光谱成像系统受色差影响会导致图谱混叠，本文将单像素成像以及计算关联成像分别与光谱成像系统相结合，并在系统中引入900~1 700 nm适用的消色差透镜来校正色差。首先计算出不同胶合消色差透镜的色差大小并以此选取透镜，所选消色差透镜相较其它透镜对色差校正可以提高一个量级。其次分析了色差对光谱成像系统的影响以及单像素成像和计算关联成像的差异。最后仿真和试验分析单像素光谱成像和计算关联光谱成像特点。试验结果表明对于900~1 700 nm的近红外光谱成像，基于消色差透镜的单像素光谱成像系统取得了更好的图像重构结果，其峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）提高了3.93 dB，结构相似度（Structural Similarity, SSIM）提高了0.96%。消色差透镜的单像素光谱成像系统在近红外光谱成像中重构图像效果优于无消色差透镜的计算关联光谱成像。

显微成像技术作为研究细胞和生物组织的主要工具，对生物医学的发展起到了极大的推动作用。生物样本的复杂化和生物医学领域对时间和空间分辨率的多样化需求决定了单一功能生物成像系统应用的局限性。为满足生物医学领域的多样化需求，解决成像质量与成像时间之间的矛盾，设计了一种基于深度学习的多分辨显微关联成像系统。该系统通过对显微镜进行硬件设计改造和软件处理，将深度学习与关联成像技术有效结合，当采样率仅为60%时，成像系统能够较好地恢复图像细节，大幅降低欠采样带来的噪声，同时显著提升系统成像的时间分辨率。另外，为了满足所设计的小型多分辨显微关联成像系统的实际需求，采用基于重参数化思想的超高效轻量超分网络，在资源受限的设备下实现实时高质量成像。所提出的成像系统可以在保证成像质量的同时显著缩短成像时间和减少内存占用。不同类型生物样本和分辨率板的测试结果进一步表明了系统的鲁棒性和抗噪性能，研究结果对生物医学领域具有重要意义。

单像素成像具有高灵敏度，抗干扰等特点，但得到一张高质量图像需要多次采样，因而在卫星对地观测应用时，由于卫星姿态变化使得指向抖动从而造成参考光场与探测器信号之间关联性丢失，使得重构出的图像质量严重退化。针对这一问题，本文设计一种光场追踪补偿方案以补偿卫星姿态对成像带来的影响，结合卫星工具包生成卫星数据分别进行滚动角，俯仰角的运动补偿验证和偏航角的运动补偿验证。结果表明进行滚动角和俯仰角运动补偿后成像的峰值信噪比提升28.8 dB，进行偏航角运动补偿后成像的峰值信噪比提升7.25 dB，同时考虑滚动角，俯仰角和偏航角对典型场景进行运动补偿后的成像结果峰值信噪比提升至少4.7 dB，仿真结果证明了补偿方案有效提高了成像质量，为星载单像素成像提供了一条有效技术途径。

光学信息处理技术本身具有高速度、并行性、信息容量大的特点。同时，光波又具有振幅、相位、波长、偏振等多种属性，是多维信息的载体。因此，光学加密在信息安全传输领域意义重大。现有的图像加密方法存在效率低、安全性差、加密容量小等问题。为了实现多图像二次加密传输，提出了一种基于级联相位迭代与计算关联成像的多图像加密算法。该方法可以同时对多幅图像进行高效加密，计算简单，安全可靠，传输数据少。利用相关系数指标评估了该方法的加密效果，并通过仿真实验验证了该方法的有效性和安全性。