Lichtstrahlen werden beim Übergang von einem Medium (zum Beispiel Luft) in ein anderes (zum Beispiel einen Kristall) gebrochen. Die Lichtbrechung ist um so stärker, je größer der Unterschied zwischen den beiden Medien ist. Ein Maß für die Stärke der Lichtbrechung ist der Brechungsindex, der mit n bezeichnet wird.

Ein durch einen Kalkspatkristall hindurchgehender Lichtstrahl wird in zwei Strahlen aufgespalten, die in senkrecht zueinander stehenden Ebenen schwingen. Der sogenannte ordentliche Strahl tritt bei senkrechtem Einfall geradlinig durch den Kristall hindurch, während der andere, der außerordentliche Strahl, abgelenkt wird.
Bei schrägem Einfall werden beide Strahlen, jedoch unterschiedlich stark, abgelenkt, der Brechungsindex ist also für die beiden Strahlen unterschiedlich. Diese Erscheinung nennt man Doppelbrechung.
Sie ist beim Kalkspat am deutlichsten, lässt sich jedoch unter dem Mikroskop auch bei allen anderen Mineralien, außer den kubischen und amorphen, feststellen.