光栅测量系统南光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。
读数头光源发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。机床光电元件（常使用硅光电池）接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个纹距，光栅的亮度变化近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经差动放大、整形、微分后输出脉冲信号。每产生一个脉冲，就代表工作台移动了一个栅距的位移，通过对脉冲的计数就可计算出工作台的移动距离。
采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，无法判断光栅的移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定光栅的运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。机床当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以从两个光电元件输出的电信号波形相同，但相位相差900。机床根据两光电元件输出信号的超前和滞后，经方向判别电路处理得到以高、低电平表示的标尺光栅移动的方向信号。
光栅尺与光电编码器相同，有增量式和绝对式之分。机床增量式光栅也设有零标志脉冲，它可以设置在光栅尺的中点，也可以设置一个或多个零标志脉冲。绝对式光栅尺输出二进制BCD码或格雷码。机床另外，光栅除了光栅尺外还有圆光栅，用于角位移的测量。机床圆光栅的组成和原理与光栅尺相同。
光栅尺输出信号的波形有两种：一种是正弦波信号，另一种是方波信号。正弦波输出有电流型和电压型，对正弦渡输出信号需经差动放大、整形后得到脉冲信号。
为了提高光栅测量系统的精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但刻线密度达到200条/mm以上时，光栅尺刻线较困难，成本也高。因此通常采用倍频处理电路来提高光栅测量杀统的分辨精度，例如在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔】／4光栅栅距就产生一个脉冲，一个脉冲代表光栅移动了1/4栅距的位移，光栅测量系统的分辨精度就提高了四倍，即经四倍频电路处理后，分辨精度提高了四倍，所以光栅测量系统的测量精度不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于处理电路的鉴向倍频倍数。机床常见的倍频倍数除四倍频以外，还有五倍频、十倍频和二十倍频等。
HEIDENHAIN光栅尺电流型输出信号经五倍频信号处理后的波形。