高速成像技术作为一种记录瞬态事件光学过程的工具,在时间分辨上极大地扩展了人类眼睛的功能。在核爆炸物理、激光聚变、爆轰物理、晶格振动和生物反应过程等研究领域中,高速成像技术有着极其重要的作用。虽然目前高速成像技术的时间分辨率能达到皮秒甚至飞秒量级,但是成像系统比较复杂,而且抗干扰能力较低,设备制造成本较为高昂,只能在实验室里实现。本文首先介绍高速成像技术的发展和应用,国内外对高速成像技术的研究现状,以及光场成像技术的基本理论和时变光场的定义,并首次提出一种基于光场反演的超高速成像技术。该高速成像技术结合了光场技术、高速成像技术和计算成像技术,利用时变光场中的时间信息和计算成像技术的反演作用,一次曝光便能记录整个瞬态光学过程。相比于目前的新型高速成像设备,该成像系统简单可靠、操作方便、摄影频率可调,而且可以实现高速立体摄影。自由空间中的静态光场数据中包含着空间三维信息,而时变光场数据又包含着时间信息。我们只要把时变的空间轴转化成时间轴,便可提取出时空信息。首先,我们在主镜头和成像探测器之间嵌入一片微透镜阵列板,形成两面独立且平行的平面,构成光场数据获取设备,每个微透镜作为一个宏像素,微透镜对应的探测器像素作为子像素;然后利用计算成像技术从外极面图像的特征中反演出时变光场的时间信息;最后把所有独立的二维时间信息组合成时序图像,重建出x-y-t三维时空信息,实现高速成像。理论计算结果显示,时间分辨率随着子像素的数目或者微透镜直径的减小而线性优化。而数值模拟实验结果显示,由于受到外极面图像特征检测算法精度的影响,对于最高的时间分辨率,存在一个最佳子像素数目。过多或者过少的子像素都会导致时间分辨率下降。而且使用更小像素尺寸的探测器也可以提高时间分辨能力。在模拟实验中,我们利用ZEMAX光学镜头设计软件模拟光场成像系统,记录了单个激光脉冲在不同介质界面的折射和在两片镜面间反射的瞬态过程。在模拟结果中,成像系统的分幅摄影频率为1×1011 fps,空间像素数为451×451。如果采用质量更高的透镜和成像探测器以及提取精确度更高的反演算法,我们便可以得到更高的摄影频率和像素分辨率。最后,我们提出实验光路设计和初步实验方案,并总结归纳本文的内容,以及对未来的研究工作进行展望。