随着先进制造、精密加工、国防军工等高新技术行业的快速发展,对于精密位移测量的要求越来越高,掌握精密位移传感器的研发能力,对一个国家经济与科技的发展尤为重要。时栅位移传感器是一种具有完全自主知识产权的新型位移传感器,而光场式时栅是近年来新提出的一个研究方向。前期的光场式时栅位移传感器探索了基于静态光场的位移测量方法,后来发展为基于构造交变光场的位移测量方法。无论是静态光场还是构造交变光场,都必然存在光场分布均匀性和平行性的问题,为测量带来误差。然而,调整安装距离、减小栅距等传统的优化方法,对于减小测量误差的效果甚微,设计发光角度非常小且均匀性非常好的光源又极其困难。针对以上问题,本文提出一种结合图像检测技术的面形优化方法,力图通过该方法减小光场分布引起的测量误差,提高光场式时栅的测量精度。其主要研究工作如下:(1)基于光场式时栅的测量原理,建立光场分布误差分析模型,对光场分布引起测量误差的过程进行了研究,进一步提出基于栅面图像检测的面形优化方案,并对面形优化原理进行了分析。(2)针对栅面图像检测的需求,开展图像检测系统设计,开发了串行相机总线控制器、存储控制器等硬件控制系统,并进行功能仿真验证,实现了图像数据采集、存储和传输的全过程控制。(3)利用图像检测系统对实际余弦透光栅面进行图像检测,根据采集的栅面图像数据,分析各组栅面实际光通量和理想光通量,并计算出优化系数和初始优化位置,完成面形优化设计,得到优化栅面面形。(4)设计光场式时栅测量系统,搭建光场式时栅传感器位移测量平台,对测量系统中关键信号进行检测验证,开展余弦栅面和优化栅面的对比测试实验。实验结果显示,采用余弦栅面和优化栅面传感器的短周期(0.6mm)误差分别为±2.5μm和±1.0μm,长周期(500mm)最大误差、稳定性、线性度和重复性等性能相差不大。综上所述,本文针对光场分布引起测量误差的问题,开展了光场分布误差分析与面形优化理论研究,完成了图像检测系统设计并进行栅面图像检测、分析与面形优化设计,通过实验验证了优化栅面能有效地减小测量误差,为高精度光场式时栅位移传感器的研究提供了一种新方法。