CMOS图像传感器在消费电子、工业生产、安全监控、医疗成像、科学研究、军事国防等领域都获得了广泛应用，是一类非常重要的集成电路。然而，目前主流传统的CMOS图像传感器动态范围较小，无法记录自然场景接近180dB动态范围的图像信息，因此本项目研发具有超宽动态范围的CMOS图像传感器意义十分重大。 本项目首先提出并研究了基于电荷补偿技术的图像传感器原理；然后利用电荷补偿技术实现了高动态CMOS图像传感器原型器件，对该图像传感器的性能进行了详细的测试，并对非理想因素进行了分析；同时研究了一种基于两次电荷转移的高动态CMOS图像传感器，并研究了高分辨率、高动态范围CMOS图像传感器信号获取和处理电路，设计了图像传感器模拟输出轨对轨放大器，适用于并行列模数转换用的12bit循环型模数转换器，以及适合于串行输出的40MHz采样率、14bit精度的流水线型模数转换器。 本项目提出的像素电荷补偿技术，具有本征的高动态范围，其基本结构是通过像素中加入一个附加的光电二极管，弱光时反偏，强光时自动转换为正偏，从而实现电荷补偿，使得像素输出电压在弱光下与光强成线性，强光下变成与光强对数成正比，达到提高图像传感器动态范围的目的。该技术申请并获得了国家发明专利。 通过这种技术实现的CMOS图像传感器像素在弱光下呈现线性响应，在强光下为对数响应，可响应光功率密度在1.99×10^-9W/cm^2至0.448W/cm^2之间，等效动态范围达到167dB，远远高于目前主流CMOS图像传感器约80dB的动态范围。同时该图像传感器具有接近2V的输出摆幅。设计的14bit流水线模数转换器采用了每级2.5bit精度的冗余架构，前期测量结果显示有效精度超过了10bit。 本项目所研究的图像传感器结构简单、处理电路与信号处理方案成熟可靠，将能够比较完美地解决传统CMOS图像传感器动态范围较低的缺点，具有重要的科学意义和应用价值。 2100433B