传统的光学系统为提升成像质量常采用体积庞大的曲面透镜组合,导致其结构复杂且占用较大的使用空间,无法同时满足航空航天等特定领域对光学系统高性能和轻质化的要求。光学微结构尤其是三维光学微结构由于具有单元小、质量轻、集成度高等优点,为突破上述技术和应用瓶颈带来了曙光,其加工技术也是目前微纳加工领域的研究重点。相比于其它加工技术,聚焦离子束铣削(FIBM)加工作为一种无掩模直写的高精度微纳加工技术,在微结构加工尤其是三维光学微结构的加工上具有独特的优势。本文从三维光学微结构的FIBM轮廓仿真模型、FIBM加工实验、FIBM轮廓误差分析和补偿等方面对该技术进行了研究。首先,根据FIBM加工的加工机理,建立了FIBM加工的工艺模型。基于该工艺模型,针对灰度图这一典型FIBM加工方式,利用Python语言编程实现了灰度图加工微结构的二维和三维轮廓仿真。在轮廓仿真的建模过程中通过开展溅射产额实验和束斑分布实验提高了仿真模型的精确性,并通过采用矩阵计算和稀疏矩阵存储的方法提高了仿真模型的运行速度。该工艺和仿真模型实现了FIBM灰度图加工三维微结构轮廓的高精度仿真。其次,本文开展了三维光学结构的FIBM加工实验研究,针对凹球面微透镜这一典型结构,研究了离子束电流、最大驻留时间和束斑重叠比这三个参数对其表面质量的影响,并结合理论和仿真模型总结了其影响规律。研究发现离子束电流增大、最大驻留时间过大或过小、束斑重叠比过大均会导致三维光学微结构的表面质量显著降低。最后,通过实验结合仿真的方法,针对凹球面微透镜和凸球面微透镜这两种典型三维光学微结构,分析了其轮廓误差产生的机理。基于轮廓误差的产生机理,创新性地提出了两种减小微结构轮廓误差的灰度图补偿方法,并在仿真和实验中验证了这两种方法的可行性。利用本文提出的灰度图补偿方法可将三维微结构的面形精度提升约50%。