针对光学元件表面质量在线检测的特点，设计了基于数字全息的三维再现检测系统。该系统采用离轴光路，避开了被测元件的光轴，在数字全息再现过程中应用倾斜相差补偿技术去除了由于离轴检测引入的倾斜相位畸变。在检测过程中，利用围绕光轴旋转被测元件的方法来改变入射照明光方向矢量和相应的观察方向，实现了多照明矢量合成孔径技术的应用，扩展了系统的检测距离，提高了系统分辨率。同时，多照明角度下检测数据的叠加，还有效地抑制了检测过程中出现的散斑噪声对结果准确度的影响。通过对分辨率板、高精度玻璃反射镜的检测实验，验证了该系统在光学元件表面检测中的作用。当记录距离为40 cm时，其分辨率能够达到10 μm，满足光学元件表面检测的需要。