合像水平仪是利用棱镜将水准备器中的气泡像合像，放大来提高瞄准读数的精确度。合像水平仪的水准器气泡主要起对零作用。避免了水准泡的刻线误差。水准泡的分度值为0.1mm/m,经机构放大使仪器具有0.01mm/m的分度值。这是因为测微螺杆螺距为0.5mm，刻度盘的分划为100等分，所以刻度盘转动1分度时，测微螺杆移动量为0.005mm，通过5：1的杠杆机构，则杠杆短臂使水准器浮动端移动0.001mm，由于水准器的固定支点至浮动端距离为100mm，则水准器气泡倾斜角为0.001/100（rad）,即刻度盘分度值为0.01mm/m，这样仪器保持了0.1mm/m水准泡的稳定性，又提高了读数准确度。又因为水准器的玻璃管表面不刻度，玻璃管的曲率半径可以减小，从而缩短了气泡的稳定时间。
由于合像水平仪采用光学放大，并以双像重合来提高对准精度，改善了使用效果。
合像水平仪利用杠杆，测微螺杆这一套传动机构来提高读数的灵敏度。当主水准器倾斜0.1mm/m时，气泡移动量为2mm，水准器固定支点至活动端距离约为100mm，当水准器活动端升降0.001mm时，水准器气泡移动量为0.2mm。由于气泡两端是经棱镜多次反射成本像，又经目镜放大2-3倍，所以当刻度盘转过一个分度时，在观察窗中见到的像移动0.8mm左右，因此很容易地鉴别由水平仪微小倾角所引起的两圆孤顶点的偏离量。又因水泡两端像是各移动一半趋向重合，从而提高了合像时的对准精度。这就是说，水平仪倾斜一个分度值，在读数目镜中已看出气泡的半个像有显著的变化，从而使仪器灵敏度高，读数分辨率高。
合像水平仪的分度值一般为0.01mm/m，由于采用螺旋副调节装置，水准器始终处于水平位置，水泡仪起指零作用。仪器测量范围可达±5mm/m±10mm/m.