微位移测量技术是目前精密加工技术、精密装配工艺以及微观尺度观测的先决条件,其发展水平反映了一个国家的工业实力及技术水平。当前,微/纳米位移测量技术的快速发展推动了数控制造、航空航天以及军工装备等高科技领域的飞速发展。光学位移检测作为目前主流的纳米位移检测技术之一,以高精度、高分辨率以及抗电磁干扰等优点受到了各国研究人员的广泛关注,并且各研究机构和高校在提升精度和提高分辨率方面做出了巨大的努力。本文利用光栅作为分光元器件,通过改进现有单层衍射光栅位移传感器的光路结构,使输出光强由单路正弦信号扩展为四路正交正弦输出,同时对细分插值电路提升传感器分辨率展开研究。首先,通过梳理分析对比目前主流光栅位移测量技术的优缺点,分析目前主流光栅位移传感器设计思路,结合单层衍射光栅位移传感器量程较小的问题,提出解决量单层衍射光栅位移传感器程较小的改进方案。通过利用偏振相移的方法实现四路正交正弦信号输出,提高传感器量程范围的同时可以利用目前较为普遍的细分插值方法实现位移分辨率的提升。然后,利用Simulink对反正切细分插值算法进行建模仿真,分析了如何利用反正切算法来提升传感器的线性度和量程。同时,由于输出信号中不可避免的存在幅值误差、偏置误差以及相位误差,针对输出信号中存在各种误差导致的反正切细分插值误差进行了定量分析。最后,通过设计偏置调理电路、相位调理电路、幅值调理电路实现输出信号的误差调节。利用细分插值芯片进行了反正切算法实验验证,利用信号发生器输出标准正余弦信号,可实现10000倍插值细分。最终,通过光路搭建以及对光路输出信号的细分插值,实现量程扩展的同时可实现2.54nm的位移分辨率。