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随着物联网、智慧城市、智能穿戴等概念的兴起，CMOS图像传感器作为获取图像信息的关键器件，得到了更为广泛的应用。而移动便携、长时间工作的应用需求则赋予了超低功耗CMOS图像传感器研究更为重要的意义。本论文主要针对超低功耗CMOS图像传感器的像素和系统展开研究。像素设计是CMOS图像传感器芯片设计的核心。针对低功耗应用，分析指出了传统像素中的模拟信号输出的弊端，即信号摆幅不足、必须维持较高的像素供电电压，导致芯片总体功耗难以显著降低。采用基于脉冲宽度调制(pulse-width-modulation, PWM)技术的数字信号像素输出，以信号脉冲宽度的数字量来计量光的强弱，其能维持成像功能的最低模拟工作电压可降低至0.36V，从而使功耗大幅降低。对超低工作电压下的亚阈值漏电流及其可能导致的问题进行了分析，并且提出了抑制像素级和列级的漏电流的电路级解决方案。在芯片外围电路设计方面，采用格雷码地址译码器、全局异步计数器等设计方法，进一步降低芯片整体功耗。 本研究针对CMOS图像传感器芯片的功耗瓶颈，研究实现了基于太阳能电池原理的像素级的能量回收单元原型，可将环境光能量转换为电能，作为芯片电源能耗的补充。此外在版图设计中，能量回收单元和感光单元在单个像素内采取纵向堆叠的工艺结构，减少了能量收集单元所带来芯片面积牺牲，维持图像传感器的光灵敏度。针对芯片工作电压降低后的性能损失，采用了自相关复位技术和可调比较器阈值的方法。自相关复位技术可在传感器的像素复位和信号读出期间自动消除工艺偏差导致的固定模式噪声(fixed-pattern-noise，FPN);而可调比较器阈值可通过改变电流参考源的参考电流编码提升图像动态范围(dynamic range，DR)。此外，本论文还对图像数据的读出时序进行了优化，提出了两步式的信号读出方式，通过插入寄存器来缓解曝光和信号读出间的读写冲突，提升了图像传感器的帧率。该CMOS图像传感器初样芯片的阵列大小为64×64(未安装滤色片)，在0.18μmCMOS逻辑工艺下进行了流片。随后通过PCB设计、芯片工作时序设计、数据传输系统设计和光学系统调制，建立了完整的测试平台，进行了芯片测试。在典型测试条件下，芯片总功耗仅为1.14μW(归一化为21.3pW/frame-pixel)，能够满足超低功耗的设计要求，同时固定模式噪声维持在0.49％的较低水平，动态范围69.8dB，保持可接受的成像质量。在实现稳定的成像功能的同时，芯片最低模拟电源电压可达0.36V，最大工作帧率为68fps;此外在能量收集模式下，在片外负载上，我们最多能从环境光中得到3.7μW的能量回收。