光笔测量系统具有便携、柔性高、无遮光干扰等特点，在大型飞机制造业、汽车制造业、电力能源设备制造业、工程机械制造业、船舶制造业等行业和领域中，光笔测量技术有着非常大应用需求。但光笔测量系统一直被国外垄断，国内对相关技术的研究还处于起步阶段。因此，对光笔测量关键技术进行系统研究，有着重要的理论意义和工程实用价值。根据光笔测量系统的测量原理和硬件构成，设计9点式光笔结构，选择碳纤维材料作为光笔制作材料。对比分析LED点光源和回光反射标志点的特性，选择光笔标志点类型为回光反射编码标志点，并给出编码原理。根据镜头和CCD芯片参数指标，确定摄像机和镜头的类型。根据摄像机特性，确定图像采集卡的类型。根据光笔图像的特点，对图像进行滤波、分割处理，提取出光笔标志点的投影椭圆。运用Canny边缘提取算子提取出椭圆边缘坐标，利用加权最小二乘椭圆拟合法，得到椭圆方程各系数以及椭圆中心坐标、长短轴等。建立边缘模型并结合椭圆目标灰度特性，求解边缘模型参数，将椭圆中心坐标修正到亚像素级。根据椭圆参数，提取光笔测量图像中编码标志区域。根据中心投影原理，建立摄像机理想模型，推导图像中的二维坐标与其对应的空间三维坐标之间的对应关系，增加镜头径向畸变和切向畸变模型，对摄像机理想模型进行修正，得到摄像机实际成像模型。设计标志点为圆形的平面标定模板，给出模板中标志点的自动识别方法。利用基于平面标定模板的摄像机两步标定法，实现摄像机标定。研究空间三维坐标的计算方法，利用编码原理实现立体图像对的匹配，利用双目立体视觉原理，标定光笔上9个编码标志点在光笔坐标系中的相对位置。根据位置不变原理，标定光笔测头。通过双目视觉坐标系和世界坐标系之间的转换关系，得到空间物体待测点的世界坐标，实现系统三坐标测量功能。编写具有图像采集、图像处理、摄像机标定、空间点三坐标解算、数据拟合等功能的系统界面，通过实际测量实验验证系统的三坐标测量功能。