随着航空、航天以及国防工业的飞速发展，光学曲面元件以其拥有更多的自由度、能够大幅优化系统结构的优势得到越来越广泛的应用。如何加工出高质量的光学曲面以及怎样提高测量精度具有重要的研究意义。光学曲面元件的精密加工过程中，在线测量技术起着关键的作用。在线测量不仅能够节省工件反复拆卸所需时间，提高加工效率，而且有效避免了由于工件拆卸带来的装夹误差。在线测量按接触方式分主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量对环境的要求不高，测量精度高；非接触式测量主要应用与离线测量，测量结果易受环境影响，应用于在线测量中很难实现高精度测量。本文对搭建的在线测量系统平台进行误差分析与处理，实现机床坐标和光学曲面测量数据的同步采集，达到了光学曲面元件在线测量的目的。根据在线测量系统的精度要求完成系统各组成部分的选型，以旋转对称非球面为基础研究对象，利用MATLAB软件建立模型，对测量过程中产生的误差来源进行分析并分类。通过建立工件安装倾斜误差模型、测头半径误差模型等分析其对测量结果产生的影响，实现误差分离与补偿。通过实验对比找出测量数据拟合最佳方法。对测量系统中的单点重复测量精度，X轴重复定位精度进行标定，研究测头偏转角对单点重复定位精度的影响，利用在线测量系统进行了球面元件测量实验，验证在线测量系统的精度与实用性。