CCD成像原理教學“四步曲”

摘要：CCD成像原理是“電視跟蹤系統”課程的教學重點之一。CCD成像過程微觀抽象，因此也是教學難點之一。本文提出了一種“四步曲”教學方法，圍繞成像過程的四個環節，層層遞進，虛實結合，引導學員逐步掌握其技術內涵。實踐表明，新的教學模式與方法有效提高了教學質量。

關鍵詞：CCD成像原理；四步曲；教學

中圖分類號：TN941 ？搖文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）42-0128-02

CCD成像技術目前廣泛應用在工業、科研和軍事等各個領域，是一項具有廣泛應用前景的新技術。在我們所開設的“電視跟蹤系統”課程中，CCD成像原理是教學重點之一，目的是通過該內容的學習使學生掌握CCD成像的關鍵環節，為后續學習圖像跟蹤原理奠定基礎。筆者已從事多年CCD成像原理教學，經過多年來的教學經驗積累，圍繞“講得透、聽得懂、學得快”這個教學目標開展一系列教學內容、方法和手段設計，在此將一些教學心得與各位同仁進行分享，旨在共同提高授課質量，提升人才培養質量。

CCD成像原理教學的核心內容就是向學生揭示“CCD是如何將光學圖像轉換成電子圖像的”，圍繞該內容可以分四步展開講解。

一、一步曲：光電轉換——“入鄉隨俗”

要想揭示光學圖像到電子圖像的轉換原理，首先需要闡述清楚的就是光電轉換過程。如果學生前期開設過“光電技術”課程，只需要在簡單回顧半導體材料光電轉換原理的基礎上，引導學生思考CCD成像器件對于光電轉換材料的特殊要求。教學思路與進程：我們將一幅景物圖像投射在一整塊半導體材料上，應該是可以將入射光的能量分布轉換成對應光生載流子的濃度分布，但是經過實驗證實是不行的，這是為什么呢？（給學生一定的思考時間）原來一整塊半導體內部的載流子將會發生擴散，難以實現不同位置半導體光生載流子濃度代表對應景物單元亮暗的功能。怎么解決這個問題呢？既然一整塊不行，我們考慮能不能將整塊的半導體分割成（此處強調是物理分割）許多個小塊，每塊半導體的光生載流子濃度就代表了對應景物單元亮暗，實現了入射光的能量分布到對應光生載流子濃度分布的轉換。因此，CCD成像器件完成光電轉換的一個重要條件就是光敏面的離散化，這個離散化的光敏單元就是我們通常所說的“像素”。由于該過程是從“光”領域進入到“電”領域，因此形象稱之為“入鄉隨俗”，借此活躍課堂氣氛。

二、二步曲：電荷存儲——“一塵不染”

通過前面的分析，我們知道熱激發作用會產生電子空穴對。這些電子空穴對將會混入到光生載流子中形成噪聲，降低圖像的還原質量。那么怎樣才能解決熱激發作用對信號電荷存儲產生干擾的問題呢？先從CCD的基本組成單元-MOS電容說起。我們發現MOS電容達到穩態的時候，熱激發電子進入耗盡層，與光激發產生的電子（也就是我們所需要存儲的信號電荷）混合在一起，這樣MOS電容里存儲的電荷就不能真實反映對應位置的圖像亮暗特性。那么通過什么方法可以避免這種情況發生呢？也就是如何避免熱激發電子對信號電荷的干擾呢？既然穩態不行，我們一起嘗試一下不穩定的狀態。MOS電容器上施加足夠大的柵極電壓，在電壓加到柵極的瞬間，半導體中的空穴能跟上這種變化，由于熱激發電子取決于產生——復合過程而跟不上這個變化，當前耗盡層那里只是空的電子勢阱（為了便于理解此概念，可以將勢阱類比成裝載電子的杯子）。此時，光照產生大量的電子進入到勢阱中，完成了信號電荷的存儲，做到了“一塵不染”，這就是MOS電容的非穩態。隨著時間的推移，熱激發產生的電子終究會進入勢阱中恢復穩態，無法保證“一塵不染”，因此信號電荷“此地不宜久留”。所以要實現信號電荷的存儲，需要在熱激發電子進入勢阱之前完成電荷的存儲并快速轉移到相鄰勢阱當中。如何實現呢？

三、三步曲：電荷轉移——“此地不宜久留”

兩個相鄰MOS電容距離較遠時，顯然不可能實現電荷的轉移。（在教學現場，通過兩個杯子間倒水來演示距離對于轉移的重要性，清晰直觀）一般來說，當相鄰兩個金屬柵極彼此足夠靠近，距離達到微米量級的時候，其間隙下面的表面勢由兩個金屬柵極上的電位決定，從而實現兩個相鄰MOS電容器下面耗盡層的耦合，稱之為電荷耦合過程。據此引出CCD的英文全稱（Charge Coupled Device）的由來之處。從多個班次的教學效果來看，由于電荷轉移過程微觀抽象，難以通過語言描述清楚，在此結合多媒體動畫來展現該過程，直觀易懂。多媒體動畫截圖如圖1所示。

在本環節中，需要結合動畫分時序講解電荷轉移過程的細節，理清“位”與“相”的關系，全方位揭示電荷轉移的技術內涵。

四、四步曲：信號讀出——“破繭而出”

信號電荷在時鐘脈沖驅動下，很快轉移到輸出端的最后一個時鐘電極下面，如何將電荷信號變換為電流或電壓信號是信號讀出電路的主要任務。該環節主要分析幾種信號讀出電路，原理雖然簡單，但是設計十分巧妙，因此需要引導學生去挖掘它們的設計理念，發散思維，增強創新意識。

五、結語

雖然CCD成像原理微觀抽象，只要授課教師能做到“三多”，即多揣摩、多設計和多互動，此類問題就能迎刃而解。從教學反饋情況來看，“四步曲”教學方法有效提高了課堂效率，學生反映較好。以上是筆者的一點教學實踐感想，望與從事該領域教學的老師們共勉。

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作者簡介：劉杰（1983-），男，講師，主要從事電視跟蹤系統方面的教學工作。