數學上可以用兩種不用的方式來描述電磁波與樣品間的作用，一為瓊斯矩陣（en:Jones matrix），一為穆勒矩陣（en:Mueller matrix）。在瓊斯矩陣表示法，電磁波在作用前與作用后以具有兩個復數值的瓊斯向量（en:Jones vector）來描述，而其間的轉換則是以一具復數值的2乘2矩陣（即瓊斯矩陣）表現。在穆勒矩陣表示法，作用前、后的電磁波則以具四實數項的史托克向量（en:Stokes vector）表示，作用之轉換描述矩陣則是4乘4共16實數項的穆勒矩陣。當沒有去偏極化（en:depolarization）發生時，兩種型式wq相符，因此對于非去偏極化樣品，通常使用瓊斯矩陣的型式就足夠了。但若樣品會去偏極化，則為了取得這去偏極化的量，必需要使用穆勒矩陣型式。去偏極化的原因，舉例來說，可以是因為不夠一致的厚度，或是來自透明基材背面的反射所造成。

橢圓偏振測量技術并不是直接測量有關樣品的參數(厚度、光學常數等)，而是測量與這些參數有函數關系的量值。然后必須求解模擬測量數據的反間題，以確定樣品參數。通常，整個測量過程可以分為下列四個步驟。

  首先，通過光學實驗測量出如反射光或透射光的強度和偏振態，它們可以是光束波長、入射角和或偏振態的函數。其次，以已知樣品特性參數為根據構成數學模型。這模型應包含有某些已知的參數，如入射光束波長、入射角和入射光束偏振態等;當然這模型也包含某些未知的物理參數，如膜層厚度和光學常數等。然后，改變物理參數并計算數據，直到求得一組可變參數，使得到的計算數據與測得的光學數據緊密匹配。

單波長橢圓偏振技術使用單色光光源，通常為可見光范圍之雷射光源。因此，也常稱之為雷射橢圓偏振技術。其優點在于雷射光可聚焦為相當小之光點，并且相較于非單色光之寬頻譜光源，雷射光能提供較高之強度，因而可利用于橢圓偏振成像。然而，實驗之結果也就限制于每次測量只能取得一組 Ψ 及 Δ 之值。 光譜橢圓偏振(SE, Spectroscopic Ellipsometry)采用寬頻譜之光源，涵括了紅外光、可見光或紫外光之某一段光譜區域。藉此，復折射率或介電性質可在相關之光譜范圍取得，并依此得到相當多的基本物理性質。紅外光光譜長橢圓偏振技術(IRSE, Infrared spectroscopic ellipsometry)可探測晶格振動聲子及自由電荷載子(電漿子)等性質。而在近紅外光、可見光到紫外光之光譜范圍，則為用以研究透光或能隙下范圍及電子特性，如帶間躍遷或激子。