随着应用光学领域的蓬勃发展，对于成像光学系统的像质需求越来越高。自由曲面的多设计自由度使其具有优异的像差补偿能力，常被用于高效像差补偿器件，而设计出具有良好像差补偿效果的自由曲面是提升系统像质的关键。这里基于矢量像差理论，介绍了一种针对成像系统像差补偿的Zernike型自由曲面设计方法。并以望远偏心系统作为实例，利用所提出方法设计了该系统的像差补偿自由曲面，并借助空间光调制器开展实验研究。仿真与实验结果均表明，所提出方法能够得到有效补偿望远偏心系统像差的自由曲面，像差补偿后光斑尺寸降低至补偿前的43.9%，其像差补偿效果优于传统标量像差理论优化法设计结果，该方法在自由曲面成像系统设计方面具有一定的应用研究价值。

为了实现深宽比大于6∶1的硅通孔的形貌测量，提出了一种基于像差补偿的近红外显微干涉检测方法。该方法采用近红外宽带光作为光源，能够穿透硅通孔，检测系统中内置变形镜自适应像差补偿模块，主动补偿硅通孔引入的调制像差。在检测硅通孔三维形貌时，依据COMSOL Multiphysics有限元仿真软件得到的三维硅通孔高深宽比结构对探测光的调制像差规律，指导设置需变形镜补偿的像差种类和量值，用基于频域的评价函数指标阈值，判定硅通孔底部图像的聚焦状态，获得待测硅通孔清晰的底部图像，本质上提升探测光的重聚焦能力。在此基础上，使用垂直扫描干涉法得到待测硅通孔的深度与其三维形貌分布。实验测量了直径为10 μm、深度为65 μm、深宽比为6.5∶1和直径为10 μm、深度为103 μm、深宽比为10.3∶1的硅通孔深孔，并与高精度SEM的测量结果对比，深度测量的相对误差为1%。与白光显微干涉测量结果对比表明，本文所提出的方法可以获得清晰的高深宽比硅通孔的底部图像，有效增强底部的宽谱干涉信号和对比度，能够准确测量更高深宽比硅通孔的三维形貌。

针对微流控芯片通道和缺陷的检测要求，设计构建了一套基于预放大离轴光路的反射式像面数字全息显微实验系统。探讨了数字全息显微测量中横向尺寸在视场占比较大的低空间频率物体的相位畸变矫正方法，提出两步相位相减法更适用于该类型物体的相位畸变矫正。通过宽度为55 μm、高度为65 nm的台阶标准样板实验对两步相位相减法、一般多项式曲面拟合法和Zernike高阶多项式曲面拟合法在相位畸变矫正效果上进行对比分析，分析结果表明两步相位相减法矫正畸变后的台阶平均高度相对误差为1.1%，较其他方法的误差更小，畸变矫正效果更好。另外，实验以通道宽度为80 μm的微流控芯片为被测样件，实现了芯片通道以及通道表面断裂型和缺损型缺陷的三维形貌检测，并得到定量结果：断裂型缺陷的宽度为14.1 μm，深度为431.7 nm；缺损型缺陷的宽度为33.6 μm，深度为295.1 nm。实验结果表明：像面数字全息显微实验系统为微流控芯片通道及表面缺陷的快速无损测量提供了新的途径，对于微流控实验系统质量评价具有重要意义。

为缓解基于可变形镜（DM）的自适应自由曲面干涉仪存在的固有矛盾——不能同时兼顾大动态像差补偿与DM形变监测范围，前期提出了循环利用DM形变量去产生大畸变波前的自适应环形补偿器（ARCC），并得到了初步验证。为了推广其在自由曲面自适应检测中的应用，并结合校正光学系统的自由曲面多为低阶像差面的现实问题，对ARCC的低阶像差补偿特性做出了必要验证和研究。首先，通过Zemax建模对比了ARCC和传统单次往返补偿器(TSRC)对于像散、彗差和球差的补偿能力，得出ARCC补偿像散和彗差的能力近似为TSRC的2倍，补偿球差的能力也要显著大于TSRC，验证了ARCC的低阶像差补偿优势；其次，研究了ARCC的低阶像差类型补偿规律，得出ARCC结构中DM上的像差类型与补偿给被测面的像差类型是“一对多”或“多对一”的关系。结果证明：在实际中分别使用ARCC和TSRC对4块低阶像差自由曲面进行补偿验证，同样的DM形变量下，与传统补偿结构相比ARCC展现出更加出色的低阶像差补偿能力。