针对不同材料基底、混合材料、掺杂结构以及曲面浮雕结构的微米及亚微米尺度大台阶元件三维结构参数测量传感机理问题，开展抗非均匀反射扰动特性的光学共焦传感方法研究。主要研究工作揭示了抗扰动特性与线性区间扩展和高灵敏度响应特性的关系，描述了复色照明线性范围与高灵敏度响应特性耦合机理，理论证明了全局最小化旁瓣抑制滤波器设计的充分必要条件，给出了差动共焦台阶扫描探测边缘位置判据。所提出的传感方法得到理论和实验验证。实验结果在等价表面反射率跳变50%情况下，测量信号幅度仅变化4.1%，噪声扰动得到有效抑制；轴向有效位置分辨率达到1nm，横向边缘判定比较误差小于0.1μm；在复色照明情况下实现量程扩展2倍的预期指标。以上技术指标达到或优于任务书要求。在高灵敏度差动探测模式下（NA=0.75），与独立差动系统相比较，复色照明系统实现了量程2倍拓展，线性区间范围2.1μm。与低灵敏度差动探测模式相比，在高灵敏度探测模式下系统线性区间范围迅速减小的实验结果与理论分析结论相一致。研究工作在兵器集团211所红外探测器阵列生产的实验室检测中得到初步试用。此外，还提出一种移相解算共焦抗扰动测量方法，轴向有效位置分辨率达0.5nm，量程范围近似为共焦系统轴向响应包络，不存在传统相位测量的相位跳变问题。