微小位移的检测手段发展至今已有多种,测量准确性也不断提高。高分辨率微位移测量技术主要包含电测,显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉仪为代表的光学测量技术两大类。由于工业测量领域的不断扩展以及对测量精度的不断提高,经典的接触式测量已无法满足工业界的要求,而非接触式测量存在许多优点,已成为测量领域的研究热点之一。本文通过非接触测量中的单目视觉与激光点复合,对微小位移的高精度测量进行了理论研究与实验验证。本文介绍了小孔成像与透镜成像各自的特点,提出了一种相机偏置和激光源倾置的基于透镜成像原理的微位移测量模型;分析了该模型中各参数对测量系统分辨率的影响;阐述了该模型在初始位置(u0=v0=2f),当深度信息发生微小变化时,成像斑点的中心坐标值变化显著,能够提高测量精度的原理。通过测量模型中各参数对测量精度的影响分析,确定了测量系统的几个重要参数,如焦距、光源偏置距离、光源倾角及初始位置。根据确立的参数,设计、制造并安装了测量装置,该测量装置包括相机偏置调整机构、光源倾置调节机构、透镜调节机构和标靶移动机构。基于VS2010和OpenCV开发了单目视觉与激光点复合进行微位移测量的原型系统,包括读取图像、图像处理、获取斑点中心坐标值、控制直线电机移动、去噪算法、清晰成像位置估测以及测量位移显示等功能。从测量模型中可以发现,成像斑点中心坐标值(y)准确与否对测量精度存在较大的影响,确保斑点中心坐标值的准确性是本文重点研究内容之一。因此通过对斑点图像背景噪点和边缘噪点形成原因的分析,提出了一种定量剔除背景和轮廓噪点的算法和一种基于统计学原理的外扩内敛双椭圆去除背景和轮廓噪点的算法,两种算法都能有效剔除背景噪点和轮廓噪点,且后者的搜索效率优于前者;所提的两种算法,通过实验验证获取斑点图像中心坐标值的稳定性和准确性都优于经典的重心法和高斯法。在采用外扩内敛双椭圆去噪算法获取斑点图像中心坐标值的基础上,针对深度信息变化导致斑点图像模糊,如何通过算法获取清晰斑点图像位置的问题,提出了基于斑点图像序列估测清晰成像位置的方法。该方法利用斑点图像序列的短径估测清晰成像的位置,并通过计算获取对应此位置的清晰成像的中心坐标值。通过理论数据和实验结果验证了所提估测算法的搜索解和解析解的一致性以及估测的清晰成像接近最大的像素均值。通过实验研究,当成像斑点处于清晰位置,此时透镜移动一个较小位移时,成像斑点清晰度几乎不变,且对应的斑点中心坐标值变化甚微,难以分辨。进一步分析可知,由于透镜焦点不是一个理想的点,而是一个微小区域,这就导致了上述现象。而在此情况下,如果标靶发生一个小位移,成像斑点中心坐标值变化明显,鉴于此,本文将位移测量范围划分为五个子区域,每个子区域按照图像序列估测成像清晰位置,然后在此估测位置处,采用移动标靶获取不同的斑点中心坐标值,进行测量模型的标定。本文提出了三种标定方法,即基于理论测量模型、基于微小线段和基于三次多项式的拟合算法,并通过实验验证对比,基于微小线段的标定方法具有精度较高但模型复杂;基于三次多项式的标定方法,模型简单但测量精度低;而基于理论测量模型的标定方法,模型简约、精度高,其相对误差小于0.2%(5mm测量范围内最大绝对误差为8um),能够实现微小位移的高精度测量。