本发明公开了一种基于椭偏仪的光学薄膜热膨胀系数测量装置及其测量方法，该测量装置包括椭偏仪、样品夹具组件、红外加热灯、热电偶组件、计算机。本发明光学薄膜热膨胀系数测量装置利用椭偏仪对光学薄膜厚度的精确测量，测量光学薄膜加温后的纳米级的变化，使测量微米级光学薄膜样品的热膨胀系数得以实现。本发明针对传统的材料热膨胀系数的测量方法不可测量纳米级位移的缺陷，设计出一种利用椭偏仪测量微小位移的实验装置。其操作简单，调节方便，可测量微米级样品的热膨胀系数，进而满足光学薄膜对微小尺寸的测试需求。