專利名稱：使用光電陰極的彩色圖像傳感器裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器裝置及方法。
背景技術(shù)：
圖像傳感器是將電磁信號(hào)(例如，可視圖像)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的裝置。其主要用在數(shù)字相機(jī)和其他成像裝置中。傳感器通常包括光敏元件陣列或光敏單元陣列，各光敏元 件或光敏單元代表圖像像素。這樣的各單元將入射光變換成與入射光的強(qiáng)度和/或顏色相 關(guān)的電信號(hào)。圖像傳感器的示例包括電荷耦合器件(CXD)、CMOS芯片等。CXD通常用在數(shù)字相 機(jī)、天文望遠(yuǎn)鏡、掃描儀等等中。CCD包括含有耦合光敏電容器陣列的集成電路。入射光被 轉(zhuǎn)換成電荷，該電荷被收集到勢(shì)井中、向外轉(zhuǎn)移、檢測(cè)并且存儲(chǔ)。然后，根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生 圖像。CMOS有源像素傳感器(APS)利用了含有像素陣列的集成電路，其中，各像素含有光敏 元件(如，光電二極管)和用于對(duì)像素的讀出信號(hào)進(jìn)行放大的有源晶體管電路。在CXD和APS結(jié)構(gòu)中，由各單個(gè)像素生成的電信號(hào)對(duì)應(yīng)于入射光的強(qiáng)度(亮度)。 為了獲得顏色信息(色度)，圖像傳感器裝配有濾色器陣列，其通常具有例如，以拜耳圖案 的形式交替排列的紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)濾色器，如美國(guó)專利3，971，065中所公開的。插 值法用于在各像素點(diǎn)補(bǔ)償彩色全信息的不足。系統(tǒng)(如“3CCD系統(tǒng)”，參看例如美國(guó)專利US 3，975，760，和美國(guó)專利US 4，183，052)在各像素點(diǎn)采用三個(gè)單獨(dú)的(XD，用于各RGB分量， 從而在各像素獲得亮度和色度數(shù)據(jù)。在這樣的系統(tǒng)中，利用波長(zhǎng)選擇性分光器(二向棱鏡 或分束器)分離入射的光，然后由相應(yīng)的不同CCD檢測(cè)分離出的不同顏色的光分量。用于 在各像素點(diǎn)獲得入射光的強(qiáng)度和顏色、或譜組成的另一種已知方法是使用多層硅傳感器， 例如在美國(guó)專利4，581，625、美國(guó)專利4，677，289和美國(guó)專利5，883，421中所公開的。該技 術(shù)利用了硅的取決于波長(zhǎng)的吸收系數(shù)和相應(yīng)的光透射深度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于圖像傳感器裝置的新型光敏單元(即，像素元件)。本發(fā)明 的圖像傳感器單元適用于檢測(cè)電磁輻射的亮度(強(qiáng)度)和色度(譜輪廓(profile))。本發(fā) 明利用光電發(fā)射效應(yīng)以從帶電粒子源提取帶電粒子(電子)，并且本發(fā)明是基于在光電發(fā) 射過(guò)程中發(fā)射的帶電粒子(電子)的運(yùn)動(dòng)(傳播方案)的。響應(yīng)于入射在光電陰極(構(gòu)成了帶電粒子源)上的電磁(EM)輻射(光子)，發(fā)射 具有由入射光子的譜分布決定的能量和動(dòng)量分布的電子。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通 過(guò)采用被配置為使得在不同的電極(下面還稱為收集電極)收集從光電陰極以不同速度發(fā) 射的電子的電極布置，來(lái)測(cè)量表示入射光子的譜分布的電子速度。收集電極所收集的電荷 (例如，電子數(shù))提供了關(guān)于入射電磁輻射的譜分布的充足信息，從而使得能夠重構(gòu)該譜分 布。這樣的重構(gòu)的精度由這樣一些因素決定，這些因素包括但是不限于用于收集發(fā)射的電 子的電極數(shù)、光電陰極的類型和材料以及在電極布置和光電陰極之間的內(nèi)部空間中使用的磁場(chǎng)和/或電場(chǎng)(若有的話)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明廣義的方面，提供了一種用于檢測(cè)電磁輻射的圖像傳感器單元。圖像傳感器單元包括帶電粒子源和電極布置，該電極布置界定了用于收集從所述帶電粒子源發(fā) 射的帶電粒子的多個(gè)彼此分開的位置。圖像傳感器單元還包括控制單元，該控制單元連接 到所述電極布置并且適用于測(cè)量在由電極布置所界定的各個(gè)位置收集的電荷。所收集的電 荷的空間分布表示引起了所述收集的帶電粒子的發(fā)射的電磁輻射的輪廓。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)廣義的方面，提供了一種用于確定光的譜輪廓的方法。該方 法包括(a)將光引導(dǎo)到光電陰極上，從而使得從該光電陰極發(fā)射電子，以及(b)在彼此分開 的收集位置的陣列處收集從光電陰極以總傳播方向傳播的所發(fā)射的電子，該收集位置被布 置為在不同位置收集具有不同動(dòng)量的電子。