光の干渉を用いてnmレベルの形状測定を行うのが光干渉測定です。

光は波としての性質を持っており、2つの波が重なり合った際に振幅が足し合わされ、強めあったり弱めあったりします。このような現象を光の干渉と呼んでいます。

二光束干渉対物レンズによって光路を2分割することで、2つのコヒーレント光が生じます。一方はサンプルで反射し他方は参照ミラーで反射しますが、再び重なり合うことで干渉縞が生じます。干渉計はこの干渉縞を解析することで表面の形状を測定しています。

通常の光学系には光源から検出器まで光路が1本しか存在しないため、互いに重なり合う光がなく、干渉縞は生じません。

二光束干渉対物レンズは、大別してミラウ型、マイケルソン型の2種類がありますが、どちらもビームスプリッターを用いて光路を分割しています（下図参照）。
分割される光の半分はビームスプリッターを通過して、光学顕微鏡と同じようにサンプルで反射され、もう一度ビームスプリッターを通過して検出器に向かいます。この光を試料光と呼びます。残りの半分の光は、ビームスプリッターで反射され、レンズ内の参照ミラーで再度反射されます。参照ミラーで反射された光は再度ビームスプリッターで反射され検出器に入ります。こちらの光を参照光と呼びます。干渉レンズはサンプルに焦点が合った際に試料光と参照光の光路長が等しくなるように設計されています。

干渉光学系において、サンプルに焦点が合っているとき、試料光と参照光の光路長が等しいため位相差が0となり、強め合う干渉を起こして最も明るくなります。光路差のついた試料光は参照光と位相差が発生し、位相差0の光と比較して弱まります。位相差180度の場合は打ち消しあって最も暗くなり、このような干渉による強め合いと弱めあいを位相差360度ごとに繰り返します。視野全体ではサンプルの凹凸に合わせて位相差が変化するため、それらが明暗の縞となって見えます。これを干渉縞と呼びます。

光干渉は使用波長の半分（数百nm）というごく短い高さ変化の中に明暗のコントラストが収まっているため、高さ変化に対して非常に敏感に輝度が増減します。利点として、対物レンズのNAに依存することなく、優れた高さ分解能を発揮します。コンフォーカル顕微鏡と比較して、広視野と高分解能を両立した測定が可能です。