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显微镜中图像的形成依赖于两种关键光学现象之间复杂的相互作用：衍射和干涉。穿过样品的光被样品中存在的微小细节和特征散射并衍射成发散波。样品散射的一些发散光被物镜捕获并聚焦到中间图像平面上，在中间图像平面上，叠加的光波通过干涉过程重新组合或相加，以产生样品的放大图像。
衍射和干涉之间看似密切的关系之所以发生，是因为它们实际上是同一物理过程的表现，并产生表面上的相互影响。我们大多数人几乎每天都会观察到某种类型的光学干涉，但通常没有意识到光波相互干扰时产生的千变万化的颜色显示背后的事件。干涉的最好例子之一是从漂浮在水面上的油膜反射的光。另一个例子是肥皂泡的薄膜（如图1所示），当被自然或人造光源照射时，它会反射出一系列美丽的色彩。
肥皂泡中颜色的动态相互作用源于极薄肥皂膜内外表面的光同时反射。两个表面都非常靠近在一起（由只有几微米分隔）和光反射的从内表面干涉建设性和破坏性地与光从外表面反射。观察到干涉效应是因为从气泡内表面反射的光必须比从外表面反射的光传播得更远，并且肥皂膜厚度的变化会导致光波到达我们眼睛必须传播的距离的相应差异。
当肥皂膜内外表面反射的波重新结合时，它们会相互干扰，通过相消或相长干涉消除或增强某些波长的白光（如图 2 所示））。结果是令人眼花缭乱的颜色显示，当气泡随着风流膨胀和收缩时，它似乎沿着气泡表面旋转。简单地转动肥皂泡，或将其移近或移远，都会导致颜色发生变化，甚至完全消失。如果从内表面反射的光波传播的额外距离恰好等于从外表面反弹的光波的波长，那么光波将建设性地重新组合以形成明亮的颜色。在波彼此不同步的区域，即使是波长的一小部分，也会开始发生相消干涉效应，衰减或抵消反射光（和颜色）。
音乐、电影和计算机爱好者每次将光盘装入音频播放器或 CD-ROM 驱动器时，也会受到干扰现象的影响。紧凑型或数字视盘上的紧密间隔的螺旋轨道包含一系列凹坑和平台，用于对盘上包含的音频和/或视频序列的数字轮廓进行编码。当普通白光从表面反射时，这些轨道的非常紧密的间距模仿了衍射光栅上存在的超细线，以产生壮观的彩虹般的色彩效果。与肥皂泡一样，颜色源自从磁盘上相邻轨道反弹的反射光波之间的干涉。
干扰是蜂鸟、各种甲虫和其他翅膀具有金属光泽的昆虫以及几种华丽的蝴蝶所显示出的通常明亮的彩虹色的原因。例如，金刚石甲虫的翅膀上覆盖着每英寸大约有 2,000 条线的微观交叉衍射光栅。从甲虫的翅膀反射的白光会产生令人惊叹的干涉图案光谱显示，类似于来自光盘表面的干涉图案。龟甲虫产生了类似的效果，它的翅膀外壳由多层几丁质层组成，在反射光下呈现彩虹色。有趣的是，这种昆虫可以改变薄膜的水分含量以产生厚度变化，
另一个自然发生干扰的壮观例子，Morpho didius蝴蝶在亚马逊雨林中茁壮成长，展现了昆虫世界中最美丽的彩虹色之一。强烈的蓝色翅膀颜色是产生颜色的结构固定在蝴蝶翅膀上的鳞片上的结果。每个鳞片由两片极薄的薄片组成，上下两片，由垂直杆隔开的空隙隔开。薄片支撑着一个更小的圣诞树状山脊网络，其中包含从中央茎横向突出的板或树枝。脊上的板由几丁质薄层产生，这些薄层被空气空间隔开，距离等于蓝光波长的二分之一，模拟了天然的衍射光栅。脊已经以正确的间隔间隔演变，以便从板反射的光波经历相长干涉和相消干涉。结果是几乎覆盖整个机翼结构的深彩虹蓝色，尽管实际上没有蓝光从机翼鳞片反射。
