随着运动控制性能、传感器技术的提升,表面轮廓测量技术得到快速发展。光谱共焦法是新一代光电传感器,测试精度高,干扰小,非常适合在高精密光学测试领域的测量。本文以光学透镜表面测量为研究载体,设计搭建一台三维轮廓扫描测试仪,采用二维直线电机全闭环运动平台和白光共焦传感器。完成机电系统的设计、装配,电气线路的搭建。设计伺服电机三环PID控制策略,实现电机高精度跟踪控制。编写运动和扫描集成界面软件,使用硬件触发的方式解决系统的同步问题,利用多线程存取技术实现传感器测试与读取交互。在数据后处理分析中,以球面面型特征化为研究目标,将三维球面点云数据拟合成标准球面,使用基于全局点云几何距离的线性最小二乘法得到球心、半径的初始数据,通过Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法优化拟合结果。本文讨论了小角度球面点云拟合问题中采样区域大小、采样密度和点云误差对拟合精度的影响。使用稳健高斯回归滤波滤除点云波动误差和异常数据点。提出半径拟合不确定度和随机误差不确定度的误差传递关系,评定系统的随机误差量级。针对球面中心定位问题,提出一种兼顾效率和精度的测试方法,即先通过正交扫描快速粗略地确定中心区域,然后通过轮廓扫描与拟合精确确定中心位置。通过蒙特卡洛仿真和实验对比验证以上方法,使得扫描系统能够实现基本的测试流程,达到测试精度、效率等功能指标。