Les mesures à la Méridienne consistaient en la détermination des positions des bords supérieurs et inférieurs de l'image du Soleil le long de la ligne graduée. A peu de choses près, on obtenait la position du centre du disque solaire par la demi-somme de ces deux relevés ; Il est impératif pour cela que la tâche lumineuse corresponde effectivement à l'image du Soleil, projetée sur un plan parfaitement horizontal.
Ceci n'est réalisé que si le diamètre du trou gnomonique est suffisamment petit. C'est le principe de la camera obscura - terminologie introduite par Kepler-, connue depuis l'Antiquité mais complètement expliquée par le grand astronome arabe ibn al-Haytham (965-1040). A partir du XVIe et jusqu'au XXVIIIe siècle, la camera obscura bénéficia d'un vif regain d'intérêt, non seulement auprès des astronomes, dans leurs observations du Soleil, mais également auprès des artistes tels que le peintre Johannes Vermeer (1632-1675) ; Faites le trou trop petit et les effets de la diffraction de la lumière se manifesteront en augmentant artificiellement et contre toute attente les dimensions de l'image solaire, faites le trou beaucoup plus grand et la tâche lumineuse ne sera que la section oblique du tube de lumière parallèle s'appuyant sur les contours du gnomon. Jean-Dominique Cassini, avant d'être invité par Colbert à venir diriger l'Observatoire de Paris en 1667, avait déterminé à Bologne - en l'église San Petronio où il construisit en 1655 avec acribie une méridienne deux fois plus grande que celle de Paris - la valeur optimale que devait avoir le diamètre du gnomon. Il le faisait égal à la millième partie de sa hauteur (dans le courant du XIXe siècle, diverses formules furent proposées pour dimensionner au mieux le diamètre du gnomon ; appliquées au cas de la méridienne de Cassini, elles donnent une valeur optimale de 6,6mm pour obtenir une image nette en bout de ligne, assez proche de celle donnée par la règle de Cassini).
A Paris, au solstice d'été, vers le 21 juin, le soleil est dans le signe de l'écrevisse (actuellement dénommé le cancer) et culmine à une hauteur de 64.6° tandis qu'au solstice d'hiver (21 décembre), il se retrouve dans le signe du capricorne et sa hauteur méridienne ne sera plus que de 17.8°. Aux équinoxes, autour des 21 mars et 21 septembre, l'angle zénithal du Soleil à midi sera égal à la latitude du lieu (48°50'). La longueur de l'image varie entre 11cm en été et 1m en hiver. L'image du Soleil met un peu plus de 2 minutes pour traverser la ligne méridienne.
