高质量的微靶是激光约束核聚变(Inertial confinement fusion,简称ICF)中实现点火的基础和保障,靶球作为微靶中一个关键部件,在微靶装配体中的位置直接影响着“点火”实验的成败。目前,国内外公开的有关微靶装配装置的研究工作取得了一定成果。但是,在微靶装配过程中对各零部件位置关系的在线测量方法以及在装配完成后对靶球中心位置的测量研究工作在国内很少有报道。本论文以微靶装配中各零部件的结构特征、几何参数和空间位置关系以及测量精度要求的研究分析为基础,提出了一套基于显微图像和激光共焦两种非接触测量方式的在线监测系统方案。本系统中主要研究的关键技术有:显微图像测量和激光共焦测量混合系统融合技术,系统标定技术,以及在线监测系统总体结构设计,运动控制系统研究。本文研究的在线监测系统充分考虑了与微靶装配系统中的微操作系统兼容性,确定了基于悬臂式在线监测系统的总体结构设计方案,并完成了整体系统的制造,调试和主要的实验研究工作。按照测量控制功能要求,设计开发了基于DSP和FPGA的运动控制卡及相应软件系统,完成了对四个运动平台的综合控制。在前期探索工作的基础上,从测量光路、结构设计和信号处理算法三方面对共焦测头进行了改进。分析研究了减小共焦测头测量光斑尺寸的方法,综合了激光光束的透镜变换、像差和实际需求的因素,对原有测量光路进行了改进,采用非球面物镜进行聚焦,获得了10μm左右的测量光斑;在新型共焦测头机械结构设计中,将改进后的测量光路进行了折叠,有效减小了测头体积;针对现有光电信号处理算法存在的不足,初步提出了改进算法,并通过实验验证了该算法的可行性。确定了显微图像测量系统的总体构成,并对测量方法进行了分析研究。建立了在线监测系统的数学模型,对系统中的运动机构误差进行了检测,并根据误差理论,对在线监测系统的测量不确定度进行了分析。提出了一种根据新型共焦测头本身的测量光路特点,并辅助PSD完成对两个共焦测头测量光线调整对准的方法,并从理论上分析了该方法的可行性。提出了显微图像测量系统中双CCD测量坐标系,以及激光共焦测量系统中双共焦测头测量坐标系的标定技术,并通过标定实验分别实现了上述两个测量系统内部坐标系的统一。