随着市场对3D成像系统需求的增加,越来越多的研究致力于获得完整的类似人眼的3D信息。实时的3D成像系统相对传统的光强度成像系统有更多的应用领域,比如:汽车安全、生物医学装置、机器人、娱乐设备、工业控制以及虚拟现实仪器等领域上,其中Time-of-Flight(TOF)测距方法是3D成像距离测量中最合适的方法之一。CMOS图像传感器可以把图像处理电路和感光部分集成在一块芯片上,相比其它的成像技术有着高集成度、低功耗和低价格的优点,也可以同时获得二维图像和距离信息,使它成为发展3D成像的最佳选择。本文首先分析了间接TOF测距原理的可行性,包括相位解调和时间-选通积分法的原理,再进行系统精度分析,归纳出几个重要的影响因素,包括光源功率、噪声、测量范围、反射系数、解调效率和背景光强度,再制定出系统指标来辅助设计。基于钳位光电二极管(PPD:Pinned Photodiode)结构的2-抽头(2-tab)解调像素设计,在传统PPD的基础上进行改进与优化,提高光电混频器的电子转移效率和工作带宽,设计出高解调效率的光电解调像素。图像传感器的电路部分包括像素电路、相关双采样电路、驱动电路、行列译码电路等,其中像素单元采用共享式结构,在电荷区域提高信噪比,而且可以提高像素填充系数,列级采用相关双采样电路来消除像素KTC和固定图形噪声。基于本文设计的图像传感器芯片搭建三维TOF测距系统,主要包括图像传感器、LED光源、ADC、CPLD等硬件。采用的LED光源的功率为3.4 W,调制光信号的频率为0.5 MHz,曝光时间为20 ms,并成功实现测距功能。测量的范围在1-260 m内,得到测量结果和实际距离之间的平均误差小于2%,最好的结果是在测量距离为1 m处,误差只有2.5 cm,最差的结果是在测量距离为150 m处,误差为3.68 m,可以通过增大光源功率和曝光时间,或是通过抑制背景光,来提高测距精度。