测量技术与科学技术各部门、国民经济各领域的发展都有十分密切的联系。随着科技的快速发展,各行业对高精度测量技术的要求都越来越高,尤其是涉及到纳米技术、MEMS技术和航空航天技术的行业,这些迫切的需求促使一批针对精密测试计量的新理论和新方法大量涌现,从而大大提高了精密测试计量的精度与效率,成为了科技进步的保障。在微机电系统和精密机械等产业中,更是迫切要求一种高效的精密测量与定位技术,无论是精密数控加工平台或是高精度运动台,都需要对工作台的多个自由度进行精确的测量与定位,这是保证其他功能实现的基础与保障。在微位移测量方法中,平面光栅测量技术具有精度高、量程大、对测量环境要求相对较低等优点而广泛应用,特别是近年来光栅测量系统向纳米级精度发展,为光栅的在高精度测量应用中提供了广阔的应用前景。二维光栅尺可同时测量平面内两个维度的位移,结构紧凑。与激光干涉仪相比,抗干扰性好,成本较低；与用两个一维光栅尺测量平面位移相比,能够减小因入射点不一致引起的阿贝误差,消除两维度安装不垂直的影响。随着平面电动机的出现,用二维光栅尺测量平面位移在精密加工、纳米测量等领域显现出较强的应用前景。本文围绕高精度平面光栅干涉仪的关键技术进行了系统深入的研究,针对应用于光刻机工件台中的光栅干涉仪,详细分析了工件台测量需求,据此总结了相关设计方法,包括干涉信息的有效利用,衍射光束、光学倍程及信号处理方式的选择等。另外通过琼斯矩阵建模和数值仿真的方法详细分析了光栅干涉仪中存在的混叠误差和对齐误差,给出了光栅干涉仪的测量不确定度。最终在设计方法和误差分析的指导下设计出一种新型高精度三自由度平面光栅干涉仪测量系统。该测量系统可同时测量光栅矢量方向和光栅平面法向的线性位移。其中光栅矢量方向可实现大量程二自由度测量,光栅平面法向可实现量程±1mm的测量,以满足光刻机工件台的六自由度位移测量。设计中采用外差信号处理方式,降低环境对位移测量的影响,提高信噪比,外差信号易处理、细分,同时简化了干涉仪的光学结构。辅以光学细分和电子细分,可实现三自由度亚纳米分辨率的位移测量。另外,该设计光路短,测量精度受外界影响小,且体积小,质量轻,可提高光刻机工件台的位移测量精度、优化其动态性能。