由于精密光学元件的广泛应用,纳米量级表面缺陷的检测识别越来越受到重视,不同的表面缺陷对应的修复技术差异很大,因此表面缺陷的分类错误将会影响其后续操作处理。传统以机器视觉为主的表面缺陷检测识别方案局限于收集目标的光强信息,而偏振检测技术的发展为表面缺陷识别技术开辟了新途径。本文主要利用偏振散射理论研究两种不同类型的表面缺陷识别的原理及方法,并设计一套分类识别的系统。首先,从双向反射分布函数的原理和偏振测量相关基础知识入手,重温光的偏振现象、偏振态及其描述方式,接着在双向反射分布函数基础上添加偏振信息,得到偏振双向反射分布函数的坐标定义及矩阵描述,为标准元件及带有缺陷的元件表面偏振散射特性研究提供理论基础。然后,基于标准元件和两种表面缺陷的不同物理特性,从本质出发理论分析利用散射光的偏振信息可以作为区分标准。而后在一定的条件下分别讨论表面上方颗粒物灰尘粒子和表面下方气泡粒子的存在形式,并根据经典电磁理论、菲涅尔折反射理论和瑞利近似等理论分别建立其偏振散射数学模型。随后,对建立的两种表面缺陷偏振散射数学模型进行深入分析。首先将本文建立的模型与国外学者Thomas A Germer建立的模型进行对比,验证了模型的正确性,提出可以利用数学模型中的BRDFpp项随散射方位角的变化趋势对两种表面缺陷进行区分。而后分析不同环境和不同探测条件下对两种表面缺陷的偏振散射模型的影响,结果得出:表面下方粒子位置不影响最终探测结果;不同的元件表面材料、缺陷粒子种类和缺陷粒子大小对测量结果有一定影响,但不会影响整体趋势结论;针对识别方案的实验设计,可见光范围内可以根据入射光源价格、稳定性等其他因素选取入射光波长大小;实验建议设置入射天顶角45°,散射天顶角45°的观测条件;并且分析过程中上述所得的部分结论还可以验证模型的正确性。这对高精度光学元件的表面缺陷检测识别系统设计提供理论参考。最后,设计了一套两种表面缺陷的识别系统。从表面缺陷粒子偏振散射数学模型和分析出发,利用仿真所得出的结论制定最佳方案、设计实验光路图、选取实验器件并设计具体步骤,为工程中高精度表面缺陷检测识别提供实验理论基础。