Instrumentene som brukes i dobbeltstrålemikroskopi brukes først og fremst til å måle overflateruhet. Den kan også brukes til å måle tykkelsen på gjennomsiktige og gjennomskinnelige overlegg, spesielt anodiserte filmer på aluminium.
Instrumentet fungerer ved å belyse en stråle i en 45 graders innfallsvinkel på overflaten av overlegget, og en del av strålen reflekteres tilbake fra overflaten av overlegget. En annen del trenger gjennom dekselet og reflekteres tilbake fra grensesnittet mellom deksel og substrat. To separate bilder kan sees fra mikroskopokularet, avstanden er proporsjonal med tykkelsen på overlegget, og avstanden kan måles ved å justere skalakontrollknappen.
Denne metoden kan bare brukes når nok lys reflekteres tilbake ved belegg-substrat-grensesnittet for å få et klart bilde i mikroskopet.
For transparente eller gjennomskinnelige overlegg, for eksempel anodiserte filmer, er metoden ikke-destruktiv. For å måle tykkelsen på det ugjennomsiktige dekklaget må en liten del av dekklaget fjernes, slik at det dannes et trinn som kan bryte lysstrålen mellom overflaten av dekklaget og underlaget, slik at den absolutte verdien av tykkelsen på dekklaget kan måles. I dette tilfellet er metoden en destruktiv testmetode.
Målefeilen ved tostrålemikroskopi er vanligvis mindre enn 10 prosent.
