本发明涉及生命科学和医学影像设备技术领域，尤其涉及一种3D光学成像系统及方法；其方法包括以下步骤：S1、通过CCD相机获取成像目标的二维生物光学图像；S2、通过S1步骤所述的CCD相机再结合结构光获取成像目标的三维表面轮廓图像；S3、将S1步骤得到的二维生物光学图像与S2步骤得到的三维表面轮廓图像进行配准；S4、重建得到三维生物光学图像；通过使用同一个CCD相机对成像目标获取二维生物光学图像和三维表面轮廓图像，再通过将二维生物光学图像和三维表面轮廓图像进行配准，使用不同光学属性的生物组织填充三维表面轮廓图像再结合配准后的数据即可得到三维生物光学图像，实现生物光学信号在生物体内的三维空间分布。