在實際套用中，儘管光學計量儀器多種多樣，但它們的光學原理卻都基於四種基本原理，它們是：望遠光學原理、顯微光學原理、投影光學原理、干涉光學原理。
基於套用不同的光學原理，光學計量儀器可分為：自準直類光學計量儀器、顯微鏡類光學計量儀器、投影類光學計量儀器、光干涉類光學計量儀器四大類。
望遠系統主要性能是視角放大率，在觀察時用來擴大眼睛對遠處物體的視角，用以觀察物體。在測量時常被用來產生平行光以進行各種用途的測量，套用此原理的光學計量儀器有：自準直光管、測角儀、立(臥)式光學計等。
顯微系統的主要性能是較高的放大率。它與放大鏡相比，有較高的放大率和分辨本領。可清楚地觀察和分辨微小物體和物體的細小部位。套用此原理的光學計量儀器有：工具顯微鏡、光學分度頭、測長儀、測長機、雙管顯微鏡等；
投影系統的主要性能：是較高的、準確的橫向放大率。
被測量的形狀複雜、細小的物體或物體表面缺陷等經強投射光或強反射光照射，再經投影物鏡放大成像在影屏上後進行測量。套用此原理的光學計量儀器有：大、中、小型投影儀、專用的公差帶投影儀等。
光干涉系統主要性能是有很高的檢測精度。它是以光波波長作：“尺子”，實現了對表面粗糙度、長度微小變化等幾何量的高精度測量。套用此原理的光學計量儀器有平面平晶等厚干涉儀、接觸式干涉儀、干涉顯微鏡等。
