智能傳感

超聲波鏡頭清洗:您不了解卻需要的固態(tài)技術(shù)

2025China.cn   2023年02月01日

如果您曾用過(guò)便攜式 CD 播放器,大概率懂得CD 被劃傷或弄臟后聽(tīng)到跳音的感受?;蛟S,您也還記得 VHS 磁帶的纏繞問(wèn)題、磁帶老化和圖像質(zhì)量差的體驗。閃存作為一種經(jīng)濟實(shí)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(chē)行業(yè),制造商可以通過(guò)使用微型雨刮器、噴水器、壓縮空氣和其他系統來(lái)解決攝像頭和傳感器的清洗問(wèn)題。然而,由于這些解決方案價(jià)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(shí)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(shí)現 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(shí)現的功能不限于本文所述,為方便起見(jiàn),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(chǎng) (FoV) 外,或者也可以通過(guò)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(guò)共振并利用相長(cháng)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 系統的性能。

驅動(dòng)

要產(chǎn)生所需的振動(dòng),執行器必須產(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。壓電執行器通常稱(chēng)為壓電換能器,不僅可以滿(mǎn)足這些要求,而且其可靠性可滿(mǎn)足軍事和汽車(chē)應用的要求。當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(huì )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(huì )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)的有效執行器。圖 1 展示了兩個(gè)不同形狀的壓電材料被驅動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)而慢速運動(dòng)。

圖1:壓電換能器被驅動(dòng)產(chǎn)生慢速運動(dòng)的動(dòng)畫(huà)

清洗

使鏡頭以其固有頻率之一產(chǎn)生共振的一種簡(jiǎn)單方法是產(chǎn)生駐波(稱(chēng)為“單?!?。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(dòng)單模的典型頻率通常介于 20kHz 和 100kHz 之間。由于共振頻率會(huì )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(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(huì )留下肉眼可見(jiàn)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(diǎn)。

2:?jiǎn)文G逑聪到y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(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(méi)有(以及幾乎沒(méi)有)清洗到的點(diǎn),從而確保實(shí)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(huì )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 沿表面傳播,并通過(guò)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(dòng)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(dòng)更節省能量。

鏡頭蓋系統

TI 發(fā)明的 ULC 方法使用一個(gè)支架來(lái)連接具有統一厚度的鏡頭和環(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(連接非常具有挑戰性),這樣可以實(shí)現可擴展的制造過(guò)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(chēng)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(lèi)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 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(guò)驅動(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 ULC。末級攝像頭鏡頭稱(chēng)為前端元件,如圖 5 所示。與添加鏡頭蓋相比,通過(guò)集成可以減小整體系統尺寸,但也會(huì )增加超聲波清洗和制造過(guò)程的復雜性,部分原因在于前端元件的厚度并不統一,無(wú)論是單模清洗還是雙模清洗,均會(huì )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(guò)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(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP) 可通過(guò)在單個(gè)器件中組合多種功能來(lái)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(huì )在各自生命周期內略有變化。ULC1001 可以在任何點(diǎn)來(lái)表征鏡頭系統,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(huì )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(huì )在超過(guò)居里溫度點(diǎn)后被驅動(dòng),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(huán),無(wú)需圖像處理即可實(shí)現自動(dòng)污染物檢測和清洗。全新的鏡頭清洗 IC 實(shí)現了上述功能,其狀態(tài)機示例如圖 6 所示,可針對給定應用進(jìn)行定制。

圖6:ULC 狀態(tài)機簡(jiǎn)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(kāi)源的機械設計和應用特定的半導體等,為該技術(shù)打下了基礎。在此,誠邀您一起探索 ULC 設計資源并突破汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)的現狀,打造具有自清洗功能的更優(yōu)質(zhì)、更智能、更經(jīng)濟實(shí)惠的攝像頭。

(德州儀器)

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