虚拟现实立体头盔的原理是将小型二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透镜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)。液晶显示器(早期用小型阴极射线管，最近已有应用有机电致发光显示器件)的影像通过一个偏心自由曲面透镜，使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜，因此在光学上它已不单是透镜功能，基本上已成为自由面棱镜。当产生的影像进入偏心自由曲面棱镜面，再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜面。侧凹面镜面涂有一层镜面涂层，反射同时光线再次被放大反射至偏心自由曲面棱镜面，并在该面补正光线倾斜，到达观视者眼睛。

虚拟现实立体头盔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，虚拟现实电子技术系统首先应用了虚拟现实立体头盔。

无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据，还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感，模拟训练、3D游戏、远程医疗和手术，或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力，虚拟现实立体头盔都得到了应用。比如军事上在车辆、飞机驾驶员以及单兵作战时的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示、车辆和飞机的炮瞄系统等需要信息显示的，都可以采用虚拟现实立体头盔。在CAD/CAM 操作上，HMD使操作者可以远程查看数据，比如局部数据清单、工程图纸、产品规格等。波音公司在采用VR技术进行波音777飞机设计时，虚拟现实立体头盔就得到了应用。