光栅位移测量技术因具备精度高、稳定性好、体积小、灵活性强、成本低等诸多优点,在超精密测量方面具有重要价值,尤其是在超精密加工装备的测量系统中有着广泛的应用。在超精密加工领域,对光栅位移测量技术的要求主要是高分辨力和多自由度。为了实现高分辨力和多自由度的位移测量,本课题对位移测量系统的光学细分倍数、电学细分倍数以及三自由度测量等关键技术进行了研究,在双光栅干涉测量系统中使用微米级周期光栅的2级衍射光来实现4倍光学细分,并研究了光学信号的电学细分处理方法,以此来提高系统的分辨力,通过使用双光栅干涉系统中两光栅的直接反射光之间的干涉实现Z轴方向上的位移测量,简化系统结构,实现三自由度位移测量。论文主要工作如下:首先,设计三自由度高分辨力的双光栅干涉测量系统的光学结构。在X轴方向和Y轴方向上的位移测量是利用双光栅干涉测量原理,用扫描光栅的0级衍射光在标尺光栅的2级反射衍射光,以及扫描光栅的2级衍射光在标尺光栅的-2级反射衍射光,使二者在扫描光栅再次汇聚并合光干涉,实现4倍光学细分测量;在Z轴方向上的位移测量则是利用扫描光栅直接反射的0级衍射光和1级衍射光,分别与经扫描光栅透射、标尺光栅反射的0级衍射光在扫描光栅上出射的0级衍射光和1级衍射光之间干涉,实现对光波长2倍光学细分测量;同时基于标量衍射理论,分析了双光栅干涉原理中扫描光栅一维和二维光栅以及标尺光栅的衍射效率与结构参数之间的关系,进而根据各级衍射光的衍射效率要求,通过仿真分析和优化,设计了一维和二维扫描光栅以及反射型标尺光栅的台阶高度h和占空比r。其次,对X轴、Y轴双光栅干涉测量以及Z轴方向干涉测量分别获取两路干涉信号,并根据归一化后两路信号由于存在相位差而产生的交点和过零点划分多个区间,让两路信号互相作为辅助实现对两路具有任意相位差信号的细分。设计了求解互相作为辅助参考的两路信号相位的算法,并在数字信号处理器DSP上编程实现。分别实现了对X轴和Y轴方向上两路120°左右相位差信号和Z轴方向上两路90°相位差信号的相位细分。最后,根据双光栅位移测量的需求加工了测量系统的标尺光栅和扫描光栅,并设计了光电转换电路、低通滤波电路和数据采集模块,搭建了光学实验台,并对测量信号进行处理得到了位移信息。通过测试分析表明,光栅位移测量系统在X轴方向和Y轴方向实现了对标尺光栅周期的4倍光学细分、在Z轴方向实现了对激光波长的2倍光学细分的功能。通过设计的对两路任意相位差信号的细分方法,实现了对X轴、Y轴、Z轴方向上周期测量信号的128倍电学细分。