計算光學成像，顧名思義，是把“計算”融入到光學圖像形成過程中任何一個或者多個環(huán)節(jié)的一類新型的成像技術(shù)或系統(tǒng)。光學圖像的形成與場景/物體的照明模式、系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)、像感器的采樣三個因素息息相關(guān)。計算通常以編碼的形式體現(xiàn)在這三個環(huán)節(jié)當中，對系統(tǒng)的物面、光瞳面和像面（或其共軛面）上的光場進行編碼調(diào)制，形成編碼照明、編碼孔徑、編碼像感。

在硬件上，這些編碼通常可以專門制作編碼板（如微透鏡陣列、微偏振片陣列）或者更靈活的可編程控制的空間光調(diào)制器（如DMD、LCOS、MEMS、LED陣列），甚至利用光波本身的物理屬性（如衍射、相干疊加）來實現(xiàn)；在功能上，編碼調(diào)制可以作用于光場的光強、相位、偏振、光譜等要素。顯然，這些編碼器件和函數(shù)的引入會導(dǎo)致幾何光學意義下光學成像系統(tǒng)“點到點”物像關(guān)系不再滿足。也即是說，在像感器上所成的像并非“所見即所得”的幾何光學像，而是經(jīng)過“編碼”后的光強分布，因而需要用適當?shù)臄?shù)學算法來“計算重建”場景/物體的圖像。因此，計算光學成像系統(tǒng)的設(shè)計需要根據(jù)具體的成像任務(wù)在光學和算法兩方面進行聯(lián)合優(yōu)化。而數(shù)字圖像處理技術(shù)僅對傳統(tǒng)光學成像系統(tǒng)獲取到的圖像進行后處理（如去噪、像素超分、背景虛化）以獲得更好的視覺效果。