数学上可以用两种不用的方式来描述电磁波与样品间的作用，一为琼斯矩阵（en:Jones matrix），一为穆勒矩阵（en:Mueller matrix）。在琼斯矩阵表示法，电磁波在作用前与作用后以具有两个复数值的琼斯向量（en:Jones vector）来描述，而其间的转换则是以一具复数值的2乘2矩阵（即琼斯矩阵）表现。在穆勒矩阵表示法，作用前、后的电磁波则以具四实数项的史托克向量（en:Stokes vector）表示，作用之转换描述矩阵则是4乘4共16实数项的穆勒矩阵。当没有去偏极化（en:depolarization）发生时，两种型式wq相符，因此对于非去偏极化样品，通常使用琼斯矩阵的型式就足够了。但若样品会去偏极化，则为了取得这去偏极化的量，必需要使用穆勒矩阵型式。去偏极化的原因，举例来说，可以是因为不够一致的厚度，或是来自透明基材背面的反射所造成。
椭圆偏振测量技术并不是直接测量有关样品的参数(厚度、光学常数等)，而是测量与这些参数有函数关系的量值。然后必须求解模拟测量数据的反间题，以确定样品参数。通常，整个测量过程可以分为下列四个步骤。
首先，通过光学实验测量出如反射光或透射光的强度和偏振态，它们可以是光束波长、入射角和或偏振态的函数。其次，以已知样品特性参数为根据构成数学模型。这模型应包含有某些已知的参数，如入射光束波长、入射角和入射光束偏振态等;当然这模型也包含某些未知的物理参数，如膜层厚度和光学常数等。然后，改变物理参数并计算数据，直到求得一组可变参数，使得到的计算数据与测得的光学数据紧密匹配。
单波长椭圆偏振技术使用单色光光源，通常为可见光范围之雷射光源。因此，也常称之为雷射椭圆偏振技术。其优点在于雷射光可聚焦为相当小之光点，并且相较于非单色光之宽频谱光源，雷射光能提供较高之强度，因而可利用于椭圆偏振成像。然而，实验之结果也就限制于每次测量只能取得一组 Ψ 及 Δ 之值。 光谱椭圆偏振(SE, Spectroscopic Ellipsometry)采用宽频谱之光源，涵括了红外光、可见光或紫外光之某一段光谱区域。藉此，复折射率或介电性质可在相关之光谱范围取得，并依此得到相当多的基本物理性质。红外光光谱长椭圆偏振技术(IRSE, Infrared spectroscopic ellipsometry)可探测晶格振动声子及自由电荷载子(电浆子)等性质。而在近红外光、可见光到紫外光之光谱范围，则为用以研究透光或能隙下范围及电子特性，如带间跃迁或激子。
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