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偏光显微镜通常用于材料科学和地质学，以基于特征折射特性和颜色识别矿物。在生物学中，偏光显微镜通常用于识别或成像双折射结构（如晶体），或用于植物细胞壁和淀粉颗粒中纤维素的成像。
双折射物体具有通过折射将单个光线分成两个姐妹光线的特性。双折射材料由分子结构高度规则的材料组成，例如方解石或氮化硼晶体。生物标本（如纤维素或淀粉）也是双折射的。与线性偏振光结合使用时，双折射可在显微镜中使用，以实现两条姐妹射线的干涉，这会导致诸如环和结构照亮之类的色彩效果。
普通的光学显微镜至少需要两个附加组件才能执行偏振光显微镜检查。为了检测双折射，必须使用线偏振光进行照明。因此，必须在显微镜的光路中插入两个偏振滤光片。第一偏振滤光片产生偏振光以照亮样品，第二偏振滤光片（称为分析仪）将检测到的光限制为折射光。
偏振滤光片必须彼此成90°角才能达到所谓的“暗位置”。将偏光滤镜设置在此位置时，没有光会通过相机或目镜，并且图像会变暗。设置暗位置对于偏振光显微镜来说是重要的一步，因为它可以确保仅观察到由于样品而在偏振面发生变化的光。
图1：偏光显微镜的原理：未偏振的光被偏振器1偏振。在通过偏振器1后，聚光镜将光聚焦在样品上。如果样品是双折射的或包含双折射结构，则一部分光的偏振面将扭曲90°（由草图中的红线表示）。样品的图像被物镜放大并入射到偏光镜2上。如果偏光镜2与偏光镜1相比扭曲了90°（所谓的“暗位置”），则只有通过双折射材料的光才能通过并且可以看到由观察者。因此，仅偏振结构可见。
当光穿过第一偏振滤光器时，产生线偏振光。如果线偏振光在正确的偏振平面中通过双折射材料，则它会被折射并分裂为两个姐妹射线，并且一部分射线的偏振平面会旋转90°。如果折射光线正确对齐（即相对于第一偏振滤光镜成90°），则折射光线然后穿过第二偏振器（分析仪）。因此，在偏振光显微镜中仅双折射材料产生图像。
图2：阳光或灯泡产生的光是非偏振的。这意味着电磁波会在所有方向上振荡。如果非偏振光通过偏振器1，则产生具有明确偏振的光，在这种情况下是垂直偏振光。如果此偏振光然后撞击偏振器2（旋转90°），则没有光将通过偏振器2。因此，如果两个偏振器相对于彼此旋转90°，它们将不再处于所谓的“暗位置”在第二个偏光镜后面可以看到光。
重要的是，被检查的双折射材料的偏振轴与第一偏振器产生的光在同一偏振轴上。因此，许多偏振显微镜都配备有旋转台，以确保将物体的偏振面与第一偏振滤光镜的偏振面轻松对齐。各种附件可用于偏振显微镜的特殊应用。
Bertrand透镜用于锥光镜观察聚焦在物镜后孔中的晶体图案。此外，延迟板或补偿器可用于双折射样品的定量分析。
图3：包含波罗的海琥珀中的苍蝇。尽管琥珀是无定形物质，并且理论上是光学各向同性的，但是由于内部应变以及由夹杂物引起的应变，树脂的流动结构可以在偏振光下可视化。偏振光和一阶红色补偿器的使用导致原本呈金色的琥珀色呈现强烈的色彩。暗场和入射光（玻璃纤维），交叉偏振器，red-1补偿器，HDRI色调映射的组合。由瑞士伯尔尼瑞士宝石学学会MichaelHügi提供。
图4：冷轧钴，贝拉哈蚀刻，偏光。微观结构形态的检查在材料科学和失效分析中起着决定性的作用。可以通过在偏光显微镜下对蚀刻后的样品进行光学偏光来增强色彩对比度和特定的微结构形成。由德国普福尔茨海姆大学Ursula Christian提供。
图5：酒石酸，偏光
图6：铝，贝克蚀刻，偏光
