随着微电子行业的快速发展,对微电子制造装备的高速高精度的性能要求也越来越高,如何在高速状态下获取更高的测量精度,不仅与微电子行业未来发展息息相关,也对提升我国综合制造能力具有深远的意义。与编码盘、激光干涉仪等精密测量仪器相比,光栅测量传感器由于价格低、分辨率高、结构紧凑、精度高等特性,在各个测量行业得到广泛应用。传统的光栅传感器主要依据对莫尔条纹的计数,得到位移测量值。为了提高测量精确度,可对莫尔条纹采用复杂的细分处理,但其容易受外部的噪声干扰而降低精度;或者可以减少光栅的栅纹距离来提升精度,可高密度光栅刻线工艺复杂、制作环境及技术要求高,难以达到要求。首先,本文针对增量光栅位移测量系统中普遍存在速度与精度的固有矛盾,提出利用线阵相机的高行频、高分辨率等特性,设计了一款基于线阵CMOS图像传感器的增量光栅宏微复合位移测量系统,以替代传统莫尔条纹检测方法。其中,高行频特性不仅可以减少高速状态下图像模糊问题,还可以消除运动平台震动带来的影响;为提高测量值的精确度,本文提出纵横转换放大的方式来提升系统分辨率,即将线阵CMOS图像传感器和光栅尺形成一定夹角。其次,在硬件系统方案设计过程中,采用线阵光源、物镜、转接件、光源控制器、线阵相机等硬件组成光学成像系统,随后搭建旋转控制平台,并采用matrox图像采集卡来满足数据的快速传输;为了降低实验设备对系统精确度带来的影响,根据已有的硬件设备的尺寸和结构,设计易于进行三轴微调的机械平台与夹持装置。然后,在软件系统方案设计过程中,使用C++编程语言完成光栅图像采集、宏微复合位移测量算法的代码编写,并采用局部自适应阈值法消除光栅图像光照不均的影响。针对采集到的光栅图像存在大量噪声以及污点划痕的问题,提出光栅重构算法结合形态学方式对其进行处理。根据线阵光栅图像的特征,采用软件方法进行运动方向的判别,随后完成了基于QT的人机交互界面的开发,便于实验过程中的调试及观察。最后,调试好软硬件上的实验参数,并以Renishaw激光干涉仪为标准进行对比实验,对实验结果和误差来源进行了解析。实验结果表明,本文设计的测量系统,在现有的实验条件下,系统能达到的位移测量精度为2μm,最高运动速度为0.9m/s,最高分辨率为0.06μm。本文提出的基于线阵CMOS的光栅宏微复合位移测量方法,为光栅测量领域提供了新的研究借鉴方式。