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在各种形式的干涉测量法中，双光束干涉测量法在原理和实践上特别简单和直接，因此被广泛应用。下面将主要参考为材料表面的形貌测量而设计的应用程序来详细描述该技术。
在高中物理中首先遇到的干涉现象是牛顿环当将具有大曲率半径的平凸透镜放在平板玻璃板上时，它们构成在接触点附近观察到的局部同心干涉条纹。这些干涉环首先由艾萨克·牛顿（Isaac Newton）研究。如几何光学中所假定的那样，不能仅通过将光视为由沿直线传播的光线组成来解释干涉现象。在牛顿之后，英国物理学家托马斯·扬从波光学的角度出发，将牛顿环解释为一种光干涉现象。就是说，光是具有波峰和波谷的波浪运动。如果波峰叠加在波峰上，而波谷叠加在波谷上，则波浪将相互增强，而波峰如果波谷叠加，则两者将相互抵消。
对应于光波的一个周期的距离，例如，在一个波峰与下一个波峰之间的距离，被称为一个波长，并且通常由λ表示。随着玻璃板和透镜表面之间的气隙增加一半波长，牛顿环会连续出现。因此，如果利用例如对应于红色和绿色的不同波长的入射光，则连续环之间的间隔对于红色光将比对于绿色宽。
图1（a）说明了一种在设备中形成的牛顿环，该设备允许在透镜的拉力作用下将凸透镜夹紧，使其与平板玻璃板接触。从图案中心的暗盘开始计数的干涉条纹的顺序由N表示（其中N = 0、1、2，...）。处理光学干涉时，请务必注意，光波会叠加在传播光的介质中（考虑到光学距离的干涉）。如果透镜和玻璃板之间的间隙处于真空或空气中，则介质的折射率（n）为1。另一方面，如果该间隙充满水，则n= 1.333，因此，遍历这种介质时，光速会降低。因此，有效地缩短了波长，并且减小了连续环之间的距离。相反，该关系可以用于测量介质的折射率。
如果光波的入射角用Φ和厚度表示，或者玻璃板和透镜之间的距离用t表示，则在满足以下条件时会出现干涉条纹：
Nλ= 2nt×cosΦ
在图1（a）所示的情况下，入射角等于零，cosΦ = 1（垂直入射总是如此），因此上述关系变为：
Nλ= 2nt，
重新排列为
t ＝ N / n×λ/ 2
因此，在真空或空气中，由于n = 1，该关系式变为：
t = N×λ/ 2
其中N = 1，2，3，....（任何正整数）。因此，每当间隙的厚度改变λ / 2（一半波长）时，就会出现干涉条纹（图1（b））。
再次参考图1（a），干涉条纹在设备的顶表面上像轮廓线一样出现，其间隔对应于半个波长的高度差。这等效于牛顿干涉条纹在物体表面上以半个波长的间隔形成的轮廓线。对于地图，海平面构成参考平面，而在干涉条纹的情况下，玻璃板用作参考平面。在光学干涉测量法中，此参考平面称为参考板（或参考镜）。可替代地，这种类型的干涉图案被称为“相等厚度的条纹”。
图1（c）说明了干涉条纹的间距与参考板（参考镜）和试样表面形成的气楔角度之间的关系。在这种情况下，根据上面的讨论，干涉条纹显然不是像牛顿环那样的圆形，而是形成直线。随着角度增加，干涉条纹之间的间隔减小。
图1（d）中的红色迹线绘制了用微光度计测量的图1（a）中牛顿环的干涉条纹的强度分布。在此示例中，分布显示宽轮廓线。在地形图中，轮廓线间隔越小，可以表示的细节越精细。类似地，干涉条纹的宽度控制着在表面不规则的干涉测量中可获得的精度。所示方法的缺点在于，样本必须与参考板（参考镜）接触放置。
