少光子成像在极端光照条件下具有重要应用价值,如遥感测绘,海洋探测,天文观测,生物医学探测,粒子物理学研究等。在极弱光探测应用场景中回波信号光特别微弱,甚至只包含了几个或单个光子,随着新型光电探测技术发展,具有单个光子灵敏度级别的探测器被广泛研究并应用于极微弱的信号探测和单光子成像领域。然而就算是用具有时间分辨能力的单光子探测器,传统的单光子成像技术通常需要每像素使用10~3-10~5个光子来抑制光子检测中固有的泊松噪声以恢复重建一幅图像,在这样的情况下信号检测需要非常长的时间和足够的激光功率,而且往往面临因环境噪声干扰以及目标移动而引发的成像失败。鬼成像是近些年被提出来的一种新型成像机制,也被称为量子成像或关联成像,其利用光场的物理关联特性来实现对目标物体在空间上的强度和距离等信息的获取,在系统上突破了传统线性光学系统的限制,可以实现物象分离、无透镜成像和单像素成像,故而具有抗信道噪声能力强、超分辨、压缩感知、微弱信号成像、多光谱成像等优点,但该方案需要长时间多帧的数据采集,很难适用于复杂场景。为解决现有成像技术在弱光下所面临的视场受限、分辨率受限、成像距离受限、光子数受限、识别能力受限等难题,本论文中着重讨论在单光子探测条件下如何利用和优化鬼成像系统使其在光子效率以及成像时间和质量上有所突破,我们围绕单光子探测下的少光子鬼成像做了理论、算法和实验方案上的深入探究,取得的创新性和突破性成果如下:1.搭建单光子探测下鬼成像实验平台:将时间相关单光子探测技术应用到鬼成像中,结合新的数据采集方式和成像算法实现了高光子效率的弱光成像。我们在室内和百公里远场环境下搭建实验平台,实现了0.01光子探测每像素条件下的5d B衬噪比的三维成像。2.利用单光子探测器单比特单像素探测的统计特性提升系统性能:我们统计单脉冲单光子的测量数据来估计和解析原图像信号,使得成像数据采集中大量空脉冲冗余被节省,极大的缩短了探测时间以及光源能量。同时,在保持光源总能量不变的条件下,我们可以增大脉冲频率（即测量频率）来降低单个脉冲的能量,以适应不同的应用场景。3.提出首达光子成像算法:我们建立了基于泊松探测强度估计和鬼成像算法的首达光子鬼成像算法,利用每一帧首达光子做强度估计,并结合鬼成像压缩采样的特性,实现小于1光子探测每像素的成像,而后作为算法演化和改进提出了快速首达光子对应鬼成像以及单脉冲单光子单像素成像算法,并利用现有的梯度滤波实现高光子效率的图像重构与识别。4.建立理论模型用于少光子鬼成像成像质量分析:我们在单光子泊松探测模型下建立单光子探测鬼成像的理论模型,推导了成像质量参数与成像系统参数之间的关系,给出了空间分辨率、图像信噪比、对比度以及了光子效率的表达式,我们在理论上得到了光子效率与图像信噪比之间的关系,并在实验中验证了相关理论结果的正确性,这方面的工作可为相应系统的分析和优化做基础。5.提出了基于声光调制器的快速空间光调制方案:现有系统中空间光调制器的速率成为了限制系统成像时间和效率的瓶颈,我们提出了基于声光调制器的快速空间光调制器方案,通过实验设计和测试,我们的系统实现了调制速率快于现有器件上千倍的空间相位和振幅调制,利用该调制器我们进行了鬼成像实验,提高了成像效率。