本发明提出了一种水下三维成像系统，包括：控制模块、照明模块和成像模块；控制模块连接照明模块和成像模块，控制模块用于控制照明模块和成像模块的开启或关闭，和记录成像模块形成的图像；照明模块包括照明光源和匀光组件，匀光组件用于使照明光源发出的照明光均匀，完成对目标的照明；成像模块包括镜头组件和探测器，镜头组件用于引导目标反射的光信号到达探测器成像。该水下三维成像系统将单个探测器结合光学元件，利用光学元件将原本空间上分开的两幅图像成像到同一个探测器上，具体是空间上在同一个探测器上分开，或者是时间上在同一个探测器上分开，构建出分辨率高、成像距离远、成像速度快的水下三维成像系统。