フレネル菱面体
入射する電磁波(例えば可視光)は電場と磁場の横波から成っている。これら2つの場は直交し、強度には比例関係があるので、電場の方だけ考えることにする。反射面における電場の振動は直交する2つの成分、s成分(入射面に垂直)とp成分(入射面に平行)に分けることができる。これらはそれぞれTE成分(transverse electric)、TM成分(transverse magnetic)と呼ばれることもある。
フレネル菱面体に進入後、光線は2回の全反射を起こす。1回の全反射で、p偏光はs偏光に対し位相が円周の 1/8 (45°, π/4 ラジアン)だけ進められるため、2回の全反射で円周の 1/4 (90°, π/2)だけの位相差が得られる。これによって偏光の仕方を変えることができ、例えば直線偏光と円偏光の変換に用いることができる。
フレネル菱面体のはたらきは1/4波長板のものと全く同じである。波長板の方がより安価で広く使用されている一方、フレネル菱面体は広範な波長域に対しより精密な位相差を作ることができる。
偏光が変換できるのは、全反射において偏光の2成分が受ける位相のずれが等しくないことに起因する。それら2つの位相のずれそのものは普通の方法では観測できないが、位相の相対的なずれであれば偏光による効果を測ることで簡単に観測できる。界面における光の反射はフレネル係数で記述されるが、その導出において臨界角を超えた範囲での入射角と位相のずれとの関係(および反射係数の(複素数の)絶対値が1であること)が算出される。この詳細はフレネルの式(英語版)を参照。これらs偏光とp偏光の位相のずれ及びそれらの位相差(黒線で示す)を、入射角を横軸にとってプロットしたものがここに掲げるグラフである。