光场相机是一种在图像传感器前加入微透镜阵列的新型相机结构,不但能够捕捉空间光线位置信息,还能够捕捉光线方向信息。这一特殊的光学结构,决定了其异于传统相机的新颖功能,例如全聚焦成像、重聚焦成像、多视角成像、合成孔径成像、去湍流成像、深度估计、波前探测等。对于微距、近景、中景等不同的应用场景,如何突破传统光场相机的结构限制,设计出满足分辨率要求的最佳参数组合,并计算具有真实量纲的点云数据,是本文的研究重点。本文的主要工作如下:一、对比分析了光场相机与传统相机工作原理的异同,详细讨论了光场相机的工作范围和工作精度,提出了全新的四焦距聚焦型光场相机结构并分析了其特点。二、建立了横向分辨率和深度分辨率理论模型,开展了多焦距聚焦型光场相机的结构设计。对于四焦距聚焦型光场相机,使用光线追迹模型,进行了仿真计算,结果表明,理论分析与仿真计算比较吻合。三、讨论了光场相机的解码算法及原理,包括深度估计、计算成像、重聚焦等,同时开展了相应的实验,验证了算法的有效性。四、构建了多焦距聚焦型光场相机的三维畸变模型,给出了完整的光场相机标定流程,利用自研光场相机进行实验验证,结果表明,标定算法精度满足三维点云的重建要求。本文的创新点在于提出了六边形排布的四焦距聚焦型光场相机结构,建立了针对三维分辨率的通用型多焦距结构参数优化模型并编制了参数设计软件,提高了光场相机的设计灵活性,增加了拍摄景深并保持横向分辨率基本不变。