图2（a）是通过牛顿环法检查的，边缘长度为0.8毫米的天然钻石的显微照片，如上图所示，用于与玻璃板接触的镜片。用波长为（λ）546纳米（绿色）），是通过多层滤光片获得的。使用这种简单的方法，可以在样本上看到半波长（273纳米）的轮廓线。由于可以从放大倍率或比例尺中立即知道水平距离，因此可以计算表面的倾斜角度。此外，可以获得在不同方向上切割钻石时将出现的横截面。由于使用了已知波长的光，因此可以非常高精度地测量高度。该金刚石表面的突起高12λ，或约6.5微米，经测量，该表面的倾斜度约为1度16分钟。
图2（b）显示了表面的微观结构，忽略了定量测量。如果图1（c）中所示的楔形角度接近零，则可以获得这种图像。如此小的楔角具有加宽零阶干涉条纹的效果，然后覆盖整个视场。如果将楔角减小到零，则晶体和参考板的表面将平行。扩大单个干涉以获得高对比度的这种方法被称为高分散方法，并且可以观察到小至2纳米的高度差。
高分散方法利用了这样一个事实，即单个干涉条纹实际上就气隙而言具有连续的强度分布，如图2（c）所示。对应于无穷小的高度差dt，单个干涉条纹内的强度变化dI，如图2（c）所示。通过利用dI / dt值较大的曲线部分，可以以高灵敏度观察详细的表面结构。而且，使用这种方法，不会出现在相差显微镜下看到的光晕，并且可以从任何方向以高对比度可视化整个表面。该方法的缺点是对机械振动极其敏感，因此很难在延长的时间内保持相同的对比度。
钻石（111）表面的蚀刻坑如图3（a）所示。。用氧化剂刻蚀后，通过两束干涉可以看到高分散条纹。该图像清楚地显示了两种类型的蚀刻坑-平底和点底。平坦的凹坑非常浅，深度约为波长（137纳米）的四分之一或更小。相反，从干涉条纹的数量计算，最深的点状凹坑大约深三个波长（1.64微米）。此外，晶体边缘上的干涉条纹（在图像的右上角）表明，晶体边缘已通过溶解作用而变圆了。此外，由于可以测量凹坑的侧面的长度，因此可以计算凹坑的梯度。最深凹坑的倾斜度，从顶点到中心，大约8度50分钟。因此，定量确定的凹坑的斜率实际上比偶然检查得出的要平缓得多。图3（a）展示了一个示例，其中可以通过单个显微照片完成观察和测量。
先前的例子已经说明了由晶体生长和溶解产生的表面微结构，该晶体通过两束干涉可视化。该方法也可用于研究物理破坏产生的断裂表面。图3（b）是由巨脉冲激光在钻石中产生的分裂平面的双光束干涉显微照片，该平面的两侧相匹配以进行比较。两侧不相同的事实表明，当切割晶体时，一些碎片（尽管很短）丢失了。图片左边缘的中心出现一个三角形的凹陷；这是激光束被透镜聚焦的地方。表面上的痕迹表明，光线瞬间穿过钻石，并在对面的壁上被部分反射。当反射发生时，在照片中央产生了凹陷。此外，可以确定在距反射表面约100微米的点处在晶体内引发了断裂。
所谓的断层照相术是通过光学或扫描电子显微镜检查断裂表面并根据观察到的图案分析断裂机理的实践。在图示的分析中，可以使用双光束干涉测量法来获得有关裂缝表面的地形不规则性和称为河流形态的类似河流形态的定量信息。
上述所有干涉图样都是通过以下方法产生的：将样品的表面放置在与基准盘几乎接触的位置。但是，对于对污染极其敏感的样品，例如半导体，或柔软且易于变形的样品，希望形成不接触的干涉图案。一种这样的方法依赖于使用具有几种变型的迈克尔逊型干涉。
