多波段椭偏仪是一种用于检测薄膜厚度，光学常数和材料微观结构的光学测量仪器。由于其高测量精度，它适用于超薄膜，不接触样品，不会损坏样品而不需要真空，使多波段椭偏仪成为一种吸引力较强的测量仪器。
已知入射光的偏振态，偏振光在样品表面被反射，测量得到反射光偏振态（幅度和相位），计算或拟合出材料的属性。
入射光束的电场可以在两个垂直平面上分解为矢量元。P平面包含入射光和出射光，s平面则是与这个平面垂直。类似的，反射光或透射光是典型的椭圆偏振光，因此仪器被称为多波段椭偏仪。关于偏振光的详细描述可以参考其他文献。在物理学上，偏振态的变化可以用复数ρ来表示：其中，ψ和∆分别描述反射光p波与s波振幅衰减比和相位差。P平面和s平面上的Fresnel反射系数分别用复函数rp和rs来表示。rp和rs的数学表达式可以用Maxwell方程在不同材料边界上的电磁辐射推到得到。每层介质的折射率可以用复函数表示；
其中ϕ0是入射角，ϕ1是折射角。入射角为入射光束和待研究表面法线的夹角。通常多波段椭偏仪的入射角范围是45°到90°。这样在探测材料属性时可以提供很好的灵敏度。
通常n称为折射率，k称为消光系数。这两个系数用来描述入射光如何与材料相互作用。它们被称为光学常数。实际上，尽管这个值是随着波长、温度等参数变化而变化的。当待测样品周围介质是空气或真空的时候，N0的值通常取1.000。
通常多波段椭偏仪测量作为波长和入射角函数的ρ的值（经常以ψ和∆或相关的量表示）。一次测量完成以后，所得的数据用来分析得到光学常数，膜层厚度，以及其他感兴趣的参数值。
可以用一个模型（model）来描述测量的样品，这个模型包含了每个材料的多个平面，包括基底。在测量的光谱范围内，用厚度和光学常数(n和k)来描述每一个层，对未知的参数先做一个初始假定。很简单的模型是一个均匀的大块固体，表面没有粗糙和氧化。
但实际应用中大多数材料都是粗糙或有氧化的表面，因此上述函数式常常不能应用。
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