单像素成像技术借鉴了压缩感知(Compressed Sensing,CS)高通量测量的思想,将噪声压制在单像素水平,大幅度提高信噪比。尤其将该技术与光子计数技术结合应用于极弱光探测可将上述优势凸显并放大。本文将这种把单像素成像与光子计数技术相结合的成像方法称为“单光子压缩成像”。由于超灵敏、低维度及亚采样等优势,单光子压缩成像在天文观测、荧光显微以及医学探测等领域具有广阔的应用前景。由于大图重建遇到的巨大的内存占用和计算复杂度等问题,目前单光子压缩成像系统的成像面积非常小,而且现有成像面积扩大的方案多数以牺牲采样时间作为代价,严重影响了成像系统的实时性。在此背景下,本文围绕大面积单光子压缩成像展开研究,主要研究内容及成果如下:(1)利用平行单光子源和大光敏面积的计数型光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)设计了以数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)全镜面作为成像区域的大面积单光子压缩成像系统方案。根据系统功能需求,自主设计并实现了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的同步控制电路。(2)建立单光子压缩系统压缩采样模型,然后利用蒙特卡洛方法对单光子压缩成像系统进行模拟仿真。构造三种0-1随机二值矩阵,通过蒙特卡洛仿真实验研究了测量矩阵类型、稀疏度以及测量次数对系统成像性能的影响。此外,还对双DMD压缩光谱成像系统进行蒙特卡洛仿真,为后续工作奠定理论基础。(3)为缩短大面积成像的采样时间、减小内存占用和计算复杂度,提出一种基于多微镜组合调制的大面积成像方案。推导了成像系统的信噪比和探测极限。理论分析与实验结果表明,本文提出的多微镜组合调制方案更适合极弱光环境下的快速成像,可实现更高质量图像重建,通过调整组合像素的微镜阵列大小和单次测量时间的设置可以最小化泊松噪声的影响。(4)在大面积单光子压缩成像系统基础上,提出一种时间自适应采样方法。推导了单次采样的光强估计精度阈值理论,据此阈值设计实现了基于FPGA的自适应采样控制电路。实验证实了该采样方法的时间自适应优势,且成像性能实验表明,时间自适应采样方法可根据成像光强变化自动调节采样时间,从而获得更高质量的重建图像,避免了对采样时间的推测性设置。