迈克尔逊干涉的原理，如图4（a）所示，非常简单。设计的基本要素如下。由光源发出的光束被半反射镜（光束分离器）分成强度几乎相等的两束光束，其中一束光束被导向平坦的参考镜，另一束光束入射到样品表面。然后使这两个光束反射产生的光发生干涉。从观察口观察时，在参考镜的图像和样本表面的图像之间会发生干涉。由于被检体和参考镜反射的光波是由同一光源发出的光束的分裂而产生的，因此这些光是相互相干的，因此得到了两光束的干涉图案。物体插入分束器和参考镜之间的光路中，是与分束器组成和厚度相同的玻璃板。由于该板的存在，两个分开的光束在传播通过等效的光学距离（折射率与光学组件厚度的乘积）后到达观察口。请注意，在这种类型的干涉中，分束器和样品表面之间相隔一定距离。因此，获得了没有接触的干涉图案。分束器和样品表面相隔一定距离；因此，获得了没有接触的干涉图案。分束器和样品表面相隔一定距离；因此，获得了没有接触的干涉图案。
双光束干涉的功能是将最初的相干光分成相等强度的两束，将一束射到参考镜上，另一束射到样品上，然后测量得到的两束反射光之间的光程差（光程差）光波。为了实施该方法，已经设计出各种仪器类型，采用几种设备来分离光波并提供适当的光路。
由英国沃森公司制造的沃森干涉物镜是迈克尔逊干涉的紧凑型产品，设计用于安装在显微镜上。仪器的结构如图4（b）所示。通过将此图示与迈克尔逊原理的示意图（图4（a））进行比较，可以看出，在分束器附近插入了一个物镜，从而可以测量微小的样本。
在此干涉中，参考镜相对于光轴的倾斜度等于使用与样品表面不平行的参考板，从而产生气楔，如图1（c）所示。。参考镜相对于样品表面的倾斜度越大，干涉条纹之间的间距越窄。各个干涉条纹的方向与样本表面的平面与参考镜像的相交线的方向相同。向左或向右移动参考镜具有改变样品表面和镜像之间距离的作用。如果这两个表面是平行的，则形成高色散图案，并且如果参考镜象平面从样品平面移开半个波长的距离，则干涉条纹的各个阶数将改变一个。通过将波长的四分之一移动，可以将明亮的条纹转换为深色条纹，从而使图案反转，
Linnik干涉提供了另一种仪器变型，该干涉在干涉技术应用于观察微小细节的过程中利用了高倍物镜。所采用的原理是迈克尔逊干涉的原理。图4（c）展示了基本结构，包括光源，准直仪，分束棱镜，目镜，光学距离完全相同的均匀物镜，产生图像的样品表面和参考镜子，产生反射图像。由于难以制造均匀的物镜，因此仅销售了少量此类仪器。
所述Mirau干涉物镜是比较高的放大倍率（10倍，20倍或40倍）在由尼康公司生产的仪器中的干涉物镜。如图5（a）所示，该装置的原理依赖于在物镜的中央放置一个反射参考镜，并在物镜和样品之间插入一个半反射镜。这些组件的排列方式是，如果系统聚焦在样本上，则会出现干涉图样。如果样品倾斜，则会出现局部干涉条纹，如先前在双光束干涉测量法说明中所述。设计类别的特征是，可以使用该仪器执行非接触式测量。
图5（b）说明了尼康低倍干涉物镜的设计，这是一种新型物镜（用于TI公司最近开发的放大倍率分别为2.5倍和5倍的仪器。低倍物镜的使用有两个优点。首先，工作距离比较长（2.5倍物镜为11.1毫米，5倍物镜为9毫米）。其次，利用大景深可以观察到较宽的视野。该干涉物镜的突出特征是参考镜的中心位于物镜的光轴上。为了实现此功能，参考镜位于半球的平面上。镜子的角度通过半球后面的两个螺钉进行调节。可以通过在镜子前面插入挡光板来立即更改为常规的明场观察。
