入射光束（線偏振光）的電場可以在兩個垂直平面上分解為矢量元。P平面包含入射光和出射光，s平面則是與這個平面垂直。類似的，反射光或透射光是典型的橢圓偏振光，因此儀器被稱為橢偏儀。關(guān)于偏振光的詳細(xì)描述可以參考其他文獻(xiàn)。在物理學(xué)上，偏振態(tài)的變化可以用復(fù)數(shù)ρ來表示：其中，ψ和?分別描述反射光p波與s波振幅衰減比和相位差。P平面和s平面上的Fresnel反射系數(shù)分別用復(fù)函數(shù)rp和rs來表示。rp和rs的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以用Maxwell方程在不同材料邊界上的電磁輻射推到得到。

　　其中?0是入射角，?1是折射角。入射角為入射光束和待研究表面法線的夾角。通常橢偏儀的入射角范圍是45°到90°。這樣在探測材料屬性時可以提供最佳的靈敏度。每層介質(zhì)的折射率可以用下面的復(fù)函數(shù)表示

　　通常n稱為折射率，k稱為消光系數(shù)。這兩個系數(shù)用來描述入射光如何與材料相互作用。它們被稱為光學(xué)常數(shù)。實(shí)際上，盡管這個值是隨著波長、溫度等參數(shù)變化而變化的。當(dāng)待測樣品周圍介質(zhì)是空氣或真空的時候，N0的值通常取1.000。

　　通常橢偏儀測量作為波長和入射角函數(shù)的ρ的值（經(jīng)常以ψ和?或相關(guān)的量表示）。一次測量完成以后，所得的數(shù)據(jù)用來分析得到光學(xué)常數(shù)，膜層厚度，以及其他感興趣的參數(shù)值。如圖2所示，分析的過程包含很多步驟。