收集到的電子的空間分布表示光的譜輪廓。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)廣義的方面，提供了一種用于檢測(cè)電磁輻射和/或使電磁輻 射成像的圖像傳感器裝置，其中，圖像傳感器裝置包括像素布置(例如，像素陣列)，各像素 由本發(fā)明的圖像傳感器單元表示。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了維持與檢測(cè)到的輻射的譜分布相關(guān)聯(lián)的電子速度分布，優(yōu)選 的是，使電子和它們路徑中的任何其他材料的粒子的相互作用(例如，碰撞)最小。因此， 優(yōu)選的是電子自由傳播空間中(例如，在電極布置和光電陰極之間的內(nèi)部空間中)的介質(zhì) 提供相對(duì)于光電陰極和電極布置之間的距離的電子的平均自由行程，以使電子和介質(zhì)之間 發(fā)生的相互作用的數(shù)量期望得少。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，這可以通過(guò)在光電陰極和 收集電極之間的空間中提供真空條件(或足夠低的壓強(qiáng)條件)以使電子之間無(wú)碰撞地傳播 來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，使用影響以不同速度移動(dòng)的電子的軌跡的電場(chǎng)和/ 或磁場(chǎng)空間輪廓，使得把這些電子向不同的收集電極引導(dǎo)，來(lái)區(qū)分以不同速度/動(dòng)量移動(dòng) 的電子。入射EM輻射的頻率和發(fā)射電子的能量/動(dòng)量分布之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由在傳感器單 元中所使用的光電陰極的類型和材料決定。更具體地，由入射光子的能量hv(h是普朗克 常數(shù)，并且ν是光子頻率)和光電陰極的逸出功Φ的差確定所發(fā)射的電子的動(dòng)能Kmax，即， Kmax(V) = hv-Φ。應(yīng)當(dāng)注意的是，光電陰極的逸出功與光電陰極材料中的能級(jí)的占有密切相關(guān)。理 論上，在零溫度(此溫度下，光電陰極的電子緊密地占有費(fèi)米球的能級(jí))，可以用來(lái)發(fā)射電 子的最大動(dòng)能等于光子能和材料的逸出功之間的差，(ν) =1ιν-Φ。但是，由于在絕對(duì)零 度之上的溫度(即，費(fèi)米球未被緊緊封裝)的電子熱能，可以發(fā)射具有高于Kmax的能量的電 子。然而，對(duì)于大多數(shù)光電陰極材料，既使在絕對(duì)零度之上的溫度(例如，室溫)，由于EM輻 射頻率ν而發(fā)射電子的概率大大減小接近Kmax (ν)，并且對(duì)于更高的能量迅速降低。從而，既 使在絕對(duì)零度之上的溫度，不同能量分布之間的發(fā)射概率的差△也保持較小，從而能夠利 用電子的能量分布獲得Δ以上級(jí)的譜區(qū)分(S卩，能夠區(qū)分具有hvi_hv2> Δ的能量差的 入射光子)。對(duì)于更高的照明頻率，Kmax(V)通常更高。但是，應(yīng)當(dāng)注意的是，不是任何類型 的光電陰極都必然保持電子的動(dòng)能和入射光子的頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，對(duì)于某些類 型的光電陰極，熱化效應(yīng)可能削弱該對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，響應(yīng)于不同頻率的光可以發(fā)射具有類 似能量的電子。因此，優(yōu)選的是，在本發(fā)明中所使用的光電陰極是在傳感器單元的操作條件(例如，工作溫度)期間能夠保持相對(duì)重要的能量-頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系的類型。為此，可以使用 保持這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的金屬光電陰極。應(yīng)當(dāng)注意的是，在本發(fā)明的傳感器單元中所使用的光電陰極的類型與傳感器單元可檢測(cè)的EM輻射的范圍相關(guān)。如上所述，光電陰極將不會(huì)響應(yīng)于能量低于光電陰極的逸出 功的照射來(lái)發(fā)射電子。因此，光電陰極的逸出功確定了傳感器單元可檢測(cè)的光子的最低能 量(或最大波長(zhǎng))。從而，對(duì)于配置為用于檢測(cè)可見光(即，400-700nm)的傳感器單元，光 電陰極的逸出功是使得根據(jù)暴露于可見光譜進(jìn)行發(fā)射。通常，根據(jù)本發(fā)明，從光電陰極發(fā)射的具有不同能量和動(dòng)量的電子被引導(dǎo)到不同 的收集電極。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，通過(guò)分析發(fā)射的電子的動(dòng)量矢量的至少一個(gè)分 量，來(lái)評(píng)估入射光子的能量。例如，測(cè)量/評(píng)估電子在從光電陰極發(fā)射之后即刻的動(dòng)量的縱 向分量。