CN101849287A - 使用光电阴极的彩色图像传感器装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于检测电磁辐射的图像传感器单元。传感器单元可以用作图像传感器装置的像素矩阵中的像素。图像传感器单元包括光电阴极(101)、电极布置(102)和控制单元(16)。电极布置被配置为用于界定用于收集从所述带电粒子源发射的带电粒子多个彼此分开的位置。控制单元连接到电极布置并且适用于测量在各个所述位置收集到的电荷，所收集到的电荷的空间分布表示引起了所述收集到的带电粒子的发射的电磁辐射的轮廓。

Description

使用光电阴极的彩色图像传感器装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及图像传感器装置及方法。

背景技术

图像传感器是将电磁信号(例如，可视图像)转换成数字信息的装置。其主要用在数字相机和其他成像装置中。传感器通常包括光敏元件阵列或光敏单元阵列，各光敏元件或光敏单元代表图像像素。这样的各单元将入射光变换成与入射光的强度和/或颜色相关的电信号。

图像传感器的示例包括电荷耦合器件(CCD)、CMOS芯片等。CCD通常用在数字相机、天文望远镜、扫描仪等等中。CCD包括含有耦合光敏电容器阵列的集成电路。入射光被转换成电荷，该电荷被收集到势井中、向外转移、检测并且存储。然后，根据存储的数据产生图像。CMOS有源像素传感器(APS)利用了含有像素阵列的集成电路，其中，各像素含有光敏元件(如，光电二极管)和用于对像素的读出信号进行放大的有源晶体管电路。

在CCD和APS结构中，由各单个像素生成的电信号对应于入射光的强度(亮度)。为了获得颜色信息(色度)，图像传感器装配有滤色器阵列，其通常具有例如，以拜耳图案的形式交替排列的红(R)、绿(G)和蓝(B)滤色器，如美国专利3,971,065中所公开的。插值法用于在各像素点补偿彩色全信息的不足。系统(如“3CCD系统”，参看例如美国专利US 3,975,760，和美国专利US 4,183,052)在各像素点采用三个单独的CCD，用于各RGB分量，从而在各像素获得亮度和色度数据。在这样的系统中，利用波长选择性分光器(二向棱镜或分束器)分离入射的光，然后由相应的不同CCD检测分离出的不同颜色的光分量。用于在各像素点获得入射光的强度和颜色、或谱组成的另一种已知方法是使用多层硅传感器，例如在美国专利4,581,625、美国专利4,677,289和美国专利5,883,421中所公开的。该技术利用了硅的取决于波长的吸收系数和相应的光透射深度。

发明内容

本发明提供了一种用于图像传感器装置的新型光敏单元(即，像素元件)。本发明的图像传感器单元适用于检测电磁辐射的亮度(强度)和色度(谱轮廓(profile))。本发明利用光电发射效应以从带电粒子源提取带电粒子(电子)，并且本发明是基于在光电发射过程中发射的带电粒子(电子)的运动(传播方案)的。

响应于入射在光电阴极(构成了带电粒子源)上的电磁(EM)辐射(光子)，发射具有由入射光子的谱分布决定的能量和动量分布的电子。本发明的发明人已经发现可以通过采用被配置为使得在不同的电极(下面还称为收集电极)收集从光电阴极以不同速度发射的电子的电极布置，来测量表示入射光子的谱分布的电子速度。收集电极所收集的电荷(例如，电子数)提供了关于入射电磁辐射的谱分布的充足信息，从而使得能够重构该谱分布。这样的重构的精度由这样一些因素决定，这些因素包括但是不限于用于收集发射的电子的电极数、光电阴极的类型和材料以及在电极布置和光电阴极之间的内部空间中使用的磁场和/或电场(若有的话)的结构。

