目前,微型数字相机已经广泛应用于医疗、安防及电子消费产品等领域。随着信息技术和加工技术的发展,人们对数字相机微型化要求不断地提高。相机的成像原理和结构特点直接影响到了相机体积的设计。由昆虫复眼衍生出来的多孔径成像系统具有很大微型化潜力。本文结合不同微透镜阵列的成像模型,提出了一种基于自由曲面微透镜阵列的多孔径超薄相机。实现了超薄相机在具备有良好成像的同时,对光阑的设计与加工要求降低。根据图像处理和计算机视觉的相关理论和方法,完成了相机成像的重构。本文的主要工作如下:1)基于现有多孔径超薄相机的成像原理和结构特点以及自由曲面成像性能的优势,提出了基于自由曲面平面微透镜阵列且相邻孔径间有半视场交叠的新型多孔径超薄相机。2)针对提出的新型多孔径超薄相机结构特点,提出了一套光学设计及仿真分析的方法,并实现了孔径数为3×3,有效焦距为5mm,F数为2.8,视场为24°×24°以及透镜材料为PMMA的平面微透镜阵列成像系统的设计,优化后每个透镜的MTF值在156lp/mm处约为0.1。3)利用非序列光线追迹仿真对已设计完成的多孔径相机进行成像性能分析。完成了消除渐晕、提高图像对比度、去除噪声和矫正畸变的图像预处理。根据相机成像特点完成了图像的重构。