本发明公开了一种大尺寸光学元件高精度调平方法与装置。本发明利用高倍率显微镜对元件表面不同位置的三特征点分别进行连续多幅暗场灰度图像采集，计算图像灰度信息熵值，拟合灰度信息熵值与显微镜轴向移动距离曲线，通过搜寻曲线中极小值的方法，获得正焦位置，获得各特征点离焦量。设计一种两板式弹性预紧，两点调整俯仰与侧摆的调平装置。通过建立离焦量与调整量换算模型，将三特征点处的离焦量换算为两调整点的调整量，进行调平操作。本发明解决了大尺寸光学元件在显微镜全范围扫描检测过程中出现的因光学元件与显微镜焦平面的不平行而造成的离焦问题。