作为计算成像领域的一个分支,光场成像将光学系统的硬件设计和信号处理的软件算法结合在一起,以期克服传统成像系统的局限性。光场成像系统通过光学装置采集到空间分布的四维光场,再根据不同的应用需求来计算出相应的图像。本文依次从理论、设计与应用三个方面对光场成像技术进行分析与探讨,主要研究内容包括：一,分别从连续数理模型和离散信号处理的角度对光场成像技术原理进行了理论推导和分析。从数理模型上看,光场成像过程对应于四维变量与二维变量之间的相互转换；从信号处理来看,光场的获取方式和处理算法分别等价于离散数据的采样与重采样；根据光场数据的信息冗余性,提出了基于图像超分辨率重构的数字对焦方法。二,设计并研制了基于微透镜阵列的光场相机。为了对光场成像和传统成像进行客观对比,提出了一种同时包含光场相机和传统相机的共光路成像方案,设计了其总体技术指标与各分系统的物理参数；在仿真计算的基础上,着重分析了微透镜阵列对光场参数的影响,推导出四维光场的最大有效方向分辨率与微透镜参数的关系；在光场相机的结构设计上,重点分析了光场传感器的结构精度要求,提出了微透镜阵列与成像探测器的精密耦合工艺和结构。三,开展了数字对焦实验与图像质量评价。提出了光场相机的定标预处理方法,确定光场四维坐标与探测器图像二维坐标之间的映射关系；设计光学指标测试装置,分别对光场相机和传统相机的成像分辨率、焦深范围、调制传递函数以及点扩散函数进行实测比较,分析了两种成像技术的优势所在；开展大量室内外成像实验,演示和验证了光场相机的数字对焦和景深扩展能力。四,设计了多光谱光场成像系统并完成成像实验。依据四维光场的多视角变换特性,提出了结合光场相机和滤光片阵列进行快照式多光谱成像的原理；在分析子孔径混叠的基础上,设计了多通道光谱滤光片,将所研制的光场相机进一步改造为多光谱成像仪；提出了光场图像中光谱坐标的标定方法,开展了多光谱成像实验,实现了一次曝光获取三维光谱数据的快照式探测技术五,设计了基于遮拦物识别的合成孔径光场成像算法并通过实验验证。针对相机阵列型的光场成像方式,分析了光场数据的方向相关性,提出了基于遮拦物识别和消除的合成孔径算法；利用二维平移台驱动相机来模拟合成孔径成像,实验结果表明,消除遮拦物后的合成图像具有更高的对比度与信噪比；对开放的光场数据进行处理,并与已知各种算法进行结果比较,验证了本文所提算法的优越性。