根据本发明广义的方面，提供了一种用于检测电磁辐射的图像传感器单元。图像传感器单元包括带电粒子源和电极布置，该电极布置界定了用于收集从所述带电粒子源发射的带电粒子的多个彼此分开的位置。图像传感器单元还包括控制单元，该控制单元连接到所述电极布置并且适用于测量在由电极布置所界定的各个位置收集的电荷。所收集的电荷的空间分布表示引起了所述收集的带电粒子的发射的电磁辐射的轮廓。

根据本发明的另一个广义的方面，提供了一种用于确定光的谱轮廓的方法。该方法包括(a)将光引导到光电阴极上，从而使得从该光电阴极发射电子，以及(b)在彼此分开的收集位置的阵列处收集从光电阴极以总传播方向传播的所发射的电子，该收集位置被布置为在不同位置收集具有不同动量的电子。收集到的电子的空间分布表示光的谱轮廓。

根据本发明的又一个广义的方面，提供了一种用于检测电磁辐射和/或使电磁辐射成像的图像传感器装置，其中，图像传感器装置包括像素布置(例如，像素阵列)，各像素由本发明的图像传感器单元表示。

应当注意的是，为了维持与检测到的辐射的谱分布相关联的电子速度分布，优选的是，使电子和它们路径中的任何其他材料的粒子的相互作用(例如，碰撞)最小。因此，优选的是电子自由传播空间中(例如，在电极布置和光电阴极之间的内部空间中)的介质提供相对于光电阴极和电极布置之间的距离的电子的平均自由行程，以使电子和介质之间发生的相互作用的数量期望得少。根据本发明的一些实施方式，这可以通过在光电阴极和收集电极之间的空间中提供真空条件(或足够低的压强条件)以使电子之间无碰撞地传播来实现。

根据本发明的一些实施方式，使用影响以不同速度移动的电子的轨迹的电场和/或磁场空间轮廓，使得把这些电子向不同的收集电极引导，来区分以不同速度/动量移动的电子。

入射EM辐射的频率和发射电子的能量/动量分布之间的对应关系由在传感器单元中所使用的光电阴极的类型和材料决定。更具体地，由入射光子的能量hv(h是普朗克常数，并且v是光子频率)和光电阴极的逸出功Φ的差确定所发射的电子的动能K_max，即，K_max(v)＝hv-Φ。

应当注意的是，光电阴极的逸出功与光电阴极材料中的能级的占有密切相关。理论上，在零温度(此温度下，光电阴极的电子紧密地占有费米球的能级)，可以用来发射电子的最大动能等于光子能和材料的逸出功之间的差，K_max(v)＝hv-Φ。但是，由于在绝对零度之上的温度(即，费米球未被紧紧封装)的电子热能，可以发射具有高于K_max的能量的电子。然而，对于大多数光电阴极材料，既使在绝对零度之上的温度(例如，室温)，由于EM辐射频率v而发射电子的概率大大减小接近K_max(v)，并且对于更高的能量迅速降低。从而，既使在绝对零度之上的温度，不同能量分布之间的发射概率的差Δ也保持较小，从而能够利用电子的能量分布获得Δ以上级的谱区分(即，能够区分具有hv₁-hv₂＞～Δ的能量差的入射光子)。对于更高的照明频率，K_max(v)通常更高。但是，应当注意的是，不是任何类型的光电阴极都必然保持电子的动能和入射光子的频率之间的对应关系。例如，对于某些类型的光电阴极，热化效应可能削弱该对应关系，因此，响应于不同频率的光可以发射具有类似能量的电子。因此，优选的是，在本发明中所使用的光电阴极是在传感器单元的操作条件(例如，工作温度)期间能够保持相对重要的能量-频率对应关系的类型。为此，可以使用保持这种对应关系的金属光电阴极。

应当注意的是，在本发明的传感器单元中所使用的光电阴极的类型与传感器单元可检测的EM辐射的范围相关。如上所述，光电阴极将不会响应于能量低于光电阴极的逸出功的照射来发射电子。因此，光电阴极的逸出功确定了传感器单元可检测的光子的最低能量(或最大波长)。从而，对于配置为用于检测可见光(即，400-700nm)的传感器单元，光电阴极的逸出功是使得根据暴露于可见光谱进行发射。

