本文主要内容为矢量像差理论及其在离轴头盔系统设计中的应用。基于旋转对称共轴光学系统的传统波像差理论,矢量像差理论仅增加了像差场节点概念。矢量像差理论可分析倾斜和偏心对光学系统像差的影响,帮助光学设计者洞察像差变化,从而指导离轴光学系统优化设计。基于传统波像差理论,第二章讨论了具有圆形或近似圆形光瞳的离轴光学系统矢量像差。总结了离轴光学系统初级像差的特殊视场依赖性,指出矢量像差理论适用于反射式、折射式和折/反射式光学系统,且不局限于小倾斜小偏心离轴光学系统。第三章给出基于实际光线追迹的球面和非球面像差场偏心矢量计算方法,编制了适用于小倾斜小偏心离轴光学系统的初级矢量像差分析程序,为倾斜偏心离轴光学系统的像差分析奠定基础;并结合三种类型的简单实例给出定性和定量的像差分析结果。基于矢量像差理论,第四章分析了Ritchey-Chretien两反系统失调状态下的像差特性,总结了系统失调量与像差变化的规律,并进行了相关软件模拟;根据矢量像差理论,由失调像差节点分布计算出系统失调量;分析了系统主镜像散面形误差对系统像差的影响。矢量像差理论可有效指导两反系统的装调过程,这表明矢量像差理论在小倾斜小偏心离轴光学系统像差分析和优化设计之中的有效性和指导作用。基于节点定向优化方法,第五章设计了小视场离轴头盔显示系统,表明矢量像差理论在大倾斜大偏心离轴光学系统优化设计方面的指导作用;为精确评价折衍混合型头盔显示光学系统的成像质量,提出了衍射光学元件的位相修正模型,给出了位相修正模型的原理,结合CCD相机设计实例说明了具体实现步骤和评价结果,证明了位相修正模型的正确性和有效性。最后是全文总结和进一步工作展望。