本文设计了一种新型全息光学测头，这种测头通过新型全息光学元件（ＮＨＯＥ），将被测表面的两个测点的信息综合在一个接收器上，利用自补偿原理，消除了被测表面相对光轴倾斜对测量结果的影响。

为了满足对机械件、光学件和电子件等几何形貌质量控制和产品监测越来越高的要求,在动态主动调焦法测量原理的基础上,提出一种含参考光路的时间差法动态调焦式光学测头的检测方法.论述了该测头通过测量参考光路和测量光路的时间差实现位移测量的测量原理及其结构,并对这种新的测量方法进行了详细的误差分析,对该光学测头及其测量系统进行了各项实验.实验表明,含参考光路的时间差法动态调焦式光学测头及其测量系统的测量范围为±0.1 mm,测量分辨力为0.075 μm,线性度误差约为0.45 μm.

针对三坐标测量机上安装激光测头时机械调整误差大以及传统补偿算法鲁棒性差的缺点,提出了三坐标测量机非接触扫描测量时PH10回转体上光学测头安装姿势误差的补偿方法,建立了安装姿势误差的数学模型.通过对标准球球心的最小二乘拟合,给出了误差模型待标定参数的无约束最优化目标函数的惩罚函数形式,提出了一种改进的遗传算法,在并行组合模拟退火算法中采用了改进的多点交叉算子和自适应变异算子,同时使用了两次最优保存策略.通过仿真实验证明了算法求解的精确性.

基于光学测头特征点成像的单机视觉坐标测量系统具有测量空间大、测量精度高及可进行现场测量等优点，是替代传统的大型坐标测量机的最有发展前途的技术方案之一．为实现该测量方法，必须先解决光学测头姿态估计问题，为此，提取一种利用SVD与矢量观测值的姿态确定方法．首先，通过基于SVD的5点优化算法确定特征点的空间坐标；然后，利用特征点的测头坐标和空间坐标建立关于测头坐标矢量、像机坐标矢量的矩阵方程，优化求解矩阵方程确定光学测头（测头坐标系）相对于像机坐标系的姿态．该算法利用所有数据冗余信息，提高了测量系统的精度和稳定性．实验证明，该算法切实可行，系统的单点重复性及测量不确定度〈0．1mm．

三坐标测量机机械测头的校准过程数据繁多冗长，费时费力且容易出错，针对德国马尔公司生产的PMC650坐标测量机，研究了其机械测头及同轴光学测头的自动校准方法、不确定度分析及其自动校准软件，自动实现坐标测量机的校准功能。数据分析表明，该软件操作简单，测量精度高，同时对机械光学测头同轴校准方法做了研究探索。

提出一种从三维点云计算活塞腔体积的方法.利用高精度的光学或接触式测头对活塞腔进行密集测量,得到活塞腔的三维密集点云数据.通过对三维点云的处理,分割出参考平面,重构其曲面几何模型,用数值积分的方法计算活塞腔的体积.同时,分析了这种方法的两种误差--离散误差和测量误差.