非视域三维成像技术是利用多次散射光信息进行视域外目标成像的技术。通过使用超短脉冲激光器和超高时间分辨率的单光子探测器获取非视域场景下多次散射光的飞行时间信息,可以实现非视域目标的三维图像重建。作为一种近几年来迅速发展的成像技术,在医学成像、机器视觉、侦查反恐、无人驾驶等诸多领域都有广阔的应用前景。传统的非视域成像方法比如椭球逆投影方法,通过计算不同空间位置处的三次散射光子飞行时间,然后在空间中投射不同的以照明点和成像点为焦点的椭球面,将所有椭球面进行叠加,最终获得目标在空间中出现的概率分布,形成目标图像。椭球逆投影形成的目标像会存在较大的伪影,而且图像畸变较大。本文提出,建立非视域场景下的光场传输模型,将非视域成像的图像还原过程转化为带约束条件的目标函数求解问题。首先通过模型的建立,将光场传输过程模型化,量化成光场传输矩阵,再根据非视域成像系统采集到的信号数据生成测量结果向量,最终借助最优化还原算法,直接求解目标函数,完成对目标图像的高质量重建。本文介绍了椭球逆投影图像还原方法的原理,建立了非视域光场传输模型,介绍了本文使用的三种最优化还原算法,包括速度较快的使用稀疏约束的梯度下降法,使用全变分约束的分裂布雷格曼法以及使用稀疏约束的交替方向乘子法。首先通过光线追迹和几何光学的相关知识进行了仿真研究,对比了不同信号展宽情况下的图像恢复结果,进行了无噪声和含噪声情况的仿真研究,并初步对比了不同算法不同迭代次数下的成像结果,研究表明梯度下降法速度最快,20次迭代耗时约10s,交替方向乘子法最慢,20次迭代耗时约600s,分列布雷格曼法速度居中,20次迭代耗时约30s,图像还原结果最佳,目标边界最清晰。使用皮秒脉冲激光器和单光子探测器阵列搭建了非视域成像实验系统,进行了实验研究,获取了非视域成像实验数据,并进行了基于椭球逆投影方法和最优化方法的非视域实验图像还原。结果表明,相同空间分辨率下,最优化方法的图像还原结果更好,还原图像分辨率约为10cm。最后,对于本文使用的三个算法进行了研究和探索,使用控制变量法,分析了各算法的参数对于成像结果的影响规律,为获取较高质量的还原图像提供参数设置指导。