近年来,由于可观的时间／空间分辨率和相对低廉的价格,光学分子影像已经得到了越来越多的关注。特别地,其非接触式测量方式由于在检测灵敏度、成像质量和系统简单性方面的优势,已经成为非侵入式检测领域的一种极为有用的工具。然而,在非接触式成像领域,仍然有一些挑战性的问题亟待解决。理论上,自由空间中的光子传输仿真是一个困难的问题,它不同于生物组织中的光子传输仿真。在自由空间中,光学成像系统的复杂性,特别是光学成像镜头的存在复杂了光子传输问题的仿真。因此,开发一种准确有效的自由空间光子传输仿真算法就成为亟待解决的问题。基于上述问题,本文主要研究光子在自由空间中的传输过程,并提出了两个自由空间光子传输模型：基于Monte Carlo方法的自由空间光子传输模型和基于混合辐射度-辐射亮度学定理的自由空间光子传输模型。在描述光子在生物组织中的传输过程时,Monte Carlo方法是验证其他数值方法或解析方法的金标准；但是,目前Monte Carlo方法还没有有效地扩展到自由空间中光子传输过程的仿真。本文结合光学成像系统的简化理论对Monte Carlo方法进行扩展,将其应用于自由空间中的光子传输过程的仿真；并与MOSE平台中的生物组织中光子传输过程仿真相结合,实现非接触式光学分子影像前向问题的建模与求解。但是,Monte Carlo方法具有随机统计性,需要仿真大量的光子才能得到相对准确的仿真结果；而且,Monte Carlo方法仿真的探测结果非常离散,很难满足实际仿真问题的需要。因此,本文又在朗伯源理论基础上提出了一个解析模型。该模型基于混合辐射度-辐射亮度学定理描述光子在自由空间中传输时的能量变化,同时结合复杂光学成像系统的简化模型,实现了光子在自由空间中传输过程的仿真,并可以得到相对平滑的仿真结果。数值仿真实验和真实物理实验表明了这两个模型的准确性和有效性。此外,定量的误差对比表明了这两个模型在仿真光子在自由空间中传输时的灵活性和应用潜力。