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随着CMOS技术的发展,CMOS图像传感器逐渐达到甚至超过了CCD图像传感器的性能水平,并凭借其低成本、低功耗、易集成等特性广泛应用于各种成像领域。CMOS图像传感器的动态范围通常在60~70dB,但汽车影像、安防监控等应用领域的环境光线范围在100dB以上,普通传感器无法同时获取场景中的明暗细节。传统多次曝光技术可以有效提升传感器的动态范围,但同时会带来高数据率和大数据量的问题。本文针对这一挑战,主要研究采用多次曝光技术的大动态范围CMOS图像传感器的像素设计、时序优化和图像融合技术。本文分析了大动态范围CMOS图像传感器像素的基本原理,基于0.18μm CMOS图像传感器专用工艺平台,提出了两次掺杂光电二极管来构建光电二极管内部电场;提出非均匀掺杂传输管沟道和传输栅结构来建立具有梯度电势分布的电荷传输通道。这两种结构消除了阻碍电荷转移的势垒和势阱,从而提升电荷转移效率,最终达到增强光电转化能力和提升动态范围的目的。针对多次曝光技术所带来的读出速率升高的挑战,提出紧凑式读出技术,通过行间交叉读出长短曝光信号扩展了单个像素的读出时间,读出速率可下降到1/3以下。基于四管有源像素结构,通过传输管对PD电荷容量调制,实现像素内长短曝光信号融合,像素输出即为大动态范围图像信号,无需外部存储或处理,大大缓解了多次曝光技术的高数据率和大数据量问题。本文主要创新点如下:1.提出了一种非均匀掺杂栅极技术来改善像素的电荷转移效率。这种技术能够改善传输管栅下电势分布,消除势垒或势阱,从而促进电荷顺利从PD转移到FD。仿真和实验结果表明,像素能够实现完全的电荷转移和零拖尾。2.提出了一种采用紧凑式读出的多次曝光技术,通过将不同行的长短曝光信号进行交叉读出,扩展了单个像素的数据读出时间,从而缓解了传统多次曝光技术所带来的高读出速率问题。与传统的滚筒式多次曝光相比,本方案能够延长268%的像素读出时间。3.提出了一种能够在像素内实现长短曝光信号融合的技术。相比于传统多次曝光技术,该技术在像素内同时完成长短曝光信号的积分,只需一次读出就能够获得大动态范围信号,无需额外的数据存储和处理。基于此像素内信号融合技术制作的一款传感器样片动态范围由51.59dB扩展到91.53dB。