應(yīng)當(dāng)注意的是，在下述描述中，緊接在從光電陰極發(fā)射之后，電子傳播的總方向或 平均方向被稱為縱向方向，該縱向方向?qū)嶋H上是大致垂直于光電陰極的發(fā)射表面的方向。 大致垂直于該縱向方向的方向被稱為橫向方向。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管由于入射了頻率ν的輻射而發(fā)射的電子具有典型的動(dòng)能K = hv-Φ以及大約P DmeOw-O)]1/2的相應(yīng)動(dòng)量(me是電子質(zhì)量)，通常，相同能量的電子 可以以不同方向從光電陰極發(fā)射，并且沿著不同的軌跡傳播?；诶缦率隹紤]，可以把這 樣的電子識(shí)別為對(duì)應(yīng)于相同光譜通常地，動(dòng)量守恒表示發(fā)射電子的方向與入射光子的方向相關(guān)。而且，電 子動(dòng)量的縱向分量和橫向分量的分布(分別為&和印可以很寬，通常在O彡(P1, Pt)彡[2me(hv-c5)]"2的范圍中，其中，Βπ^ατν-Φ)]"2為總動(dòng)量。因此，對(duì)于給定光子頻率 ν，電子動(dòng)量的縱向部分和橫向部分的大小是反比例相關(guān)的。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量在收集電極上累積的相應(yīng)電荷可能足以測(cè)量/評(píng)估電 子動(dòng)量的至少一個(gè)分量，從而能夠評(píng)估EM輻射的譜分布。因此，可以使用適用于單獨(dú)收集 以大致獨(dú)立于電子橫向動(dòng)量分量的不同縱向動(dòng)量發(fā)射的電子的收集電極布置。為此，在最簡(jiǎn)單的情況下，這樣的收集電極布置可以包括這樣的電極陣列，該電極 陣列沿縱向方向定位使得具有不同縱向動(dòng)量的不同電子將被離光電陰極發(fā)射表面不同距 離的不同收集電極捕獲/收集。因此，通過(guò)收集電極上的電荷累積/收集的分布可以提供 EM譜分布的指示。但是，應(yīng)當(dāng)注意的是，并不是必須沿縱向方向排列收集電極。可以利用在電子傳播 區(qū)域中施加磁場(chǎng)和/或電場(chǎng)，以使電子傳播的軌跡轉(zhuǎn)彎，因此，可以使用其他的電極布置測(cè) 量電子動(dòng)量的一個(gè)或更多個(gè)分量。當(dāng)采用電子動(dòng)量的縱向部分的測(cè)量值作為檢測(cè)到的電磁輻射的譜的指示時(shí)(如 上所述)，優(yōu)選的可以是控制并且最小化電子動(dòng)量的橫向部分的作用，以能夠引導(dǎo)分別要在 不同收集電極收集的具有不同縱向動(dòng)量的電子的軌跡。可替換地，適當(dāng)?shù)碾姌O布置可以適 用于單獨(dú)收集具有不同縱向速度/動(dòng)量的電子。應(yīng)當(dāng)理解的是，電子在從光電陰極發(fā)射時(shí) 具有其初始動(dòng)量分量；在單元中適當(dāng)建立的電場(chǎng)(和/或磁場(chǎng)，根據(jù)具體情況而定)以考慮 區(qū)分具有不同初始動(dòng)量的電子的方式驅(qū)動(dòng)影響縱向和橫向分量的電子運(yùn)動(dòng)?？梢酝ㄟ^(guò)使用以下的合適技術(shù)實(shí)現(xiàn)使電子動(dòng)量的橫向部分的作用最小，該技術(shù)用于操縱電子的運(yùn)動(dòng)以能夠使電子初始橫向動(dòng)量對(duì)電子的后續(xù)運(yùn)動(dòng)/軌跡的貢獻(xiàn)最小，例 如，使電子速度/動(dòng)量的橫向分量和縱向分量之間的比最小。可以通過(guò)以下操作使用第一技術(shù)施加適用于在縱向方向?qū)﹄娮舆M(jìn)行加速的電場(chǎng) 或磁場(chǎng)，從而減小橫向分量和縱向分量之間的比，并且使橫向動(dòng)量分量對(duì)電子的后續(xù)軌跡 的作用最小?？商鎿Q地或附加地，根據(jù)第二技術(shù)，可以使用一個(gè)或更多個(gè)會(huì)聚電極布置(例 如，繞電子的主要傳播方向的一部分對(duì)稱地定位的類環(huán)狀陰極)，以減小電子動(dòng)量的橫向部 分。如上所述，具有用于單獨(dú)收集不同縱向分量的電子的適當(dāng)?shù)碾姌O布置能夠測(cè)量/ 評(píng)估入射EM輻射的譜分布。通常地，并且尤其在如數(shù)字相機(jī)的裝置中，入射光不是單色的， 這自然影響發(fā)射電子的能量和動(dòng)量分布。由于入射光中能量最強(qiáng)的分量的作用，將最有可 能發(fā)射能量最強(qiáng)的電子(與最高動(dòng)量關(guān)聯(lián))。類似地，電子能量的各值將對(duì)應(yīng)于某個(gè)最可能 的光頻率或譜分量?；谝恍┘俣梢栽u(píng)估由譜的不同部分(如，紅、綠和藍(lán))的電磁輻射產(chǎn)生的電子 縱向動(dòng)量分量的分布(或相當(dāng)于收集電極上的電荷累積的分布)。一個(gè)假定可能是入射到 光電陰極上的多個(gè)方向的光子是在某個(gè)立體角內(nèi)均勻分布；該假定可以通過(guò)以下來(lái)強(qiáng)制實(shí) 行采用例如光可漫射涂料以使接近光電陰極的吸收表面的光子散開，從而如果存在光子 的任何統(tǒng)一的方向性，則“擾亂”光子的這種統(tǒng)一的方向性。