本文是一篇由Jingyang Chen、Nanbo Chen等人合作撰写并于2025年3月3日在期刊*Chips*（ISSN 2674-0729）上发表的学术论文。这是一篇综述性文章，题目为“A Review of Recent Advances in High‑Dynamic‑Range CMOS Image Sensors”。该论文旨在系统回顾和总结过去六年（约2019-2025年）在高动态范围（High Dynamic Range, HDR）互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器领域取得的最新进展和技术。

论文核心主旨与背景 动态范围是评估CMOS图像传感器性能的关键参数，它衡量传感器在同一场景中同时捕捉高光（亮部）和阴影（暗部）细节的能力。传统CMOS图像传感器的动态范围通常在60-70分贝，但对于医疗成像、自动驾驶、安防监控、增强现实等高端应用而言，往往需要超过100分贝的动态范围。传统提升动态范围的方法，如多重曝光后合成，在动态场景中容易出现运动模糊和伪影；而在读出电路层面优化，则受限于电路噪声和供电电压。因此，直接通过像素设计和信号处理技术来实现单次曝光高动态范围（Single-Exposure HDR, SEHDR）成为了重要的研究方向。本篇综述的目的，正是系统地梳理近年来通过增强像素满阱容量（Full Well Capacity, FWC）、利用时空曝光信息、以及优化信号输出响应等不同技术路径来实现HDR的方法，并分析比较各自的优缺点和技术趋势。

HDR核心技术路径综述 论文主体将HDR CMOS图像传感器技术分为三大类进行详细阐述，每一类下又包含多种具体技术方案。

第一类：满阱容量增强技术 这类技术的核心思路是通过物理或电路手段直接增加像素能够容纳的光生电荷数量，从而提高可探测的光强上限。 1. 多重转换增益： 转换增益（Conversion Gain, CG）表示浮置扩散（Floating Diffusion, FD）节点将电荷转换为电压的效率。高转换增益（HCG）下灵敏度高、噪声低，但容易饱和；低转换增益（LCG）下饱和上限高，但信噪比低。多重转换增益技术（尤其是双转换增益）通过在FD节点引入额外的开关和电容，允许像素根据光照条件在HCG和LCG模式间切换。在弱光下使用HCG模式获得高信噪比，在强光下切换到LCG模式避免饱和，从而扩展动态范围。文献中展示了从简单的DCG像素到结合自适应逻辑选择CG模式、甚至与深槽隔离等技术结合以实现更高性能（如97 dB动态范围）的多种设计。 2. 横向溢出积分电容器： LOFIC技术是在光电二极管附近集成一个高密度电容（如沟槽电容LOFITREC或3D高密度MIM电容）。当光电二极管饱和后，溢出的光生电荷会被这个附加电容收集并读出。这相当于在传统DCG的基础上，提供了一个专门收集溢出电荷的“蓄水池”，有效突破了光电二极管自身容量的限制，可将动态范围显著提升至120 dB甚至130 dB以上。然而，LOFIC在LCG模式读出时，由于架构原因难以使用相关双采样消除复位噪声，导致模式切换点的信噪比下降。为解决此问题，研究者们通过优化电势分布、引入双读出链、或设计中等转换增益模式来改善性能。 3. 其他增强FWC的技术： 包括利用铁电晶体管（FeFET）的非线性电容特性在FD节点提供额外可变电容；采用“移位偏置”结构来增加LCG模式下的有效电容并抑制噪声；以及利用三维堆叠技术设计互补载流子像素（同时收集电子和空穴信号），通过差分增益来扩展动态范围（可达106 dB）。

