图像是人们获取信息认识世界的主要方式。传统的光电成像图像获取方法已经应用于人们生活中的方方面面。作为计算成像的一种方式,单像素成像近年来发展迅速。单像素成像具有成像光谱范围广、可以在弱光下成像以及能够对成像视野外的物体进行成像的特点。与传统的光电成像方式不同,单像素成像是一种利用场景与一系列编码照明图案的相关关系对靶标图像进行恢复的成像方式,其无需依赖传统光电成像中所依赖的光学成像设备。本文以实现阵列式计算成像以及快速单像素成像为目标,开展了单像素成像的原理以及应用的研究。论文的主要工作内容如下:（1）对传统成像向计算成像发展的过程进行了梳理总结,并对传统成像的原理进行了分析。由光场相干性分析的基础上分析了单像素成像的物理原理。对不同类型的单像素成像方法进行了总结并分析了各类型单像素成像的原理、特点。（2）在单像素成像原理分析的基础上,对单像素成像的硬件、软件平台进行了设计。选择硬件设备,编写相关的程序代码。通过仿真、测试验证,最终搭建了单像素成像的实验平台。（3）提出了两步相移傅里叶快速单像素成像方法,该方法有效减少目前单像素成像中所需要的编码照明图案的数量。使用基图构成差分计算获得靶标图像的傅里叶频谱。使用该方法有效地减少了编码照明图案的使用数量加速了单像素成像重建图像的速度,同时理论上靶标的质量并不会下降。（4）研究并利用单像素成像方法去除成像过程中的光线干扰,提升了光学字符识别准确率。本文利用单像素成像的差分过程将成像过程中的干扰光线信号进行消除,从而实现在成像的过程中消除干扰光线且无需使用图像后处理方法。单像素成像方法对部分干扰光线可以彻底地消除,极大地提升了字符识别的准确性。（5）设计了一种单视角同轴无阴影成像结构,该结构有效减少成像过程中出现的阴影区域。单像素成像在对立体靶标进行成像的过程中往往会出现阴影从而导致图像信息的丢失。论文使用光线分束器改变光路构成同轴结构消除重建图像的阴影。本文提出的方法仅仅使用单个探测器的单个视点就可以在成像的过程中对图像的阴影进行消除,有效地提升了单像素成像获取图片的信息量。（6）研制了一种大视场的仿生平面复眼原理样机,并在复眼原理样机的基础上对阵列式单像素成像的视场角以及图片质量的提升进行研究。在生物复眼研究的基础上,本文提出了一种阵列式平面复眼设计,有效地拓展了成像的视场角。本文设计并加工了抛物面型、自由曲面型反射镜以及微透镜阵列并实现了阵列式平面复眼原理样机的搭建。对大视场多通道的图像信息进行融合处理最终获得大视场场景的图像信息。在阵列式平面复眼的基础上,本文搭建了阵列式平面复眼主、被动式单像素成像装置,并对影响其视场角的因素进行了研究。基于阵列式平面复眼样机平台,本文使用多光纤以及多光电探测器构成阵列式单像素成像装置,通过光纤阵列的光线传导同时获取靶标的多个图像信息。通过对阵列式单像素成像装置获取的多个靶标图案进行处理有效地提高了重建图片的质量。