随着现代科学技术的不断进步，微电子制造工业、纳米技术以及MEMS等技术得到了蓬勃发展，而这些技术的实现必须以精密的测量技术作为基础。在众多的测量方法中，光学测量方法以其高精度、非接触、宽动态范围和易于数字化的特点而显示出特有的优势。其中，基于光栅的位移测量系统以光栅栅距作为测量基准，具有对光源的稳频要求不高，光路结构简单，体积小等优势，能在超精密加工中胜任高分辨率、高速度、大量程的位移测量任务。在此技术上国外已经具备批量化生产的能力，而我国与之相比还存在一定的差距。研究出高分辨力、高测速的光栅位移测量系统有其重要的意义。本文的主要研究内容和工作如下：首先，本文研究了莫尔条纹的分析理论、多普勒频移理论、衍射光干涉理论和偏振光学理论。依据这些理论设计并搭建了基于衍射光栅的位移测量光路系统，完成了该系统基于琼斯矩阵的理论推导。与常见光路相比，该光路系统使用较少的光学器件，即能够进行光学四细分。此外，光路应用偏振光学的特性，合理分离测量光和杂散光，抗干扰能力强。其次，对光栅位移测量系统的各种信号处理方法进行了分析和研究，其中着重研究了电子学细分方法，提出了适用于高速位移信号测量的辨向和细分算法。再次，完成了测量系统的信号处理硬件电路设计。根据光栅测量的常见误差，设计了信号调理电路，经过调理电路后，可以有效补偿光信号的不等幅误差和非正交误差。设计了基于FPGA和DSP的信号采集与处理电路，完成了系统的软件编程设计，可控制高速A/D对信号进行采集并实现位移计算方法以及与上位机间的数据通信。此外，设计了基于LabVIEW的上位机显示界面，读取数据并对测量进行控制。最后，对本位移测量系统进行了误差分析和比对实验。分析了光栅、激光器、光路、电路以及测量环境对系统精度的影响，并对系统精度进行了评估。对光路和电路系统的功能进行了验证，测试了系统的分辨力参数。实验结果表明，本系统可以达到2.6nm的分辨率，最大测量速度能够达到100mm/s。