随着微光检测器件的发展,光子计数成像技术近年来发展迅速并日趋成熟。光子计数技术在理论上可以对单个光子进行有效探测,能够探测到极微弱光下的光子图像,因此在电网安全检测、量子通信、医学成像等领域有着广泛的应用前景。在本文光子计数系统项目进行之初,没有一个成熟的系统方案可供参考,因此基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)在线编程,可快速实现设计的特点,对光子计数系统进行快速系统实现,并对系统实时改进,对后续专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)的设计具有重要参考意义。同时利用数据采集卡与LabVIEW软件设计成像系统,对发光源进行成像。本文对光子计数系统开展基于FPGA的原型设计工作。首先,通过分析FPGA与ASIC物理结构的不同,提出了两者不同结构的转换和替代方法,并给出了快速系统原型实现的流程。通过对自适应被动与互补主动两种采样模式各自构成的计数系统模块的划分,完成对各个模块的功能分析与时序关系的确定,最后使用Verilog语言对各模块功能进行了描述,并使用ISE软件对设计模块进行了仿真。最终,将单像素系统扩展到1×64像素线阵结构,经仿真确定系统的正确工作时序后,在NEXYS 4开发平台上进行了板级实现。针对光子采样系统的应用,本文最后设计了基于数据采集卡NI9401配合上位机中图形化编程软件LabVIEW对系统芯片的输出数据进行接收和处理。论文详细阐述了NI9401和LabVIEW的使用方法,并对成像过程中编写的程序框图的功能进行了说明,从成像效果上说明了成像系统的可行性。最终,本文成功的对自适应被动采样系统与互补主动采样系统进行了原型设计,在系统曝光时间为100μs,占空比为99%,输出数据频率为10MHz情况下,两种采样系统均对光子计数数据进行正确的输出,满足指标要求,并对两种采样系统的采样率进行了测试,在自适应被动系统中,采样率随着光子密度的增加逐渐下降,在互补主动采样系统中,采样率随着互补时钟的频率的提高逐渐增加,符合设计预期,给设计工作提供了正确的参考模型。最后,本文设计了成像系统,对发光源进行了灰度成像,达到了设计指标。