精密测量技术水平体现了一个国家的综合实力和技术水平，制造技术的发展、军工装备的提升和高技术领域的发展等都依赖于精密测量技术的发展水平。在众多精密位移测量方法中，光学测量以其高精度、大量程、高可靠性等优势占据绝对主导的地位，其中又以激光干涉仪和光栅传感器应用最为广泛。然而，由于传统光学精密测量传感器的制造设备价格极其昂贵，并且国外对我国严格封锁，导致我国光学精密测量技术及设备远远落后于先进技术水平。作者所在课题组研制出了一种以时间脉冲为测量基准的位移传感器，发明并命名了一种新型位移传感器——时栅。经过十几年的发展历程，前期研究的磁场式时栅已经取得了有目共睹的成绩。然而随着产业化进程的深入推广，现有磁场式时栅因为受电磁感应原理、及自感、互感等因素的影响，在测量精度和动态特性上都难以进一步提高，促使时栅研究工作向某些性能更优的光场方向延伸。在此背景下，本文延续前期时栅传感器的研究基础，开展新型光场式时栅传感器研究，试图在光学领域通过构建运动坐标系的方法，实现时间对空间位移的测量，以降低传感器制造难度和加工成本。主要的研究内容和创新点如下：①从测量基准时空转换理论出发，阐述了光场式时栅位移测量的关键是构建一种光场匀速扫描的运动坐标系。在此基础上，系统的总结了实现匀速运动的三种方式为机械运动、构造行波和自然行波。并将人为构造的空间场强周期性变化的运动方式定义为构造行波。对比分析了自然行波与构造行波的产生机理、特点和在位移测量中的应用。②从光的波粒二象性的本质出发，创新性的提出了实现光场式时栅的三种测量方法并对其传感机理展开研究：1)分析了以电机驱动和光敏单元时序驱动的扫描方式，在光场强度恒定的情况下，实现光场匀速扫描的静态光场式时栅传感机理；2)分析了以光强正交调制，构造空间周期性变化的运动光场扫描方式，实现构造行波匀速扫描的动态光场式时栅传感机理；3)分析了以低频差圆偏振干涉方法合成旋转光场的扫描方式，实现自然行波匀速扫描的另一种动态光场式时栅传感机理。③利用线阵CCD内部集成的高精度光敏阵列单元，结合静态光场式时栅测量原理，提出一种空间均匀分布，时序相互错开的CCD匀速扫描的测量方式；设计了一种基于线阵CCD的静态光场式时栅传感器。并开展了相应的实验研究，实现了整周±5"的测量精度。④设计了两种动态光场式时栅传感器，分别为：光场耦合的动态光场式时栅和差频干涉的动态光场式时栅，并重点介绍了光场耦合式时栅的结构设计、硬件设计和软件设计等。⑤以光场耦合的动态光场式时栅为例，研制了首个动态光场式时栅线性位移传感器样机，搭建了一套实验系统。研究了影响光场构造行波匀速性的各种因素，分析了各种因素给测量结果带来的影响，探索出了一套实现高精度测量的实验方法。所研制的动态光场式时栅原理样机，在54mm测量范围内，实现了±0.5μm的测量精度。综上所述，本文在对时栅位移传感器运动坐标系构建方法的深入剖析的基础上，从易到难，从简单到复杂，从低级到高级，探索出了三种不同级别的运动扫描方式，分别为机械扫描、光场构造行波和自然行波合成三种实现方法。并详细分析了三种方法的时栅测量传感机理。分别研制了“CCD时栅”和“光场耦合式时栅”两种传感器样机，开展了大量实验研究。本课题是刚获批的国家重点基金项目“大量程纳米时栅传感测量原理及器件基础研究”（项目编号：51435002）的一项重点研究内容，属于预研性质的原创性基础研究，其研究内容无论对于传统的光学位移测量还是新型时栅位移测量，都是一个全新的探索过程，可借鉴的资料很少。实验结果已验证了理论推导的科学性和正确性。所研制的传感器原理样机的精度与现有磁场式时栅传感器精度相当，但离大量程、纳米级测量尚有较大差距，希望以后能够不断取得突破，使其精度真正达到纳米级测量精度。