因為光在各向同性(isotropic)介質中 (ex.水、玻璃)，光將沿折射定律所定的方向傳播。但在各向異性(anisotropic)的介質 (ex.方解石)會有一條光線被折射成二條光線的光學雙折射現象。

雙折射晶體或樣本內存在二個軸，互相正交。一為快軸，一為慢軸。 光入射於晶體或樣本時會被分解為沿這二個軸偏振的光，沿慢軸的偏振光稱 ordinary light (o-ray)，沿快軸的偏振光稱 extraordinary light (e-ray)。 這二分解的光會以不同的速度前進，如果入射光與晶體面有一定的角度，則這二個分解的光的折射角也會不同，形成雙折射現象。這二束離開晶體的光是互相垂直的線偏振光，而雙折射分開的距離隨晶體或樣本的厚度而定。

在專業偏光顯微鏡下可觀察到這些偏振光產生的不同顏色，再利用Michel-Levy Birefringence Chart來比對因通過雙折射晶體或樣本而產生的o-ray及e-ray之波長，進而可推知正確的retardation ,晶體厚度及樣本的雙折射值(n1-n2)。 目前客戶之應用領域有液晶材料研究、面板及玻璃基板等。