光纤是一种用来传输光信号的传输介质,具有重量轻、光损耗小、成本低、不受环境光干扰、抗电磁干扰、尺寸小、寿命长等优点。光纤在通信、激光和传感等领域已经得到了广泛的应用,而在成像领域方兴未艾,尤其是在一些极端条件下,传统的电学成像器件不能或者不方便使用情况下,使用光纤作为探测与成像的器件和装置就能一定程度上解决相关问题。光纤可以在高温高湿乃至高腐蚀性的环境中工作,也可以自由深入到各种微小的角落从而相对容易的实现内窥成像、远程成像、高分辨成像等。因此,光纤在特殊成像领域仍具有巨大的研究与应用的价值和潜力。单像素成像系统是不同于传统成像系统的一种计算成像方式,它仅需要一个像素就能够实现一幅完整图像的恢复重建。单像素成像具有成像速度快、弱光环境下信噪比高、成本低等优势。单像素成像已经在生物医疗成像、太赫兹成像、全息成像、显微成像、高光谱成像、三维成像、信息加密等方面取得了一系列的研究进展。然而单像素成像在光源产生、计算速度、系统稳定性、成像距离、系统尺寸、系统集成封装等方面仍然存在很多不足。典型的单像素成像核心系统一般基于自由空间光学元件,主要包括光源产生调制和信号探测两类装置,如果将光纤器件应用于单像素成像的这两类装置,可以充分发挥光纤的优势从而可能实现一般单像素成像系统无法实现的功能和应用。本文以光纤在单像素成像系统中的应用为目标,重点研究基于光纤化探测装置的低成本单像素成像系统,对于光源产生调制和信号探测两部分装置都进行了优化和探索。本论文的主要内容包括:1.探讨了低成本的光源产生调制装置:单像素系统通常需要使用各种空间光调制器来产生结构光,这些装置价格较高,一定程度上限制了单像素成像的广泛应用。我们提出了使用显示屏幕产生结构光来实现低成本的单像素成像。相比其他结构光调制装置,成本可降低100倍以上。我们对比了单像素成像中常用的空间光产生调制装置不同方面的性能特点,包括液晶空间光调制器、数字微反射镜阵列和显示屏幕。显示屏幕具有尺寸变化灵活、能够主动发光、成本低、无机械移动、驱动集成方便等优势。我们还针对光源的编码方式和图像恢复算法进行了讨论。我们使用普通电脑显示屏幕照明搭建了单像素成像系统,分别对数字、字母、昆虫等物体进行了成像实验。在光源随机编码的情况下,分别对比了不同恢复算法和不同采样率下的恢复效果。还采用哈达玛编码的照明方式进行了图像恢复。未来也可以采用多模光纤产生的不同散斑图案来作为单像素成像中的结构光,实现成像系统的全光纤化。2.结合显示屏幕产生结构光的方法,把光纤引入信号探测装置:传统探测器必须放在一个能够接收到目标物体反射或者透射光的范围内,单像素成像系统才能正常工作。探测器具有一定的体积,这限制了单像素成像系统在狭小空间内的应用,比如在微小的狭缝中、封闭的小管道内等无法直接触达的角落。基于上述问题,我们首先研究了普通平头阶跃光纤和单斜面阶跃光纤的头部能够接收外界光线角度(单像素成像的视场)的情况。尤其在单斜面光纤中,我们逐一分析了从端面、侧面以及整体三维进入光纤内的光线角度情况。然后分别使用普通平头光纤和单斜面光纤进行了单像素成像实验,最后还演示了单斜面光纤在直径6mm的小管道内的单像素成像。验证了光纤作为探测装置在单像素成像中的可行性,实现了狭小空间内的、抗环境光干扰的、非直接的、远程的、多维度的单像素成像。