光笔式单目视觉坐标测量系统以视觉测量为基础，结合传统三坐标测量中的测头检测技术，使视觉检测的目标从被测物体表面转移到测量媒介上，代表着坐标测量技术的一个重要研究方向，具有非常广阔的应用前景。本课题组自2000年开始研发一套光笔式视觉坐标测量系统，通过分析光笔上控制点的成像情况确定被测点的空间坐标，具有重量轻、量程大、操作简单、组建灵活、便携性好等优点，然而其精度与当今国际先进水平相比仍有一定差距。针对此问题，本文在几个关键技术的算法方面进行改进。论文的主要工作如下：1、介绍了三坐标测量技术的分类，重点分析了国内外便携式特别是手持光笔式视觉坐标测量系统的研究现状。2、详细介绍了光笔式单目视觉坐标测量系统的结构组成和测量原理，分析了3LED直棒式光笔视觉测量系统的系统误差。3、对控制点圆心的像面坐标提取算法进行改进，运用多阈值分割结合平均思想提高像平面控制点中心定位的准确度，另外结合实际测量情况提出一种自适应中值滤波方法。4、研究了基于移动光靶标的分区域相机标定方法，利用三坐标测量机带动圆形LED光靶标随之移动，结合图像处理算法获取准确的空间点集，采用改进的Tsai两步法，实现的高精度的相机标定。5、在原有测头中心标定算法基础上进行改进，建立更加符合实际测量的目标函数，同时优化测量流程，采用数学平均思想提高测头中心的稳定性和算法的收敛速度。6、利用上述改进的方法检测系统整体精度并与海克斯康Global系列传统三坐标测量机的精度进行比较。改进后系统在2m范围内三个轴向的单点测量稳定性精度分别能达到0.005mm，0.005mm，0.039mm，三个轴向的长度测量最大误差分别为0.039mm，0.011mm，0.080mm，较改进前均提高一个数量级。最后分析了改进后系统误差的主要来源，并从硬件和算法两个方面的给出改进方案。