描述干涉的经典方法包括在幅度、波长和相对相位移图中描绘两个或多个正弦光波的图形重组的演示文稿（参见图 4）。实际上，当两个波加在一起时，产生的波的振幅值要么通过相长干涉增加，要么通过相消干涉减小。为了说明这种效果，请考虑来自同一光源的一对光波，它们是相干的（具有相同的相位关系）并一起平行传播（如图 4的左侧所示）。
如果每个波的电场矢量（垂直于传播方向）产生的振动彼此平行（实际上，矢量在同一平面内振动），那么光波可能会合并并发生干涉。如果矢量不在同一平面上，并且彼此之间以 90 到 180 度之间的某个角度振动，则波不会相互干扰。图 4中所示的光波都被认为具有在页面平面中振动的电场矢量。此外，这些波都具有相同的波长，并且是相干的，但在振幅方面有所不同。图 4右侧的波彼此之间具有 180 度的相移。
假设满足上面列出的所有标准，则波可以相长或相消干涉以产生振幅增加或减小的合成波。如果其中一个波的波峰与另一个波的波峰重合，则振幅由两个原始波的振幅的算术和确定。例如，如果两个波的幅度相等，则合成幅度加倍。在图 4 中，光波A可以与光波B 相长干涉，因为两个相干波同相，仅在相对幅度上不同。请记住，光强度直接随振幅的平方而变化。因此，如果幅度加倍，强度将增加四倍。这种加性干涉称为相长干涉，并导致振幅增加的新波。
如果一个波的波峰与另一个波的波谷重合（实际上，波是 180 度，或半个波长，彼此异相），合成的振幅会减小，甚至可能完全抵消，如图 4右侧的浪A和浪C所示。这称为破坏性干扰，通常会导致幅度（或强度）降低。在振幅相等但相位相差 180 度的情况下，波会相互消除以产生完全无色或完全黑色。图 4 中显示的所有示例描绘沿同一方向传播的波，但在许多情况下，沿不同方向传播的光波可以短暂相遇并发生干涉。然而，在波彼此通过后，它们将恢复原来的航向，具有与相遇前相同的幅度、波长和相位。
现实世界的干扰现象并不像图 4中描述的简单情况那样明确定义。例如，肥皂泡表现出的大光谱颜色是由振幅、波长和相对相位位移变化的光波的相长干涉和相消干涉造成的。振幅大致相等但波长和相位不同的波的组合可以产生宽光谱的合成颜色和振幅。此外，当两个振幅和波长相等、相位相差 180 度（半个波长）的波相遇时，它们实际上并没有被破坏，如图 4 所示.根据能量守恒定律（光子不能自我湮灭），这些波中存在的所有光子能量必须以某种方式恢复或重新分配到新的方向。相反，在相遇时，光子被重新分配到允许相长干涉的区域，因此该效应应被视为光波和光子能量的重新分配，而不是光的自发构建或破坏。因此，简单的图表，例如图 4中所示的图表，应仅被视为有助于计算沿特定方向传播的光能的工具。
早期物理学的先驱之一是 19 世纪英国科学家 Thomas Young，他使用衍射技术通过干涉现象令人信服地证明了光的波状特性。杨的实验提供了与当时流行的科学观点形成对比的证据，后者基于牛顿关于光性质的微粒（粒子）理论。此外，他还得出结论，不同颜色的光是由不同长度的波组成的，任何颜色都可以通过将三种基色（红、绿、蓝）的不同数量的光混合在一起来获得。
1801 年，杨进行了一项经典且经常被引用的双缝实验，提供了可见光具有波状特性的重要证据。他的实验基于这样一个假设：如果光本质上是波浪状的，那么它的行为方式应该类似于水池中的涟漪或波浪。当两个相反的水波相遇时，它们应该以特定的方式做出反应，以相互加强或摧毁对方。如果两个波浪同步（波峰相遇），那么它们应该合并形成一个更大的波浪。相比之下，当两个不同步的波浪相遇（一个波峰与另一个波谷相遇）时，波应该抵消并在该区域产生一个平坦的表面。
