有别于传统光谱仪针对空间点光谱的获取,成像光谱仪注重于空间面光谱的获取,在卫星遥感、计算机视觉和医学成像诊断等领域有重要应用。受到MSFA(多通道滤波阵列)启发,本文确立光谱重建的方法为频谱空间寻找有限个正交基作为滤波片滤波曲线,以正交基的线性组合重建入射谱线。正交基系数为以该基底做滤波特性的滤波片下感光像素输出的电信号。此方法摆脱了传统宽带滤波重建光谱方法无法避免的复杂最小二乘算法,具有实时性和节省运算资源的优点,更利于光谱重建系统的集成小型化、低功耗化和低成本化。最终,本文创新性地提出了一种基于CMOS图像传感器MSFA方法的成像级光谱重建方案,并完成了相应的从底层电路设计、算法验证到顶层系统集成的完整工作。本文首先基于TSMC 0.18um CIS工艺完成具有基本成像功能的CMOS图像传感器电路设计、后仿真验证与测试验证。而后基于Munsell色卡数据集利用PCA方法提取前四个主成分作为原始滤波基底,并在测试集上进行了基底有效性的仿真验证。考虑到可制作滤波片的滤波特性,确立实际滤波片滤波曲线为原始基底拆分拟合为高斯函数并乘以一定放大系数的波形。结合光谱重建的具体需求,设计的第二版CMOS图像传感器电路以4x4像素构成的“块”为结构单元,具有阵列级信号运算处理能力,在像素信号输出过程中同时计算得出原始基底系数。该CMOS图像传感器具有一定的通用性,可完成2x2个块范围内任意行与任意列交叉点像素输出信号同时读出及实现读出信号带系数的加减运算功能,系数范围为-3.1～3.1,步长0.1。后仿结果显示该结构可于3us内完成一次运算,平均功耗309uW。最终拟定系统测试方案,包括确定测试光源和测试对象,并基于测试光源完成新的基底计算、滤波片波形设计和滤波片排布设计,以及实际测试光路结构与数据采集方式拟定。对于三组不同滤波基底:带光源信息的原始基底、带光源信息的原始基底拆分拟合的高斯基底和某商用图像传感器RGB基底,系统仿真结果显示对于24个色块入射光谱线拟合谱线的误差平方和均值,前两组基底值仅为RGB基底的1.6%和2.04%。