通常，根据本发明，从光电阴极发射的具有不同能量和动量的电子被引导到不同的收集电极。在本发明的一些实施方式中，通过分析发射的电子的动量矢量的至少一个分量，来评估入射光子的能量。例如，测量/评估电子在从光电阴极发射之后即刻的动量的纵向分量。

应当注意的是，在下述描述中，紧接在从光电阴极发射之后，电子传播的总方向或平均方向被称为纵向方向，该纵向方向实际上是大致垂直于光电阴极的发射表面的方向。大致垂直于该纵向方向的方向被称为横向方向。

应当理解的是，尽管由于入射了频率v的辐射而发射的电子具有典型的动能K＝hv-Φ以及大约P～[2m_e(hv-Φ)]^1/2的相应动量(m_e是电子质量)，通常，相同能量的电子可以以不同方向从光电阴极发射，并且沿着不同的轨迹传播。基于例如下述考虑，可以把这样的电子识别为对应于相同光谱：

通常地，动量守恒表示发射电子的方向与入射光子的方向相关。而且，电子动量的纵向分量和横向分量的分布(分别为P_l和P_t)可以很宽，通常在0≤(P_l，P_t)≤[2m_e(hv-Φ)]^1/2的范围中，其中，[2m_e(hv-Φ)]^1/2为总动量。因此，对于给定光子频率v，电子动量的纵向部分和横向部分的大小是反比例相关的。

发明人已经发现通过测量在收集电极上累积的相应电荷可能足以测量/评估电子动量的至少一个分量，从而能够评估EM辐射的谱分布。因此，可以使用适用于单独收集以大致独立于电子横向动量分量的不同纵向动量发射的电子的收集电极布置。

为此，在最简单的情况下，这样的收集电极布置可以包括这样的电极阵列，该电极阵列沿纵向方向定位使得具有不同纵向动量的不同电子将被离光电阴极发射表面不同距离的不同收集电极捕获/收集。因此，通过收集电极上的电荷累积/收集的分布可以提供EM谱分布的指示。

但是，应当注意的是，并不是必须沿纵向方向排列收集电极。可以利用在电子传播区域中施加磁场和/或电场，以使电子传播的轨迹转弯，因此，可以使用其他的电极布置测量电子动量的一个或更多个分量。

当采用电子动量的纵向部分的测量值作为检测到的电磁辐射的谱的指示时(如上所述)，优选的可以是控制并且最小化电子动量的横向部分的作用，以能够引导分别要在不同收集电极收集的具有不同纵向动量的电子的轨迹。可替换地，适当的电极布置可以适用于单独收集具有不同纵向速度/动量的电子。应当理解的是，电子在从光电阴极发射时具有其初始动量分量；在单元中适当建立的电场(和/或磁场，根据具体情况而定)以考虑区分具有不同初始动量的电子的方式驱动影响纵向和横向分量的电子运动。

可以通过使用以下的合适技术实现使电子动量的横向部分的作用最小，该技术用于操纵电子的运动以能够使电子初始横向动量对电子的后续运动/轨迹的贡献最小，例如，使电子速度/动量的横向分量和纵向分量之间的比最小。

可以通过以下操作使用第一技术：施加适用于在纵向方向对电子进行加速的电场或磁场，从而减小横向分量和纵向分量之间的比，并且使横向动量分量对电子的后续轨迹的作用最小。可替换地或附加地，根据第二技术，可以使用一个或更多个会聚电极布置(例如，绕电子的主要传播方向的一部分对称地定位的类环状阴极)，以减小电子动量的横向部分。

