同步移相干涉测量系统,由于在瞬间同时采集三幅以上的移相干涉图,振动对这些干涉图的影响是相同的,因此具有良好的抗振性能。本文研究了三种同步移相干涉测量方案,包括1)棱镜分光偏振移相的同步移相干涉测量系统,2)棱镜分光λ/8波片移相的同步移相干涉测量系统以及3)光栅分光偏振移相的同步移相干涉测量系统。建立了这三种同步移相方案的数理模型,运用琼斯矩阵理论得到了它们各自的移相算法。具体设计了光栅分光偏振移相方案的实验系统。该系统以泰曼-格林偏振移相干涉仪为基础,二维正交光栅做为分光器件,偏振片组为移相器件,选用电子快门时间可调的CCD摄像机对移相干涉图进行瞬态同步采集,达到移相抗振的目的。研究了同步移相抗振干涉测量系统的关键技术,包括干涉图之间的光强匹配以及空间一致性标定等。分析了衍射光栅的分光特性,构建了二维衍射光栅的模型,设计了以光栅的(±1,±1)级衍射通道作为同步移相系统分光单元的方案,解决了同步移相系统中光强匹配问题;分析经过分割后的四幅独立干涉图的横向空间对应点之间简谐振动初相位差,实现了移相干涉图之间的空间位置一致性标定;通过旋转一个全局偏振片的方法,根据干涉图消光时的位置之差,确定了实验系统的偏振片组移相精度。从干涉系统、分光系统、移相系统三个方面详细分析了实验系统的误差源。指出偏振片组的方位角误差和干涉图的空间一致性匹配误差为实验系统的主要误差源,对各种误差源提出了相应的解决方法。根据周围环境振动的频率特性,设计了一个PZT人工振源,通过测量系统在各种幅频积振动中的测量重复性,来定量测试实验系统的抗振性能。结果显示该系统在幅频积100λHz以下的振动中测量重复性优于0.02λ。为了验证实验系统的测量精度并考核其性能,将一个显微物镜在本实验系统中与在Zygo干涉仪上的测量结果进行了比对,结果吻合良好。同时还对一个低反射率面形和热流场进行了测量。文中还提出了一种基于空间移相的动态检测λ/4波片相位延迟分布方案,分别通过密勒矩阵和琼斯矩阵法得出其测量模型,并对一个标称波长632.8nm的λ/4波片进行了测量。实验结果显示其接近75%范围内延迟误差在5nm以内,具有较好的延迟均匀性。