另一個(gè)假定可以涉及周圍照明 的類型/ “溫度”(例如，日光、鎢絲燈等)，這還可能影響由譜的不同部分的電磁輻射引起 的縱向動(dòng)量分量的期望分布。然而，利用分別與被測(cè)電磁譜的不同部分關(guān)聯(lián)的電子動(dòng)量的縱向分量的多個(gè)這種 期望的分布，通過(guò)利用本領(lǐng)域中公知的任何用于將表示各個(gè)收集電極上的電荷累積的數(shù)據(jù) 與所述期望的分布匹配并且獲得被測(cè)電磁譜的各個(gè)部分的各自強(qiáng)度的算法，可以提供有效 的色度區(qū)分。例如，這樣的一個(gè)算法可以基于以下事實(shí)盡管由某個(gè)特定波長(zhǎng)v(或譜的某個(gè)部 分)的電磁輻射產(chǎn)生的電子縱向動(dòng)量的分布可以是較廣的(例如，在0和P1-(V)之間)， 但是頻率低于ν的電磁輻射不會(huì)對(duì)具有P廣χ (ν)的電子的數(shù)量有貢獻(xiàn)。因此，與所測(cè)量的譜 的上部(如，測(cè)量可見光的RGB分量的譜的藍(lán)色部分)關(guān)聯(lián)的收集電極上的電荷累積將僅 與譜的該部分(例如，藍(lán)色)的入射電磁輻射相關(guān)聯(lián)。但是，譜的該部分(例如，藍(lán)色)的 電磁輻射將通常對(duì)在與低頻電磁輻射(如，譜的紅色部分和綠色部分)關(guān)聯(lián)的收集電極上 積累剩余電荷(例如，由于在各方向上而不僅僅在縱向方向上發(fā)射類似動(dòng)量的電子)做出 貢獻(xiàn)。然而，利用電子動(dòng)量的縱向分量的所述期望分布能夠評(píng)估在其他電極上積累的剩余 電荷量并且從其他電極所收集的電荷減去這些剩余電荷量(如，與譜的藍(lán)色部分關(guān)聯(lián))。這 樣，人們利用下述事實(shí)可以繼續(xù)分析測(cè)量的EM輻射的第二高頻率部分的強(qiáng)度(例如，綠色 部分)沒(méi)有電荷是由于入射電磁輻射的低頻部分(如，紅色部分)而累積在與該部分關(guān)聯(lián) 的收集電極上，并且積累的任何電荷是由于如上所述被減去的更高頻部分(如，藍(lán)色部分) 而導(dǎo)致的。因此，可以對(duì)被測(cè)量的EM輻射的低頻部分順序地執(zhí)行該分析過(guò)程。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了簡(jiǎn)單，使用了參照譜的可見光部分 和RGB顏色方案的上述示 例。但是，本發(fā)明的范圍可以擴(kuò)展超出譜的可見光部分，并且采用將測(cè)量的譜分為更多部分 (例如，通過(guò)使用更多與所述部分關(guān)聯(lián)的收集電極)也可以提供更多的顏色區(qū)分。


為了理解本發(fā)明并且看出其如何在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)將參照附圖僅以非限制性示例 的方式描述實(shí)施方式，其中圖1是本發(fā)明的傳感器單元的框圖；圖2A和圖2B分別示出了使用引起電子速度的橫向分量的電場(chǎng)的傳感器單元的結(jié)構(gòu)的兩個(gè)示例；以及圖3示出了本發(fā)明的傳感器單元的結(jié)構(gòu)的另一示例。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，以框圖的方式，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的傳感器單元10。這樣的 傳感器單元可以用在圖像傳感器裝置中，表現(xiàn)為像素矩陣中的像素單元。傳感器單元使用 評(píng)估或測(cè)量該單元所暴露在的外部場(chǎng)(入射光)的參數(shù)的光電發(fā)射(或熱電發(fā)射)原理。 裝置允許獲得入射的多頻光的譜輪廓。傳感器單元10包括帶電粒子源12和與控制單元16關(guān)聯(lián)的電極布置14。應(yīng)當(dāng)理 解的是，通常本發(fā)明可以使用任何類型的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，但更具體地，其以電子束源的方 式被使用，因此下面將參照該特定應(yīng)用說(shuō)明本發(fā)明。電子源包括至少一個(gè)光電陰極，該光電陰極至少部分地暴露于要被檢測(cè)的外部電 磁輻射(EM)信號(hào)。光電陰極可以是適合于本發(fā)明目的的任何類型的光電陰極，即，保持入 射輻射的頻率和所發(fā)射電子的能量和/或動(dòng)量之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。電極布置14被配置為界定用于收集電子的多個(gè)彼此分開的收集位置LpL2、…Ln。 至少沿著一條軸線使位置L” L2、…Ln分開，以能夠收集與不同參數(shù)(例如，已經(jīng)使相應(yīng)電 子發(fā)射的頻率f\、f2、-fn)的部分光相對(duì)應(yīng)的、具有不同動(dòng)量的電子。如附圖中虛曲線所 示，不同動(dòng)量的電子具有不同的軌跡，而所有電子沿總方向傳播。