各种微小自由曲面由于其具有很高的设计自由度,从而能有效地缩小光学系统体积、提高系统性能,在照明、红外探测和成像等光学系统中得到了广泛的应用。随着复杂微小元件的广泛应用,其对显微面形检测技术可实现的动态范围提出了更高的要求。光学偏折术具有系统成本低、测量过程简单、测量精度高与可实现大动态范围测量等优点,其为微小自由曲面等小尺寸复杂曲面面形检测提供了一种研究方向。本文提出了基于光学偏折的显微面形大动态范围检测系统及方法,可用于具有大动态范围的微小元件面形检测。主要研究内容包括:陈述了大动态范围的高精度显微面形检测技术在实现小尺寸复杂曲面高精度面形检测和推动现代光学系统小体积化发展中的重要意义。结合显微面形检测技术的国内外研究现状,本文提出了一种具有大动态范围显微面形检测系统。分析了提出的基于光学偏折的显微面形检测系统测量原理,构建显微面形仿真模型,并仿真验证其可行性。分析了器件的选型依据,计算得到搭建的显微面形检测系统的测量斜率动态范围为亚弧度,斜率分辨率小于0.05 mrad,纵向分辨率为0.04 nm,具有高测量精度、高横向分辨率和大动态范围。对投影屏出射光波长进行标定;对灰度响应非线性进行标定,并通过查表法进行校正;通过分析投影屏亮度对图像信噪比的影响,确定投影屏亮度参数;对相机内外参数进行标定并完成畸变校正。依据器件选型及结构参数分析结果,搭建了基于光学偏折的显微面形检测系统,并对平面镜粗糙度进行检测,与Wyko白光干涉仪的测量结果进行对比,两者测得结果的RMS偏差为0.0006μm。对平面镜粗糙度进行多次连续实验,得到测得结果的标准差分布,其算术平均值为0.0015μm。实验验证本文所提出的显微面形检测方法的可行性和重复性。对斜率范围较大的元件进行面形检测,实验验证所提出的显微面形检测方法具有大动态范围。