本发明公开基于弱测量理论的超高精度光学元件表面轮廓仪，包括光源发生器、前选择系统、测量系统、后选择系统，光源发生器，用于产生测量用的光束；前选择系统，用于获取光束的前选择态；测量系统，用于对光学元件表面粗糙度进行检测；后选择系统，用于获取光束的后选择态；光源发生器与前选择系统连接，前选择系统与后选择系统之间依次设置有相位调制模块和分光装置，后选择系统的输出端与相位调制模块连接。本发明使用差分探测调制弱测量，借助线性弱值放大区域，提高了光学元件表面轮廓仪测量精度，并且将测量结果作为反馈信息实时调制后选择态，在保持较高的测量灵敏度的同时，拓宽轮廓仪测量范围。