度计和磁强计组成的头部姿态检测单元进行测试实验。与单独的EKF对比, 结果表明, 这种算法对陀螺仪自身的漂移和加速度计噪声有抑制作用, 提高了头部姿态解算的精度和稳定性。

自动测量头盔显示器的视差时, 用CCD相机取代人眼的主观读取, 由于机器视觉不如人眼灵活, CCD相机在人眼观察点才能确保移动时采集的图像是完整的, 从而保证全视场的视差测量。该文提出采用模式搜索法在头盔显示器光学平面内实现CCD相机自动对准人眼观察点(眼位点), 从而实现头盔显示器全视场视差的自动测量。对该自动测量系统的测量原理, 以及CCD相机自动对准眼位点的实现过程进行了详细论述与说明, 对测量精度与效率, 对准精度与重复定位精度进行了实验分析。实验结果表明, 该方法能够快速、准确、自动地对准眼位点, 定位精度为±0.071°, 与摆头法测量视差系统进行对比实验, 全视场视差测量效率高, 重复精度高。

针对运动平台上头部姿态测量问题, 提出一种可以获得更快测量速度、更高测量精度的综合测量方法。通过卡尔曼滤波将分别由视觉测量和微惯性测量得到的头部姿态数据进行数据融合。利用视觉测量对微惯性测量进行校正, 综合了视觉测量方法误差不随时间变化与微惯性测量方法测量速度快、测量范围大的优点, 抑制了惯性测量随时间累积产生的无约束发散误差, 克服了视觉测量方法范围受限、容易受到干扰的缺点, 并经过试验分析与仿真, 得到了验证。

头盔显示器在现代空战技术中发挥越来越重要的作用, 新型双目数字式头盔显示器具备更广的视场范围和更高的分辨率, 更加适用于飞行和作战需求。但其光学系统的离轴角度更大, 画面畸变情况更为严重, 现有的单目数字图像畸变校正技术并不能完全适应和满足。设计应用于双目数字式头盔显示器的双目数字图像实时预畸变校正系统, 提出双目空间索引坐标逐像素交叉存储、DDR3优化存储的方案, 并采用适应性平滑滤波解决经过畸变校正系统显示图形边缘锯齿感较强的问题, 实现了小型化、低功耗的实时畸变校正系统。