在大型高功率激光装置中,精密熔石英光学元件被大量地应用,而光学元件的亚表面缺陷会直接影响元件的激光损伤阈值及装置的稳定性。近年来,随着加工技术的不断进步,光学元件的大面积缺陷已几乎没有,但是其表面和亚表面层仍会不同程度地存在一些微观缺陷。由于这些缺陷主要分布在几微米到数百微米的深度范围内,且具有尺寸小、密度低、分布范围广的特点,用常规的方法难以对其进行无损、有效、快速地探测。针对上述问题,本文基于暗场散射原理与光致发光效应,首先对荧光信号的激发谱及发射谱进行了测定,优化设计了照明方式及照明角度,确定了融合EMCCD与普通CCD共同进行显微成像的方案。最终搭建了检测实验平台,该平台包括激光照明系统、显微成像系统、三维扫描系统以及图像处理系统,同步获得光学元件在520nm波长的散射光信号图像,以及351nm波长的荧光信号图像。由于光学元件的固有特性,获得的原始散射光信号图像与荧光信号图像,普遍存在信号稀疏、强度弱、对比度低、背景不均匀等特点,对后续的缺陷分割、检测等步骤造成困扰。为此,首先对两种类型的原始图像进行图像增强处理;接着对子图像进行配准,并分别将子孔径散射图像与荧光图像进行拼接,获得全孔径大视场图像,再对缺陷图像进行分割;最后对单独的亚表面缺陷进行筛选检测,针对现有的方法,导致筛选结果不佳的问题,改进了提取方法。为了验证该方法的有效性,对待测样品进行了氢氟酸刻蚀处理。在显微镜下,定位观察了处理后样片的相同区域暴露出的缺陷图像,并与本文提出的检测方法结果进行对比分析。结果表明该方法能够检测到光学元件表面及亚表面的弱小缺陷,能有效分离出亚表面缺陷,验证了该检测方法的可靠性,且该方法具有无损、快速、检测精度高等优势。同时,利用获得的大量实验数据,研究并总结了在光学元件成像及图像处理过程中的一些重要影响因素,以及光学元件的表面及亚表面微观缺陷的分布特点、产生机制及原因等。最后,利用搭建的激光损伤阈值测试平台,对不同厂家的熔石英光学元件的三倍频激光损伤阈值进行了测试,并对数据进行了统计分析。可为高功率激光装置中的光学元件的激光损伤阈值评价、加工工艺等提供一定的指导作用。