如上所述，具有用于单独收集不同纵向分量的电子的适当的电极布置能够测量/评估入射EM辐射的谱分布。通常地，并且尤其在如数字相机的装置中，入射光不是单色的，这自然影响发射电子的能量和动量分布。由于入射光中能量最强的分量的作用，将最有可能发射能量最强的电子(与最高动量关联)。类似地，电子能量的各值将对应于某个最可能的光频率或谱分量。

基于一些假定可以评估由谱的不同部分(如，红、绿和蓝)的电磁辐射产生的电子纵向动量分量的分布(或相当于收集电极上的电荷累积的分布)。一个假定可能是入射到光电阴极上的多个方向的光子是在某个立体角内均匀分布；该假定可以通过以下来强制实行：采用例如光可漫射涂料以使接近光电阴极的吸收表面的光子散开，从而如果存在光子的任何统一的方向性，则“扰乱”光子的这种统一的方向性。另一个假定可以涉及周围照明的类型/“温度”(例如，日光、钨丝灯等)，这还可能影响由谱的不同部分的电磁辐射引起的纵向动量分量的期望分布。

然而，利用分别与被测电磁谱的不同部分关联的电子动量的纵向分量的多个这种期望的分布，通过利用本领域中公知的任何用于将表示各个收集电极上的电荷累积的数据与所述期望的分布匹配并且获得被测电磁谱的各个部分的各自强度的算法，可以提供有效的色度区分。

例如，这样的一个算法可以基于以下事实：尽管由某个特定波长v(或谱的某个部分)的电磁辐射产生的电子纵向动量的分布可以是较广的(例如，在0和P₁ ^max(v)之间)，但是频率低于v的电磁辐射不会对具有P₁ ^max(v)的电子的数量有贡献。因此，与所测量的谱的上部(如，测量可见光的RGB分量的谱的蓝色部分)关联的收集电极上的电荷累积将仅与谱的该部分(例如，蓝色)的入射电磁辐射相关联。但是，谱的该部分(例如，蓝色)的电磁辐射将通常对在与低频电磁辐射(如，谱的红色部分和绿色部分)关联的收集电极上积累剩余电荷(例如，由于在各方向上而不仅仅在纵向方向上发射类似动量的电子)做出贡献。然而，利用电子动量的纵向分量的所述期望分布能够评估在其他电极上积累的剩余电荷量并且从其他电极所收集的电荷减去这些剩余电荷量(如，与谱的蓝色部分关联)。这样，人们利用下述事实可以继续分析测量的EM辐射的第二高频率部分的强度(例如，绿色部分)：没有电荷是由于入射电磁辐射的低频部分(如，红色部分)而累积在与该部分关联的收集电极上，并且积累的任何电荷是由于如上所述被减去的更高频部分(如，蓝色部分)而导致的。因此，可以对被测量的EM辐射的低频部分顺序地执行该分析过程。

应当注意的是，为了简单，使用了参照谱的可见光部分和RGB颜色方案的上述示例。但是，本发明的范围可以扩展超出谱的可见光部分，并且采用将测量的谱分为更多部分(例如，通过使用更多与所述部分关联的收集电极)也可以提供更多的颜色区分。

附图说明

为了理解本发明并且看出其如何在实际中实现，现将参照附图仅以非限制性示例的方式描述实施方式，其中：

图1是本发明的传感器单元的框图；

图2A和图2B分别示出了使用引起电子速度的横向分量的电场的传感器单元的结构的两个示例；以及

图3示出了本发明的传感器单元的结构的另一示例。

具体实施方式

参照图1，以框图的方式，示出了根据本发明的实施方式的传感器单元10。这样的传感器单元可以用在图像传感器装置中，表现为像素矩阵中的像素单元。传感器单元使用评估或测量该单元所暴露在的外部场(入射光)的参数的光电发射(或热电发射)原理。装置允许获得入射的多频光的谱轮廓。