在使用中，因为参考镜的中心与光轴重合，所以干涉图案立即出现在视场的中心。当使用前面提到的Watson干涉或Mirau物镜时，在视场中心显示干涉图通常需要麻烦的操作，这往往会妨碍更广泛地使用干涉。另外，由于本发明的透镜适合于最大20的视场，并且实际视场的最大直径等于视场数除以放大倍数，因此直径最大为8的样本毫米（放大倍数为2.5倍）或4毫米（放大倍数为5倍）可以通过一次观测进行干涉测量。
如果在参考镜上刻有刻度，则可以方便地将刻度记录在显微照片或数字图像上。在Watson干涉中，干涉物镜需要特殊的照明，但是对于Nikon TI或Mirau仪器则不需要。相同的光路用于明场观察和干涉测量。
在前面的讨论中，参考常规的接触和非接触方法分类，描述了实用的两束干涉测量法的几个示例。但是，这两种方法之间的干涉条纹的性质实际上并没有本质上的区别，并且显然，任何一种方法都可以同时获得低扩展模式和高扩展模式。非接触方法显然具有广泛的适用性。在接触方法中，由于参考表面和样本被楔形气隙分开，所以干涉条纹的顺序从第零，第一和第二等开始以单向方式增加。另一方面，在非接触式方法中，参考镜和标本的图像之间的交点形成零阶条纹，在两边都出现一阶，二阶和更高阶的条纹。这种图案显示在图6（b）中，该图案是在不使用滤镜的情况下使用白光故意拍摄的，因此条纹的顺序易于区分。在视场中央可以看到零阶暗条纹，两侧是高阶条纹。如果观察到红色条纹，则条纹的顺序很容易识别（此处显示原始彩色图像的单色版本）。零阶条纹的右侧最多出现六个阶的红色条纹，而左侧则最多出现五个阶红色条纹。因此，条纹的顺序很容易区分。在视场中央可以看到零阶暗条纹，两侧是高阶条纹。如果观察到红色条纹，则条纹的顺序很容易识别（此处显示原始彩色图像的单色版本）。零阶条纹的右侧最多出现六个阶的红色条纹，而左侧则最多出现五个阶红色条纹。因此，条纹的顺序很容易区分。在场中心可以看到一个零阶暗条纹，两侧是高阶条纹。如果观察到红色条纹，则条纹的顺序很容易识别（此处显示原始彩色图像的单色版本）。零阶条纹的右侧最多出现六个阶的红色条纹，而左侧则出现多达五个阶的红色条纹。
如果用单色光拍摄该图案，则干涉图案将以几乎相同的对比度显示，但是条纹的连续性在水平的突然变化的位置处将变得模糊。因此，在任何类型的干涉测量中，应首先用白光确定条纹的连续性，以避免实质性误差。当使用具有窄半带宽的高等级干涉滤光片时，在单色光下识别干涉条纹的阶数特别困难。
通过创建更精细的干涉条纹，可以提高测量精度。以前，为此目的使用诸如低压钠灯的光源。但是，目前，由于可以使用干涉滤光片，因此通常将卤素灯与这些改进的滤光片组合使用。在这种情况下，应注意两点。首先，与使用钠光不同，最大透射波长通常会根据所使用的特定干涉滤光片而有所变化。因此，最重要的是确定滤光片的特征波长。其次，滤光片必须垂直于光轴插入，因为即使稍微倾斜也会导致向较短波长的偏移。
使用轮廓线测量垂直表面不规则度和形貌已在图2和3中进行了讨论和说明。这里，给出了一个示例，其中使用三个干涉条纹来测量这种不规则性。图7示出了剃刀刀片的边缘的微分干涉和双光束干涉显微照片（分别为图7（a）和7（b）），其允许确定机械加工表面的粗糙度。
