在光学设计中，单个球面可以供优化的自由度只有曲率半径；而非球面除了顶点曲率半径之外，还有二次曲面常数和高阶项系数。由于非球面比球面拥有更多设计自由度，所以在高NA投影光刻物镜中，都普遍采用非球面元件来减小系统的复杂度，并提高系统的成像质量。虽然非球面有优良的光学性质，但是非球面检测，特别是超高精度非球面面形检测，一直是光学检测领域的一个难题，也是制约非球面元件应用的关键因素。对于非球面偏离度较小的非球面，可以采用环带拼接法或子孔径拼接法进行检测，但检测精度往往受制于机械定位误差和干涉仪的非共光路误差。如果非球面是二次曲面，也可以采用无像差点法进行检测，但往往会引入中心遮拦；而高次非球面，则采用零位补偿法进行检测。对于高NA投影光刻物镜而言，非球面度往往比较大，并且对面形精度要求极为苛刻(RMS为亚纳米量级)，对于如此高精度的非球面，一般只能采用零位补偿法进行检测。针对高NA投影光刻物镜对超高精度非球面面形检测的需要，本论文以计算全息图(Computer-Generated Hologram, CGH)和补偿镜为零位补偿器，主要开展了以下研究内容：1、高精度CGH设计。分析了CGH的工作原理、工作模式和衍射效率，给出了CGH相位和空间频率的计算方法；针对高NA投影光刻物镜中的一高次偶次非球面，详细论述了零位补偿CGH和辅助调节CGH的设计方法，并重点分析了衍射鬼像的产生机理和剔除方法；基于Matlab软件平台，利用论文所论述的方法，编写了CGH设计软件，利用该软件实现对光刻物镜中的非球面所需CGH的设计。2、用CGH对非球面检测的误差分析及标定方法。系统分析了CGH的基底误差、CGH的刻蚀误差、CGH和非球面的调节误差、CGH的成像畸变和温度压强波动等对非球面检测精度的影响；针对CGH基底误差，给出了基底的标定方法；针对CGH的成像畸变，建立了畸变校正模型，并实现了对CGH成像畸变的高精度校正；针对CGH和非球面的调节误差(球差和彗差)，提出了误差控制的方法；采用非线性最小二乘算法，在测量非球面面形的同时，也实现了对非球面顶点曲率半径的高精度测量。同时，考虑到整个系统的轴对称性，采用多角度平均的方法，实现了对非球面旋转非对称面形的绝对标定，进一步提高了非球面的检测精度。3、高精度补偿镜的设计及公差分配。论文提出采用平行光入射的补偿镜设计方案，与其他设计方法相比，该设计方案便于调节(不用调节补偿镜的轴向距离和偏心)，避免了补偿镜的调节误差对非球面测量精度的影响。另外，由于在光学加工和装配过程中采用了“光学复算”的方法，在满足非球面检测精度的情况下，使补偿镜的曲率半径加工公差、中心厚加工公差和透镜间隔装配公差变的相对宽松，方便补偿镜的加工和装配。4、检测结果的比对和实验验证。针对一抛物面，分别采用无像差点法和CGH法进行了高精度检测；通过对比二者的检测结果，从实验上验证了CGH法的准确性。