表面损伤检测是光学表面质量评价的重要量化手段之一。近年来,国内外开展了大量的表面损伤自动化检测技术的研究,当前自动化检测中存在的关键技术问题主要有两方面:一方面,当前检测标准中的表面损伤的尺寸为微米量级,其检测量级介于微观显微检测与宏观高分辨成像之间,是一种弱散射检测过程,目前行业内的检测技术缺少针对这一量级的高效变通的检测方法,存在分辨率过剩与视场小的问题;另一方面,在实际应用中,暴露在空气中的样品,很容易附着有灰尘等颗粒脏污,表面损伤与表面脏污在强度图像上的相似性,使其很难与可去除的表面脏污区分开,造成检测结果的误判率高。本文以我国当前工业化生产过程中的表面损伤自动化检测需求为应用背景,以研究表面损伤散射模型的建立与后期应用为目标,对表面损伤散射模型的理论建立、模型验证与仿真分析以及表面损伤与脏污的散射特性区分方法开展了深入系统的研究。本文使用双向反射分布函数（Bi-directional Reflection Distribution Function,BRDF）来建立表面损伤散射模型,考虑了光源的相干性对微米量级表面损伤的衍射效应,基于非傍轴标量衍射理论,建立了以高斯滤波核函数为空间权重的部分相干光的衍射BRDF模型。通过对表面损伤的传递函数描述,建立了更适合描述真实物理过程的表面损伤衍射BRDF模型。在表面损伤BRDF模型验证方面,本文对傅里叶变换光散射测量方法进行了探讨,分析了单透镜实现傅里叶变换的有效角度,采用子孔径扫描方法克服了这一角度测量范围限制,使用阵列探测器接收散射辐射,实现了快速、高精度的BRDF测量。在此基础上,分别验证了实验的有效性和模型的有效性,研究了表面损伤散射与表面微粗糙散射共同作用的光学元件表面总积分散射,分析了模型在提出检测标准与检测方法方面的可用性。针对表面损伤与颗粒脏污的区分问题,从模型角度出发对表面损伤与脏污的散射特性区分的研究较少。本文分析了表面损伤与颗粒脏污的全链路成像映射过程,提出建模研究表面损伤与颗粒脏污之间的光散射参量差异的方法。在此基础上,使用偏振分析的方法来增加光散射参量分析的自由度,采用菲涅尔透射定律以及米氏散射理论,结合穆勒矩阵建立了表面损伤与表面脏污的偏振透射模型,分析了影响偏振散射的主要因素。在理论研究的工程应用方面,针对超大面积、椭球面形的特殊检测目标20吋光电倍增管玻壳的检测,基于模型分析设计了适用于研究对象的检测方案。根据仿真分析表面损伤与颗粒脏污BRDF得到的目标强度区分特性,利用探测器辐射动态范围与曝光时间的一一映射关系,通过实验优化获取探测器最优曝光时间,滤除了脏污噪声对成像的干扰。最后,通过先处理后计数拼接的方法实现了对元件的高精度、全覆盖快速检测。本论文的研究内容为应用于不同领域的光学元件的表面损伤自动化检测系统的设计奠定了坚实的理论和技术基础。