微流动器件具有液体流动可控性好、消耗试样少和分析速度快等优点,近年来广泛应用于生物医学、化工及集成电路散热等领域。微流动器件的性能与微尺度通道内流动特性密切相关,准确合理地表征微尺度流动的三维流动特性,可为微流控器件设计和性能改善提供指导。目前,三维显微粒子图像测速技术是微尺度流动特性研究最有效的非接触实验方法之一。基于微透镜阵列的光场成像技术,单相机一次曝光可同时记录光场位置和方向信息,有望克服现有的三维显微粒子图像测速技术在示踪粒子三维位置信息获取上存在时间分辨率低或系统复杂等缺点。为此,本文提出基于光场成像的微尺度三维流场测量方法,并开展了系统深入的理论与实验研究。结合光场显微成像过程,基于衍射理论建立了光场显微成像系统的点扩散函数模型,并开展了点扩散函数模型的实验验证研究。结果表明点扩散函数模型计算结果与实验获取的光场显微成像系统的点扩散函数具有较好的一致性,验证了模型的准确性,为光场显微成像系统的成像过程模拟和流场反卷积重建提供了基础。在光场显微成像系统点扩散函数模型基础上,结合Lucy-Richardson算法,提出了基于衍射成像的反卷积三维重建方法,理论和实验均证明了该方法利用单帧光场图片,可实现微尺度流场不同深度上示踪粒子光强分布重建。进一步利用反卷积三维重建方法对光场显微成像系统的性能（空间分辨率、示踪粒子浓度对重建质量的影响、示踪粒子的重建精度和测量绝对速度的精度）进行了分析评价。相比数字重聚焦的重建方法,基于衍射成像的反卷积三维重建方法在横向和轴向分辨率上分别提高了7.5倍和5.2倍。系统分析了微透镜孔径、CCD像素尺寸、物镜的放大倍数以及离焦距离对光场显微粒子图像测速系统的空间分辨率和重建质量的影响。结果表明:相比物镜焦面附近的区域,远离物镜焦面的区域的横向分辨率和轴向分辨率较高,并且受微透镜孔径、像素尺寸、物镜的放大倍数的影响较小;测量体置于近物镜的离焦区域内,具有最优的横向分辨率和轴向分辨率,并且在该区域内较大的微透镜孔径和较小的像素尺寸有助于提高系统的横向和轴向重建分辨率。为光场显微粒子图像测速系统参数优化与构建提供了理论依据。基于优化的系统光学参数,设计并组装了笼式光场相机,进一步构建了光场显微粒子图像测速系统。提出了笼式光场相机的光学参数标定方法,实现了笼式光场相机参数标定。开发了光场显微粒子图像测速系统的应用测试软件,集成了点扩散函数计算、相机标定、反卷积重建及微尺度流场的三维互相关速度矢量计算等功能。基于构建的光场显微粒子图像测速系统,对矩形、渐缩形和T型通道芯片内微尺度流动三维速度场开展了测量实验研究。结果表明:光场显微粒子图像测速系统可实现层流（矩形直微尺度通道内流动）和复杂流动（渐缩形微尺度通道和T型微尺度通道内的流动）三维速度场测量,测量结果符合流道内典型的流动特征;流动速度场分布与Ansys模拟的结果相比,除壁面附近区域外,吻合较好,误差在合理的范围内,证明了光场显微粒子图像测速技术的可行性和准确性。