超聲波鏡頭清洗:您不了解卻需要的固態(tài)技術

如果您曾用過便攜式 CD 播放器，大概率懂得CD 被劃傷或弄臟后聽到跳音的感受。或許，您也還記得 VHS 磁帶的纏繞問題、磁帶老化和圖像質量差的體驗。閃存作為一種經(jīng)濟實用的固態(tài)解決方案，淘汰了這些復雜的機械存儲方式。

在如今的汽車行業(yè)，制造商可以通過使用微型雨刮器、噴水器、壓縮空氣和其他系統(tǒng)來解決攝像頭和傳感器的清洗問題。然而，由于這些解決方案價格昂貴且機械復雜度高，因此普及使用的可能性不大。

本文介紹的超聲波鏡頭清洗 (ULC) 固態(tài)解決方案可實現(xiàn)攝像頭和傳感器的自清洗，并且具有成本效益。

鑒于鏡頭尺寸和材料繁多，實現(xiàn) ULC 的結構方法也多種多樣。那么，半導體如何發(fā)揮作用？盡管 ULC 可實現(xiàn)的功能不限于本文所述，為方便起見，本文將典型圓形攝像頭上的水滴作為污染物進行演示。

要清洗鏡頭，可以施加一個力將水滴從鏡頭上排到視場 (FoV) 外，或者也可以通過施加大于表面張力的力將水滴霧化。正如我之前發(fā)表的技術文章“什么是超聲波鏡頭清洗技術？”中講到的，ULC 通過共振并利用相長干涉的概念，將從微小振動產(chǎn)生的能量放大為可以移動水滴或將其霧化的較強能量。具有疏水性和疏油性的外殼可有效降低鏡頭極性，優(yōu)化 ULC 系統(tǒng)的性能。

驅動

要產(chǎn)生所需的振動，執(zhí)行器必須產(chǎn)生必要的力、具有寬帶寬和小外形尺寸，并且具有成本效益。壓電執(zhí)行器通常稱為壓電換能器，不僅可以滿足這些要求，而且其可靠性可滿足軍事和汽車應用的要求。當對極化壓電材料的電鍍表面施加一個電壓電勢，其形狀會發(fā)生變化。如果電壓電勢本質上是交流的，則壓電材料會以交流信號的頻率產(chǎn)生共振。因此，壓電換能器是 ULC 中產(chǎn)生振動的有效執(zhí)行器。圖 1 展示了兩個不同形狀的壓電材料被驅動產(chǎn)生振動而慢速運動。

圖1 壓電換能器被驅動產(chǎn)生慢速運動的動畫

清洗

使鏡頭以其固有頻率之一產(chǎn)生共振的一種簡單方法是產(chǎn)生駐波（稱為“單?！保?。表面的高加速度可以排除水滴。在直徑為 10mm 至 40mm、厚度為 0.5mm 至 2mm 的圓形玻璃鏡頭上驅動單模的典型頻率通常介于 20kHz 和 100kHz 之間。由于共振頻率會因污染物稍有變化，清洗周期范圍可能為鏡頭的固有頻率上下幾千赫茲。例如，如果固有頻率為 30kHz，ULC 系統(tǒng)的頻率范圍可為 28kHz 至 32kHz，以便確保進行合適的清洗。單模清洗的缺點是加速度梯度，加速度較小的點上可能清洗效果較差并且會留下肉眼可見的殘留物。圖 2 展示了單模清洗系統(tǒng)的仿真及其加速度梯度，突出顯示了此缺點。

圖2 單模清洗系統(tǒng)的仿真及其加速度梯度

雙模清洗是在連續(xù)清洗周期內(nèi)采用兩個不同駐波的高級 ULC 方法，如圖 3 所示。該方法有助于消除盲點或沒有（以及幾乎沒有）清洗到的點，從而確保實現(xiàn)全面覆蓋。

