基于光学自准直原理，通过在待测调整机构基准面上安装反射镜，反射镜所在平面与二维旋转轴构成的平面平行，利用光电自准直仪对反射镜表面进行准直，准直完后调整待测机构（图1中的AB轴、CD轴），此时可在自准直CCD上读出X、Y轴方向角度分量。以转轴CD一维转轴为例，在转轴调整前，其准直像点为O点，当转轴旋转一定角度后，其平面上的反射镜（Mirror）发生角度偏移，此时在准直仪平面上的准直像点为P点。

根据转轴调整前后准直像点连线OP与所调整的一维的旋转轴相互垂直（如图2中旋转轴CD⊥OP），由三角函数关系便可求出所调整的一维的旋转轴与自准直仪X轴方向夹角；同理，根据调整另外一维旋转轴所测得自准直X、Y轴方向角度分量便可求出另一维旋转轴与自准直仪X轴方向夹角，最后将这两维旋转轴与自准直仪X轴方向夹角角度值相减便可求得该两维旋转轴的夹角。