为了验证他的假设，杨设计了一个巧妙的实验。使用通过小狭缝衍射的阳光作为半相干照明源，他将从狭缝发出的光线投射到另一个屏幕上，该屏幕包含两个并排放置的狭缝。然后让穿过狭缝的光落到第三个屏幕（检测器）上。Young 观察到，当狭缝很大、间隔很远且靠近检测屏幕时，屏幕上会形成两个重叠的光斑。然而，当他减小狭缝的尺寸并将它们靠得更近时，穿过狭缝进入屏幕的光线会产生不同的色带，这些色带由暗区按顺序分隔开。杨创造了术语干涉条纹 来描述这些带并意识到只有当光像波一样起作用时才能产生这些有色带。
双缝实验的基本设置如图5所示. 来自太阳光的红色过滤光首先通过狭缝以达到半相干状态。然后使离开第一狭缝的光波入射到位于第二屏障上并靠在一起的一对狭缝上。检测器屏幕放置在狭缝后面的区域，以捕获穿过双狭缝的重叠光线，屏幕上可以看到亮红色和暗色干涉带的图案。这类实验的关键是从屏障处的两个狭缝衍射的光的相互相干性。尽管杨通过来自第一个狭缝的太阳光的衍射实现了这种相干性，但任何相干光源（例如激光）都可以替代穿过单个狭缝的光。
撞击双缝的光的相干波前被分成两个完全同步的新波前。来自每个狭缝的光波必须行进相等的距离才能到达图 5所示屏幕上的A点，并且应该仍以步进方式或以相同的相位位移到达该点。因为到达A点的两波波具有相长干涉的必要条件，所以它们相加在屏幕上会产生鲜红色的干涉条纹。
相比之下，屏幕上的B点与两条狭缝的距离都不是等距的，因此光从一个狭缝到达B点的距离必须比从另一个狭缝传播的距离大。从靠近B点的狭缝发出的波（以图 5左侧的狭缝和B点为例）不需要像从另一个狭缝传播的波那样远到达目的地. 因此，来自最近狭缝的波应该比来自最远狭缝的波稍微提前到达点B。因为这些波不会到达B点同相（或彼此同步），它们会发生相消干涉，在屏幕上产生暗区（干涉条纹）。干涉条纹图案不限于具有双缝结构的实验，而是可以由任何导致光分裂成可以抵消或加在一起的波的事件产生。
杨的实验的成功有力地证明了波动理论的支持，但并没有立即被同行接受。诸如在肥皂泡中观察到的彩虹色和牛顿环（将在下面讨论）等现象背后的事件，虽然通过这项工作进行了解释，但对于那些坚信光以粒子流形式传播的科学家来说并不是很明显. 后来设计并进行了其他类型的实验来证明光和干涉效应的波状性质。最著名的是汉弗莱劳埃德的单镜实验，以及奥古斯丁菲涅尔为单轴双折射晶体中的偏振光设计的双镜和双棱镜实验。菲涅耳得出结论，偏振光束之间的干涉只能通过具有相同偏振方向的光束来获得。实际上，振动方向彼此平行的偏振光波可以结合产生干涉，而垂直的偏振光波不会干涉。
艾萨克·牛顿爵士是 17 世纪著名的英国数学家和物理学家，是最早研究干涉现象的科学家之一。他很好奇肥皂泡表面的绚丽色彩是如何产生的，尤其是考虑到这些肥皂泡是由无色液体肥皂溶液组成的。牛顿正确地推测颜色可能归因于气泡内外表面的接近，并设计了一种旨在模拟观察到的彩色图案的实验方法。在他著名的牛顿环实验中（见图 6)，牛顿将一个曲率半径大的凸透镜放在平板玻璃板上，并通过黄铜框架施加压力将透镜和玻璃板固定在一起，但仍然被一个充满空气且尺寸相同的非常薄的空隙隔开可见光。当他通过反射的阳光观察这些板块时，他观察到一系列具有浅色和深色区域的同心带。
