同轴光源的设计通常是将面光源放置在光源的左端面，在片角度为45°的半透半反射分光镜上，一半的光线被反射到底部的目标上，另一半透射到光源的右端黑绒布上。有效的一半光通量经由目标完全反射，并经过分光镜透射到上方的透镜，最终进入相机，而剩下的1/4光线则反射回右端光源安装处。

与同轴平行光源不同的是，同轴光源不需要将光源转化为平行光，因此不需要额外的凸透镜来实现这个转换。在同轴光源的制作中，需要精确地安装光源和分光镜的位置，以确保同轴光源的亮斑位于中心位置。

在分光镜后，同轴光源会损失一部分光能量，然后照射到物体表面。当光线通过物体表面反射时，也不会全部反射出来。再经过分光镜透射时，又会损失少一半的光通量。因此，进入镜头的光通量不足光源本身的1/4。

同轴光源的分光镜可以使用薄的镜面或棱镜。一般较小尺寸的同轴光源使用棱镜，因为棱镜可以制作成正方体形状，便于安装。较大尺寸的同轴光源则使用镜片，因为大型棱镜成本高且重量较大。从光学效果来看，棱镜的成像效果要优于镜片。