光作为一种横向电磁波,包含振幅信息、相位信息、频率信息和偏振信息。光波的振幅反映了目标光强弱信息,相位反映了目标光空间等相位面形状,频率反映了目标光谱特性信息。偏振作为独立于其它三个特性的重要属性,可以有效地反映目标在反射、散射和发射电磁波过程中其自身特性的多维信息。因此,偏振成像探测技术被广泛地应用在目标探测、遥感探测、生物医学检测、雪雾天图像重建和零件缺陷检测。传统的探测器只能获取目标的强度信息,但难以获取目标的偏振信息,为了克服这一难题,偏振成像系统技术方案得到了广泛的关注和研究。目前的偏振成像技术方案主要分为分孔径偏振成像探测器、分振幅偏振成像探测器、分时偏振成像探测器和分焦平面偏振成像探测器。但是,不同类型的偏振成像探测器难以同时兼顾高分辨率,实时动态观测、小体积以及低成本的特点。因此,研究并设计一种新的偏振成像系统的光学方案,同时满足上述特点的偏振成像探测系统具有重要的研究意义和应用价值。本论文针对偏振成像光学系统设计及其应用进行了研究。首先研究并探讨了不同偏振成像探测器的优劣,设计了一种二次成像的偏振成像光学系统方案。然后提出了基于偏振信息的雪雾天图像降质的重建技术方案,可以有效地提高目标的清晰度和对比度。最后设计了一种基于偏振光源照明和偏振相机获取偏振图像的零件缺陷检测系统,并同时提出了一种局部动态阈值滤波算法对缺陷区域进行提取。本论文的主要研究内容如下:1.提出并设计了一种新的偏振成像系统光学方案,从而实现高分辨率,实时动态观测、小体积以及低成本的特点的偏振成像探测系统。该偏振成像探测系统主要由一级成像光学系统,微偏振阵列以及二级成像光学系统组成。其偏振成像原理主要通过一级成像光学系统将目标成像在微偏振阵列上,再通过二级成像光学系统将不同偏振方向的微偏振阵列单元依次成像在传感器像元上,从而实现一次曝光获取不同偏振方向的图像。该方案可以避免微偏振阵列尺寸的限制,有效地降低分焦平面偏振成像探测器的封装难度,从而实现重量轻、体积小、分辨率高并且可以对移动目标进行实时偏振成像的偏振成像探测系统。2.利用偏振成像探测器可同时获取不同偏振方向的偏振图像信息,研究并提出了基于偏振光学的方案的图像去雪雾重建技术方案。该方案主要通过Stokes矢量计算每一像元的偏振度和偏振角信息,再利用偏振度和光强之间的关系,从而推导并得到了大气光参数的表达式;进而通过光强和偏振角之间的关系推导并得到了无穷远大气光强的表达式,从而估计大气物理散射模型中无穷远大气光强和透射率函数。此外,我们对透射率函数矩阵表达式进行重构,从而有效地提高了大气物理散射模型参数估计的准确性,以及反演目标图像的清晰度。通过实验验证,该方案有效地提高了图像去雪雾的计算效率,同时避免了天空区域或某像素点过亮所导致的无穷远大气光强估计不准确的问题。3.在机器视觉检测领域,检测不同方向、形状和类型的缺陷需要不同角度的照明光源,以及不同的镜头拍摄角度。在微小零件缺陷检测的过程中,由于金属零件表面比较光滑,在光源照明强度过强的情况下,细微的划痕和刀痕信息很容易淹没在强反射光中;而在光源照明强度过低的情况下,则因缺陷特征对比度较低导致难以获取缺陷信息。因此,为了克服上述问题,设计了一个偏振照明和偏振相机的缺陷检测系统。为了保证该系统最优的表现,我们实验验证了不同配置下性能表现,从而得到最优的系统配置。同时,验证了该系统可以有效地提高缺陷区域的对比度,同时降低检测成本。此外,针对单一阈值难以有效准确地提取缺陷区域的问题,提出了局部动态阈值滤波(LDAT)。该滤波基于缺陷区域的灰度特征,并提供最优的阈值区间。通过与其它阈值分割算法进行实验对比,验证了该滤波算法可以准确完整地提取缺陷区域的特征,同时能够有效地克服复杂背景区域和零件边缘对缺陷特征提取的干扰,具有较高的鲁棒性。