基于单光子雪崩光电二极管（SPAD）阵列的单光子计数三维成像技术是一种具有高灵敏度和高效率的主动成像技术。与记录光强的成像方式相比,其灵敏度更高,可以实现单个光子的响应,这尤其适用于一些光通量极其微弱的场景,如深空探测、隐蔽目标的追踪、黑暗环境下的成像等。与利用单个SPAD进行光子计数三维成像的方式相比,基于SPAD阵列的三维成像方式信号采集的效率更高,因此具有更快的成像速度,有望实现微弱回波信号场景中动态目标的实时成像。因此基于SPAD阵列的单光子计数成像的研究具有重大的应用价值和现实意义。但是较低的填充因子也导致了SPAD阵列的光探测效率降低,阵列化时间数字转换器（TDC）的制作工艺差异使得TDC阵列出现了计时不均匀性的现象,另外当发射脉冲强度较高时,回波脉冲强度的变化将会引起深度成像的误差。针对上述问题,本文开展了基于SPAD阵列的单光子计数三维成像研究,具体研究内容如下:首先研究了通过提高像素填充因子来提高相机光探测效率的方法。该方法通过微透镜阵列实现光斑汇聚,然后利用缩放系统完成光斑尺寸和SPAD阵列像素有源区域的尺寸匹配。该方法不需要将透镜阵列集成到芯片上,只需在相机外部添加简单的缩放光路系统,即可实现任意尺寸透镜阵列和SPAD阵列的匹配。进而设计了成像系统并进行测试,最后实验验证了该方法可以实现光探测效率平均约23倍的提升。进而研究了SPAD阵列成像系统的暗计数、系统误差等性能影响因素,并实验验证了校准误差,降低暗计数的方法。考虑到运行温度对仪器性能的影响,本文首先分析了预热过程中相机计时结果的变化规律,确定了1小时的最佳预热时间。然后针对探测器固有的暗计数,分析了SPAD阵列暗计数率的统计规律,利用暗计数率计算出暗计数背景,通过减去背景使得暗计数显著降低。针对SPAD阵列相机的TDC计时不均匀性产生的误差,本文提出了将计时误差作为背景校准的方法,校准后的计时误差小于5皮秒。针对由于回波脉冲强度变化所导致的计时误差,实验研究了不同脉冲回波强度下TDC测得的光飞行时间的变化规律,进而获取了光飞行时间随脉冲回波强度变化的关系,最后对计时误差进行了校准。基于校准计时误差的方法,对高反差表面的目标进行了深度成像的研究。首先在不同TDC计数值附近进行了深度成像实验,并对反射率差异导致的深度测量误差进行了校准。成像结果显示,由表面反射率差异所导致的目标的深度成像误差随着TDC值的增大而增大。当TDC值位于360附近时,利用本文所述方法校准前后的成像误差分别为6.24 mm和1.29 mm。然后研究了每像素信号光子数对成像精度的影响,结果显示利用本文所述的方法在光子数较少情况下仍然能够实现对目标的较高精度成像。当每像素信号光子数低至约100个时,校准前后的成像精度分别为7.1 mm和3.3 mm。针对少量回波光子下散粒噪声严重,无法实现反射率重构的问题,本文研究了利用环境背景信号同时实现目标深度和反射率成像的方法。环境背景一般也是通过视场反射而进入相机的,所以其中会携带目标表面反射率的信息。基于此,本文同时利用脉冲回波光子和背景光子来进行反射率重构,在深度重构时滤除脉冲回波区间外的大部分背景光子。在信背比约为1:7,每像素平均脉冲回波光子数低至约100时,利用该方法同时实现了字母模型L的深度和反射率重构,深度成像误差为0.6 cm,使用本文方法的反射率成像误差为4%,使用传统方法的反射率成像误差为13%。