這些不同的軌跡把相應(yīng)電 子向不同的收集電極“引導(dǎo)”。如圖1所示出的，從光電陰極發(fā)射的電子沿著總傳播方向Y朝向收集電極傳播。由 光電陰極附近存在的電場(chǎng)(也可能是磁場(chǎng))驅(qū)動(dòng)電子的運(yùn)動(dòng)，使得發(fā)射的電子能夠從光電 陰極離開。這可以由光電陰極的電勢(shì)和/或由電極布置而引起，即，這可以由該單元的光電 陰極和一個(gè)或更多個(gè)其他電極之間的電勢(shì)差而引起。優(yōu)選地，電極布置還被配置為電場(chǎng)源， 以提供期望的電場(chǎng)輪廓。例如，使用一個(gè)或更多個(gè)附加電極。應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明的傳感器單元利用通過(guò)由電極布置界定的區(qū)域(腔)的電 子的自由空間傳播。因此，所述區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)中的壓強(qiáng)條件優(yōu)選地使得由光電陰極發(fā)射的 電子的平均自由行程大于電極間的距離?？刂茊卧?6被配置為能夠操作用于“讀取”在各個(gè)收集電極上累積的電荷從而提 供表示入射光的光輪廓的數(shù)據(jù)(例如，譜輪廓)。同樣地，控制單元可以包括可連接到一個(gè) 或更多個(gè)電極的供電單元，該一個(gè)或更多個(gè)電極用于提供驅(qū)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)的期望電場(chǎng)。下述是本發(fā)明的傳感器單元的實(shí)施的某些具體但非限制性的示例。圖2A示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的傳感器單元裝置100A。裝置100A 包括具有光電陰極101的電子源，該光電陰極101包括有源區(qū)域101B，其中，當(dāng)光電陰極暴露于外部照明(和/或溫度場(chǎng)，根據(jù)具體情況而定)時(shí)從有源區(qū)域IOlB發(fā)射電子。在該示例 中，在光電陰極的表面區(qū)域IOlA進(jìn)行背照(back illumination)，對(duì)光電陰極進(jìn)行曝光，但 是應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管未特定示出，但是通過(guò)對(duì)光電陰極的表面區(qū)域IOlB的正照(direct illumination)或者通過(guò)從另一個(gè)表面朝向陰極表面區(qū)域IOlB反射光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電陰 極進(jìn)行曝光。裝置100A還包括被配置為能夠操作用于從光電陰極收集途中的電子的操作的電極布置。如上所示，電極布置被配置為界定了多個(gè)彼此分開的位置，該多個(gè)彼此分開的位置 設(shè)置為收集沿不同軌跡傳播的電子，該多個(gè)彼此分開的位置與由這些電子發(fā)出的光的不同 參數(shù)相關(guān)聯(lián)。在圖2A的該示例中，電極布置包括沿總的電子發(fā)射方向Y設(shè)置(下面稱為縱 向軸線或方向，例如大致垂直于光電陰極發(fā)射表面101B)的三個(gè)收集電極111、112和113， 該三個(gè)收集電極111、112和113被配置為分別收集不同動(dòng)能/動(dòng)量范圍內(nèi)的電子。各個(gè)電 極111、112和113與入射到光電陰極上的光中的不同部分關(guān)聯(lián)，例如，光中的紅色部分、綠 色部分和藍(lán)色部分分別與電極111、112和113相關(guān)聯(lián)。這些電極中的各個(gè)電極相對(duì)于光 電陰極以及相對(duì)于其他各個(gè)電極的大小和位置設(shè)計(jì)為能夠由單獨(dú)電極收集具有不同動(dòng)量 (即，與不同顏色相關(guān)聯(lián))的電子，從而能夠評(píng)估/確定光參數(shù)。在該示例中，與照明譜中的 能量更高的部分相關(guān)聯(lián)的電極(因此，被設(shè)計(jì)用于收集能量更高并且移動(dòng)更快的電子)位 于沿所發(fā)射電子的總(例如，平均)傳播方向(例如，沿縱向方向)離光電陰極的發(fā)射表面 更遠(yuǎn)的距離。如上所述，通過(guò)在該單元的光電陰極和一個(gè)或更多個(gè)其他電極(如，陽(yáng)極130)之 間施加適當(dāng)?shù)碾妱?shì)差，電極布置可以作為電場(chǎng)源工作。例如，電子傳播可以由收集電極111、 112和113和對(duì)側(cè)電極131上的電源電壓V。來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而把在縱向方向具有大致不同的動(dòng) 量的電子向不同的收集電極引導(dǎo)。因此，在該示例中，由收集電極111、112和113和附加的 側(cè)電極131組成的電極布置被配置為通過(guò)電極131和收集電極111、112和113之間的電勢(shì) 差V。在橫向方向X(例如，大致垂直于縱向主要傳播方向Y)提供第一電場(chǎng)。