伴随着汽车朝着更高智能化、网联化的方向发展,智能座舱也随之进入发展快车道,而增强现实型抬头显示器（Augmented Reality Head-Up Display,AR-HUD）则是智能座舱中高效的人机交互窗口。它产生的虚像信息与真实路面进行实时叠加,帮助驾驶员在开车的过程中不低头就可以看到重要信息,缩短了驾驶员的盲区时间。增强现实型抬头显示器提供比传统抬头显示器更加丰富的显示内容,但也同时在设计参数上提出了更高要求。根据行车安全性与人眼视觉特性分析,AR-HUD需要同时显示多个不同深度的虚像来呈现基础信息与交互信息。为了使AR交互信息在抬头显示器上达到理想的显示效果,本文主要开展了多焦面车载AR-HUD光学系统设计,以及自由曲面制造技术方面的研究工作。具体研究内容如下:首先,在大量文献调研的基础上,阐述了国内外车载抬头显示器发展的历史与现状,展望了增强现实技术与抬头显示器结合为驾驶体验带来的改变。随后以几何光学的角度分析了车载抬头显示器的成像原理,研究了离轴光学系统像差理论与自由曲面表达方式,讨论了车载抬头显示器的重影现象与消除方法,对抬头显示的设计流程与方法展开了详细的研究。然后,根据光学原理与人眼视觉特性,系统地分析了车载AR-HUD光学系统的参数性能要求,并进行了增强现实型抬头显示器的设计工作。首先设计了一种单焦面AR-HUD光学系统,借助Zemax Opti Studio对光路进行了建模优化,并对系统成像质量进行分析。随后研究并设计出一种基于自由曲面的双焦面抬头显示器光学系统,设计采用离轴反射式结构,使用两块像源（Picture Generation Unit,PGU）、一块自由曲面镜与一块平面镜的设计结构,对自由曲面反射镜采用双光路单自由曲面分区域的划分使用,实现了共同复用一块反射镜,增加了设计的自由度。设计实例表明,该双焦面抬头显示器系统拥有视野盒为130mm×50mm,视场角分别为5°×1°和10°×5°,虚像距离分别为2.5m和7.5m。满足了近场基础信息与远场交互信息同时显示的需求,景深的显示效果也同样得到了增强。最后,研究了常见自由曲面加工方法、自由曲面面型和粗糙度检测的方法,对文中设计的抬头显示器的公差容错进行了初步分析,结果证明了该设计方案的正确性与可行性。随后对设计中的自由曲面反射镜进行加工,阐述了制造的设计与加工流程,完成了对加工样件的面型检测。