光学自由曲面元件具有全新的设计理念，能简化系统结构、改善系统光学性能，因此在航空航天、通讯等领域得到了广泛应用。但光学自由曲面面形精度要求越来越高也给其制造带来困难，因此设计合理的方法进行自由曲面面形误差测量，成为该领域的一个关键问题。现有测量方式多采用接触探针式，虽然能够获得较高精度，但测量效率低且对工件有一定损伤性。相比之下，光学非接触式测量表现出更多的优势。波前传感器相比干涉仪具有结构简单、体积小、价格低、实时性强等优点，因此，本文基于夏克-哈特曼波前传感器(Shack-HartmannWavefront Sensor, SHWS)，设计开发了一种光学自由曲面面形测量系统。主要的研究工作如下：1.在SHWS测量中，受微透镜阵列参数、透镜尺寸、网格划分和光斑位置等的限制，其动态范围一般较小，为满足测量大曲率自由曲面的要求，在传统像素强度加权平均法求取质心的基础上，提出了一种基于图像处理的连通域质心计算方法，准确求取任意光斑的质心坐标，重新归位后测量的动态范围增大了约4倍且仍有提高的空间。2.为满足光学自由曲面面形测量要求，需要根据测量的反射波前推导面形数据，基于光线追迹和等光程差原理，建立了反射波前数据到自由曲面面形的映射模型，通过实验分析证明其转换精度优于传统算法约2-3倍。3.分光棱镜作为反射系统中不可缺少的元件会产生波前畸变，从而引入测量误差，本文从几何光学的光传播理论出发，对这一误差进行了建模仿真，提出了误差补偿方案，仿真验证了方案能够消除大部分误差。同时，通过光学仿真和实际实验分析，确定了测量系统的物理极限，编写了波前重建及测量程序，探讨了光学系统的装调等关键问题，最终实现了一种典型光学自由曲面—立方相位板面形的测量，通过和Veeco白光干涉仪的测量数据对比验证了实验系统测量的准确性。