众所周知,传统的基于CFA(彩色滤光片列阵)的彩色图像传感器由于RGB三色通道空间采样频率的不一致,当图像存在超过图像传感器奈奎斯特采样频率的空间频率成份时,很容易出现图像信号的失真并体现为低频率的彩色噪声条纹,这种现象被称为彩色摩尔条纹。这种彩色摩尔条纹给获取高质量彩色图像带来了干扰,因此必须采用一定的方法对其进行消除。常用的基于光学低通滤波器的方法不但提高了成本降低了图像质量且无法完全消除彩色摩尔条纹,因此人们一直在寻求一种替代的方法能够彻底地消除它的影响。基于垂直层叠结构的彩色像素最初便是为了实现这个目标而被提出来的,它利用了可见光入射晶体硅后的吸收深度跟波长存在的相关性即短波长光的吸收长度小,长波长光的吸收长度大的特点可以实现类似彩色胶片的在同一个像素位置上同时对RGB三个色彩通道的信息同时进行采样,彻底消除了传统的基于CFA的彩色图像传感器的彩色摩尔条纹失真的缺点。由于同时对RGB三个色彩通道同时进行传感的三层垂直层叠彩色像素在CMOS工艺上实现的成本代价相对较高,它也可以通过两层垂直层叠像素配合两色滤光片实现四个不同光谱响应特性的信号输出,并通过色彩校正算法实现彩色成像,如此既可以降低工艺成本,又可以降低彩色摩尔条纹对图像质量的干扰。另外它还可以只通过两层垂直层叠像素实现单波长光谱和强度分布成像、可见光/近红外光双波段同时成像等特殊场合下的应用。本文首次在国内系统地开展了这方面的工作,对基于垂直层叠结构像素的CMOS图像传感器的原理、设计、测试和色彩校正处理算法做了一系列基础研究,并得到了一系列有意义的成果,它们主要包括:首先,在国内第一次创新开展了在标准CMOS工艺上的两层垂直层叠图像传感器像素和列阵图像传感器的原理、设计、测试方面的工作。设计了CMOS工艺下的大尺寸两层垂直层叠结构测试像素,并独立构建了其量子效率测试平台,得到了两个通道的量子效率曲线;设计了像素大小为16μm,100×100分辨率,10fps读出速率的CMOS两层垂直层叠结构像素列阵图像传感器,制作并初步测试验证了的实验器件的工作可行性。这部分工作最重要的创新点是:将两层垂直层叠结构像素微小化,使其成为一个无需机械扫描的面阵器件,而以往国内的工作都集中在单个大尺寸像素结构上。第二,根据基于垂直层叠结构像素的CMOS彩色图像传感器像素的光谱响应特性,使用了基于配色函数匹配和色彩刺激值拟合两种方法进行了色彩校正,分别对三层垂直层叠彩色像素和两层垂直层叠结构像素配合两色滤光片的彩色像素取得了较好的色彩校正效果。另外,针对两层垂直层叠像素直接获取单色光谱图像和强度图像的算法进行了研究。这部分工作的主要创新点是:针对高阶色彩刺激值拟合方法对被拟合输入量中包含的噪声具有病态敏感性的缺点,提出了增强了对输入量噪声鲁棒性的色彩校正方法,并申请了一项发明专利。最后,为了构建一个垂直层叠结构像素的仿真模型,方便对基于这种结构的像素进行原理性仿真研究和结构参数优化,采用解析方法和半导体器件数值仿真软件两种方法建立了两层垂直层叠和三层垂直层叠像素的光电联合仿真器件模型并通过和实测数据的比较验证了模型的准确性。这部分工作的主要创新点在于:作为构建的仿真模型的一个实际应用,本文创新地通过数值仿真方法设计了一种基于两层垂直层叠结构的可见光/近红外光同时成像像素结构,并对其的结构参数进行了优化设计。