该仪器是利用光学自准原理和机械正切杠杆原理进行测量的，如下图所示。从物镜焦平面上的焦点c发出的光，经物镜后变成束平行光到达平面反射镜P，若平面反射镜与主光轴垂直，则光线按原路反射回来，即发光点?与像点C'重合。若测杆因被测工件尺寸的变化而产生微小的位移小号使平面反射镜P转动一个角，则反射光束与人射光束间的夹角为2α ，反射光束汇聚于像点C“，则CC = ftan2 α，测杆的位移为S = btanα。即测杆实际移动距离为S，通过比较仪放大成c''，则放大比K =ftan2α/btanα≈2f/b，式中，f为物镜焦距，b为测杆与支点间的距离。一般光学比较仪物镜焦距f = 200mm，b = 5mm，则放大比K = 80.用12倍目镜观察时，标尺像又放大12倍，因此总放大比为n = 12K = 12x 80=960，即当测杆移动0.001 mm时，在目镜中可见到0.96 mm的位移量。由于仪器的标尺间距为0.96 mm，即这个位移量相当于标尺移动个标尺间距，以仪器的分度值为0.001毫米。

下图所示为立式光学比较仪光路图，由光源发出的光线，经反射镜2到物镜焦平面左半部刻度尺3（共200格，分度值50.000 nm），校镜S以及物镜6射在反射镜7上，当测杆8有微小位移时，反射镜7绕点9转动a角，从目镜10中可看到反射回来的标尺的影像将向或向下移动相应的距离（即上图中的t)的位移量，此移动量为被测尺寸的变动量，可按指示所指格数及符号读出，如下图所示。