激光扫描投影系统常应用于工业装配场所,能够根据待投影工件或零部件的CAD图纸,将其轮廓或定位点准确地投影到投影面上。激光扫描投影仪器通过双轴振镜的高速偏转,按照设定好的路径连续改变激光光束的投射方向,使激光光束在待投影工件或零部件的表面形成稳定、清晰的激光图样,指引操作人员进行定位和装配工作,可以提高装配精度和工作效率。为了使激光处于最佳汇聚效果,进而保证激光轮廓线以最窄的线宽辅助指导定位和装配操作,并在待装配工件的准确位置投影出激光图样,本文针对基于对称离焦双探测器结构的光电系统设计、定向回归反射合作目标的扫描测量方式、多坐标系转换关系解算方法开展了关键技术研究,并搭建了新型激光扫描投影系统。主要完成的工作如下:（1）通过比较不同准直扩束系统、聚焦系统的优缺点,使用ZEMAX软件仿真光学系统,建立了适用于激光扫描投影系统的、可变焦点的激光图样投射光学系统。同时,结合对称离焦的双探测器接收结构,对探测信号进行差分处理,通过对零点的探测实现精准自动聚焦。实验结果表明,结合该对称离焦探测结构的光学系统可实现激光光束在2～5米范围内投影工作面上的精准聚焦,且聚焦光斑半径均小于0.5mm。（2）讨论光束入射角、玻璃微珠折射率对定向回归反射合作目标出射光束偏向角的影响,分析得出玻璃微珠折射率不同时的最佳入射光线高度范围及其对应的入射角范围,使出射光束偏向角小于6°,确保定向回归反射合作目标良好的回归反射性能,且光电探测器探测到的信号与理想状态下探测到的信号之比大于0.99,为准确提取定向回归反射合作目标的扫描点提供条件。（3）针对扫描定向回归反射合作目标时间长、扫描数据使用率低等问题,基于外摆线和太阳花曲线的数学模型,提出了两种新型圆形定向回归反射合作目标扫描方法,并从扫描时间、扫描数据使用率、中心提取精度三个方面对不同扫描方法进行评估。通过实验验证,太阳花线扫描方法实现了更精准的中心提取,平均中心求解误差为0.055710mm,并将扫描时间由2.5s缩短至0.36s,提高扫描数据的使用率到0.89%,是光栅矩形扫描方法的6.231倍。（4）研究了两种非线性优化算法,用于解算投影坐标系与工件坐标系间的坐标转换矩阵参数,比较了粒子群优化算法和蚁狮优化算法的平均适应度值和平均运行时间,实验表明:粒子群优化算法解算结果对应的适应度值90%均小于1×10-10,平均运行时间为86.124993s,更适用于激光扫描投影系统。另外,通过优化粒子群优化算法的参数,提高了算法解算收敛概率和工作可靠性。（5）最终,综合以上关键技术,在自主搭建的新型激光扫描投影系统上进行投影验证实验,结果表明系统能够在待投影工件表面形成准确的激光轮廓图样,实现对工件的精准定位,且定位精度在0.5mm之内。