单像素成像,是近些年来科研工作者提出的一种新奇的计算成像方案,采用一个不具备空间分辨能力的光电探测器来获取图像。与面阵探测器相比,单像素探测器具有更宽的光谱响应范围、更高的探测灵敏度以及更精确的时间分辨率。因此,在非可见光波长成像、多光谱成像、极弱光成像以及三维成像等应用场景中,单像素成像有着独特的优势,受到的关注逐步增多。本文探讨了单像素成像的基本原理,并利用时间相关单光子计数（TCSPC）技术,实现了基于光子计数的单像素成像。本文的主要内容如下:（1）首先介绍了单像素成像原理和TCSPC技术,重点阐述了基于哈达玛变换的单像素成像原理和基于零光子计数的单像素成像原理,简单介绍了两种常用的单光子探测器——光电倍增管和单光子计数模块,并对TCSPC技术的基本原理进行了详细分析。（2）提出了一种利用数字微镜器件（DMD）进行调制,TCSPC进行光子计数探测的灰色单像素成像方案,在极弱光条件下实现了单像素成像。利用TCSPC技术获取光子到达时间统计直方图,估计测量光强。通过哈达玛单像素成像原理获得物体的空间分布信息,并讨论了改变投影速率、测量方法对成像速度和质量的影响,最后对成像系统的抗噪能力进行了分析。（3）在基于光子计数的灰色单像素成像基础上结合时分复用的思想,实现了基于光子计数的彩色单像素成像方案。此方案充分利用了TCSPC的时间分辨能力,在单轮测量中只使用一个单光子探测器来获取极弱光条件下的全彩色图像,并讨论了通过高速投影、单步测量和欠采样的方法来提高成像效率。（4）提出了一种极弱光条件下基于零光子计数的单像素成像方案。此方案利用零光子计数手段来重建图像。实验采用DMD加载二值随机测量矩阵对目标物体进行调制,经调制后的激光束对每个测量矩阵进行多次重复探测,TCSPC给出探测到的光子次数。筛选并保留零光子计数值对应的测量矩阵,将保留的测量矩阵求和,即可得到目标物体重建图像。