高精度光学面形检测对高精度光学元件的加工及其在各科研前沿领域、工业生产中的应用都是至关重要的。在同步辐射光学、X射线自由电子激光、极紫外光刻、望远光学等领域,大尺寸高精度的光学反射镜面是核心关键部件。这些光学反射镜面品质的好坏直接影响了相关领域获得光束品质的好坏。长程面形系统如:长程面形仪LTP、纳弧度光学检测仪NOM等是针对大尺寸光学面形进行高精度测量的检测系统之一,由于其测量精度高、测量量程大、能实现大尺寸面形测量、能针对任意面形测量等优势受到了各相关领域的广泛重视。为了适应新一代极限衍射环、自由电子激光等领域对光学面形角度检测优于509)(6(9、高度检测优于19)8)的检测要求,传统长程面形系统的检测精度需要得到进一步提升,检测系统中的各种主要系统误差源必须进行抑制或消除。在这些误差源中,光学元件引入的误差是长程面形系统中的主要误差源之一,在检测过程中这类误差源可能会引入高达微弧度量级的角度误差。由光学元件引入的误差主要包括由光学元件加工缺陷引入的误差以及由长程面形系统中f-theta转换部件像差引入的误差。传统的长程面形系统很难消除这两类误差,本文经过仔细分析这两类误差的特点,提出法线追迹方法来设计新型长程面形系统,以最大限度的抑制或消除这两类误差源。对于f-theta转换部件像差引入的误差,本文通过分析、比较传统f-theta系统设计特点与长程面形系统的工作特点,提出针对工作于细光束模式下f-theta透镜的新型设计方法。本文通过软件模拟证明了运用法线追迹方法进行高精度角度测量的可行性,以及新型f-theta透镜设计方法的可行性。通过搭建原理验证系统进行实验测试,从实验上证明了运用法线追迹方法设计长程面形角度测量系统的可行性。