Diese Arbeit präsentiert neue Verfahrens- und Lösungsansätze in der optischen Messtechnik zur Bestimmung von Orientierung und Position von Objekten. Sie befasst sich mit der Entwicklung, Bewertung und Herstellung von optischen Komponenten und deren Kalibrierung zur Umsetzung und Auslegung von hochgenauen, optischen Orientierungs- und Positionssensoren. Optische Glasplatten (Zieltafeln), bedruckt mit einem hexagonalen oder orthogonalen Punktemuster, wurden auf ihre räumlichen Streueigenschaften bei einem einfallenden Laserstrahl untersucht. Die dadurch erzielte Halb-Transparenz ermöglicht das Abbilden von zwei Laserpunkten auf zwei zueinander parallelen Zieltafeln. Die Positionen der Laserpunkte werden mit zwei Kameras aufgenommen. Die Transformation von Pixel- auf metrische Koordinaten wird mithilfe von bivariaten Tensor-Polynomen berechnet, wobei die Polynom-Koeffizienten so ermittelt werden, dass die mit den optischen Komponenten verbundenen Verzerrungen, z.B. Linsenfehler, kompensiert werden. Die Kovarianz-Fortpflanzung wird explizit für die Kalibrierung errechnet, um den optimalen Polynomgrad für die Approximierung zu bestimmen. Dieses Verfahren minimiert somit die Diskrepanz zwischen systematischen und stochastischen Fehlern. Diese neue Methode wurde in zwei Anwendungen implementiert: (1) Die System-Kalibrierung wurde bei der Entwicklung eines optischen Messinstruments zur Bestimmung von Orientierung und Position von Tunnelbohrmaschinen angewendet. Ein Referenz-Laserstrahl, gerichtet auf dieses Messinstrument, trifft auf zwei zueinander parallele Zieltafeln auf, wobei die erste Zieltafel halbdurchlässig ist. Das implementierte Verfahren liefert sehr präzise Messungen von den Positionen der Laserpunkte mit einer Standardabweichung von 0.05 [mm] bzw. einer Standardabweichung von 0.02 [Grad] bei Neigungs- und Gierwinkel. (2) Das zweite Messsystem besteht aus einer digitalen, stationären Kamera, welche die Orientierung und Position des Endeffektors von planaren parallelen Manipulatoren bestimmt. Leuchtdioden am Endeffektor werden im Bild registriert, um die Transformation zu berechnen. Die Messergebnisse zeigen, dass Position und Orientierung des Manipulators schnell, einfach und mit sub-millimeter Genauigkeit gemessen werden können. Schließlich wird der Einsatz einer neuen Komponente von Glasfenstern mit schaltbarer Transparenz - Glas, das durch elektrische Spannung von durchsichtig zu komplett lichtundurchlässig geschaltet werden kann - als mögliche Verwendung für Zieltafeln in der metrischen Bildverarbeitung untersucht.