因此，從光電陰 極發(fā)射的、沿總的縱向方向Y傳播的電子在橫向方向X朝向收集電極被加速，使得最初在縱 向方向Y以更高動(dòng)量分量發(fā)射的電子通常在達(dá)到收集電極之一以前在該方向?qū)⑿羞M(jìn)更長(zhǎng) 的距離。在該描述中，與V。相關(guān)的場(chǎng)在空間上是恒定，但是例如，通過(guò)在收集電極111、112 和113上施加不同電壓或通過(guò)使用附加的側(cè)電極也可以采用空間變化的場(chǎng)。在上述示例中，電子的軌跡受所感應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電子從光電陰極傳播的電場(chǎng)的橫向分 量影響。但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，通常電極布置可以配置為完全不感應(yīng)這樣的橫向分量，如下 面將參照?qǐng)D3進(jìn)一步所描述的。電子從光電陰極發(fā)射之后通過(guò)其速度矢量的初始(提取)縱向和橫向分量被立即 從陰極驅(qū)離。為了區(qū)分具有不同能量(從而，對(duì)應(yīng)于不同的光參數(shù))的電子，在光電陰極附 近建立的并且影響電子運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地使得電子速度的初始橫向分量與通過(guò)施加 的場(chǎng)添加到初始分量中的縱向分量和橫向分量相比作用最小。這可以通過(guò)以下實(shí)現(xiàn)感應(yīng) 與初始速度矢量的橫向分量相比更強(qiáng)的橫向分量，和/或感應(yīng)與感應(yīng)的橫向分量和初始橫 向分量相比更強(qiáng)的縱向分量，和/或通過(guò)應(yīng)用會(huì)聚效應(yīng)減小電子運(yùn)動(dòng)的橫向分量。因此，返回圖2A的示例，為了使與不同譜范圍關(guān)聯(lián)的電極變得敏銳，使用比較強(qiáng) 地感應(yīng)的橫向電場(chǎng)，即，電勢(shì)差V。。因此，與通過(guò)在場(chǎng)中加速獲得的速度相比，所發(fā)射的電子的橫向速度分布變得可以忽略。可替換地或附加地，圖2A的該示例考慮利用陽(yáng)極130的作 用，用于通過(guò)光電陰極和陽(yáng)極130之間的電勢(shì)差Vdd提供縱向方向Y的第二電場(chǎng)(在該非限 制性示例中，光電陰極101是在地電位，并且電壓Vdd被施加至電極130)。電壓Vdd建立在 方向Y的縱向電場(chǎng)，從而影響(加速或減速)發(fā)射電子在縱向方向Y的傳播。應(yīng)當(dāng)理解的是，縱向電場(chǎng)的大小可以用于按照所需的譜范圍控制收集電極的所需 的位置。進(jìn)一步應(yīng)當(dāng)理解的是，在縱向方向的加速可以用于減小所發(fā)射電子的橫向速度/ 動(dòng)量的作用，并且增加具有不同縱向動(dòng)量的電子之間的空間距離。如上所述，可替換地或附 加地，其他電極(例如，會(huì)聚電極)可以用于沿縱向軸線會(huì)聚電子通量以減小所發(fā)射電子的 橫向速度分布的作用。應(yīng)當(dāng)理解的是，在上述示例中，收集電極沿縱向方向的位置和大小以及電勢(shì)差V。和Vdd的幅度確定了與收集電極關(guān)聯(lián)的并且上述結(jié)構(gòu)的傳感器單元可檢測(cè)的譜范圍?，F(xiàn)在考慮從光電陰極101發(fā)射的具有初始動(dòng)能Kinit = mv2/2的電子，此處速度矢 量ν完全處于縱向方向。在縱向和橫向方向，分別通過(guò)與Vdd有關(guān)的場(chǎng)和與V。有關(guān)的場(chǎng)對(duì) 電子進(jìn)行加速，但是該電子僅在縱向方向具有初始速度。電子到達(dá)收集電極111、112、113 的平面所花費(fèi)的時(shí)間由Vc確定，而在該時(shí)間電子將覆蓋的縱向距離，以及因此該電子將到 達(dá)哪個(gè)電極也由該電子的初始速度ν確定。速度ν越高，電子將行進(jìn)得越遠(yuǎn)。進(jìn)而，速度ν 取決于通過(guò)被吸收的光子給予電子的能量。照明能量越強(qiáng)，電子將到達(dá)越遠(yuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的裝置被設(shè)計(jì)為使得通過(guò)來(lái)自譜的“藍(lán)色”部分(大約400-475nm波 長(zhǎng))的光子所發(fā)射的能量最強(qiáng)的電子通過(guò)陽(yáng)極113到達(dá)圖2A中所示最遠(yuǎn)的收集器。使用 合適的加速度和電極間距離，可以使用陽(yáng)極電極114代替陽(yáng)極113。在這種情況下，可以省 略陽(yáng)極113。最有可能通過(guò)來(lái)自譜的“綠色”部分(大約500-570nm)的光子所發(fā)射的能量 較弱的電子由中間陽(yáng)極112收集，并且對(duì)應(yīng)于譜的“紅色”部分(大約590-650nm)的能量 最弱的電子由第一陽(yáng)極111收集?？梢哉{(diào)整各電極在縱向方向的位置和長(zhǎng)度，以收集與期 望發(fā)射能量范圍相對(duì)應(yīng)從而與期望的光頻率范圍相對(duì)應(yīng)的電子。