在生物制药、微电子、超精加工、航天科学、材料科学等众多领域，都需要纳米级的位移测量系统提供设备支持。光栅干涉位移测量技术作为能够实现纳米级位移测量的技术之一，具有体积小、成本低、结构简单、易于仪器化等优点，具有极其广阔的应用前景。本文以实现纳米级光栅干涉位移测量系统为目标，围绕光栅干涉位移测量的基本原理、关键技术、总体设计、系统实现、性能测试等相关内容进行了深入研究，具体工作及主要创新点主要体现在以下几个方面：1.介绍了光栅干涉位移测量的基本原理，对光学干涉位移测量中的光学细分方法进行了研究，推导和仿真了衍射光干涉场的光强分布，通过将四象限探测方法和差分处理方法相结合实现了对干涉信号的高信噪比探测。对于采用差分处理方法得到的两路正交信号，提出了一种基于反正切变换的相位高精度细分方法。该方法将信号相位的测量分为整数计数和小数相位测量两部分，通过详细的理论推导，得到了最终相位测量所需的准确表达式。该方法能够有效实现正反两个方向的位移测量，且具有较高的相位测量精度。2.研制了一套小型化单光栅纳米级干涉位移测量系统。从小型化纳米级的角度对该系统进行了总体设计。采用体积较小的半导体激光器，结合反射式衍射光栅、分光镜和反射镜，设计出了一种紧凑型的光路布局。利用自行设计加工的金属部件，搭建了小型化的系统装置。采用四象限探测器和DSP芯片设计制作了系统所需的电路部分。通过将光学系统、机械系统和电路系统进行装配集成，得到了最终的单光栅纳米级干涉位移测量系统。3.对设计制作的小型化单光栅纳米级干涉位移测量系统进行了性能测试。结合高精度电容位移传感器和数字平移台等辅助设备，对不用间隔距离、不用移动方向、不同移动速度、不同电容探头安装位置和不同测量量程下的系统性能进行了测试和分析。测试结果显示该系统随着测量间距的增加测量精度有所提高，在正反两个方向上具有同等的精度水平，且在不同量程下都表现出较好的稳定性。不足之处是本系统的测量精度会随着移动速度的增加而有所降低。4.对基于光纤耦合器的单光栅干涉位移测量技术进行了研究。分别设计了基于1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器的单光栅干涉位移测量系统。分析了损耗对光纤耦合器输出相位差的影响。对基于光纤耦合器的单光栅干涉位移测量系统的性能进行了测试。测试结果表明，基于光纤耦合器的单光栅干涉位移测量系统有望获得更高的信噪比和更好的稳定性，能够进一步提高系统的测量精度，扩大其适用范围。