高功率激光装置为惯性约束核聚变及其他高能物理实验提供驱动源,激光通过精密的光束控制聚焦到靶点并作用于目标物质,靶点处远场焦斑的形态和能量分布对于实验结果至关重要,因此必须对其进行准确的测量。测量的主要难点在于要求实现的测量动态范围大,直接采用单探测器进行成像远远不能达到要求。针对上述问题,目前最为有效和实用化的解决方案是纹影法,但该方法的测量灵活性较差且光路较为复杂。为了提高单探测器的测量动态范围,同时不使测量光路或测量过程太过复杂,本文将光场相机的相关技术引入焦斑测量。要达到对光场相机的有效应用,必须对光场相机的工作原理和设计方法有深入理解,因此文章首先完成了对光场相机基本内容的研究梳理。从光场成像的基本理论着手,通过近轴光线追迹分析了光场相机的光场记录规律,进而明确光场相机数据处理及结构参数设计的基本原理。文章对非聚焦型和聚焦型两类光场相机作了对比研究,并通过对轴上点源的成像仿真验证了关于两类结构成像特性的论述。在应用光场相机进行焦斑测量时,要解决的首要问题是焦斑成像。针对焦斑具有不同于自然场景物面的发光特性,进行了基于物理光学的光束传输与成像仿真,仿真结果表明:为了利用光场相机的优势,焦斑出射光束孔径角应与主镜物方数值孔径匹配。针对焦斑空间尺度小的特点,分析了具备特定空间分辨率的光场相机构建问题,并通过基于几何光学的成像仿真对相关内容进行了验证。文章从两个方面分析了基于光场相机提升单探测器测量动态范围的可行性,并利用Zemax和MATLAB软件设计了全链路仿真,验证了相关结论。首先,光场相机的图像重构过程对于提升测量信噪比具有积极作用;其次,提出了一种基于光场相机“子视角成像”特性的测量动态范围扩展方法,对主镜下半孔径施加一定量衰减,同时增加探测器积分时间并控制时间增量与下半孔径的衰减程度相匹配,通过图像重构分别得到上下半孔径对应的测量结果,根据下半孔径结果对上半孔径结果中的饱和像素进行修正,最后将两结果合并。基于现有微透镜阵列构建了聚焦型光场探测器。首先配合35mm焦距镜头,对微透镜阵列与探测器之间的相对偏转及两者间距进行了标定,结果显示,两者相对偏转量极小,但会对图像重构造成显著影响,两者间距与设计值基本相符。然后配合焦距100mm的物镜搭建了空间分辨率为5μm的焦斑光场成像系统,通过将焦斑重构图与普通探测器测得的同一焦斑分布结果对比可知,基于光场成像系统的测量动态范围约为普通相机的5倍。同时重构结果表明,在焦斑光场采集过程中,微透镜在成像时会产生一定的矩孔衍射效应,对焦斑测量造成一定影响。