随着科技的不断发展,各个科学研究领域对光学系统的精度与分辨率的要求不断提高,各种新型光学元件不断涌现。其中自由曲面光学元件的诞生,进一步推动了光学技术领域的发展,自由曲面光学元件的表面面型精度会直接影响到光学系统的成像质量与光学性能。然而这类光学元件具有表面自由度多、不对称、倾角大的特点,因此难以用传统方式对信号光进行收集;且对于大口径自由曲面光学元件的三维轮廓测量,存在整体测量速度慢的问题,因此如何在保证测量精度的前提下,快速完成对自由曲面光学元件的三维轮廓测量任务,是目前计量领域的难题之一。本课题基于共焦扫描光学成像原理,利用谐振镜高速横向扫描的特点,整个测量系统采用横向和轴向同时运动的策略,提出了一种针对自由曲面轮廓测量的光斑追迹式快速扫描方法,完成了整个测量系统的硬件装配与软件设计,同时针对几种典型的轮廓滤波的方法进行了深入分析。完成的主要内容如下:(1)基于传统共焦光学扫描成像理论,构建了样品表面相干共焦扫描成像三维点扩散函数的理论模型;此外,针对大口径自由曲面的轮廓测量问题,提出了光斑追迹式快速扫描策略,并用仿真实验验证了扫描策略的可行性;(2)为了实现本测量系统的测量功能及性能指标,设计并搭建了共焦扫描测量光路,完成了对系统的硬件进行相应的选型、装配与调试工作;完成了对包络提取模型的建立;并基于Labview软件平台,完成了对系统各软件模块的设计,保证测量系统能够实现高精度快速测量的功能;(3)为了进一步提取出高精度自由曲面元件轮廓,本课题针对自由曲面样品表面轮廓滤波的问题,开展了对适用于所提出的快速扫描方法的几种轮廓滤波方法的研究,并完成了以下仿真实验:分别将传统高斯滤波器、基于延拓的高斯滤波器、三次样条滤波器以及一般样条滤波器作用于含有噪声与误差的自由曲面轮廓,分析了各滤波器的滤波特性;(4)进行了在光斑追迹扫描模式下的单点包络检测实验,验证了实验的可行性。此外,分别进行了在逐点扫描模式下及光斑追迹模式下的平面镜轮廓线测量实验、凸球面镜轮廓母线实验及凹非球面镜轮廓母线测量实验,并分别对比了两种扫描策略的测量精度与测量速度。