头戴显示器是将像源和光学系统组合后安装于眼镜或头盔上的小型目视系统，正逐渐从军事装备向民用设备发展，在工业、医疗以及教育等领域有着广泛的应用前景，有关的报道与成果层出不穷。尤其是近年来随着高分辨率微显示器以及光学和电子行业制造工业的长足发展，头戴显示器越发受到人们关注，各种新型的结构与设备逐渐涌现，其实用化与商业化的脚步也逐步加快。光学系统是头戴显示器的核心，其光学特性的优劣决定了头戴显示器的性能的好坏。为了使用户体验更加舒适，头戴显示器的重量和体积应尽可能地小，并和人眼的各项特性相符合。本文针对这些目标，开展了轻量化头戴显示器光学系统的研究工作。文章归纳总结了光学系统的各项设计需求，提出了一种新型的光学系统初始结构计算方法，设计了一种双透镜头戴显示器光学系统，加工了对应的原理样机。主要研究内容以及成果可以分为两个部分:　　(1)提出了一种基于数值优化的光学系统初始结构求解方法。此方法能够根据初级像差平衡的原则自动分配系统的光焦度，可应用于多个场合。采用此方法可以对光学系统像差自动平衡的工作加以指导。此方法得出的结果是实际透镜，不需要在后期优化时添加透镜的厚度，因此不存在改变透镜厚度时，所引起的各项像差平衡的状态被破坏的问题。采用此方法设计出了头戴显示器光学系统初始结构。　　(2)设计了一种用于轻量化虚拟现实头戴显示器的光学系统，对其设计过程进行了详细阐述，加工了对应的原理样机。系统入瞳距为15mm，入瞳大小8mm，视场角为80°，系统总长约为61.5mm，像高30.5mm。边缘视场点列图平均半径约为50μm，中心视场点列图半径在30μm左右，人眼通过此系统观察显示器时，边缘视场的图像不会模糊，同时中心视场的像质也足够好。系统的垂轴色差得到了校正，最大畸变绝对值约为15％，全视场相对照度大于0.75。原理样机长宽高分别为140mm×100mm×80mm，质量约为220g。系统各项参数和像质满足设计需求，达到了轻量化的目标。