而且，可以使用多個(gè)收集 器陽(yáng)極來(lái)區(qū)分多于三個(gè)“范圍”。提供控制單元16。如上所述，控制單元被配置為能夠操作用于測(cè)量收集電極上累 積的電荷，并且還可以用于建立/控制驅(qū)動(dòng)電子從光電陰極運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)。因此，在該示例 中，控制單元16包括連接到電極111、112、113并用于測(cè)量累積的電荷的三個(gè)電荷存儲(chǔ)單元 (例如，電容器)121、122和123。在圖2A的示例的控制單元中還使用了供電單元132。電 荷存儲(chǔ)單元可以是電容器或更復(fù)雜的電荷保持電路。各電荷存儲(chǔ)單元電連接到其各自的收 集電極(陽(yáng)極)，以允許存儲(chǔ)到達(dá)所述電極的電荷。各電荷存儲(chǔ)單元通過(guò)開關(guān)(switching) 電路(未示出)連接到各自的外部電路(未示出)，用于“讀取”存儲(chǔ)的電荷并且處理相應(yīng) 的數(shù)據(jù)。為此，該示例包括兩個(gè)感應(yīng)電場(chǎng)。通過(guò)電極(陽(yáng)極)130和光電陰極之間的電勢(shì)差 Vdd提供第一縱向電場(chǎng)(在縱向方向Y)。通過(guò)側(cè)電極131和收集電極111、112和113之間 的電勢(shì)差\提供第二橫向電場(chǎng)。圖2B示例了被配置為總體上類似于上述裝置100A但是其中電極布置包括不同長(zhǎng) 度的五個(gè)收集陽(yáng)極111、112、113、114、115的傳感器單元裝置100B。因此，控制單元包括五 個(gè)相應(yīng)的電荷存儲(chǔ)單元121、122、123、124、125。
參照?qǐng)D3，其示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器單元裝置/單元200的另一示例性實(shí)施方 式。裝置200包括具有光電陰極201的電子源并且包括電極布置，該電極布置包括柵格形 式的收集電極221和222，以及沿總方向Y以彼此分開的關(guān)系設(shè)置并且在電子從光電陰極傳 播的路徑中的另一個(gè)收集電極(陽(yáng)極)211。這里，光電陰極保持在地電位，并且可控電壓施 加給陽(yáng)極211、和柵格221和222。陽(yáng)極和/或柵格連接到控制單元(未示出)，在該處理單 元進(jìn)一步處理累積的電荷。當(dāng)光電陰極201被曝光時(shí)，發(fā)射電子。此時(shí)，施加到柵格221的電壓使得與入射光的“紅色”波長(zhǎng)范圍相對(duì)應(yīng)的電子(我們下面稱為“紅電子”)無(wú)法穿過(guò)。該電壓可以被表 示為(_Κκ+Δν)，其中，Kk是紅電子的通常發(fā)射能量，并且ΔV是克服光電陰極和柵格之間 的電勢(shì)差(可以為負(fù))及任何其他的補(bǔ)償措施(如接觸電勢(shì)差)所需的電壓。在該實(shí)施方 式中，僅存在一個(gè)AV值，該一個(gè)△ V值可以暗示柵格和陽(yáng)極具有相同的材料，但是可以要 求不同的值。紅電子在到達(dá)柵格221時(shí)失去它們的動(dòng)能，并且或者被柵格221收集，或者保 持在光電陰極201和柵格221之間的區(qū)域中。能量更強(qiáng)的綠電子和藍(lán)電子(即，具有與“綠 色”和“藍(lán)色”波長(zhǎng)范圍的發(fā)射相對(duì)應(yīng)的動(dòng)能的電子)繼續(xù)通過(guò)柵格221。施加到柵格222 的電壓是使得綠電子無(wú)法通過(guò)。這些電子或者被柵格222收集，或者被保持在柵格221和 222之間的區(qū)域中。在該實(shí)施方式中，藍(lán)電子繼續(xù)到陽(yáng)極211，但是也可以包括第三柵格以 處理或保持它們。當(dāng)發(fā)射電子并且通過(guò)柵格和陽(yáng)極收集電子時(shí)，可以執(zhí)行對(duì)所收集到的電荷處理。 如果想要處理保持在電極之間的區(qū)域中的電子，則可以在光電陰極曝光之后執(zhí)行“集中處 理(integration procedure) ”，通過(guò)該處理，允許來(lái)自各區(qū)域的電子到達(dá)陽(yáng)極。例如，可以 首先升高施加給柵格222的電壓，使得綠電子通過(guò)并且到達(dá)陽(yáng)極211。這可能需要也調(diào)整 施加到柵格221的電壓。然后，還可以升高施加到柵格221的電壓，以允許紅電子到達(dá)陽(yáng)極 211進(jìn)行處理。類似于圖2A和圖2B的示例，在圖3的示例中，也可以包括針對(duì)更高譜分辨率的附 加?xùn)鸥?。施加到柵格的電壓確定了各區(qū)域中的電子的能量范圍?？梢允褂脙H僅由柵格進(jìn)行 收集，而沒(méi)有“集中處理”，反之亦然，或者可以使用這些方法的組合。從而，本發(fā)明提供了能夠檢測(cè)入射光的輪廓尤其是譜輪廓的圖像像素單元的簡(jiǎn)單 有效的技術(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，各種修改和變型可以應(yīng)用如上文中所例示的 實(shí)施方式中，而不偏離由所附權(quán)利要求書所限定的及在權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的范 圍。
