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限制CMOS图像传感器性能的一个主要问题是其有限的动态范围。本文以CMOS图像传感器动态范围扩展技术为核心，对常见的动态范围扩展技术进行了深入的研究，并进行了创新。提出了一种基于人眼视觉特性的多次采样图像合成算法和一种新型的条件重置动态范围扩展技术。
首先简要介绍了光电二极管的物理基础和电路模型，从对CMOS图像传感器噪声的分析出发，介绍了可以用于分析工作在积分模式的CMOS图像传感器的数学模型。而后从动态范围、信噪比、关键参数选取标准的角度对三种积分型动态范围扩展技术——多次采样、条件重置、势阱容量调节进行了深入的研究。对非积分型动态范围扩展技术——对数扩展进行了简要的介绍和分析。并以多次采样技术为参照，对四种常见的动态范围扩展技术进行了比较分析。
针对多次采样技术中的多曝光图像合成问题，提出了一种基于人眼视觉特性的多次采样图像合成算法。首先简要介绍了常见多次采样图像合成算法——线性加权合成、对数压缩合成，并对其存在的问题进行了简要的说明。而后对人眼视觉特性进行了深入的分析，据此提出了采用S状函数模拟人眼视觉特性曲线的方法。然后，依据人眼对灰度级的分辨能力特性，提出了一种多次采样图像曝光时间判决算法。以视觉特性益线模拟和曝光时间判决算法为基础，提出了一种基于人眼视觉特性的多次采样图像合成算法。最后通过与常见多次采样图像合成技术的实验结果进行比较，证明了算法的有效性。
针对传统条件重置技术存在的问题，提出了一种新型的条件重置动态范围扩展技术，克服了传统条件重置技术难于应用在高动态范围领域的问题，解决了需要在像素单元中加入独立计数器的问题。对新型条件重置技术的关键问题——参考电压与采样时间序列的选取方法进行了深入的研究，并给出了一般性的结论。最后，依据新型条件重置技术，设计了一种动态范围达108dB的像素单元电路，并进行了仿真实验。