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CCD成像原理教学“四步曲” 　　摘要：CCD成像原理是“电视跟踪系统”课程的教学重点之一。CCD成像过程微观抽象，因此也是教学难点之一。本文提出了一种“四步曲”教学方法，围绕成像过程的四个环节，层层递进，虚实结合，引导学员逐步掌握其技术内涵。实践表明，新的教学模式与方法有效提高了教学质量。 　　关键词：CCD成像原理；四步曲；教学 　　中图分类号：TN941 ？摇文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）42-0128-02 　　CCD成像技术目前广泛应用在工业、科研和军事等各个领域，是一项具有广泛应用前景的新技术。在我们所开设的“电视跟踪系统”课程中，CCD成像原理是教学重点之一，目的是通过该内容的学习使学生掌握CCD成像的关键环节，为后续学习图像跟踪原理奠定基础。笔者已从事多年CCD成像原理教学，经过多年来的教学经验积累，围绕“讲得透、听得懂、学得快”这个教学目标开展一系列教学内容、方法和手段设计，在此将一些教学心得与各位同仁进行分享，旨在共同提高授课质量，提升人才培养质量。 　　CCD成像原理教学的核心内容就是向学生揭示“CCD是如何将光学图像转换成电子图像的”，围绕该内容可以分四步展开讲解。 　　一、一步曲：光电转换——“入乡随俗” 　　要想揭示光学图像到电子图像的转换原理，首先需要阐述清楚的就是光电转换过程。如果学生前期开设过“光电技术”课程，只需要在简单回顾半导体材料光电转换原理的基础上，引导学生思考CCD成像器件对于光电转换材料的特殊要求。教学思路与进程：我们将一幅景物图像投射在一整块半导体材料上，应该是可以将入射光的能量分布转换成对应光生载流子的浓度分布，但是经过实验证实是不行的，这是为什么呢？（给学生一定的思考时间）原来一整块半导体内部的载流子将会发生扩散，难以实现不同位置半导体光生载流子浓度代表对应景物单元亮暗的功能。怎么解决这个问题呢？既然一整块不行，我们考虑能不能将整块的半导体分割成（此处强调是物理分割）许多个小块，每块半导体的光生载流子浓度就代表了对应景物单元亮暗，实现了入射光的能量分布到对应光生载流子浓度分布的转换。因此，CCD成像器件完成光电转换的一个重要条件就是光敏面的离散化，这个离散化的光敏单元就是我们通常所说的“像素”。由于该过程是从“光”领域进入到“电”领域，因此形象称之为“入乡随俗”，借此活跃课堂气氛。 　　二、二步曲：电荷存储——“一尘不染” 　　通过前面的分析，我们知道热激发作用会产生电子空穴对。这些电子空穴对将会混入到光生载流子中形成噪声，降低图像的还原质量。那么怎样才能解决热激发作用对信号电荷存储产生干扰的问题呢？先从CCD的基本组成单元-MOS电容说起。我们发现MOS电容达到稳态的时候，热激发电子进入耗尽层，与光激发产生的电子（也就是我们所需要存储的信号电荷）混合在一起，这样MOS电容里存储的电荷就不能真实反映对应位置的图像亮暗特性。那么通过什么方法可以避免这种情况发生呢？也就是如何避免热激发电子对信号电荷的干扰呢？既然稳态不行，我们一起尝试一下不稳定的状态。MOS电容器上施加足够大的栅极电压，在电压加到栅极的瞬间，半导体中的空穴能跟上这种变化，由于热激发电子取决于产生——复合过程而跟不上这个变化，当前耗尽层那里只是空的电子势阱（为了便于理解此概念，可以将势阱类比成装载电子的杯子）。此时，光照产生大量的电子进入到势阱中，完成了信号电荷的存储，做到了“一尘不染”，这就是MOS电容的非稳态。随着时间的推移，热激发产生的电子终究会进入势阱中恢复稳态，无法保证“一尘不染”，因此信号电荷“此地不宜久留”。所以要实现信号电荷的存储，需要在热激发电子进入势阱之前完成电荷的存储并快速转移到相邻势阱当中。如何实现呢？ 　　三、三步曲：电荷转移——“此地不宜久留” 　　两个相邻MOS电容距离较远时，显然不可能实现电荷的转移。（在教学现场，通过两个杯子间倒水来演示距离对于转移的重要性，清晰直观）一般来说，当相邻两个金属栅极彼此足够靠近，距离达到微米量级的时候，其间隙下面的表面势由两个金属栅极上的电位决定，从而实现两个相邻MOS电容器下面耗尽层的耦合，称之为电荷耦合过程。据此引出CCD的英文全称（Charge Coupled Device）的由来之处。从多个班次的教学效果来看，由于电荷转移过程微观抽象，难以通过语言描述清楚，在此结合多媒体动画来展现该过程，直观易懂。多媒体动画截图如图1所示。 　　在本环节中，需要结合动画分时序讲解电荷转移过程的细节，理清“位”与“相”的关系，全方位揭示电荷转移的技术内涵。 　　四、四步曲：信号读出——“破茧而出” 　　信号电荷在时钟脉冲驱动下，很快转移到输出端的最后一个时钟电极下面，如何将电荷信号变换为电流或电压信号是信号读