在成像领域中,传统相机的空间光轴位置信息缺失、物焦面单一以及景深受限等问题导致其无法满足多维信息化的需求。传统成像技术只能记录场景中入射光束的投影位置信息,而不能记录其他维度信息,它只能通过机械的调焦方式获得单个物面的准确对焦图像。利用多目交汇测量方法可以计算不同物面的深度信息,但由于标定困难、相机多姿态的设置以及交汇区域的限制使其只适合特殊场合应用,影响了成像系统的时效性。为了克服传统成像的不足,本文研究了基于微透镜阵列的光场成像。本文在基于微透镜阵列的光场成像数字重聚焦算法的研究上,首先通过分析光场成像的基本理论对光场成像系统进行仿真,其中主要包括光场的参数化表征、光场成像系统仿真的参数设置以及光场的采集。其次分别从空间域和频域对数字重聚焦图像重建算法进行研究与仿真。最后引入清晰度评价函数从空域和频域两个方面对数字重聚焦算法处理后的光场图像结果进行对比评价。在光场相机设计过程中,通过对微透镜阵列与探测器的选取、耦合距离的论证设计了光场传感器。利用相对辐射定标的方法对采集的图像数据进行暗电流校正与中心标定。在光场成像系统仿真的基础上设计了一种光场相机。通过该相机对实际三维目标进行图像的采集以及相应的数字重聚焦处理的实验结果分析,证明通过光场成像系统可以同时获得物体的位置信息和方向信息。利用重聚焦算法可以获得物体的不同深度信息并且基于频域的清晰度评价函数与空域相比有较高的灵敏度和好的抗噪性能,取得较好的评价效果。也充分证明准确对焦的图像所对应的评价函数值最大,所以通过评价函数曲线就可以确定精确对焦的图像。