圖3 雙模清洗系統(tǒng)的仿真及其加速度梯度

另一種 ULC 方法是使用表面聲波 (SAW)，SAW 不會直接讓玻璃板產(chǎn)生振動。與用于排走污染物的駐波不同，SAW 沿表面?zhèn)鞑?，并通過對污染物直接施加能量將其彈掉。相比直接使鏡頭產(chǎn)生振動，SAW 方法需要的頻率高得多且每個玻璃板需要多個執(zhí)行器，因此更加復雜，成本也更高。但是，這種方法在較大的平面和矩形面板（如激光雷達窗口片）上要比直接振動效果更好。由于 SAW 在表面?zhèn)鞑?，該方法比使大且厚的鏡頭振動更節(jié)省能量。

鏡頭蓋系統(tǒng)

TI 發(fā)明的 ULC 方法使用一個支架來連接具有統(tǒng)一厚度的鏡頭和環(huán)形壓電換能器。環(huán)形換能器需要占據(jù)一點額外的空間，支架可避免玻璃鏡頭與壓電換能器的任何直接接觸（連接非常具有挑戰(zhàn)性），這樣可以實現(xiàn)可擴展的制造過程并獲得可靠的產(chǎn)品。緊湊地罩在攝像頭鏡頭上的組件稱為鏡頭蓋系統(tǒng) (LCS)，與您看到的智能手機攝像頭上的平面蓋板玻璃類似。曲面 LCS 可提供較大的 FoV 且光學失真非常小，如圖 4 所示。

圖4 具有大于190FoV的曲面LCS

完全集成式ULC

在不使用鏡頭蓋的情況下，通過驅動末級攝像頭鏡頭產(chǎn)生振動，可在攝像頭模塊中直接實現(xiàn) ULC。末級攝像頭鏡頭稱為前端元件，如圖 5 所示。與添加鏡頭蓋相比，通過集成可以減小整體系統(tǒng)尺寸，但也會增加超聲波清洗和制造過程的復雜性，部分原因在于前端元件的厚度并不統(tǒng)一，無論是單模清洗還是雙模清洗，均會抑制產(chǎn)生足夠的駐波。前端元件可能需要具有不同厚度，以便使光發(fā)生折射進入光學傳感器，但鏡頭蓋的作用僅是保護攝像頭，所以可以使用統(tǒng)一厚度。此外，由于前端元件是攝像頭鏡頭堆疊的一部分，需要在制造過程中與光學傳感器精密對齊，因此增加了完全集成式 ULC 系統(tǒng)設計流程和工藝的復雜度。

圖5 攝像頭鏡筒中的鏡頭堆疊示例

半導體的作用

TI 的 ULC1001 等專用標準產(chǎn)品 (ASSP) 可通過在單個器件中組合多種功能來降低成本和減小尺寸。鑒于制造多樣性、外殼組裝和安裝的差異，每個鏡頭的固有頻率均不同，并且會在各自生命周期內(nèi)略有變化。ULC1001 可以在任何點來表征鏡頭系統(tǒng)，提升效果。另一個集成功能是溫度檢測，該功能可方便檢測和除冰，更重要是可以用于保持壓電功能。如果超出了居里溫度閾值，壓電換能器會去極化并丟失其共振屬性。ULC1001 可監(jiān)測壓電換能器的溫度，確保換能器不會在超過居里溫度點后被驅動，并且還能檢查所有鏡頭故障，如碎裂。ULC1001 具有集成式數(shù)字信號處理器和反饋閉環(huán)，無需圖像處理即可實現(xiàn)自動污染物檢測和清洗。全新的鏡頭清洗 IC 實現(xiàn)了上述功能，其狀態(tài)機示例如圖 6 所示，可針對給定應用進行定制。

圖6 ULC狀態(tài)機簡化示例

讓我們一起突破現(xiàn)狀

盡管 ULC 比較復雜并且涉及方方面面，TI 提供了開源的機械設計和應用特定的半導體等，為該技術打下了基礎。在此，誠邀您一起探索 ULC 設計資源并突破汽車和工業(yè)市場的現(xiàn)狀，打造具有自清洗功能的更優(yōu)質、更智能、更經(jīng)濟實惠的攝像頭。