头戴显示系统在现代教育、医疗和娱乐等领域具有广泛的应用，离轴反射式头戴显示光学系统是头戴显示系统的一种设计形式，既能满足小型化和结构紧凑的需求，又能实现宽光谱成像，无需校正色差；然而，现有离轴反射式头戴显示光学系统的设计难以满足大出瞳直径和小F数相兼容的要求。针对该问题，提出基于光学自由曲面的离轴两反头戴显示光学系统，实现了大出瞳直径和小F数。该自由曲面头戴显示光学系统分别采用双曲率基面自由曲面和XY多项式自由曲面，出瞳直径为10 mm，F数为3.0，视场角为28°，出瞳距大于15 mm。该系统的成像性能满足要求且优于现有设计结果。

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