通常意义上的光学成像探测，具有记录从物体反射或辐射的光波携带的目标其材质、结构、空间位置、运动和姿态等特征信息的能力，已被广泛应用于日常生活、工业检测、医疗诊断和机器视觉等领域。眩光、散射、环境介质折射率分布不均匀等因素，会导致成像探测动态范围收窄、成像模糊与波前像差等问题。多维光学信息包括典型的波矢、偏振、波前和波谱等，可针对特征维度光波属性获取目标图像，为清晰感测目标提供方法和技术指引。液晶材料具有光学各向异性，在电磁场作用下可实现对入射光波其相位、偏振与能流的有效调控，为实现多功能成像探测提供技术基础。本文采用标准微电子工艺制作功能化液晶电光结构并将其引入成像探测领域，建立目标与场景的光场、平面一体化偏振成像探测架构以及测试评估方法。本论文的主要工作如下：
　　首先，提出一种液晶基电调偏振光场成像方法。分析了焦面亚波长金属光栅的近场及远场光偏振调控特性；结合液晶扭曲向列效应，构建了成像探测架构模型，给出了数字重聚焦、深度估计与深度分辨率计算方法，为成像系统搭建及图像后处理提供方法依据和技术路线指导；同时给出了功能化液晶电光器件的关键工艺流程、光学特性测量方法与系统方案。
　　然后，研究了基于层叠液晶微镜阵列的偏振光场成像技术。分析了层叠液晶面阵微镜对不同偏振入射光的聚焦效能，偏振敏感和不敏感的点压缩光场特征；基于归一化点扩散函数评估，使偏振不敏感工作模式下的光能利用效率较偏振敏感液晶微镜提高到90%以上；基于层叠液晶微镜的电调光场相机可工作在偏振敏感或不敏感模态下，通过电调控可有效获取正交偏振光场图像以及融合情形下的偏振不敏感光场图像。
　　接着，提出一种器件化扭曲向列型液晶微镜阵列（TN-LCMLA）。利用液晶扭曲向列效应调制入射光偏振态，并有效获取正交偏振入射光的点扩散函数，以及对入射光偏振态的扫描操控，同时可有效消除由液晶材料的偏振敏感性引入的光杂散分布；构建了基于TN-LCMLA的三维偏振成像探测相机原型，获取目标场景的常规平面/二维、偏振和光场/三维图像信息，并提出了一种经过实验验证的偏振差分去雾算法。
　　然后，研究了石墨烯锚定液晶分子技术。基于微腔单面诱导定向，实现在单晶石墨烯表面的液晶分子有序定向排布。采用单晶石墨烯生长法制作大面积单晶石墨烯及石墨烯-液晶微镜阵列，获得了可见光与近红外谱光学特性；构建了集成石墨烯-液晶微镜阵列与成像探测器的压缩光场成像架构，可实现在平面及光场（伽利略和开普勒）模式下的电控切换，并渲染出基于光场图像的多视角数字重聚焦图像，验证了不同工作模式下的景深扩展能力。为宽光谱石墨烯-液晶器件的实用化奠定了基础。
　　最后，开展了基于石墨烯定向的电控液晶微镜阵列的红外波谱展宽工作。基于高双折射率红外液晶材料和多晶石墨烯的液晶分子锚定特性，研制了红外液晶面阵微镜，有效消除了常规液晶微镜阵列中的摩擦定向结构所引入的红外微束串扰，提升了微镜红外透过率，获得了0.9-11μm宽红外波谱范围内的聚焦及调焦属性。为发展自适应红外波前测量和光场成像技术奠定了基础。