传感器单元10包括带电粒子源12和与控制单元16关联的电极布置14。应当理解的是，通常本发明可以使用任何类型的带电粒子的运动，但更具体地，其以电子束源的方式被使用，因此下面将参照该特定应用说明本发明。

电子源包括至少一个光电阴极，该光电阴极至少部分地暴露于要被检测的外部电磁辐射(EM)信号。光电阴极可以是适合于本发明目的的任何类型的光电阴极，即，保持入射辐射的频率和所发射电子的能量和/或动量之间的统计相关性。

电极布置14被配置为界定用于收集电子的多个彼此分开的收集位置L₁、L₂、…L_n。至少沿着一条轴线使位置L₁、L₂、…L_n分开，以能够收集与不同参数(例如，已经使相应电子发射的频率f₁、f₂、…f_n)的部分光相对应的、具有不同动量的电子。如附图中虚曲线所示，不同动量的电子具有不同的轨迹，而所有电子沿总方向传播。这些不同的轨迹把相应电子向不同的收集电极“引导”。

如图1所示出的，从光电阴极发射的电子沿着总传播方向Y朝向收集电极传播。由光电阴极附近存在的电场(也可能是磁场)驱动电子的运动，使得发射的电子能够从光电阴极离开。这可以由光电阴极的电势和/或由电极布置而引起，即，这可以由该单元的光电阴极和一个或更多个其他电极之间的电势差而引起。优选地，电极布置还被配置为电场源，以提供期望的电场轮廓。例如，使用一个或更多个附加电极。

应当注意的是，本发明的传感器单元利用通过由电极布置界定的区域(腔)的电子的自由空间传播。因此，所述区域内的介质中的压强条件优选地使得由光电阴极发射的电子的平均自由行程大于电极间的距离。

控制单元16被配置为能够操作用于“读取”在各个收集电极上累积的电荷从而提供表示入射光的光轮廓的数据(例如，谱轮廓)。同样地，控制单元可以包括可连接到一个或更多个电极的供电单元，该一个或更多个电极用于提供驱动电子运动的期望电场。

下述是本发明的传感器单元的实施的某些具体但非限制性的示例。

图2A示意性地示出了根据本发明的实施方式的传感器单元装置100A。装置100A包括具有光电阴极101的电子源，该光电阴极101包括有源区域101B，其中，当光电阴极暴露于外部照明(和/或温度场，根据具体情况而定)时从有源区域101B发射电子。在该示例中，在光电阴极的表面区域101A进行背照(back illumination)，对光电阴极进行曝光，但是应当注意的是，尽管未特定示出，但是通过对光电阴极的表面区域101B的正照(direct illumination)或者通过从另一个表面朝向阴极表面区域101B反射光可以实现对光电阴极进行曝光。

装置100A还包括被配置为能够操作用于从光电阴极收集途中的电子的操作的电极布置。如上所示，电极布置被配置为界定了多个彼此分开的位置，该多个彼此分开的位置设置为收集沿不同轨迹传播的电子，该多个彼此分开的位置与由这些电子发出的光的不同参数相关联。在图2A的该示例中，电极布置包括沿总的电子发射方向Y设置(下面称为纵向轴线或方向，例如大致垂直于光电阴极发射表面101B)的三个收集电极111、112和113，该三个收集电极111、112和113被配置为分别收集不同动能/动量范围内的电子。各个电极111、112和113与入射到光电阴极上的光中的不同部分关联，例如，光中的红色部分、绿色部分和蓝色部分分别与电极111、112和113相关联。这些电极中的各个电极相对于光电阴极以及相对于其他各个电极的大小和位置设计为能够由单独电极收集具有不同动量(即，与不同颜色相关联)的电子，从而能够评估/确定光参数。在该示例中，与照明谱中的能量更高的部分相关联的电极(因此，被设计用于收集能量更高并且移动更快的电子)位于沿所发射电子的总(例如，平均)传播方向(例如，沿纵向方向)离光电阴极的发射表面更远的距离。

