光学自由曲面元件在校正各类像差的同时还能简化光学系统的结构,使光学系统的性能得到显著提升,因此在照明领域、显示领域、生物医学领域等被大量使用。但其过多的“自由度”,使得高精度加工和检测该类元件变得非常困难,制约了它在成像领域的应用推广。自由曲面光学元件的面形精密检测问题已经成为世界光学领域的一个研究热点。目前在光学自由曲面面形检测研究领域,还没有成熟可靠的方法能完全实现其面形的高精度测量。倾斜波面非零位干涉法(Tilted-Wave-Interferometry, TWI)的大动态测量范围、纳米级的检测精度、高效率的全面形检测模式、较好的通用性等优点,使得其在光学自由曲面面形检测领域备受关注。但是由于倾斜波面干涉法是针对大梯度非球面面形检测提出的,要将其应用于光学自由曲面面形检测,需要解决众多关键技术。本文针对光学自由曲面面形特点,根据多重倾斜波面非零位干涉的原理,研究适应光学自由曲面面形高精度检测的非零位干涉系统设计方法、自由曲面面形重构及评价方法、系统误差标定方法和被测件空间姿态高精度定位方法等关键技术。具体研究内容有：针对目前通用零位干涉系统与倾斜波面非零位干涉系统在数学模型上存在较大差异的问题,本文提出了“黑匣子”逆向光路设计法,建立了多重倾斜波面非零位干涉数学模型。通过研究,提出了解算该数学模型的分步迭代算法以及最优解的评价方法。通过该算法解决了TWI干涉系统各关键器件的光学结构参数计算问题,为各器件的光学设计提供了设计指标和优化目标,从而完成了整套倾斜波面非零位干涉测量装置的研制。针对传统的旋转对称性光线追迹模型无法用于非旋转对称且轴外空间分布复杂的干涉光路的光线追迹问题,本文利用矢量光学理论,建立了以追迹非旋转对称空间的光线矢量方向和矢量长度为核心的倾斜波面非零位干涉系统光线追迹仿真模型,解决了现有商用光学仿真软件无法追迹TWI干涉系统的问题,为提出的用于重构自由曲面面形的虚实波面求差法奠定了仿真基础。在该光线追迹仿真模型的基础上,根据所设计的各光学器件的技术参数,编制了计算生成虚拟波面仿真程序(Computer Generated Wave,CGW)。通过大量仿真证明了CGW程序的准确性以及对自由曲面的有效性。针对非零位干涉系统存在较大回程误差以及干涉场相位与被测面面形之间的数学模型不成熟的问题,本文基于微扰理论及哈密尔顿特征函数分析,提出了虚实波面求差法和回程误差逆向消除算法相结合的光学自由曲面面形重构新方法,建立了干涉相位与被测面形偏差之间的数学模型,解决了通过采集的阵列干涉图如何高精度反演被测件面形的问题。最后通过对凸抛物面的仿真验证实验,验证了该重构方法的精度优于λ/20(Peak-Valley,简称PV值)。针对非共光路结构产生的系统误差无法相互抵消的问题,根据微扰理论及哈密尔顿特征函数对干涉系统分析得到的结论,本文提出了多位标准凸球非零位反射标定法,解决了倾斜波面非零位干涉系统的系统误差标定问题。利用该标定方法进行了系统误差标定实验,实现了对倾斜波面非零位干涉系统误差波面的准确表征,并将表征数据引入到算法模型中,提高了算法的实测精度。针对光学自由曲面相比传统的球面、非球面测试时具有更多的姿态自由度,姿态误差对测量的精度影响很大的问题,本文提出了虚拟莫尔条纹旋转匹配法及调整流程,解决了自由曲面被测件空间姿态的精确匹配问题,使得测量过程中在无任何外部基准的情况下被测件与其理想测量位置的匹配误差在x、y、z方向达到5umm以内,在旋转方向上达到0.4°以内,从而使姿态误差引入的波面误差控制在λV20(PV值)以内。最后通过对实际样品自由曲面式渐进眼镜片的测量实验,以及与轮廓仪的测量数据比对,验证了所研制的系统对梯度变化达到±7°的自由曲面面形测量的有效性,其测量精度优于λ/10(PV值)。