超聲波鏡頭清洗：您不了解卻需要的固態技術

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。閃存作為一種經濟實用的固態解決方案，淘汰了這些復雜的機械存儲方式。

在如今的汽車行業，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) 固態解決方案可實現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 ULC 的結構方法也多種多樣。那么，半導體如何發揮作用？盡管 ULC 可實現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，優化 ULC 系統的性能。

驅動

要產生所需的振動，執行器必須產生必要的力、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生共振。因此，壓電換能器是 ULC 中產生振動的有效執行器。圖 1 展示了兩個不同形狀的壓電材料被驅動產生振動而慢速運動。

圖 1：壓電換能器被驅動產生慢速運動的動畫

清洗

使鏡頭以其固有頻率之一產生共振的一種簡單方法是產生駐波（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：單模清洗系統的仿真及其加速度梯度

雙模清洗是在連續清洗周期內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，從而確保實現全面覆蓋。

圖 3：雙模清洗系統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生振動。與用于排走污染物的駐波不同，SAW 沿表面傳播，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 在表面傳播，該方法比使大且厚的鏡頭振動更節省能量。

鏡頭蓋系統

TI 發明的 ULC 方法使用一個支架來連接具有統一厚度的鏡頭和環形壓電換能器。環形換能器需要占據一點額外的空間，支架可避免玻璃鏡頭與壓電換能器的任何直接接觸（連接非常具有挑戰性），這樣可以實現可擴展的制造過程并獲得可靠的產品。緊湊地罩在攝像頭鏡頭上的組件稱為鏡頭蓋系統 (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 190 FoV 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生振動，可在攝像頭模塊中直接實現 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一，無論是單模清洗還是雙模清洗，均會抑制產生足夠的駐波。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略有變化。ULC1001 可以在任何點來表征鏡頭系統，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 具有集成式數字信號處理器和反饋閉環，無需圖像處理即可實現自動污染物檢測和清洗。全新的鏡頭清洗 IC 實現了上述功能，其狀態機示例如圖 6 所示，可針對給定應用進行定制。

圖 6：ULC 狀態機簡化示例

讓我們一起突破現狀

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市場的現狀，打造具有自清洗功能的更優質、更智能、更經濟實惠的攝像頭。