针对3D集成式多光谱TDI-CMOS图像传感器的数字化处理和高速读出需求，为了解决与TDICCD探测器的整体布局、物理尺寸和接口的匹配性和一致性问题，研制了适用于五谱段TDICCD的CMOS读出电路芯片。该读出电路芯片创新地设计了一种使用多相位ADC时钟、支持相关多次采样的新型列级单斜ADC电路结构，实现了TDICCD信号的数字化和高速输出，有效提升了探测器的动态范围和噪声指标。流片测试结果表明：读出电路芯片的功能正常，集成式TDICCD的成像效果良好，新型列级ADC工作正常，读出电路以最小9.5 μs的行周期输出14 bit数据，相关多次采样具备降低输出信号噪声的作用，实现了TDICCD信号的高精度数字化处理和高速输出，满足3D集成式TDI-CMOS图像传感器的研制要求。

石墨烯光电探测器具有兼容性好和宽波段响应等优势, 其读出电路可类似于微测辐射热计等传统探测器。然而, 石墨烯光电探测器一般属于光子型, 其响应度、功耗和积分时间等具有显著差异。针对纯石墨烯、石墨烯 -硫化铅异质结、硫化铅和典型微测辐射热计 4种探测器, 结合实测器件参数, 进行读出电路的对比研究。仿真结果表明：由于其较高的响应度, 实现相同的输出电压, 石墨烯 -硫化铅异质结探测器所需的积分时间最少, 更利于高帧频应用。另一方面, 与微测辐射热计相比, 石墨烯探测器具有较高的功耗, 而分析表明合理的器件结构设计可有效减小功耗。本文的研究工作可为二维材料等新型光电探测器的读出电路选择和参数设计提供参考。

针对小卫星以至微纳卫星领域的应用需求, 文章对具有抗辐照能力的CMOS图像传感器的芯片架构和关键技术进行了研究, 着重对行列选电路、低噪声信号读出、可编程增益放大器和片上ADC等电路设计技术进行了分析和仿真验证。基于0.35μm CMOS抗辐照技术和工艺开展了芯片的关键电路仿真、设计和整体版图设计验证。流片后的测试结果表明, 该CMOS图像传感器具有高动态、低噪声和抗辐照特点, 其噪声电子为42e-, 动态范围为69dB, 当辐射总剂量大于100krad(Si)时, 器件噪声指标符合预期。

设计制作了一款具有开窗功能的行间转移CCD, 其阵列规模为640×480元, 像素尺寸为7.4μm×7.4μm, 可在4种窗口分辨率, 即640×480元、228×480元、640×164元和228×164元下开窗工作, 具备单、双通道输出信号功能, 当器件窗口分辨率为228×164元、以双输出通道模式工作时, 帧频能够达到500f/s, 可以应用于高速目标识别领域。

为了解决石墨烯探测器光电探测的难题, 针对石墨烯探测器受光照像元电阻发生变化的特点, 设计了基于石墨烯探测器的新型积分电路结构。该积分电路结构主要包含前端偏置电路、运算放大器以及开关和反馈电容等部分, 电路主要利用暗像元电阻不随光照变化, 而感光像元电阻会随光照强度变化而变化的特点, 将光照条件下暗像元支路的电流与感光像元支路电流的差作为光响应电流, 并采用CTIA积分电路进行电流积分, 将光响应电流转换为积分电压输出, 进而实现石墨烯探测器对光响应信号的探测和输出。文中对相关的主要电路设计进行了分析, 并基于Cadence ADE仿真环境完成了电路仿真。经仿真分析, 基于文中的积分电路, 可以将不同光照条件下石墨烯探测器的光响应转换为对应的积分电压输出。可见, 所设计的积分电路能够满足石墨烯探测器对光响应探测的需求, 对石墨烯材料进入光电探测器领域具有重要意义。

在低照度环境下，通用的图像传感器普遍存在成像效果不佳的情况，因此采用图像增强算法来提升图像对比度就显得尤为重要，然而大多数图像增强算法都是针对静态图像进行增强。为此，基于现有的图像增强算法，提出了一种改进的基于图像去雾的图像增强算法架构，该架构不仅利于FPGA实现，而且能够较好地增强视频的显示效果。测试结果表明: 该算法占用FPGA资源较少，能够实时处理1080P 60f/s的视频且增强效果良好。

从方法优化和电路设计入手，提出了基于片上系统（SOC）的复位方法和时钟复位电路。设计了片外按键复位电路、片内上电电路、晶振控制电路、片内RC低频时钟电路、槽脉冲产生电路、分频延时电路、时钟切换电路及异步复位同步释放电路等电路模块。以上电路模块构成了片上系统的时钟复位电路，形成了特定的电路时钟复位系统。该时钟复位系统将片外按键复位与片内上电复位结合起来，形成多重复位设计，相比单纯按键复位更智能，相比单纯上电复位则更可靠。另外，该时钟复位系统还采用了片内RC振荡时钟电路等一系列电路，借助片内RC时钟实现对芯片的延时复位，进而在保证复位期间寄存器得到正确初始化的同时，还使得芯片能够始终处在稳定的晶振时钟下正常工作。相比传统的时钟复位电路，该时钟复位系统既便捷，又保证了系统初始化和系统工作的可靠性。

从结构设计和方法优化入手, 提出了基于双SRAM缓存结构并采用乒乓读写原理的CMOS图像传感器逐行转隔行数据缓存方法。该方法采用两组SRAM作为缓存, 并利用乒乓读写原理, 抽取逐行数据中奇数帧周期的奇数行作为隔行数据的奇数场, 抽取逐行数据中偶数帧周期的偶数行作为隔行数据的偶数场, 最终实现CMOS图像传感器逐行数据到奇偶隔行数据的转换。相比传统的采用片外帧存储处理方式, 极大地减小了存储面积, 便于实现与CMOS图像传感器的单芯片集成, 降低了成本, 同时也极大地降低了电路工作时的存储读写功耗。

全局快门CMOS图像传感器广泛应用于高速运动物体的成像, 包括机器视觉、工业测量、航空航天, 以及**应用等领域。介绍了全局快门CMOS图像传感器的主要类型, 具体分析了灵敏度、寄生光灵敏度、读出噪声、动态范围和帧频等性能参数的研究进展。最后对国内外有代表性的全局快门CMOS图像传感器产品进行了介绍。

提出了一种可应用于CMOS图像传感器的联合并行图像预处理算法，其中，色彩插值算法采用双线性插值法和边缘导向插值法相结合的方式来完成色彩还原，而降噪算法采用带阈值的空间自适应滤波降噪算法，在硬件语言描述算法时，将两种算法的处理过程进行了联合处理。实验仿真结果表明，通过对算法进行ISE仿真和Matlab显示处理，得到色彩饱和度较高的彩色图像，峰值信噪比（PSNR）为30~36dB。整个处理过程有效地简化了片上系统（SOC）的图像处理过程，提高了算法的运算速度，节省了芯片面积且降低了系统功耗，为CMOS图像传感器的片上系统集成化设计提供了技术支持。