近年来,由于工程、科学、医学和娱乐领域的巨大需求,高性能三维(3-Dimension,3D)成像技术引起了人们的广泛关注。在三维应用中,如机器人技术、生物识别技术、安全监控等,需要同时提取二维图像和场景的三维深度图像,因此,如何实现高精度、高效率地测量距离信息,已经成为三维成像技术发展的关键。其中3D成像距离测量中最有优势的方法之一是直接飞行时间测距方法(Time-of-flight,TOF),其测量原理是光源给目标物体发射连续的脉冲光,然后使用传感器接收从目标物体反射回来的脉冲光,在已知光速的前提下,通过计量脉冲光的飞行时间从而推出目标物体的距离信息。实际中,这个距离信息的获取是通过相应的测量电路来进行的。所以,对于采用直接飞行时间测距原理的时间间隔测量电路的深入研究意义重大。本文主要从事基于直接飞行时间测距技术的时间数字传感器的研究,目的是为了实现三维测距芯片对于高精度、高集成度、低功耗和低成本、便携化等性能要求。本文首先阐述了各类时间数字传感器的工作原理,其次对其基础结构和各项性能指标进行了详细说明,最后选择对基于时间放大技术(TimeAmplifier,TA)的两步式时间数字传感器进行深入研究。本文采用中芯国际(SMIC)180 nm CMOS工艺,选择单光子雪崩光电二极管(Single photon avalanche photodiode,SPAD)作为光电探测器件,并利用直接飞行时间法测距原理设计了一种新型的基于时间放大器的两步式时间数字转换器(Time-to-digital converter,TDC)像素读出电路,最终完成了单芯片集成的版图设计。其中,像素读出电路包括淬灭电路、接口电路、粗略计时器、数据选择器、时间放大器、精细计时器和译码器等模块。两步结构保证了较宽的计时量程和精细时间分辨,不需要额外校准。此外,残余脉冲时间差放大的方法有助于减小量化误差并保证了适度的芯片面积和功耗。本文所设计的像素面积为100*200μm2,位数为6bit,采用的参考工作时钟频率为300MHz,实现了 128ns的动态范围和52ps的时间分辨率,其微分非线性误差(Differential non-linearity,DNL)与积分非线性误差(Integral non-linearity,INL)分别为±0.50LSB 与±0.76LSB,计时的失调误差不超过1.85%。