El desarrollo de nuevas tecnologías de adquisición de imágenes 3D ha experimentado un avance significativo en los últimos años. Una de las técnicas capaces de preservar la información espacio-angular de objetos extensos es la conocida como Imagen Integral. Desde su invención a principios del siglo XX, los sistemas de captura de imagen integral han sido objeto de numerosos estudios, siendo sus aplicaciones muy diversas. Una de las aplicaciones que más interés ha despertado entre los investigadores es la posibilidad de llevar a cabo una reconstrucción en profundidad del objeto, a partir de la información 3D registrada tras una única captura. En la última década, ha tenido lugar un creciente interés en la adaptación de esta tecnología al campo de la microscopía, obteniéndose resultados prometedores. Sin embargo, lo sistemas de microscopía integral presentan una serie de limitaciones, algunas de las cuales son inherentes a la tecnología de imagen integral. En esta Tesis se han establecido los principios teóricos de los sistemas de imagen integral y, en particular del microscopio de imagen integral, prestando especial atención a sus limitaciones más relevantes y proponiendo diferentes soluciones para cada una de ellas. Así, se han presentado diversos métodos para incrementar tanto la profundidad de campo del sistema, como la resolución lateral de las reconstrucciones, ya que esta última resulta ser muy pobre en comparación con las imágenes proporcionadas por un microscopio convencional. Por otra parte, también se ha desarrollado un nuevo algoritmo de reconstrucción en profundidad a partir de un proceso de desconvolución.