随着国民经济的发展,作为重要支柱的现代制造业成为了重要的基石。在现代制造业的发展历程中,工业测量已经成为工业发展过程中不可或缺的一部分。并且随着汽车行业、航天事业等需要高精度即时测量的发展,常常需要能实时实地的快速测量,来解决工业现场的问题,视觉测量系统因此逐渐登上了舞台并受到大家的关注。基于单目视觉的光笔式三坐标视觉测量系统作为视觉测量系统中的典型更有其独到之处,该系统以视觉测量技术结合图像识别技术组成了一种以靶标成像为原理的新测量系统,使得测量系统的便携性大大提高,而且同时具备操作简单、使用方便、测量精度高等优势。本文针对国内光笔式视觉测量系统起步较晚、测量精度以及测量稳定性较差等问题,组建了一种新的光笔式三坐标测量系统,并完成了相应设备的选取加工等工作。定义了系统的位姿域,并通过实验确定了系统位姿域的范围,规范了系统中光笔测量的操作,提高了测量系统的测量稳定性。提出了一种新的自标定方法,该方法操作简单,无需借助任何器械,在保证系统测量稳定性的同时大大提高了系统的便携性。主要工作如下:（1）组建了一套光笔式三坐标视觉测量系统,并完成了摄像机的选取、光笔的设计和加工、光笔测头的选取等工作。在光笔的设计和加工过程中,对光笔的材料进行了详细的分析选取,并对特征点的分布及特征点材料也做了相应的分析和选取工作。（2）针对测量系统中光笔测头中心的标定提出了一种基于球形拟合的光笔测头中心自标定方法。将光笔特征点拟合在相应的球体上,求解出的球心坐标即为光笔测头中心的实际位置。新的自标定方法保证了光笔的测量精度,并极大地提高了系统的便携性。（3）建立系统的位姿域并完成了测量系统的图像处理。光笔的位姿一定程度也影响着光笔的测量精度,定义了测量系统的位姿域并设计了一种辅助测量设备,对光笔的位姿域进行了确定,一定程度上保证了光笔的测量稳定性。在图像处理方面,介绍了CCD摄像机的标定原理,然后分析并给出了特征点区域的提取方法,最后选取了高斯曲面拟合的方法对特征点进行中心定位,完成了图像处理的相关工作。（4）完成了相应的实验以及分析。首先对系统进行了单点重复性实验,验证了系统的测量稳定性。然后对提出的基于球形拟合的光笔测头中心自标定方法进行了验证实验,实验结果令人满意,表明测头中心自标定方法能够保证系统的测量精度以及测量稳定性,并且极大的提高了系统的便携性。最后为了确定系统的位姿域,对系统X、Y、Z三个旋转轴进行了阈值测量实验。实验对三个方向的测量数据进行了详细的分析,得出了三个坐标方向的测量阈值,规范了光笔的测量位姿,保证了系统的测量稳定性。