传统的有源像素图像传感器具有像素尺寸小、噪声低、灵敏度高的特征。但是由于其基于帧的曝光方式,传感器的数据率和功耗会随着帧频的提升线性增加,造成传感器的速度瓶颈。脉冲图像传感器通过脉冲调制,将光强转换为时间域的脉冲输出,在同等数据带宽下完成了数据率的压缩,极大地提高了帧频。由于在时间域编码光强的特殊工作方式,脉冲图像传感器不能采用传统相关双采样技术抑制噪声。相对较差的噪声性能限制了脉冲图像传感器的发展与应用。本文设计了一款脉冲图像传感器,实现帧频提升的同时,在像素设计及图像还原过程中对不同噪声成分进行抑制,实现高速低噪声成像。本文首先阐述了脉冲像素的工作原理,搭建脉冲像素的噪声模型并进行了分析。接着设计了低固定模式噪声（Fixed Pattern Noise,FPN）脉冲像素以及同步时间域相关双采样脉冲像素,在不显著增加像素面积及功耗的前提下实现了像素级的噪声抑制。然后设计了高速读出电路、基准产生电路、行选通电路,完成了完整的脉冲图像传感器芯片电路及版图的设计。最后,提出了基于变化阈值的脉冲像素工作方式以及对应的图像重构方法,搭建行为级模型对提出的方法进行了仿真验证。本文采用0.11μm工艺设计了一款帧频为4万帧/秒、分辨率为50万像素的脉冲图像传感器芯片。仿真结果表明,设计的低FPN脉冲像素将像素失调由13.31m V减小至1.02m V;设计的同步时间域相关双采样脉冲像素的失调为1.11m V,同时将复位噪声从513μV减小到30μV。本文搭建了基于固定阈值以及变化阈值的脉冲成像方式的行为级模型。仿真结果表明,当窗口深度设为10时,基于变化阈值的图像重构方法将光电流测量的平均相对误差从2.76%减小到0.53%。当最大映射光电流从10p A增加到45p A时,固定阈值图像重构方法的均方误差从1.5033增加到26.0006;而提出的变化阈值图像重构方法的均方误差始终小于1.1。综上所述,本文设计的脉冲像素结构以及提出的基于变化阈值的脉冲成像方式对噪声具有良好的抑制效果,改善了重构图像的质量。