光学自由曲面元件的出现给光学技术的发展注入了新的活力，其不但简化了光学系统的结构，也使得成像质量得到了很好的改善，因此得到了广泛的应用。但随着光学自由曲面面形越来越复杂，要求的精度越来越高，它的生产一直是加工领域的一个难题，尤其是开发出适合的测量方案，来检测自由曲面元件加工的形貌误差更是难上加难。现有的测量手段多采用接触式探针做离线检测，虽然这种测量已经具有很高的精度，但由于测量后需二次装卡工件进行补偿加工，并且接触式对工件具有一定划伤性，这些都会为加工带来新的误差，所以不利于光学自由曲面的生产。本文开发了一种基于超精密车床为平台的非接触式原位测量方法。基于聚焦式激光测量方法设计开发了非接触式测头系统。主要的研究工作如下：1.利用聚焦误差信号检测原理，开发了聚焦式激光测头，通过设计有效的信号调理系统，保证了测量信号高精度的输出，同时，测头光路中复合了成像系统，辅助测头快速准确对正主轴中心；2.基于超精密车床平台，对整体原位测量方案进行了系统设计，分析了测头加工路径设计方法，并通过软件开发实现坐标位置和误差数据的同步采集，从而系统实现了对曲面面形和面形误差数据的高效测量；3.对于光学测头不能测量大曲率工件的缺点，采用了借助光学测头高精密旋转，实现了大曲率回转工件的法矢方向测量，从而消除曲率对测量的影响。通过实验验证，开发的聚焦式激光测头测量分辨力达20nm，不确定度在10nm以下，可对平面和大曲率回转曲面进行稳定可靠的测量，并实现了曲率变化小于10°双正弦自由曲面的原位测量。