本发明公开了一种自由曲面零位干涉检测装置及计算全息图设计方法。本发明解决了非回转对称性自由曲面检测所需零位补偿元件难以设计、优化与仿真的难题。本发明利用自由曲面表达式进行密集采样得到采样点坐标并计算出对应法向量，基于双通光路光线追迹原理在选定位置计算得到计算全息图所需补偿离散点相位值，基于Zernike多项式拟合波前原理计算得到连续相位值，经自研算法与光路仿真软件优化后达到零位补偿标准，生成刻蚀光刻铬板所需工程图，产生包含零位补偿与辅助定位功能的计算全息图实物。位姿调节足够精准时，自由曲面面形误差由出射平面波携带，采集、解调与重构波前能够定量获得面形误差信息。