戒指的有序排列让牛顿感到惊讶。在接触点的中心附近，这些环更大，并且具有从黑色开始的有序颜色图案，然后逐渐过渡到微弱的蓝色、白色、橙色、红色、紫色、蓝色、绿色和黄色。这些带子的强度更大，中央更厚，向外发展时变得更细，最后在黄铜框架的边缘变细。牛顿还发现，如果他用红光照射玻璃，颜色会发生变化，从而产生交替的红黑线。以类似的方式，蓝光产生蓝色和黑色的环，而绿光产生绿色和黑色的环。此外，牛顿发现环之间的间距取决于颜色。蓝环比绿环靠得更近，
牛顿认识到这些环表明存在某种程度的周期性，但对实验结果感到困惑。事实上，环形成的物理基础成为一个谜，在牛顿死后持续了 75 年以上。直到 Young 进行双缝实验，科学家们才意识到从玻璃顶面和底面反射的光会叠加或组合，并产生干涉图案，这些图案显示为彩色环。今天，这个原理经常被镜片制造商用来测试大抛光表面的均匀性。
干涉分布条纹（例如在杨氏双缝实验或牛顿环装置中观察到的条纹）出现在均匀背景上时，强度会发生变化。强度的可见性 ( V ) 由 20 世纪早期的物理学家阿尔伯特·迈克尔逊 (Albert Michelson) 定义为条纹的最大和最小强度之差除以它们的总和：
能见度 (V) = (I(max) - I(min))/(I(max) + I(min))
其中I(max)表示测量的最大强度，I(min)是相应的最小强度。在这个方程中，理想化的条纹强度总是介于 0 和 1 之间，但实际上条纹可见度取决于实验的几何设计和所使用的光谱范围。
荧光显微镜的爆炸性兴趣，单独使用经典的宽场观察或与扫描共聚焦和多光子激光技术相结合，导致了新的过滤技术的快速发展，旨在使显微镜能够选择性地激发荧光团并以最少的时间观察它们的二次荧光的背景噪音。对于这些应用，具有多个介电材料薄涂层的滤光片，通常称为干涉滤光片，已成为波长选择的首选机制。
通常，干涉滤光片由涂有电介质材料的平面光学玻璃构成，层厚为二分之一或四分之一波长，通过建设性和破坏性的组合选择性地阻止和/或增强特定波段的传输。干扰（如图 7 所示）。滤光片设计用于传输有限范围的波长，这些波长通过传输和反射光波之间的相长干涉得到增强。过滤器未选择的波长不会相互增强，并且会被相消干涉去除或从过滤器反射离开。
通常用于干涉滤光片的介电材料是不导电的金属盐和具有特定折射率值的真金属。硫化锌、氟化铝钠和氟化镁等盐以及铝等金属是设计和建造此类过滤器的几种选择材料。干涉滤光片，很像虹彩昆虫中薄薄的几丁质结构或上面讨论的肥皂薄膜，依靠两种不同折射率的非常薄的介电材料之间的界面存在的物理特性来反射、传输和促进入射光之间的干涉波浪。波长选择取决于用于构建滤波器的薄层涂层的介电厚度和折射率。
干涉滤光片上的涂层是在称为腔的单元中制造的，每个腔包含四或五个交替的介电盐层，通过间隔层与其他腔隔开。腔体的数量决定了波长选择的整体精度。通过增加腔体的数量可以显着提高滤波器性能和波长选择，例如当前具有多达 10-15 个腔体并能够产生单一波长带宽的高性能滤波器。这些极具选择性的过滤器刺激了对新荧光团染料的研究，并极大地促进了对流行的生物活性绿色荧光蛋白 (GFP)突变变体的搜索。
Dennis Gabor 在 1940 年代后期概述了干涉全息图背后的原理和理论，但他缺乏产生这些伪 3D 图像所需的复杂相干激光源。激光出现在 1960 年，两年后，密歇根大学的研究生 Juris Upatnieks 和 Emmet Leith 成功制作了第一个全息图。全息图本质上是用两组相干光波制成的照片记录。一组波被正在成像的物体反射到摄影胶片上（类似于传统摄影中采用的机制），而另一组波到达胶片而不从物体反射或穿过物体。当两组激光波终于在胶片平面相遇时，