如上所述，通过在该单元的光电阴极和一个或更多个其他电极(如，阳极130)之间施加适当的电势差，电极布置可以作为电场源工作。例如，电子传播可以由收集电极111、112和113和对侧电极131上的电源电压V_c来驱动，从而把在纵向方向具有大致不同的动量的电子向不同的收集电极引导。因此，在该示例中，由收集电极111、112和113和附加的侧电极131组成的电极布置被配置为通过电极131和收集电极111、112和113之间的电势差V_c在横向方向X(例如，大致垂直于纵向主要传播方向Y)提供第一电场。因此，从光电阴极发射的、沿总的纵向方向Y传播的电子在横向方向X朝向收集电极被加速，使得最初在纵向方向Y以更高动量分量发射的电子通常在达到收集电极之一以前在该方向将行进更长的距离。在该描述中，与V_c相关的场在空间上是恒定，但是例如，通过在收集电极111、112和113上施加不同电压或通过使用附加的侧电极也可以采用空间变化的场。

在上述示例中，电子的轨迹受所感应的驱动电子从光电阴极传播的电场的横向分量影响。但是，应当理解的是，通常电极布置可以配置为完全不感应这样的横向分量，如下面将参照图3进一步所描述的。

电子从光电阴极发射之后通过其速度矢量的初始(提取)纵向和横向分量被立即从阴极驱离。为了区分具有不同能量(从而，对应于不同的光参数)的电子，在光电阴极附近建立的并且影响电子运动的电场，应当优选地使得电子速度的初始横向分量与通过施加的场添加到初始分量中的纵向分量和横向分量相比作用最小。这可以通过以下实现：感应与初始速度矢量的横向分量相比更强的横向分量，和/或感应与感应的横向分量和初始横向分量相比更强的纵向分量，和/或通过应用会聚效应减小电子运动的横向分量。

因此，返回图2A的示例，为了使与不同谱范围关联的电极变得敏锐，使用比较强地感应的横向电场，即，电势差V_c。因此，与通过在场中加速获得的速度相比，所发射的电子的横向速度分布变得可以忽略。可替换地或附加地，图2A的该示例考虑利用阳极130的作用，用于通过光电阴极和阳极130之间的电势差V_dd提供纵向方向Y的第二电场(在该非限制性示例中，光电阴极101是在地电位，并且电压V_dd被施加至电极130)。电压V_dd建立在方向Y的纵向电场，从而影响(加速或减速)发射电子在纵向方向Y的传播。

应当理解的是，纵向电场的大小可以用于按照所需的谱范围控制收集电极的所需的位置。进一步应当理解的是，在纵向方向的加速可以用于减小所发射电子的横向速度/动量的作用，并且增加具有不同纵向动量的电子之间的空间距离。如上所述，可替换地或附加地，其他电极(例如，会聚电极)可以用于沿纵向轴线会聚电子通量以减小所发射电子的横向速度分布的作用。

应当理解的是，在上述示例中，收集电极沿纵向方向的位置和大小以及电势差V_c和V_dd的幅度确定了与收集电极关联的并且上述结构的传感器单元可检测的谱范围。

现在考虑从光电阴极101发射的具有初始动能K_init＝mv²/2的电子，此处速度矢量v完全处于纵向方向。在纵向和横向方向，分别通过与V_dd有关的场和与V_C有关的场对电子进行加速，但是该电子仅在纵向方向具有初始速度。电子到达收集电极111、112、113的平面所花费的时间由V_C确定，而在该时间电子将覆盖的纵向距离，以及因此该电子将到达哪个电极也由该电子的初始速度v确定。速度v越高，电子将行进得越远。进而，速度v取决于通过被吸收的光子给予电子的能量。照明能量越强，电子将到达越远。

