偏振成像的基本目标是获取由斯托克斯参量及其衍生参数描述的光波偏振信息,在图像对比度增强、遥感、生物医学诊断、旋光度检测、光弹性应力应变测量、全息、干涉计量等领域有着广泛的应用。像素偏振相机具有结构简单、紧凑、集成化和时间分辨率高等优势,正逐步成为这些领域中实现偏振信息测量的主流选择。本文致力于像素偏振成像技术中像素模型的建立、模型参数的标定、斯托克斯参量的估计、系统误差与随机误差的评估、像素偏振相移技术等基础且关键问题的研究,期望为像素偏振相机的应用建立理论和实验指导。本文的主要工作如下:(1)建立了较为完善的像素模型,用于表征像素偏振相机对斯托克斯参量的测量。(2)对现有基于插值和频域滤波的斯托克斯参量估计方法进行了总结,给出了使用最近邻、双线性、双三次、双三次样条插值进行斯托克斯参量估计的卷积实现。提出了两种普适性估计方法——局部最小二乘估计方法和全局光滑正则估计方法,能够用于非均匀调制下斯托克斯参量的估计。(3)对像素瞬时视场角差异和斯托克斯参量响应的非均匀性带来的系统误差进行了理论和实验研究。使用傅里叶分析推导了基于卷积型插值的估计方法、局部最小二乘估计方法、全局光滑正则估计方法在理想调制下的等效频域滤波实现。评估和对比了几种估计方法处理瞬时视场角误差和非均匀性误差的能力。对现有研究中广泛使用的数值标定方法进行了解释,指出超像素标定方法在处理非均匀性时会引入瞬时视场角误差。提出了能够对实际像素偏振相机的斯托克斯参量估值误差进行定量评估的旋转半波片实验。(4)对噪声导致的随机误差进行了理论和实验研究。首次阐明了像素偏振成像技术中斯托克斯参量估计的整体误差与系统误差和随机误差的关系。对几种斯托克斯参量估计方法中噪声随机误差权重进行了理论分析和实验验证。综合讨论了像素偏振相机的量子效率、增益、噪声、主次透过率对随机误差影响。(5)从偏振成像视角解释了像素偏振相移技术,对比了像素偏振相移与离轴空间相移技术的优劣。给出了数字全息显微成像系统达到衍射极限分辨率时物镜倍率、数值孔径与激光波长、像素偏振相机采样间隔应满足的关系。构建了基于像素偏振相机的数字全息显微系统,实现了数值聚焦功能,并对系统的分辨率进行了实验验证。