權(quán)利要求
一種用于檢測(cè)電磁輻射的圖像傳感器單元，該圖像傳感器單元包括帶電粒子源；電極布置，該電極布置被配置為用于界定用于收集從所述帶電粒子源發(fā)射的帶電粒子的多個(gè)彼此分開的位置；以及控制單元，該控制單元連接到所述電極布置并且適用于測(cè)量在各個(gè)所述位置收集到的電荷，所收集到的電荷的空間分布表示引起了所述收集到的帶電粒子的發(fā)射的電磁輻射的輪廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感器單元，其中，所述帶電粒子源包括適用于響應(yīng)于 入射的電磁輻射發(fā)射帶電粒子的至少一個(gè)有源區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的圖像傳感器單元，其中，所述帶電粒子源是光電 陰極。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的圖像傳感器單元，其中，所述彼此分開的位置沿與所發(fā)射的帶電粒子從所述帶電粒子源的總傳播方向大致平行的第一軸線彼此分開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器單元，其中，所述彼此分開的位置沿與所述第一 軸線大致橫切的第二軸線彼此分開。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像傳感器單元，其中，所述電極布置包括容納于沿至少所 述第一軸線彼此分開的布置中的電極的陣列。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的圖像傳感器單元，所述圖像傳感器單元包括 電場(chǎng)源，該電場(chǎng)源被配置為能夠操作用于創(chuàng)建用于驅(qū)動(dòng)所述帶電粒子從所述帶電粒子源向 收集位置運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像傳感器單元，其中，根據(jù)要被檢測(cè)的所述電磁輻射的譜 范圍，選擇所述收集電極的布置以及在所述帶電粒子源上和所述收集電極上的電勢(shì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感器單元，其中，所述收集電極的布置限定了所述電 極之間的距離、各收集電極離所述帶電粒子源的距離、以及所述收集電極的尺寸。
10.一種包括像素布置的圖像傳感器裝置，其中，各像素由上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng) 所述的圖像傳感器單元表示。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像傳感器裝置，其中，所述帶電粒子源是包括彼此分開 的光電陰極有源區(qū)域的陣列的光電陰極單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的圖像傳感器裝置，其中，所述光電陰極單元包括與多個(gè)所 述傳感器單元相關(guān)聯(lián)的連續(xù)光電陰極層。
13.一種用于檢測(cè)電磁輻射的圖像傳感器單元，該圖像傳感器單元包括電子源，該電 子源包括至少一個(gè)光電陰極；電極布置，該電極布置被配置為用于界定用于收集從所述至 少一個(gè)光電陰極發(fā)射的電子的多個(gè)彼此分開的位置；和控制單元，該控制單元連接到所述 電極布置，并且該控制單元適用于測(cè)量在各個(gè)所述位置收集到的電荷，所收集到的電荷的 空間分布表示引起了所述收集到的電子的發(fā)射的所述電磁輻射的譜輪廓。
14.一種用于確定光的譜輪廓的方法，該方法包括以下步驟將所述光引導(dǎo)到光電陰極上，從而使得從所述光電陰極發(fā)射電子；以及在彼此分開的收集位置的陣列處收集從所述光電陰極以總傳播方向傳播的所發(fā)射的 電子，所述彼此分開的收集位置被設(shè)置為通過(guò)不同位置收集具有不同動(dòng)量的電子，所收集 到的電子的空間分布表示所述光的譜輪廓。
全文摘要
提出了一種用于檢測(cè)電磁輻射的圖像傳感器單元。傳感器單元可以用作圖像傳感器裝置的像素矩陣中的像素。圖像傳感器單元包括光電陰極(101)、電極布置(102)和控制單元(16)。電極布置被配置為用于界定用于收集從所述帶電粒子源發(fā)射的帶電粒子多個(gè)彼此分開的位置?？刂茊卧B接到電極布置并且適用于測(cè)量在各個(gè)所述位置收集到的電荷，所收集到的電荷的空間分布表示引起了所述收集到的帶電粒子的發(fā)射的電磁輻射的輪廓。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101849287SQ200880114704
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月20日
發(fā)明者埃雷茲·哈拉米 申請(qǐng)人:諾瓦特安斯集團(tuán)有限公司