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CMOS图像传感器的大范围推广应用曾经受益于CMOS工艺的发展，但是随着CMOS工艺向深亚微米甚至纳米级发展，工艺的各项非理想因素对CMOS图像传感器的影响也逐渐凸显。如何在利用工艺进步带来集成度提升的同时，提高CMOS图像传感器在图像质量方面的性能成为一项重要的研究内容。本文主要针对小尺寸工艺下图像传感器发展遇到的暗电流增大、动态范围缩小等关键问题展开研究。本文首先从像素设计入手，阐述了四管有源像素满阱容量提升技术，在研究影响四管有源像素满阱容量的主要因素基础上，着重分析了PPD电容对满阱容量的影响，研究并提出由于FD的高电势而引起PPD严重漏电的解决方案；其次论文在改进4T CIS滚筒式曝光时序控制电路的基础上，利用两次交叉曝光控制方式，使得CIS可以在任何长短曝光时间组合条件下，充分利用帧频所能提供的最大曝光时间；同时论文从后期图像处理的角度，分别针对暗电流引入的固定模式噪声抑制、图像中过亮或过暗背景中的细节增强，研究一种实时CIS暗电流校正方法和一种基于边缘检测的Retinex图像增强算法，从而提升CIS最终的图像质量。最后，对上述各改进措施在0.18μm CMOS工艺下的流片测试验证的结果进行了分析对比。论文的主要创新点如下：1、针对积分时间内由于FD的高电势对PPD中的光生电子的吸引而导致的漏电使像素满阱容量减小的问题，提出了在FD与PPD之间增加P型注入层稳定阱容量的方法，减小了由于FD的高电势而引起的PPD严重漏电，从而提高了像素的满阱容量。2、针对业界普遍使用的基于两次曝光信号融合技术以获得高动态范围图像的方法，提出了一种全新的两次交叉曝光控制方式。相较于传统滚筒式曝光控制方式，两次交叉曝光控制方式可以在任何长短曝光时间组合的条件下，充分利用帧频所能提供的最大曝光时间。3、针对暗电流引入的固定模式噪声抑制、提出了一种实时CIS暗电流校正方法，有效降低了暗电流固定模式噪声、提升了CIS图像质量。