第二类：多重曝光合成技术 这类技术不直接大幅增加FWC，而是通过在不同时间或空间上对同一场景进行多次采样（曝光），再将信息融合成一幅HDR图像。 1. 编码曝光： 将一帧的总曝光时间分割成许多微小的子曝光时段，并根据一个二进制编码控制每个子时段内像素是否积分（单抽头）或将电荷导向哪个存储节点（双抽头）。通过根据入射光强自适应地调整曝光编码，可以避免饱和并实现快速自适应HDR成像。例如，有研究实现了101 dB动态范围，子曝光速度高达39,000次/秒，能有效捕捉快速变化的光线或运动物体。其他变体包括行级编码曝光、结合像素级模数转换器和模拟存储实现曝光与读出的时间重叠（乒乓缓冲）等。 2. 分离式光电二极管： 在一个像素内集成两个大小不同、灵敏度各异的光电二极管：大光电二极管用于弱光（高灵敏度），小光电二极管用于强光（低灵敏度）。两者同时曝光，输出合成一幅图像。为克服小光电二极管FWC有限的问题，常与LOFIC技术结合使用。通过优化结构（如采用深槽隔离抑制串扰）和工艺，此类技术可实现极高的动态范围（如140 dB）。此外，还有通过子像素组合（如“田”字和“口”字结构混合）或像素共享架构来调节等效灵敏度与FWC的设计。 3. 时间-饱和法： 这是一种电压模式成像方法。当像素电压在曝光期间达到某个阈值（即临近饱和）时，比较器会触发一个时间戳信号。通过记录达到饱和的时间（或在一段时间内触发的次数）来反推入射光强。这种方法不受电源电压限制，能将动态范围扩展到像素饱和点之外。TTS常与线性模数转换结合使用，在弱光区用线性ADC，在强光区用TTS，实现超过100 dB的动态范围。也有研究将其实现为全数字时间模式或结合3D堆叠的数字化像素传感器。

第三类：优化信号输出响应的新型结构 这类技术通过改变像素对光输入的信号响应曲线来扩展动态范围。 1. 单光子雪崩二极管像素： SPAD是能够探测单个光子的超高灵敏度探测器。其动态范围由最大计数率与暗计数率之比定义。SPAD在整个曝光过程中都能探测光子，其上限仅受限于死区时间，因此理论上可实现极高的动态范围（>100 dB）。挑战在于需要大位宽计数器，增加了像素面积和功耗。为此，研究者们开发了自适应曝光控制、子帧采样与外推计数、簇式多周期时钟再充电、以及片帧叠加等技术，在控制像素面积和功耗的同时，将动态范围提升至120-143 dB，并应用于X射线探测等领域。 2. 线性-对数像素： 这种像素结合了两种响应模式：在低光强时呈线性响应，具有高信噪比；在高光强时自动转换为对数响应，输出电压与光强的对数成正比，从而极大地延迟了饱和点，扩展了高光区的动态范围。实现方式多样，包括利用绝缘体上硅技术动态调整晶体管阈值电压、采用光电二极管体偏置MOSFET结构模拟视网膜响应、以及将DCG与对数响应结合等。此类技术可实现130-160 dB的极宽动态范围，但面临对数模式灵敏度较低、像素间固定模式噪声校正困难等问题。也有研究将SPAD的对数响应特性用于扩展弱光动态范围。

技术对比与总结 论文在最后通过表格形式总结了近年来的代表性HDR传感器成果，并对上述各类技术的动态范围、信噪比、对分辨率的影响和成本进行了定性比较。 * 多重转换增益和LOFIC通过增加电容扩展动态范围，后者动态范围更高，但模式切换点信噪比更低。 * 编码曝光依赖算法，动态范围和信噪比表现好，不影响分辨率。 * 分离式光电二极管通常需结合LOFIC，会因像素分割降低分辨率。 * 时间-饱和法需要精确时序控制，动态范围和信噪比高。 * SPAD具有极高的灵敏度和动态范围，但制造成本高，像素尺寸大。 * 线性-对数响应通过响应曲线压缩扩展动态范围，但线性度问题影响信噪比。

文章结论指出，随着制造工艺（特别是背照式和三维堆叠）的进步，多种HDR技术可以协同应用。当前流行的研究方向是结合曝光过程中的时空信息，并同时增强像素的FWC，以进一步提升动态范围。例如，将LOFIC与分离式光电二极管结合是一种常见且有效的方法。未来的创新将取决于如何根据实际应用需求，将这些先进的传感器设计无缝集成。

论文的价值与意义 这篇综述文章的价值在于其系统性和时效性。它不仅清晰地梳理了高动态范围CMOS图像传感器的技术谱系，将纷繁复杂的技术归约为几个明确的物理和电路原理路径，并对每条路径下的最新、最具代表性的研究成果进行了精炼的概括和图示。对于该领域的研究人员和工程师而言，本文是一份高效的技术路线图，有助于快速把握领域现状、理解不同技术方案的内在权衡、并洞察未来发展趋势。同时，文中大量的参考文献也为深入追踪原始研究提供了便利的入口。