根据本发明的装置被设计为使得通过来自谱的“蓝色”部分(大约400-475nm波长)的光子所发射的能量最强的电子通过阳极113到达图2A中所示最远的收集器。使用合适的加速度和电极间距离，可以使用阳极电极114代替阳极113。在这种情况下，可以省略阳极113。最有可能通过来自谱的“绿色”部分(大约500-570nm)的光子所发射的能量较弱的电子由中间阳极112收集，并且对应于谱的“红色”部分(大约590-650nm)的能量最弱的电子由第一阳极111收集。可以调整各电极在纵向方向的位置和长度，以收集与期望发射能量范围相对应从而与期望的光频率范围相对应的电子。而且，可以使用多个收集器阳极来区分多于三个“范围”。

提供控制单元16。如上所述，控制单元被配置为能够操作用于测量收集电极上累积的电荷，并且还可以用于建立/控制驱动电子从光电阴极运动的电场。因此，在该示例中，控制单元16包括连接到电极111、112、113并用于测量累积的电荷的三个电荷存储单元(例如，电容器)121、122和123。在图2A的示例的控制单元中还使用了供电单元132。电荷存储单元可以是电容器或更复杂的电荷保持电路。各电荷存储单元电连接到其各自的收集电极(阳极)，以允许存储到达所述电极的电荷。各电荷存储单元通过开关(switching)电路(未示出)连接到各自的外部电路(未示出)，用于“读取”存储的电荷并且处理相应的数据。

为此，该示例包括两个感应电场。通过电极(阳极)130和光电阴极之间的电势差V_dd提供第一纵向电场(在纵向方向Y)。通过侧电极131和收集电极111、112和113之间的电势差V_C提供第二横向电场。

图2B示例了被配置为总体上类似于上述装置100A但是其中电极布置包括不同长度的五个收集阳极111、112、113、114、115的传感器单元装置100B。因此，控制单元包括五个相应的电荷存储单元121、122、123、124、125。

参照图3，其示出了根据本发明的传感器单元装置/单元200的另一示例性实施方式。装置200包括具有光电阴极201的电子源并且包括电极布置，该电极布置包括栅格形式的收集电极221和222，以及沿总方向Y以彼此分开的关系设置并且在电子从光电阴极传播的路径中的另一个收集电极(阳极)211。这里，光电阴极保持在地电位，并且可控电压施加给阳极211、和栅格221和222。阳极和/或栅格连接到控制单元(未示出)，在该处理单元进一步处理累积的电荷。

当光电阴极201被曝光时，发射电子。此时，施加到栅格221的电压使得与入射光的“红色”波长范围相对应的电子(我们下面称为“红电子”)无法穿过。该电压可以被表示为(-K_R+ΔV)，其中，K_R是红电子的通常发射能量，并且ΔV是克服光电阴极和栅格之间的电势差(可以为负)及任何其他的补偿措施(如接触电势差)所需的电压。在该实施方式中，仅存在一个ΔV值，该一个ΔV值可以暗示栅格和阳极具有相同的材料，但是可以要求不同的值。红电子在到达栅格221时失去它们的动能，并且或者被栅格221收集，或者保持在光电阴极201和栅格221之间的区域中。能量更强的绿电子和蓝电子(即，具有与“绿色”和“蓝色”波长范围的发射相对应的动能的电子)继续通过栅格221。施加到栅格222的电压是使得绿电子无法通过。这些电子或者被栅格222收集，或者被保持在栅格221和222之间的区域中。在该实施方式中，蓝电子继续到阳极211，但是也可以包括第三栅格以处理或保持它们。

当发射电子并且通过栅格和阳极收集电子时，可以执行对所收集到的电荷处理。如果想要处理保持在电极之间的区域中的电子，则可以在光电阴极曝光之后执行“集中处理(integration procedure)”，通过该处理，允许来自各区域的电子到达阳极。例如，可以首先升高施加给栅格222的电压，使得绿电子通过并且到达阳极211。这可能需要也调整施加到栅格221的电压。然后，还可以升高施加到栅格221的电压，以允许红电子到达阳极211进行处理。

