进入21世纪，竞争日益激烈，产品的高性能、微型化、低成本要求使机械加工的精密化被提到了各国的重大发展决策上，而机械加工行业中必不可少的关键环节—数控机床和加工中心几何位置精度的检测是保证加工精度、产品质量及提高生产率的重要手段。特别是在连续加工生产的环境下，为了不影响生产过程，把检测时间压缩到最短是非常必要的。一台典型的三轴加工中心，共有21项几何误差参数需要按有关标准进行分步检测。现有成熟的技术主要是单参数测量，测量这21项几何误差需要使用不同类型的测量附件和重新调整仪器，所以机床整体检测费时费力，一般需要几天甚至一个星期的时间来完成。不仅测量周期十分烦琐和漫长，造成大量的人力和机时的浪费(因为检测时，机床不能加工零件)，而且测量精度受测量人员和测量环境(特别是测量温度)变化的影响较大。因此，研究机床加工设备的快速检测方法和技术，特别是研究多自由度同时测量方法与技术己成为国内外机械制造及仪器仪表等众多行业共同关注的问题，也是目前未能很好解决的测量难题之一。 激光多自由度同时测量是利用稳定的激光作为测量参考基准，对直线运动体的三个线位移量(位移和二个方向的直线度)和三个转动量(偏摆、俯仰和滚转)的同时测量。针对这一测量问题，本论文在综合分析国内外相关研究的基础上，分别研究了直线度、滚转角、俯仰角与偏摆等误差的光学测量方法，着重研究了多自由度同时测量方法，构建了几种不同的多自由同时测量系统，进行了各种实验研究，验证了提出的测量方法和研制的系统的有效性。 概括起来，本学位论文主要的创新性成果有： 1.提出了两种提高直线度误差分辨率的光学测量方法，在此基础上提出了一种利用准直和干涉技术的多自由度同时测量方法，搭建了相对应的系统。 2.提出了一种基于偏振的滚转角误差测量方法，在此基础上提出了一种利用半导体激光单模光纤准直和偏振技术进行多自由度同时测量的方法，搭建了相对应的系统，分析其中的误差窜扰与补偿问题。 3.提出了一种基于平行反射镜或五角棱镜的多自由度同时测量数学模型，理论上分析了该方法的可行性。