本发明公开了一种基于单次成像的大视场LED透镜贴装的多目标定位系统，该系统包括大幅面图像采集、目标定位、位置校正。本发明还提供了一种多目标定位方法。该方法包括第一个标准样品的处理方法与第二～N个样品的处理方法。标准样品的处理步骤：采集铝基板图像，设置目标与Mark点区域，图像分割,BLOB分析,特征提取与目标定位,Mark点中心定位及其连线中点与倾斜角度获取；第二～N个样品处理步骤：采集图像，Mark点中心定位及其直线段中点定位，获得样品角度与位移的偏移量，构造刚体变换矩阵，对标准样品的多目标点进行仿射变换。本发明所提供的系统与方法具有定位速度快、可实现全自动化、无人工示教干预获取目标点、可实现不间断连续生产。