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单光子压缩光谱成像将单像素成像技术与光谱测量技术相结合,实现了对光谱图像信息的压缩采集。作为一种新型的光谱成像方案,单光子压缩光谱成像能够同时获取成像物体的空间信息和光谱信息。相比较传统的光谱成像技术,单光子压缩光谱成像能够减少信号的采样时间与数据的采集量,具有更高的成像信噪比。而现阶段的光谱成像系统无法同时给出物体在空间上多点的光谱信息,一般需要通过利用滤光片组分波段重复测量获取光谱数据,导致数据采集量过大,严重影响了光学系统的稳定性。在此背景下,本文围绕单光子压缩光谱成像展开研究,主要的研究内容及成果如下:(1)利用平行单光子源、反射式刻线衍射光栅和高精度计数型光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)等系统关键元件设计出了以数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)作为空间光调制器的单光子压缩光谱成像系统方案。根据系统功能需求,独立设计并实现基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的同步控制与光子计数电路以及上位机控制软件系统。(2)对单光子压缩光谱成像系统进行理论分析与技术研究,完成了对成像方案的算法验证,并建立了单光子压缩光谱成像系统的采样模型。利用蒙特卡罗方法对成像系统进行仿真,通过仿真结果与系统成像实验,实现了对成像目标的空间信息和光谱信息的同步测量。(3)在单像素成像系统中,测量矩阵关系到光信号调制和图像重建,对成像系统的性能影响很大,加载到DMD上的二值矩阵只能实现对像素的0、1调制。为提高测量矩阵重建性能,提出一种数字化灰度矩阵调制的单光子压缩成像方案,通过构造出具有不同灰度等级的随机测量矩阵,结合DMD灰度调制的采样方法,重建出更高质量的灰度图像。