零件表面微观几何形貌很大程度上影响着零件的机械性能,近年来非接触在线测量一直是学术界研究的重要课题之一。反射式强度调制型光纤传感器(简称RIM-FOS)具有结构简单、设计灵活等优点,被广泛应用于位移、形貌、粗糙度等物理量的测量。而RIM-FOS中光纤探头的性能是决定传感器性能最重要的因素之一。因此必须对RIM-FOS光纤探头进行创新改进,对其结构进行优化设计,以期RIM-FOS测量性能得以改进。论文对RIM-FOS的国内外发展状况和RIM-FOS的工作原理进行了研究和分析,并将斜面透镜光纤应用于光纤对中,推导出斜面接收光纤数学模型,确定RIM-FOS的设计要点。通过单模光纤出射光场模型,建立RIM-FOS单光纤对光强调制函数模型,分析不同影响因子对RIM-FOS强度调制特性的影响。基于单光纤对的光强调制函数模型,建立光纤束的的光强调制函数模型,并且提出内凹阶梯型RIM-FOS光纤探头结构,确定错位量对内凹阶梯型RIM-FOS光纤束强度调制特性的影响规律,并且分析反射面(倾斜反射面,凹形反射面,凸形反射面)对这种探头结构的影响规律,进而确定光纤探头的端面结构与内部光纤的具体参数,对传统的光纤探头结构进行改进。最后设计一种具有补偿功能,符合工程测量使用的RIM-FOS探头I,并完成制作并且通过实验对设计的RIM-FOS探头性能进行实验验证,基本满足测量需求。