超聲波鏡頭清洗:您不了解卻需要的固態(tài)技術(shù)

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?；蛟S，您也還記得 VHS 磁帶的纏繞問題、磁帶老化和圖像質(zhì)量差的體驗(yàn)。閃存作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的固態(tài)解決方案，淘汰了這些復(fù)雜的機(jī)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(jià)格昂貴且機(jī)械復(fù)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(shí)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(shí)現(xiàn) ULC 的結(jié)構(gòu)方法也多種多樣。那么，半導(dǎo)體如何發(fā)揮作用？盡管 ULC 可實(shí)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(jìn)行演示。

要清洗鏡頭，可以施加一個(gè)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(shù)文章“什么是超聲波鏡頭清洗技術(shù)？”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(dòng)產(chǎn)生的能量放大為可以移動(dòng)水滴或?qū)⑵潇F化的較強(qiáng)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(qū)動(dòng)

要產(chǎn)生所需的振動(dòng)，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(yīng)用的要求。當(dāng)對極化壓電材料的電鍍表面施加一個(gè)電壓電勢，其形狀會發(fā)生變化。如果電壓電勢本質(zhì)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(dòng)的有效執(zhí)行器。圖 1 展示了兩個(gè)不同形狀的壓電材料被驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)而慢速運(yùn)動(dòng)。

圖1 壓電換能器被驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生慢速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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“單模”）。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(qū)動(dòng)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(jìn)行合適的清洗。單模清洗的缺點(diǎn)是加速度梯度，加速度較小的點(diǎn)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(diǎn)。

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(gè)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(diǎn)或沒有（以及幾乎沒有）清洗到的點(diǎn)，從而確保實(shí)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(dòng)。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(dòng)，SAW 方法需要的頻率高得多且每個(gè)玻璃板需要多個(gè)執(zhí)行器，因此更加復(fù)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(dá)窗口片）上要比直接振動(dòng)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(dòng)更節(jié)省能量。

鏡頭蓋系統(tǒng)

TI 發(fā)明的 ULC 方法使用一個(gè)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)可擴(kuò)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(jī)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(xué)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(qū)動(dòng)末級攝像頭鏡頭產(chǎn)生振動(dòng)，可在攝像頭模塊中直接實(shí)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(fù)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(jìn)入光學(xué)傳感器，但鏡頭蓋的作用僅是保護(hù)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(xué)傳感器精密對齊，因此增加了完全集成式 ULC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和工藝的復(fù)雜度。

圖5 攝像頭鏡筒中的鏡頭堆疊示例

半導(dǎo)體的作用

TI 的 ULC1001 等專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 可通過在單個(gè)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(gè)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(diǎn)來表征鏡頭系統(tǒng)，提升效果。另一個(gè)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(diǎn)后被驅(qū)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)污染物檢測和清洗。全新的鏡頭清洗 IC 實(shí)現(xiàn)了上述功能，其狀態(tài)機(jī)示例如圖 6 所示，可針對給定應(yīng)用進(jìn)行定制。

圖6 ULC狀態(tài)機(jī)簡化示例

讓我們一起突破現(xiàn)狀

盡管 ULC 比較復(fù)雜并且涉及方方面面，TI 提供了開源的機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)用特定的半導(dǎo)體等，為該技術(shù)打下了基礎(chǔ)。在此，誠邀您一起探索 ULC 設(shè)計(jì)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(zhì)、更智能、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的攝像頭。