转换增益是微光CMOS图像传感器的重要参数，转换增益的提高有助于提升图像传感器的信噪比，进而提升灵敏度和成像质量。由于转换增益与像素的寄生电容成反比关系，为有效提升转换增益，提出了一种基于自对准技术的4管有源像素寄生电容的二维物理模型。该模型建立了像素寄生电容与注入条件之间的关系，其中包括注入剂量、注入能量和复位电压，该模型的计算结果与TCAD仿真结果具有较高的一致性，二者之间的方差小于0.0028 fF²，验证了该模型的准确性。该模型能应用于高性能图像传感器尤其是高灵敏度微光图像传感器的设计和优化中。

为了提高用于低噪声CMOS图像传感器的单斜模数转换器（SS ADC）的量化速度，提出一种基于SS ADC的根据输入光强确定采样次数的相关多次采样（CMS）技术。利用数字模拟转换器（DAC）输出信号的差分特性，根据输入电压大小，分别按照不同的方式选择正/负斜坡输入到比较器中。当输入电压信号较小时，控制斜坡形状，使采样次数为4；当输入电压信号较大时，使采样次数为2。采用110 nm的CMOS工艺，时钟频率为400 MHz，行转换时间为23 μs，分辨率为11位，量化范围为1 V内。仿真结果表明：所提技术的微分非线性（DNL）达+0.6/-0.3LSB，LSB指最低有效位，积分非线性（INL）达+0.7/-0.9LSB；最低噪声为82 μV；与传统的采样次数为4的CMS技术相比，在不增加低照度下噪声的同时，将A/D转换周期节约了13 μs。

在动态场景中,飞行时间图像传感器的高频多相操作会产生运动模糊,使运动区域内产生错误的三维原始数据,同时增加了电路设计难度。为了减小运动模糊的影响,本文对动态场景下飞行时间图像传感器进行建模。所建模型可以通过简单的参数设置快速完成传感器的参数设定,以仿真动态场景中各条件下的三维图像,从而分析运动误差。本文基于该成像模型,在不同的运动速度和帧频下分析了运动误差对成像质量的影响,探究了动态场景中两种曝光方式之间的成像质量差异,获得了具有高成像质量和低电路设计难度的最优成像指标。采用德州仪器(TI)公司的飞行时间相机对成像模型进行了评估,结果表明,在静态和动态场景中,模型仿真数据与相机实测数据匹配良好。

量子图像传感器(QIS)在不同的过采样位深下信息冗余程度和动态范围(DR)不同,对于读出电路的要求也不同。研究了QIS成像过程中引入的读噪声,优化了QIS成像的数学模型。在动态范围和失调容限的约束下,得到了子像素过采样的最优位深。仿真结果表明,当QIS的成像位深为12 bit、等效满阱容量为4095 electron时,子像素过采样的最佳比特位深是3,为保证区间误码率小于千分之一,读出电路失调应低于0.22 electron。根据采样策略,设计了一种基于复用结构的flash型低噪声读出电路。相对于传统flash型模数变换器(ADC),所提ADC比较器的个数减少了4个,采样频率为10 MSa/s时,功耗降低了17.5%;采样频率为1 MSa/s时,ADC的功耗为116 nW,ADC的失调为0.196 electron。

针对低照度下传统彩色图像传感器成像质量差的问题,提出一种基于单传感器的低照度彩色图像增强系统。系统同时采集可见光(VIS)和近红外(NIR),用NIR对VIS图像进行增强。系统中,为处理混合光图像提出了一系列图像处理方法:针对NIR对VIS颜色干扰的问题,提出一种颜色差值与降噪处理相结合的VIS分离方法;针对VIS与NIR融合问题,提出一种色彩空间转换与标准化处理相结合的融合方法;针对颜色区分度与信噪比相矛盾的问题,提出一种比值图像与阈值设定相结合的像素替换方法。通过对低照度含NIR图像的处理表明,本文系统可以比较明显地提升传统彩色图像传感器在低照度下的成像亮度、信息量和信噪比,并且效果优于所对比文献。

研究了时间延迟积分型面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器调制传递函数（MTF）速度失配特性，在分析累加级数、像素尺寸、镜头放大倍数、行周期及电机运动速度失配等影响因素的基础上，建立了MTF速度失配模型。基于现场可编程门阵列(FPGA)开发板，搭建面阵CMOS图像传感器实现线阵时间延时积分（TDI）的CMOS测试系统。实验结果表明，在光强为3 lx，速度失配M(ΔV/V)<2，8级时间延迟积分与面阵成像相比，MTF值提高50%；当累加级数为8级，速度失配满足M(ΔV/V)=2的速度失配容限时，奈奎斯特频率处的MTF值下降10%，当速度失配达到M(ΔV/V)=10时，MTF值下降35%。