在这种情况下，参考镜和样品之间的关系在原理上与图1（c）相似，其中，随着高度变化半个波长，干涉条纹会连续出现。假设对应于图7中深度为t的磨蚀凹槽，如图7（c）所示出现干涉条纹。如果显微照片放大，则可以测量D和L。使用这些值，可以根据以下公式计算深度t：
t ＝ D / L×λ/ 2。
图7所示的干涉条纹的间隔有些狭窄，这可能会使测量变得困难。在某些样品的研究中，可以改变干涉条纹的色散以增强表面特征的可视化。图8（a）至8（d）显示了磁铅石（六角形铁氧体）的螺旋形生长，六角形螺旋形的角度呈锯齿形。图8（b）中的色散很小，并且除了最厚的台阶以外，干涉条纹的变化不明显，但是，可以列举出条纹的阶数。
如果将色散增加到图8（c）的程度，则可以看到薄步和厚步的不规则特性。图像中心的条纹特别有趣。由于图案是由于螺旋形增长而产生的，因此条纹应沿相同方向均匀移动，但是在这里，各个条纹不仅呈直线形，而且显示出微小的横向振荡图案。这可以解释为表示图8（e）所示形式的横截面。。虚线表示的能级代表晶体生长后立即形成的螺旋台阶，连续的能级差约为1.2纳米。这是由于晶体经历了准二维溶解，从而导致了由图8（e）中的实心灰色区域表示的当前横截面，类似于经过一段时间的腐蚀之后，科罗拉多州高原上现在残留的脊。在当前情况下，脊的高度约为60纳米。当色散进一步增加时，如图8（d）所示，与测量相比，图像变得更适合定性观察。台阶清晰可见，尽管仅在干涉条纹已扩展的位置。另一方面，当通过明视野显微镜观察该样品时，仅最厚的台阶可视化，如图8（a）所示的相衬显微照片所示。
测量此类台阶时要注意的一点是，应调整干涉条纹，使其垂直于要测量的台阶，这有利于后续操作。此外，如果无法拍摄彩色照片，则应首先用白光观察样品，并确认干涉条纹的连续性，以利于后续测量。
当使用高色散时，单个干涉条纹会变得相对较宽，因此可以通过比较条纹本身的宽度来测量台阶。在这种情况下，亮条纹和暗条纹的宽度变得几乎相等，例如，如图8（c）所示。换句话说，单个宽干涉条纹本身代表了λ / 4的电平差。图8（f）中显示了单个干涉条纹的偏移，其中电平差位于中心。
在图2（a）和3（a）中出现了三角形的轮廓线，但从一开始就被解释为代表一种情况下的高程，而另一种情况下的低迷。然而，这种区别绝不是不言而喻的，并且仅基于晶体生长导致凸起而蚀刻导致凹陷的假设来确定。因此，显微学家面临如何感知凹陷与升高之间的绝对区别的问题。如果水平差相对较大，则可以通过调整物镜的焦点来区分，但如果水平差处于观察中所用光的波长的数量级，则无法做到这一点。但是，一种可能的方法是使用相衬显微镜。通过互换正负相位对比，可以反转出现在台阶高处的光环的对比度，从而可以明确区分高低。但是，实际上，即使没有相衬显微镜，也可以通过双光束干涉来实现。使用白光检查凸出物体的表面，干涉条纹从参考板（参考镜）附近到物体周围以增加的顺序排列。如参考从参考板（参考镜）附近到物体的周围，干涉条纹以增加的顺序排列。如参考从参考板（参考镜）附近到物体的周围，干涉条纹以增加的顺序排列。如参考如图6（b）所示，条纹的顺序可以根据它们的颜色布置来确定。相反，在凹形物体的情况下，条纹的顺序从外围向中心增大。即，在考虑到干涉条纹的颜色顺序和气隙的大小的同时进行测量就足够了。
电平差的测量极限取决于可定义干涉条纹的宽度（强度峰的裙边）的程度。如果可以执行低至条纹宽度1/10的测量，则测量极限应约为λ / 10或大约25纳米。
