Нуль-эллипсометры включают источник излучения, поляризатор, компенсатор, модулятор, анализатор, фотоприемник и регистратор. Разница пропускающих и отражательных эллипсометров лишь в угле падения света на исследуемый образец. В пропускающих эллипсометрах свет падает перпендикулярно на образец, в отражательных — под углом. Рассмотрим принцип работы прибора на примере пропускающего эллипсометра. Свет от источника преобразуется поляризатором в линейно поляризованный и с помощью анализатора гасится. Регистратор фиксирует отсутствие сигнала. Затем в измерительном отсеке устанавливают исследуемый образец, но не произвольно, а так, чтобы его оптическая ось была наклонена строго под углом 45° к направлению пропускания поляризатора. Образец вносит в излучение некоторую разность фаз Δ, преобразуя свет в эллиптически поляризованный. Задача состоит в том, чтобы измерить величину Δ. Для этого в ход луча, который вышел из образца, вводят компенсатор, стремясь скомпенсировать появившуюся разность фаз Δ. С этой целью оси компенсатора совмещают с осями эллипса поляризации, и свет вновь становится линейно поляризованным, но вектор его повернут на угол а относительно исходного положения. Величины Δ и а связаны между собой: Δ равен удвоенному углу a (Δ=2a). Чтобы измерить угол а, поступают так же, как при поляриметрических измерениях. Анализатор вращают, пока свет на его выходе не погаснет и сигнал на регистраторе не станет равным нулю. Не трудно заметить, что угол вращения анализатора равен углу поворота вектора поляризации а. Неотъемлемым элементом нуль-эллипсометров является компенсатор. Обычно это четвертьволновая кварцевая пластинка, называемая компенсатором Сенармона. Компенсатор, делая схему высокочувствительной, вместе с тем вносит ошибку в измерения, ограничивая точность эллипсометра. Причина в том, что очень трудно изготовить компенсатор необходимой толщины. Однако выход был найден: в последних конструкциях эллипсометров стали использовать электро- или акустооптические компенсаторы, управляемые постоянным током. Такой эллипсометр может зарегистрировать поворот вектора поляризации на угол, равный 0,005°.