旋光儀主要構造為起偏器和檢偏器兩部分。起偏器俗稱第一尼科爾棱鏡，是使各向振動的可見光起偏振，它固定在儀器的前端。檢偏器用來測定偏振面的轉動角度，稱為第二尼科爾棱鏡，隨刻度盤一起轉動。
對于自然光，其光波在與光傳播方向垂直的一切可能方向上振動，但當通過起偏的第一尼科爾棱鏡之后，獲得了只在一個方向上振動的平面偏振光。當兩個尼科爾棱鏡的偏聽偏信振光全部能通過；當兩個棱鏡的主截面互相垂直時，則偏振光全部不能通過；當兩個棱鏡主截面夾角介于0～90（°）之間時，透過的光強將被減弱。
兩個棱鏡主截面互相垂直時視野是黑暗的，但在棱鏡中間放入一個裝有旋光性物質的溶液的玻璃光管時，因溶液使偏振光旋轉了一個角度，從視野中可見到一定的光亮，這時如將檢偏聽偏信鏡相應旋轉一個角度，又可使視野重新變暗，檢偏鏡旋轉的角度就等于光的偏振面在通過溶液后的旋光角。如要順時針方向旋轉才能恢復黑暗稱為右旋光性，反之稱為左旋光性。
由于肉眼對鑒別黑暗的視野誤差較大，為精確確定旋光角，常采用比較方法，即三分視野法，在起偏鏡后的中部裝一狹長的石英片，其寬度約為視野的1/3，因為石英片也具有旋光性，所以在目鏡中出現三分視野。
在旋轉相應的角度后，視野中3個區內明暗相等，三分視野消失。鑒于肉眼對于這種明暗相等的三分視野易于判斷，可以準確測得被測溶液的旋光度。
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