头戴显示器（HMD，Head Mounted Display）是将小型2维显示器所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状Lens使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉（Hologram）。小型液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）的影像通过一个偏心自由曲面Lens，使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面Lens为一倾斜状凹面Lens，因此在光学上它已不单是Lens功能，基本上已成为自由面棱镜（prism）。当LCD产生的影像穿透A面进入偏心自由曲面棱镜（prism）C面，再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜B面。B面涂有一层mirror coating，反射同时光线再次被放大反射至C面 ，并在C面补正光线倾斜，达到观视者眼睛。
头戴显示器的光学技术设计和制造技术日趋完善，不仅作为个人应用显示器，它还是紧凑型大屏幕投影系统设计的基础，可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统做成全像大屏幕。除了在现代先进军事电子技术中得到普遍应用成为单兵作战系统的必备装备外，还拓展到民用电子技术中。
早在1968年，美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan Sutherland发明了头戴显示器，它被认为是世界上第一个头戴显示器它能显现二维图像，没有浸沉感，用户只能看到的线框图叠加在真实环境之上。采用传统的轴对称光学系统，体积和重量都较大。1975年J.H.Clark利用Ivan Sutherland设计的头戴显示设备和Utah大学开发的机械Wand建立了一个曲面设计的交互环境。由于当时的相关技术还不成熟，并没有产生广泛的影响，但这已是3D交互技术的雏形。是进入虚拟技术(virtual reality，简称VR)应用的前奏。
1982年，Thomas Furness III展示了带有6个自由度跟踪定位的头戴显示器（HMD），从而使用户完全脱离的周围环境。1984年，Michael McGreevy在NASA Ames创建了并不昂贵的三维立体HMD。1985年，Scott Fisher在NASA继续三维立体HMD工程的发展，创建了由操作者位置、声音和手势控制，带有广角立体显示的头戴式显示系统。与之同时，VPL研究小组研制出了数据手套，能够用来测量每个手指关节的弯曲程度。1986年末，NASA的一个研究小组集成了一个VR 的3D环境，用户可以用手抓住某个虚拟物体并操纵它，可以用手势和系统进行初步交流。
1994年，加拿大Albert大学的M.Green教授重新在该方向上开展了研究，得到了各方面的高度重视。现在University of Wisconsion-Madison，Washington State University，Brigham Young University, SUNY at Buffalo, University of Clemenson均开始该方向的研究。
University of Wisconsion-Madison的初期研究表明，在VR环境下利用3D交互技术进行设计工作会提高设计效率10-30倍。VR的应用还使得高难度驾驶技术的培训效率大幅提高，成为必备手段。
头戴显示器在虚拟技术应用系统中的地位十分重要，统计表明，普通人从外部世界获取信息的80%来自视觉，如何实时地生成大规模复杂虚拟环境的立体画面仍然是当前虚拟现实(virtual reality，简称VR)研究中亟待解决的问题。虚拟现实的三项指标：实时性(real time)、沉浸性(immersion)和交互性(interactivity)。所谓实时性是指虚拟现实系统能按用户当前的视点位置和视线方向，实时地改变呈现在用户眼前的虚拟环境画面，并在用户耳边和手上实时产生符合当前情景的听视和触觉/力觉响应。所谓沉浸性是指用户所感知的虚拟环境是三维的、立体的，其感知的信息是多通道的。所谓交互性是指用户可采取现实生活中习以为常的方式来操纵拟场景中的物体，并改变其方位、属性或当前的运动状态。
现有的虚拟现实系统按硬件组成可分成三类：头戴式显示器是最早的VR显示器，它利用头戴将人的对外界的视觉、听觉封闭起来，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。目前的头戴式显示器的分辨率已达到1024×768。
目前小型高像素、高灰度液晶显示器（LCD）的单价极端昂贵，因此，日本天堂公司利用OSR元件使18万画素的LCD产生相当于72万画素，水平解析度500条以上的画质效果。OSR是由偏光控制元件（液晶房间）与复折射板所构成。藉由 OSR元件将随着虚拟现实电子显示系统的推广应用，可预期未来类似HMD可将小型LCD显示器件的影像透过光学系统作成全像大银幕的需求将日益增加。另外由于自由曲面棱镜的设计乃至加工量产技术将因此更趋完备。除光学技术之外，纳米级（nano）超精密机械加工技术亦将成为本世纪初的热门课题。
