基于视觉测量技术的便携式坐标测量系统以其携带方便、操作简单、测量范围大、精度高等优点,在大型、重型制造行业中获得了越来越广泛的应用。光笔式视觉测量系统是以光笔作为接触式辅助测量工具的一种便携式坐标测量系统。与结构光测量机等一般的视觉测量系统相比,光笔式视觉测量系统具有便携、使用方便、无线、无臂、柔性高等优点,且不存在断光干扰、具有出色的隐藏点测量能力,适用于对现场测量中光线难以到达的工件内腔曲面、深孔、复杂表面等特征进行测量。为了实现大尺度测量中对结构较为复杂的关键部件位置尺寸的测量,在现有研究的基础上,本文研究开发了单目与双目光笔式的视觉测量系统,并解决了实现系统功能的关键问题。根据光笔式视觉测量系统的主要组成和测量过程,本文对系统硬件选择和设计、单摄像机和双摄像机测量原理、系统视觉测量算法的优化与改进等,进行了较为深入的研究。本文所做的创新性工作主要有：首先,利用高精度平面靶实现对摄像机内外参数的标定,对Zhang方法进行了改进,得到了更为准确的标定结果；其次,研制了一种标志点相对坐标未知的反光式光笔,光笔上面标志点之间的相对几何位置、标志点与测针的位置关系都没有严格要求。标志点的坐标可由系统本身进行精确标定,当标定完成之后,标志点可作为控制点使用,且在之后的使用过程中无需重复标定。第三,考虑到测量目标不同,光笔所使用的测针也将不同,因此需要对测针球头的中心位置进行定位,根据中心位置不变的原理,本文提出了一种高效的自主定位方法；最后,在光笔测量过程中,需要根据光笔上的标志点的三维坐标与摄像机获取的二维图像平面坐标之间的对应关系来解算光笔与摄像机之间的位置关系,并根据此位置关系来确定待测点坐标。在此过程中,为了提高系统测量的精度,使用了基于光束平差法的优化方法,可以在不需要准确初值的情况下获得高精度的计算结果。单目与双目光笔式视觉测量系统在工作原理上不尽相同,文章对此分别作了介绍,并在实验部分对两套系统的测量精度进行了对比。通过对孔板上点阵的测量分析了系统的测量精度,实验表明,在100mm×120mm的测量区域内,单目光笔式视觉测量系统的精度可达到0.03mm,双目光笔式视觉测量系统的精度可达到0.02m,满足了工业领域内的精度要求,能够运用于现场测量。