便携性好、测量方便灵活、可以测量光学等方法无法探测的隐藏点、精度较高、能够实现十几米范围内的工业现场测量等优点，使得光笔式视觉坐标测量系统一直被国内外相关机构所高度关注。然而国内外相关研究工作的重点是如何提高光笔系统的测量精度与重复性，却很少关注如何突破光笔系统现有的测量范围，实现上百米的大尺寸测量这块领域。在对相关研究成果深入全面分析的基础上，本文从光笔结构的改进、控制点图像中心定位算法、探头中心标定算法、系统结构的优化设计等方面进行了相关的研究，以提高光笔系统的测量精度、测量重复性以及测量的范围。主要内容如下：　　1.基于直接线性变换模型，对第二代光笔的结构进行了改进。巧妙地利用三坐标测量机主轴移动的高精度、高重复性，构造了不同的光笔前六个控制点所在面与后四个控制点所在面距离的虚拟光笔，并通过虚拟光笔重复性实验与精度对比实验证明了改变此距离参数能够改善光笔系统的轴向测量重复性以及系统的测量精度。　　2.对第二代光笔特征点中心定位精度较差的原因进行了深入分析，认为特征点椭圆中心畸变误差影响了其中心定位精度。本文提出了一种基于交比不变性的特征点椭圆中心畸变误差求解模型，并通过同心圆实验证明了此项误差确实为第二代光笔特征点中心定位精度不理想的根本原因。　　3.探头中心在光笔坐标系中的定位精度直接影响了光笔系统的测量精度及重复性，本文提出了一种基于不变距离的光笔探头中心自标定算法，通过不同相机与光笔距离下的探头中心自标定重复性实验，证明了新的探头中心标定算法能够满足亚毫米级精度系统的测量要求。　　4.针对现有光笔式视觉坐标测量系统的不足之处，本文提出了一种新型的无线组网式大尺寸光笔测量系统结构。设计了集采集处理图像一体化的智能相机系统与无线通讯组网系统，并进行了实验验证。基于ZigBee无线网络，可将计算机、可调光笔与智能相机组网为一个测量单元，而若干个测量单元可构成一个测量网络，从而实现上百米大尺寸目标的现场测量。