针对目前大口径非球面元件的测量精度受限于仪器回转基准的空间回转运动误差，尤其是受限于轴向跳动等轴向回转运动误差的技术瓶颈，以及现有非球面元件的测量方法更无法兼顾高精度、大测量口径及非接触测量的技术现状，将单转位轴向空间回转运动误差的实时分离方法应用于大口径非球面测量中，同时又将光学非接触的差动共焦显微探测技术与表面轮廓的逐圆周扫描测量模式相结合，进而构建了新型的大口径非球面测量仪器，并针对大口径非球面高精度测量中涉及的仪器原理、测量方法及若干关键技术进行了深入研究。本论文完成的主要创新性工作如下：研究了针对大口径非球面表面形状高精度测量的轴向回转误差单转位分离方法与技术，并依据离散傅里叶变换和谐波分析等数学工具对该误差分离方法进行理论分析和仿真验证。然后，基于该误差分离技术，搭建了应用于大口径非球面测量的高精度气浮回转基准，并通过实验测试得出所研制回转基准的轴向和径向回转精度，为实现大口径非球面元件高精度测量中对回转基准所引入轴向回转误差的实时分离奠定技术基础。提出了基于空气静压支承技术的精密调心调倾方法与技术，该方法利用空气静压原理产生特定形状的偏心和倾斜调整气膜作为支承和导向，配合特殊布置的若干微位移驱动器进而实现偏心和倾斜位姿误差的调整。然后，依据该技术研制了用于大口径非球面测量的精密调心调倾回转工作台系统，再利用坐标变换等数学工具推导出驱动器位移与偏心和倾斜调整操作的关系，并进行仿真分析和实验验证。实验结果表明：所研制的精密调心调倾回转工作台在50Kg负载时的偏心调整分辨力为0.3μm，偏心调整范围±5mm，倾斜调整分辨力优于1.2″，倾斜调整范围±1.5°。为实现大口径非球面元件表面形状的非接触逐圆周扫描测量，依据共焦显微探测理论分析了针对大口径非球面表面形状特征进行测量时激光差动共焦探测技术的轴向响应函数，依据该响应函数的过零点特性研究了基于激光差动共焦过零触发的光学非接触表面形状测量方法，研制了基于该方法的表面形状探测装置，并通过系列实验测定该探测器的性能参数。实验结果表明：所研制探测器具备250μm的测量范围、4.934V/μm的灵敏度、5nm左右的位移分辨力和20nm的重复性，能够为所研制的新型大口径非球面表面形状测量仪器提供高分辨、大量程、非接触的光学扫描探测系统。应用上述的各关键技术，研究了新型非接触大口径非球面表面形状逐圆周扫描测量方法，并研制了基于该方法的新型大口径非球面测量仪器。然后，依据相关规程对所研制大口径非球面测量仪器的相关技术参数进行测试，实验测试结果表明：基于上述各关键技术研制的新型仪器能够满足大口径非球面元件表面形状测量的高精度、非接触、大测量口径等多重测量需求。最后，分析并建立了所研制大口径非球面表面形状测量系统的误差传递数学模型，利用该模型对所研制测量系统进行不确定度评定，评定结果表明：所研制系统的不确定度为U95≈0.1626μm (k=2)，能够为大口径非球面表面形状特征等参数的高精度测量提供新的方法和技术途径。