自由曲面光学元件的设计与加工已经超出传统光学设计的概念。自由曲面光学元件的面形具有灵活多变的特点，为现代光学设计提供很多的设计自由度，所设计的光学系统成像质量较高，结构简单，体积小，这些优点弥补了很多工程方面非球面不能实现的缺陷，尤其是对载荷的质量和体积有特殊要求的航空、军事领域，因此自由曲面光学元件会有广泛的应用。但是，自由曲面的面形灵活多变必然导致其面形复杂，这样对自由曲面的加工与检测带来很大的困难，需要进一步深入的研究。本论文主要研究了一种利用共焦显微技术和外差干涉技术相结合来实现自由曲面面形检测的方法，完成了可用于高精度面形检测的外差共焦显微光学系统设计，并且对共焦显微技术和外差干涉技术测量面形信息进行仿真和分析。围绕面形测量精度的要求，确定了测量系统的总体方案，且详细阐述了理想平面无限远距共焦显微成像原理及其特性，还有外差干涉技术的相位测量原理，由此确定了共焦显微物镜的结构形式、结构参数等，完成了共焦显微物镜的结构设计；然后，确定了激光扩束物镜和聚光物镜的结构参数，完成了8.4×的一级扩束系统和入瞳为8.4mm的聚光物镜系统设计，激光扩束系统的能量集中度较高，聚光物镜系统的聚焦光斑小，满足设计要求；最后，将所确定的共焦显微物镜系统、聚光物镜系统、激光扩束物镜系统在ZEMAX软件中非序列空间建立仿真模型，完成了共焦显微技术和外差干涉技术的仿真，验证了所设计的光学系统满足设计要求。