一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置及方法，属于偏振特性测试技术领域，包括光源、控制系统、探测系统、数据处理系统、目标稳定平台以及BRDF架，所述BRDF架包括圆形底座支架以及弧形滑轨，滑轨的两端与底座支架固定连接；所述光源和探测系统均设置在BRDF架的滑轨上，与控制系统通过线路连接；所述控制系统与数据处理系统通过线路连接；所述数据处理系统包括计算机、pBRDF分析模块以及数据处理模块；所述目标稳定平台设置在BRDF架底座支架的中间位置。本发明采用偏振技术对溢油厚度的探测，不但增加了溢油探测技术手段，且可以至针对某一波段进行测量，解决了数据冗余的问题，同时本发明方法适用于多数目标偏振特性的测量。