在反射全息图中，参考激光束和物体照明激光束（通常使用氦氖激光用于此任务）从相对的两侧反射到厚膜上。这些光束干涉产生明暗区域，它们相互作用以产生看起来是三维的图像。反射全息图越来越多地用作驾驶执照、信用卡和身份证上的身份标记，以防止伪造。通常，它们显示使用三基色激光产生的徽标、标识号或特定图像的彩色图像。每个激光都会产生独特的干涉图案，这些图案叠加在一起形成最终图像。因为它们几乎无法复制，所以反射全息图是有价值的安全设备。
透射全息图使用薄膜同一侧的参考光束和物体照明光束来产生类似于反射全息图的效果（图 8）。一组激光波用于照亮被成像的物体，它以类似于普通照明的方式反射和散射这些波。此外，在平行于全息薄膜平面的方向上施加偏振参考激光束。散射（反射）光波与参考波同时到达胶片乳剂，在那里它们干涉以从条纹图案创建图像。透射全息图有多种应用，但最有趣的应用之一是平视显示器飞行员使用。在传统的飞机驾驶舱中，飞行员必须不断地将注意力转移到窗户和控制面板之间。通过全息显示器，飞机控制装置的 3D 透射全息图被反射到靠近飞行员眼睛的圆盘上，因此飞行员可以同时看到控制装置和地平线。
除了肥皂泡、美丽的彩虹色昆虫和上面讨论的许多其他例子之外，可见光干涉现象在自然界中非常频繁地发生，并且经常在广泛的应用中为人类所利用。例如，在鲍鱼壳内部观察到的彩虹般的色谱（图 9）是由称为珍珠层或珍珠母的坚硬矿物的非常薄的层产生的. 从连续层反射的光经历干涉以产生颜色显示，其方式类似于从几种甲虫昆虫外骨骼上的多层几丁质观察到的颜色。同样，由于多层厚度不同，一些鱼身上的银色鳞片会产生彩色干涉图案。
孔雀羽毛的虹彩眼睛是另一个干扰行动的例子（图9）。由蛋白质黑色素组成的微小杆状结构有序排列，从不同角度观察时会产生独特的干涉色。在矿物世界中，彩虹色蛋白石由堆叠成规则层的微小硅酸盐球体组成。每个球体反射入射光，与相邻球体的反射光发生干涉，从而产生精致的颜色阵列，随着宝石的转动而变化。
干涉效应的重要且非常有用的应用是使用精密激光仪器进行长距离测量。激光系统可用于在数英里的范围内测量非常小的距离，这项任务是通过将激光束分开并从非常靠近的相邻表面反射回来来完成的。在重新组合分离的激光束后，对产生的干涉条纹的分析将产生对两个表面之间距离的非常准确的计算。这种技术也常用于激光制导系统，用于控制有人和无人驾驶飞机、火箭和炸弹的飞行路径。
干扰也发生在其他介质中，例如声波（在空气中）和在站立的水池中引起的涟漪或波浪。使用一个装满水的水槽和两个弹珠，在家里就可以进行非常简洁和容易的干涉实验。首先，让水变得非常静止，然后同时将弹珠从约一英尺的高度放入水中（相距约 10-14 英寸）。就像光波一样，两个弹珠会在水中产生一系列向各个方向发出的波浪。在弹珠进入水中的点之间的区域形成的波浪最终会发生碰撞。在它们同步碰撞的地方，它们将建设性地叠加在一起以形成更大的波浪，而在它们不同步的地方，它们将破坏性地相互抵消。
干扰以多种方式影响我们在日常生活中看到的事物。非常靠近的光波之间的相互作用经常发生，以至于这种现象经常被忽视并被认为是理所当然的。然而，从它对图像形成物理学的基本贡献和无数耸人听闻的昆虫伪装，到大气中光晕和日冕的美丽色彩图案，光波的干涉有助于为我们周围的世界带来色彩。