类似于图2A和图2B的示例，在图3的示例中，也可以包括针对更高谱分辨率的附加栅格。施加到栅格的电压确定了各区域中的电子的能量范围。可以使用仅仅由栅格进行收集，而没有“集中处理”，反之亦然，或者可以使用这些方法的组合。

从而，本发明提供了能够检测入射光的轮廓尤其是谱轮廓的图像像素单元的简单有效的技术。本领域技术人员将容易地理解，各种修改和变型可以应用如上文中所例示的实施方式中，而不偏离由所附权利要求书所限定的及在权利要求书中所限定的本发明的范围。

Claims (14)

1.一种用于检测电磁辐射的图像传感器单元，该图像传感器单元包括：带电粒子源；电极布置，该电极布置被配置为用于界定用于收集从所述带电粒子源发射的带电粒子的多个彼此分开的位置；以及控制单元，该控制单元连接到所述电极布置并且适用于测量在各个所述位置收集到的电荷，所收集到的电荷的空间分布表示引起了所述收集到的带电粒子的发射的电磁辐射的轮廓。

2.根据权利要求1所述的图像传感器单元，其中，所述带电粒子源包括适用于响应于入射的电磁辐射发射带电粒子的至少一个有源区域。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的图像传感器单元，其中，所述带电粒子源是光电阴极。

4.根据上述权利要求中的任何一项所述的图像传感器单元，其中，所述彼此分开的位置沿与所发射的带电粒子从所述带电粒子源的总传播方向大致平行的第一轴线彼此分开。

5.根据权利要求4所述的图像传感器单元，其中，所述彼此分开的位置沿与所述第一轴线大致横切的第二轴线彼此分开。

6.根据权利要求4所述的图像传感器单元，其中，所述电极布置包括容纳于沿至少所述第一轴线彼此分开的布置中的电极的阵列。

7.根据上述权利要求中的任何一项所述的图像传感器单元，所述图像传感器单元包括电场源，该电场源被配置为能够操作用于创建用于驱动所述带电粒子从所述带电粒子源向收集位置运动的电场。

8.根据权利要求6所述的图像传感器单元，其中，根据要被检测的所述电磁辐射的谱范围，选择所述收集电极的布置以及在所述带电粒子源上和所述收集电极上的电势。

9.根据权利要求8所述的图像传感器单元，其中，所述收集电极的布置限定了所述电极之间的距离、各收集电极离所述带电粒子源的距离、以及所述收集电极的尺寸。

10.一种包括像素布置的图像传感器装置，其中，各像素由上述权利要求中的任何一项所述的图像传感器单元表示。

11.根据权利要求10所述的图像传感器装置，其中，所述带电粒子源是包括彼此分开的光电阴极有源区域的阵列的光电阴极单元。

12.根据权利要求10所述的图像传感器装置，其中，所述光电阴极单元包括与多个所述传感器单元相关联的连续光电阴极层。

13.一种用于检测电磁辐射的图像传感器单元，该图像传感器单元包括：电子源，该电子源包括至少一个光电阴极；电极布置，该电极布置被配置为用于界定用于收集从所述至少一个光电阴极发射的电子的多个彼此分开的位置；和控制单元，该控制单元连接到所述电极布置，并且该控制单元适用于测量在各个所述位置收集到的电荷，所收集到的电荷的空间分布表示引起了所述收集到的电子的发射的所述电磁辐射的谱轮廓。

14.一种用于确定光的谱轮廓的方法，该方法包括以下步骤：

将所述光引导到光电阴极上，从而使得从所述光电阴极发射电子；以及

在彼此分开的收集位置的阵列处收集从所述光电阴极以总传播方向传播的所发射的电子，所述彼此分开的收集位置被设置为通过不同位置收集具有不同动量的电子，所收集到的电子的空间分布表示所述光的谱轮廓。

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