在现代工业测量领域,对多维度同时测量的不同需求越来越多。激光跟踪仪在大尺寸的六自由度测量领域广泛应用,但其在小工作距的测量中受到了限制。在小工作距的测量环境中广泛使用的激光三角测头,其在多维同时检测的能力上稍有欠缺。针对现代工业自动化领域,对小工作距中的微位移和微角度的六维信息测量的需求,本文对六自由度光学测量传感器进行设计和研究。首先,通过对六自由度光学测量传感器的原理进行研究分析,建立了六自由度光学测量传感器的数学模型和误差模型。其次,根据系统结构和测量原理设计相应的光路系统,以完成对激光信号传输和采集,最后,设计电路系统以完成对光电元件PSD感应的电信号进行信号的采集和PSD信号预处理,同时将预处理完的信号通过串口通信传输到上位机,显示在上位设计的用户显示界面上。根据设计的光路系统、电路系统搭建实验平台,并通过电动位移台对实验系统进行标定,最后根据系统的测量原理和实验数据解算出实际位移与系统中光斑位移的系数矩阵。对搭建的实验平台进行三维检测,实验结果表明,本文设计的六自由度光学测量传感器能够实现对对六自由度光学测量传感器工作距的物体的微位移和微角度的测量。