3D图像传感器作为机器视觉的核心部件,能够获取目标物体的深度信息,用于感知现实世界中复杂事物。相较于其他3D成像方式,基于ToF的3D成像方法具有微型化、低功耗等重要优势。目前,ToF 3D图像传感器存在电荷转移速度低,复位噪声高,有效电荷积分量不足与背景光干扰等问题,这限制了其调制对比度与信噪比的提升空间,降低了对主动红外光的解调能力,影响了成像质量。因此,针对上述问题的研究对扩大ToF 3D图像传感器应用领域至关重要。本文立足于ToF 3D传感器系统模型和像素结构,开展基于ToF 3D图像传感器关键技术研究并对其进行芯片实现。在详细调研ToF 3D图像传感器的国内外发展现状的基础上,首先对ToF 3D图像传感器系统架构进行研究并建立数学模型,研究锁相像素中重要参数对成像质量的影响。之后,着重研究锁相像素的高速电荷转移特性与低噪声特性。最后,以前期模型分析为理论依据,以锁相像素关键技术为实践基础,分别研发一款2D同步兼容式3D图像传感器,提出一种电荷累加推扫式3D图像传感器。本文的创新性工作包括:（1）提出针对电荷非完全转移问题的补偿机制。该补偿机制适用于单侧集成双FD的锁相像素,在100MHz的调制率情况下,可以获得高于60%的调制对比度,并通过模型进行了验证。（2）研究具有高速低噪声特性的锁相像素。像素中集成双FD,并且感光区采用梳齿形状,建立内部电势与形状参数之间的数学模型用于指导结构优化,并通过器件仿真工具SPECTRA验证模型的有效性。像素中增加桥接复位管用于均衡双FD中的噪声,结合双采样操作有效降低像素的复位噪声和非一致性。（3）设计一种脉冲式二三维兼容图像传感器。3D成像时,像素中的全差分比较器实现FD电压脉冲化,在背景光信号比为30d B时可以正常工作。2D成像时,单斜ADC使用双复位技术进行数字相关双采样,可以降低23.6%的功耗。（4）提出一种电荷累加推扫式3D图像传感器。像素中采用交替式电容跨阻放大器实现电荷转移与累加,通过积分电容翻转操作实现背景光抑制和双相位减法运算。针对读出电路的漏电问题进行优化,实现在宽温度范围内抑制漏电。