差动共焦传感技术广泛用于非球面透镜、半导体器件、微型精密机械器件检测等各种精密检测领域。但在工业检测领域,高精度差动共焦显微仪器往往体积较大,价格昂贵,这就大大限制了仪器的应用场景和应用范围,小型化、轻量化和低成本化是检测仪器发展的一个必然趋势。差共聚焦传感技术使用的传统显微物镜不仅结构复杂、体积较大,而且价格较高,使共焦显微技术难以实现小型化与轻量化,成本也很难降低。此外,在差共焦传感系统对曲面样品的测量中,物镜光轴与被测样品表面的法线很难完美对齐的,测量光路与被测样品法线会存在一定的夹角,因此产生会测量误差。本文将传统差动共焦显微技术与梯度折射率透镜结合,替换传统的显微物镜,使物镜尺寸和重量大大减小,差动共焦传感系统有了小型化和轻量化的可能。使用四象限探测器检测被测样品表面偏转角,并对测量结果进行补偿,提高传感系统对倾斜表面的测量精度。本文主要完成工作如下:（1）完成了基于梯度折射率衍射场传播理论的共焦传感特性分析,建立基于传输矩阵的梯度折射率物镜三维点扩散函数简化模型,以此为基础对基于梯度折射率物镜的共焦成像光场分布模型进行分析,并分析了梯度折射率共焦传感特性。（2）根据梯度折射率透镜成像特性进行选型,对梯度折射率透镜透镜组参数计算,建立透镜间距与其数值孔径和工作距离的映射关系,确定透镜间距范围与对应的数值孔径和工作距离,完成梯度折射率透镜组设计,数值孔径在0.3左右,工作距离约2 mm。（3）完成基于梯度折射率透镜组的样品倾角反演计算,根据计算结果对四象限探测器选型,建立四象限探测器输出值与偏转角的映射关系,根据该映射关系编写完成了基于Lab VIEW的角度补偿软件。（4）本章完成了基于梯度折射率透镜的差动共焦传感系统测试实验,被测样品相对梯度折射率透镜组垂直时,传感系统极限分辨力40 nm,重复测量偏差（标准差评估）小于14 nm;当被测样品偏转4°,未进行角度补偿时,传感系统测量偏差随步进增加线性增加,相对误差70%,角度补偿后,极限分辨力40 nm,重复测量偏差（标准差评估）小于18 nm,角度补偿有效消除了样品倾斜造成的系统误差。