由于非球面元件比球面元件具有更多的设计自由度，因此在高数值孔径投影光刻物镜和高精度相机中，广泛使用非球面元件以简化系统结构并提升系统成像像质。虽然非球面具有诸多优点，但是高精度非球面面形检测一直是一大难题，限制了非球面元件的大范围应用。本文针对高数值孔径投影光刻物镜的非球面元件，利用补偿镜法对其进行高精度面形检测，形成了一套完整的补偿镜设计方法和后续数据处理方法。论文的主要工作如下：1、非球面补偿镜的设计。在分析了待测非球面的非球面度和非球面度梯度等特点的基础上，将ZEMAX光学设计软件和MATLAB结合起来进行了补偿镜的结构设计。具体工作包括：(a)补偿镜初始结构的求解。利用三级像差理论，提出了一种平行光入射情形下的基于迭代思想的新方法来求解两片透镜形式的补偿镜初始结构。首先随机选择补偿镜部分结构参数，并根据补偿镜与非球面的Seidel系数之和的绝对值最小来获取仅剩的两个未知参数。然后将非球面在补偿器第一面位置处的高斯像高与假设的平行光入射高度进行比较，迭代至二者之差小于预设误差值为止，确定最佳的平行光入射高度。最后重复上述操作得到最终的初始结构。(b)初始结构的优化。利用ZEMAX中的波像差优化函数，并将折射率等数据设置成与实际实验环境相匹配的结果，在双通光路中优化，便可以得到比较理想的补偿镜结构。(c)公差分配。不仅考虑了设计、加工和装配公差，也考虑了材料公差、检测公差、环境公差和补偿镜调节过程可能引入的误差，实现了对非球面面形检测精度的系统评估。2、补偿镜自身的检测。精确测量了玻璃毛坯材料的折射率和折射率均匀性数据。在补偿镜加工完成之后，利用“猫眼—共焦”法精确测量其各个面的曲率半径，利用LenScan镜面定位仪精确测量两片补偿透镜的中心厚。并利用所测数据重新进行光学复算，得到最终的补偿镜结构。3、非球面面形的检测实验及后续数据处理。利用旋转平移法对实验平台的平面参考镜进行绝对标定，利用实验平台完成了间隔的测量和非球面面形的测量，并对折射率均匀性引入的面形误差进行了数据补偿。