水下光学成像是一项很有意义的工作,在水下目标探测、海洋资源勘测等领域具有广阔的应用背景。在水的光学特性影响下,传统的光电设备对水下目标进行探测时,受到水体的吸收和散射影响,会出现严重的衰减,从而导致了水下目标成像对比度低、图像模糊、探测距离有限。因而如何改进水下光学成像系统、提高成像质量和增强水下探测能力成为了极具研究意义的课题。针对以上问题,本文以“仿生多信息融合水下偏振成像研究”国家自然科学基金项目为背景,结合螳螂虾复眼结构与偏振成像原理,设计了一种新型的水下仿生式偏振成像光学系统。本文的主要研究内容如下:首先,本文通过研究螳螂虾复眼结构及其偏振感知视觉机制原理,进而引出光的偏振特性及其表征方法,并介绍了偏振成像模型及其成像原理,对比并分析了现有的偏振成像系统的工作原理及其优缺点。根据仿生结构要求,提出一种分孔径式四通道阵列同时偏振成像系统,该系统由前置共孔径组和后置四个离轴偏心子孔径系统组成,结构紧凑,可实现对水下目标进行实时偏振参数图像的提取。其次,本文研究了光波在水体中传播特性,主要包括水对光的衰减、水对光的吸收特性、水对光的散射特性以及水对光的折射率影响,是水下成像的物理基础。通过建立评价参数与成像质量的关系,分析了线偏振和圆偏振技术这两种主动式偏振成像用于水下成像的优势。通过简单实验表明,偏振技术能够提高水下目标的成像质量。最后,本文利用ZEMAX光学设计软件设计一种新型的仿生式水下实时偏振成像探测的光学系统。设计主要包括了对光学系统理想光学参数的计算、初始结构的搭建、系统像质的优化和像质评价。通过对光学系统的公差制定与分析,验证了系统实际镜片加工和装调的可行性,并设计对应的光机结构。