Το οπτικό σύστημα ενός θολόμετρου αποτελείται από μια λάμπα νήματος βολφραμίου, έναν ανιχνευτή 90 μοιρών για την παρακολούθηση του σκεδαζόμενου φωτός και έναν ανιχνευτή μεταδιδόμενου φωτός. Τα σύγχρονα θολόμετρα διαθέτουν διάφορα σχέδια οπτικών μονοπατιών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούν μεθόδους σκέδασης για τη μέτρηση θολότητας και μοναδικά σχέδια οπτικής διαδρομής 360 μοιρών × 90 μοιρών. Ο μικροεπεξεργαστής του οργάνου υπολογίζει την αναλογία σήματος από τον ανιχνευτή 90 μοιρών και τον ανιχνευτή εκπεμπόμενου φωτός. Αυτή η τεχνική υπολογισμού αναλογίας διορθώνει τις παρεμβολές που προκαλούνται από χρωματικότητα και/ή απορροφητικές ουσίες (όπως ο ενεργός άνθρακας) και αντισταθμίζει τις επιπτώσεις των διακυμάνσεων της έντασης του φωτός, παρέχοντας μακροπρόθεσμη σταθερότητα βαθμονόμησης. Ο σχεδιασμός του οπτικού συστήματος μειώνει επίσης το drift light, βελτιώνοντας την ακρίβεια της δοκιμής.
Εκτός από τους παραδοσιακούς λαμπτήρες νήματος βολφραμίου, τα σύγχρονα θολόμετρα χρησιμοποιούν επίσης πηγές φωτός LED, πηγές υπέρυθρου φωτός (όπως το κοντινό-υπέρυθρο φως με μήκος κύματος 880 nm), ακόμη και λέιζερ ως πηγές φωτός. Ορισμένα όργανα χρησιμοποιούν σχεδιασμό διπλής{3}}δέσμης, αντισταθμίζοντας αυτόματα τα σφάλματα που προκαλούνται από την εξασθένηση της φωτεινής πηγής, τη μόλυνση του οπτικού παραθύρου και τη μετατόπιση θερμοκρασίας, συγκρίνοντας το μετρούμενο φωτεινό σήμα με το σήμα αναφοράς φωτός σε πραγματικό χρόνο. Αυτά τα σχέδια στοχεύουν στη βελτίωση της ακρίβειας μέτρησης,-μακροπρόθεσμης σταθερότητας και προσαρμοστικότητας σε ένα ευρύτερο φάσμα συνθηκών δείγματος.
