物联网时代,三维技术对深度传感器的需求在不断上升,特别是在自动驾驶、虚拟现实、增强现实、机器人视觉、工厂自动化、人工智能等领域的应用不断增加。近十年来,三维成像和测距成为了最重要和最富有创新性的研究领域之一。其中最为热门的即是光子飞行时间技术（Time of Flight）,简称To F。To F根据测距原理的不同,一般可以分为两种:时差测距和相位测距,即直接式和间接式。间接式To F深度传感器具有较好的抵抗环境光能力,对暗电流和噪声不敏感,可实现高帧率高分辨率,从几厘米到几十米范围拥有较高的探测分辨率,可以达到厘米级甚至毫米级。因此间接式To F深度传感器的芯片设计对三维成像的进一步发展而言是一个非常重要的技术节点,对国内三维成像传感器的发展有着重大的意义。本文将对间接式To F图像传感器展开研究。由于三维图像传感器与二维图像传感器原理上的不同,导致其使用的像素结构、像素性能以及读出电路都有所不同,如三维的图像传感器希望在较高的传输管打开频率下也能保持较好的电荷传输效率等,而普通的二维图像传感器则对此要求不高。所以本文将针对适用于I-To F（Indirect Time of Flight,间接式飞行时间）方法的三维图像传感器像素进行针对性的优化,以获得更好的深度性能,并获得一些优化的结论。通过对像素的仿真,可以得到以下两个结论:1)合理设计像素的感光区域面积,可获得填充因子、解调对比度均合适的条件。在仿真中感光区域面积为558)2的条件下可以获得较好的深度性能。2)合理设计传输管栅极的宽度,改善栅下的电势分布,进而可以改善像素的性能。在传输管宽度为3um的情况下在调制频率较高的情况下可以获得较好的深度性能。本文也分析了常用的CDS电路,并提出了带有减法功能的CDS电路进行分析设计,简化了后续处理数据的步骤,加快了数据的读出。仿真后的数据可知,其优化后最小的相对误差可以控制在0.35%以下。最后设计了适用于该设计的像素以及读出电路的逻辑控制单元,并通过混合仿真证明了该设计的正确性。本文最后对流片后的芯片进行了基本功能测试,同时分析了像素的灰度性能、不同感光区域面积对深度性能的影响以及不同传输栅宽度对深度性能的影响,可与像素的仿真结果进行对比分析。测试结果与仿真结果具有非常大的相关性,并可总结出规律,为后续的像素优化以及传感器的性能优化打下了坚实的基础。