激光光栅干涉测量技术是一种融合了激光干涉和光栅干涉原理的多自由度测量技术,既有光栅干涉测量的精度高、热惯性高的优势,又有空间光路短、对空气折射率不敏感的优点,能够有效避免空气环境下激光干涉测量精度受气流扰动的影响。因此,利用多个线位移激光光栅干涉测头实现的全干涉式位置姿态同步测量是超精密六自由度测量的一种优势方案,已应用于荷兰ASML公司研发生产的NXT系列深紫外浸没式光刻机中,是38 nm至7 nm制程芯片光刻的一项核心技术。但是该技术长期掌握在ASML等企业中,具体细节对外严格保密;而公开领域对该技术的研究尚不深入,尚未形成完善的多测头组合式激光光栅干涉测量六自由度位姿测量研究体系,存在以下三点问题:一是多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量方法模型尚未建立,被测位姿、测量基准与测头各轴数据之间的关系尚不清楚;二是现有多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿求解算法只考虑局部求解,缺少符合六自由度全局精确解算的显式解析式;三是激光光栅干涉传感测头各轴线位移测量受光栅偏摆影响,大范围、高精度的测量需求相互制约、难以兼顾。上述问题极大地阻碍了多测头组合式激光光栅干涉六自由度测量技术在超精密制造装备中的实际应用。因此,本文面向深紫外浸没式光刻机等国产高端装备制造等领域提出的高精度、大范围六自由度位置姿态测量需求,针对上述多测头组合式激光光栅干涉六自由度测量技术中存在的三点关键问题,从测量模型、解耦算法和旋转误差三个角度入手,对此种测量方法进行深入的理论探索与技术研究,主要包括以下三项具体工作:（1）针对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量方法进行研究,首先提出了一种面向多测头组合式测量的二维线位移测量方法,在空间分离光路消除周期非线性误差的基础上,设计二次衍射光路结构实现光栅水平和垂向位移同时测量的功能;同时分析了光源频差对于激光光栅干涉测量的影响,当双频光路同时变化时,测量误差为10-8量级,在本研究中光路长度变化不大的纳米级测量情况下可以忽略。之后对多测头组合式布局及其间接测量光栅旋转角度原理进行了分析。经1024电子细分,所设计的激光光栅干涉测量系统在x、y、z向位移分辨力为0.244 nm、0.244 nm和0.171 nm;测头间距50 mm时,沿x、y、z轴的转角分辨力为4.88 nrad、4.88 nrad和3.42 nrad。（2）针对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量模型与解算算法进行研究。首先结合激光波长、光栅栅距基准的空间几何特性明确了被测六自由度的定义,提出了等效旋转中心作为描述光栅空间运动的基点;提出了基于计量框架坐标系定义的无偏溯源角代替导航角描述光栅复合旋转,实现了光栅六自由度运动的精确表达。在此基础之上,建立起激光光栅干涉六自由度位姿测量模型,明确了光栅六自由度位姿与测头各轴干涉信号相位的关系,构建了六自由度位姿测量结果的显示表达。最后,对模型进行逆向求解,得到各轴干涉相位求取六自由度结果的精确解析式,实现了通过光栅转角对光栅刻线基准方向的修正,可有效补偿x、y向平移测量基准方向变化引起的的余弦误差和z向多光束测量引起的阿贝误差;仿真实验结果表明,所提出的算法可将位姿解算环节对线位移测量结果的影响控制在干涉测量误差的0.1%以下,有效避免了现有算法引入的微米级解算误差。（3）针对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量旋转误差及补偿方法进行研究。首先利用空间矢量衍射方程建立起任意光栅姿态下的矢量光路追迹模型,得到光栅姿态与干涉信号强度、空间光路长度两参数的关系。之后对光栅姿态导致的干涉强度衰减量化分析,总结出提高测头结构角度范围的“短光路、宽光束”设计原则,并对具体测头结构进行优化;对光栅姿态对空间光路长度变化进行分析,指出光栅姿态变化会导致测头线位移测量误差,并根据实际光路结构推导得出补偿公式。按照所涉及的结构搭建原理样机进行实验,结果表明,在光栅偏摆±2 mrad范围内,所提出的方法不仅实现了面内面外二维线位移等精度测量,而且保证了每个单轴光栅测量精度达到5 nm,为兼顾高精度和大量程的六自由度位姿测量提供有效的测头方案。综上,本文对多测头组合式激光光栅干涉六自由度位姿测量方法及其测量模型、解算方法、大量程高容差兼顾的测头方案展开研究,为超精密六自由度光栅干涉测量领域提供了理论和技术基础,在深紫外浸没式光刻机等国产高端装备制造领域具有重要的应用价值。