三维（3D）成像广泛应用于生物医学、材料科学、人机交互等领域,相较于传统的二维成像与显示技术,基于微透镜阵列的光场成像可将光线的位置与角度信息以四维双平面形式进行编码,较传统方式增加了两个自由度,克服了传统成像无法采集光线方向的固有局限。光场图像由子图像阵列组成,其中包含了丰富的物体信息,这些信息中可在重构阶段恢复物体深度,在虚拟现实、三维重建、目标检测等机器视觉领域具有重要作用。然而,目前基于光场成像的理论研究及拓展应用仍处于初步阶段,由此,本文在基于光场成像的3D光学再聚焦、4D光场数据的裸眼三维显示、光场全景三维定位三个方面展开了理论和应用研究,主要研究内容如下:1.提出了一种基于自适应δ阵列的光学三维再聚焦方法。为了解决传统3D在聚焦中有限有效采集区域的限制,提出了一种系统自适应的δ阵列。根据系统参数,生成具有自适应脉冲数的A-PDFA（Adaptive periodicδ–function array）卷积核,将此A-PDFA卷积核与通过集成成像系统捕获的EIA（Element Image Array）卷积,获得了采集区域扩大、深度过滤的EIA,最终将对象再聚焦在物体的真实深度。通过平面及三维物体的仿真与实验证明,相较传统的PDFA方法,本文提出的方法可以有效增加有效采集区域。2.提出了一种基于光场相机的全视差裸眼三维显示方法。结合光场相机与深度优先集成成像显示系统的成像模型,提出了基于四维光场数据的三维显示方案,并针对显示过程中出现的窄视差问题。对光场相机成像过程加以分析,发现区别于集成成像的光场相机主透镜深度非线性压缩特性,由此,提出一种基于重采样的深度调整方案以进行全视差三维显示。实验结果表明,本文提出的方法可以实现对真实物体的集成成像裸眼三维显示,并且所成的像具有正确的视差关系。3.提出了一种基于光场相机的全景三维定位方法。从光线在光场相机内外的传播过程出发,结合通用成像投影模型与光场成像模型,建立三维空间坐标到光场相机图像传感器光场坐标的映射关系;通过光场图像中间视角的视差图与传感器光场坐标分布之间物理意义的联系,以视差值的求解过程代替极线的斜率提取过程,建立三维空间坐标-光场图像中间视角视差图之间的映射模型,实验结果表明,本文提出的全景三维定位方法在0.1-0.7m之间的轴向定位误差小于0.02m,横向定位误差小于0.01m。