常规的光学成像系统均要求在探测端放置一个二维整列的探测器（CCD、CMOS传感器）来实现图像信息的记录。目前这种阵列传感器的像素个数一般在千万级别，如华为P30手机后置摄像头其中一颗传感器达到了4000万像素。但是在红外波段、X射线波段等，要获得高信噪比、高像素数量的二维阵列传感器是比较困难的，且成本非常高昂。

        单像素计算成像是利用一系列已知空间分布的光场对待测目标进行采样，并仅使用一个没有空间分辨能力的探测器进行信号测量，然后利用强度关联算法来恢复待测目标的图像。单像素摄像机在某些情况下可能比传统摄像机更具竞争优势。例如，由于该技术仅需要一个光敏检测器，因此它可以是比多像素探测器更便宜的替代品。此外，所使用的单像素检测器可以提供更高的性能，例如更高的检测效率，更低的暗计数或更快的定时响应。这种增强作用对于由散射或吸收损耗而非常微弱的情况下可能具有重要意义，例如医学成像或远程3D成像。最后，单像素相机能够在数据采集步骤进行压缩感测，从而减少数据存储和数据传输需求，这是遥感应用或高光谱成像时的一个重要考虑。在过去的十年左右，出现了单个像素摄像头对可见光波段成像的许多示范，多光谱成像，高光谱成像，红外成像，太赫兹成像，气体成像，实时视频，后处理的视频，显微镜，3D成像，多模态成像，X射线衍射断层摄影，光声成像，全息相位成像，磁共振成像，眼科成像，和远距离成像。 

        单光子成像是一种基于量子物理机制的超高灵敏度光电探测成像技术。在弱光信号感知与探测，远距离三维成像、极限环境下成像等方面具有重要的科学意义和广泛的应用价值。通常，100万像素的商业相机需要采集十亿以上的光子才能拍出一副像样的照片，这相当于每个像素采集上千个光子。然而，很多科学研究都是在弱光环境下进行的，比如远距离遥感成像领域，生物显微成像、医学诊断领域等等。这类研究环境的光通量都非常小，采集时间也大有限制，想要采集上亿的光子是非常困难的。SPAD是一类高灵敏度的半导体光电检测器，广泛应用于弱光信号检测领域。SPAD阵列是单光子相机的关键部件，能够精确的检测并记录光子的时间和空间信息，通过对这些信息实施特定的图像二维、三维重构算法，就能得到场景的图像。

        在透明的均匀介质中，像玻璃和空气等，认为光是沿着直线传播，可以直接实现清晰的成像。但是，在我们日常生活中，通过像白漆、毛玻璃、云、烟、雾、生物组 织等散射介质看到物体几乎是不可能的，这些散射介质的微结构使得光不再沿着直线 传播，而是沿着散射路径随机传播。而随着光学技术的迅速发展，实现透过散射介质 成像已成为相关领域普遍关注的问题。天文学上，星空的光信息穿过大气层通过天文 望远镜实现天文观测；医学上，深层组织内的光学信号透过皮肤等组织实现病灶探测； 军事和消防上，透过战场硝烟对地方侦查；交通上，在雾霭天气，透过雾霭清晰观察 行人和车辆确保安全行驶等等。近几年关于透过散射介质成像（深度成像）方面的研究如井喷式发展，传统的深度光学成像方法也在不断地发展，这都归因于深度成像（透过散射介质成像）成为各个领域亟待解决的问题。已经发展的深度光学成像方法主要有：光声成像、扩散光学层析成像、双光子成像、光学相干层析成像、共聚焦成像、结构光成像等。                

        由于散射过程是线性的，因此散射介质对光场的影响可以看做是一种线性变换。入射光场的复振幅分布为E_in，透过散射介质后光场的复振幅分布记为E_out，散射介质对输入光场的变换作用记为t。因此输入光场与输出光场的关系可以方程E_out=tE_in来描述。如果考虑光谱信息的影响，那么矩阵t就是一个与波长相关三维复数矩阵。通过测量散射介质传输矩阵，可以获取介质的本征信息。因此可以调控光场与散射介质，实现不同的线性变换（幺正操作、逻辑门），从而进行量子信息调控。