从二维测量进步到三维测量是测量领域一次革命性的飞跃,三维测量能够提供物体更多的信息,提高测量效率。三维测头是实现三维测量的关键技术,随着制造技术的发展和对三维非接触测量的迫切需求,三维非接触测头成为测量领域关注的焦点。本文针对现有三维光学测头的不足提出一种新的三维非接触光学测头设计,实现了具有工程应用意义的三维非接触测量。本课题研制的三维测头在二维视觉测量的基础上,应用基于图像处理的自动聚焦方法对被测工件表面对准,测量Z向高度,从而实现了三维测量。二维视觉测量一般存在着大视场和高分辨率不能兼具的问题,本文提出了一种全新的设计方案,使用两路显微镜同时成像的复合光路设计,同时兼顾了大视场和高分辨率的测量要求,克服了频繁更换高低倍镜头和使用变焦镜头的一系列缺点,两路显微镜的图像可以同时显示,便于寻找目标区域和高精度测量。根据测头要求计算了显微镜的特性参数,确定了镜头的结构型式,达到显微镜平场成像和长工作距的要求,利用光学设计软件对镜头参数进行优化,得到了MTF接近衍射极限的光学设计结果。针对影响测头测量精度的多种因素,设计了一系列实验,并对实验结果进行理论分析。实验研究表明,影响XY方向测量的因素主要有光强、测头倾斜、物面离焦等,这些因素对测量结果的影响可以定量计算,为数据修正提供了理论支持;影响Z向测量精度的因素主要有照明强度和方式、物体表面条纹、测头的倾斜和聚焦窗口的大小等,在Z方向测量时照明应设法突显表面细节,同时控制测头倾斜角度和选择适当聚焦窗口大小。对完成装调的测头进行了测试。测试结果表明,测头的分辨率达到设计要求的1μm,高、低倍显微镜头的景深与理论计算值接近,像素当量为0.44μm,视场边缘畸变不大于0.33%。使用测头对某标准件进行XY方向的测量,测量不确定度为0.07μm(k=2)。对多种表面进行Z方向测量,测头的Z方向的2σ不确定度小于5μm。结果表明,测头满足实际测量任务的要求。考虑到驱动导轨对测量精度的影响以及降低工作距要求后可减小成像系统景深,该测头还有很大的改善潜力。