精密测量技术是现代超精密加工及超精密控制技术的重要保障手段,兼顾大量程高精度小型化的精密测量技术为高端加工设备中的超精密位置定位提供了合适的技术手段。光栅位移测量系统作为一种以光栅栅距为基准的测量设备,其测量精度高、环境适应性好的优点使其应用于多种高端加工设备。近年来,尽管国内外学者进行了各个方面的研究,但光栅位移测量系统仍存在大量程、高精度、小型化相互制约的矛盾,即系统中光学元件的加工及安装误差影响整体测量精度,测量光栅加工制造误差难以标定,单块大尺寸高精度测量光栅加工制作困难限制测量量程,系统结构臃肿不适用于应用环境等。这些问题限制了光栅位移测量系统的应用范围,严重制约其从实验室技术向产品化发展,不能满足市场对超精密定位产品的需求。因此,本文从光栅位移测量系统相互制约的三个矛盾出发,旨在寻求矛盾平衡点,使其综合性能提高;刨析应用所需难点并解决,使光栅测量系统走向产品化。本文的具体研究内容如下:第一,开展了光栅衍射特性与干涉位移测量原理的研究。进行了严格耦合波方法对光栅衍射效率计算的阐述,分析了入射光束与衍射光束的空间关系;阐述了光栅多普勒效应对测量光束频率的影响;分析了干涉测量中干涉光相位变化与位移变化的关系;列举了常用的相位提取方法,如零差四步相移、差频干涉相移提取。第二,开展了基于锥面衍射调制的光栅位移测量方法研究。利用严格耦合波方法分析了测量光束经锥面衍射的效率变化与偏振态变化,分析了不同光栅参数下锥面衍射结构的普适性,并根据衍射光相位变化分析工作台运动误差引起的测量误差;进行了基于锥面衍射的光栅位移测量系统的搭建与实验,分析与补偿重复测量中的误差,43mm量程的测量精度为45nm。验证了锥面衍射对光束偏振的调制作用与锥面位移测量结构的高精度。第三,开展了基于锥面衍射的光栅面形误差消除研究。分析了多点测量中光栅面形误差及刻线误差对测量误差的影响,并采用锥面衍射式结构实现对称结构单点测量,消除多点测量受光栅面形误差与利特罗式单点测量杂散光混叠的问题;进行了测量光栅面形的检测与数据处理,对比了测量误差与刻线误差,两类误差基本一致;分析了测量光束不重合而残余的面形误差,43mm量程残余面形误差0.2nm。验证了锥面衍射测量方法的面形误差消除特点,也为后续量程扩展和小型化设计提供高精度的读数头研究基础。第四,开展了光栅位移测量系统的大量程拓展研究。采用短尺寸高刻线密度光栅进行拼接,分析了多光栅拼接间隙引起的光栅测量系统切换过程中的动态误差,并探究测量数据补偿与切换传递方法;设计并搭建了多块光栅拼接的光栅测量系统,将测量光栅以部分重叠的方式进行放置,特殊设计的双层读数头可同时采集两光栅测量数据;进行了拼接测量中重叠区域的数据延迟补偿和姿态不一致引起的误差补偿,实现了均匀拼接中缝隙引起的数据丢失和切换前后光栅姿态不一致误差的消除。验证了拼接数据补偿与数据切换方法在更大量程扩展中的可适用性。第五,开展了小型化测量结构误差确定与分配研究。以高精度锥面衍射光栅测量结构为基础,结合锥面衍射空间分布,设计了测量精度高、空间利用率高的光栅位移测量结构;采用ZEMAX分析了测量结构中的杂散光影响,并根据光线向量的光线追迹程序分析了干涉光束在不同误差下的重合度,以此确定光机元件的加工误差容限并进行误差分配;对设计完成的小型化测量光机结构进行装配步骤设计,实现了48mm*40mm*20mm的小型化读数头设计与装配。