随着科技的发展，光学探测需求不断增加，低成本、高分辨、低功耗的成像技术在高光谱、恶劣环境、超快成像、高维度、大视场成像等场景具有非常大的应用需求。然而，传统的成像方式大都采用高分辨的面阵探测器，通过确定的成像光路对待测物体进行探测，这种固定的光路以及直接的成像方式显然不能满足多元化的成像需求。如何扩展现有的成像关系使其胜任日益增加的成像需求是目前光学成像领域亟待解决的问题。
　　计算成像在固有成像方案的基础上，将采集获得的物体特征采用数值计算的方式重建目标图像，极大地扩展了传统光学的成像范围，能够突破传统成像中成像维度、衍射极限、成像速度的限制。而单像素成像作为一种新型的计算成像技术，能够通过结构光编码，将二维图像压缩到时间变化的一维探测序列之中。此外，进一步结合时间、空间、光谱等复用技术，还能在有限的探测器件下，实现三维、超快、超光谱、超分辨等高维度成像。正因如此，单像素成像一经提出就引起了国内外研究者的广泛关注，并逐步形成了一系列的新理论、新方案。
　　本文从单像素成像出发，前两章系统地介绍了单像素成像理论的产生与发展，从关联成像算法与压缩感知算法两个方面分别介绍了单像素成像在不同采样基下的不同意义。并针对单像素成像在信噪比提升、复光场探测以及光学信息安全领域的发展现状做了一定的介绍。
　　第三章，基于单像素压缩成像，本文从实际实验场景出发，就实验中广泛存在的乘性噪声以及加性噪声，分析了其对成像质量的影响。针对乘性噪声，我们提出了适用于压缩成像的归一化成像方案，并在实验上对其实际表现做了验证分析;针对加性噪声，我们结合不同的优化过程，分析了不同优化方式对噪声的不同响应，并针对不同优化过程，提出了通过测量矩阵设计以降低加性噪声影响的新方式。相信相关讨论能够给压缩成像中的噪声抑制以及测量矩阵设计提供新的参考。
　　第四章，基于单像素成像与相位恢复理论，本文提出了基于纯相位结构光编码的复振幅物体探测方案。提出的方案仅仅需要单点探测，便可以在没有任何先验约束的条件下同时重建待测物体振幅与相位透过率信息。针对提出的方案，我们根据实验中的探测信噪比与重建稳定性要求，就实验中的测量矩阵设计做了深入的讨论:根据冗余采样要求，在工作的最后还对测量过程的采样率问题做了相应的分析。
　　第五章，为了提升单像素复振幅物体探测的成像速度，我们借助空间超像素编码技术，探索了在二元振幅调制的情况下，进行单像素复光场成像的可能性。针对实验中出现的调制频率限制问题，编码矩阵设计问题，成像分辨率与光强利用率问题做了深入的讨论。
　　单像素成像的结构光编码特性非常适合应用于信号编码，基于这项内在优势，本文第五章提出了基于单像素压缩成像的光学图像加密与认证系统，并指出了单像素探测在编码与成像中的差异。在加密工作中，基于压缩感知的稀疏特性，提出了基于单像素压缩成像的多图像加密方案:在认证工作中，基于超平面信息提出了基于超平面的秘密分享算法，基于空间复用技术提出了广义复用的单像素成像过程，并结合两种技术实现了强弱两级的光学认证方案。
　　最后，对本文的关键点及创新点做了总结，并对未来的计划方向以及需要改进的地方做了深入讨论。