超声波镜头清洗：您不了解却需要的固态技术
如果您曾用过便携式 CD 播放器，大概率懂得CD 被划伤或弄脏后听到跳音的感受。或许，您也还记得 VHS 磁带的缠绕问题、磁带老化和图像质量差的体验。闪存作为一种经济实用的固态解决方案，淘汰了这些复杂的机械存储方式。
在如今的汽车行业，制造商可以通过使用微型雨刮器、喷水器、压缩空气和其他系统来解决摄像头和传感器的清洗问题。然而，由于这些解决方案价格昂贵且机械复杂度高，因此普及使用的可能性不大。
本文介绍的超声波镜头清洗 (ULC) 固态解决方案可实现摄像头和传感器的自清洗，并且具有成本效益。
鉴于镜头尺寸和材料繁多，实现 ULC 的结构方法也多种多样。那么，半导体如何发挥作用？尽管 ULC 可实现的功能不限于本文所述，为方便起见，本文将典型圆形摄像头上的水滴作为污染物进行演示。
要清洗镜头，可以施加一个力将水滴从镜头上排到视场 (FoV) 外，或者也可以通过施加大于表面张力的力将水滴雾化。正如我之前发表的技术文章“什么是超声波镜头清洗技术？”中讲到的，ULC 通过共振并利用相长干涉的概念，将从微小振动产生的能量放大为可以移动水滴或将其雾化的较强能量。具有疏水性和疏油性的外壳可有效降低镜头极性，优化 ULC 系统的性能。
驱动
要产生所需的振动，执行器必须产生必要的力、具有宽带宽和小外形尺寸，并且具有成本效益。压电执行器通常称为压电换能器，不仅可以满足这些要求，而且其可靠性可满足军事和汽车应用的要求。当对极化压电材料的电镀表面施加一个电压电势，其形状会发生变化。如果电压电势本质上是交流的，则压电材料会以交流信号的频率产生共振。因此，压电换能器是 ULC 中产生振动的有效执行器。图 1 展示了两个不同形状的压电材料被驱动产生振动而慢速运动。
图 1：压电换能器被驱动产生慢速运动的动画
清洗
使镜头以其固有频率之一产生共振的一种简单方法是产生驻波（称为“单模”）。表面的高加速度可以排除水滴。在直径为 10mm 至 40mm、厚度为 0.5mm 至 2mm 的圆形玻璃镜头上驱动单模的典型频率通常介于 20kHz 和 100kHz 之间。由于共振频率会因污染物稍有变化，清洗周期范围可能为镜头的固有频率上下几千赫兹。例如，如果固有频率为 30kHz，ULC 系统的频率范围可为 28kHz 至 32kHz，以便确保进行合适的清洗。单模清洗的缺点是加速度梯度，加速度较小的点上可能清洗效果较差并且会留下肉眼可见的残留物。图 2 展示了单模清洗系统的仿真及其加速度梯度，突出显示了此缺点。
图 2：单模清洗系统的仿真及其加速度梯度
双模清洗是在连续清洗周期内采用两个不同驻波的高级 ULC 方法，如图 3 所示。该方法有助于消除盲点或没有（以及几乎没有）清洗到的点，从而确保实现全面覆盖。
图 3：双模清洗系统的仿真及其加速度梯度
另一种 ULC 方法是使用表面声波 (SAW)，SAW 不会直接让玻璃板产生振动。与用于排走污染物的驻波不同，SAW 沿表面传播，并通过对污染物直接施加能量将其弹掉。相比直接使镜头产生振动，SAW 方法需要的频率高得多且每个玻璃板需要多个执行器，因此更加复杂，成本也更高。但是，这种方法在较大的平面和矩形面板（如激光雷达窗口片）上要比直接振动效果更好。由于 SAW 在表面传播，该方法比使大且厚的镜头振动更节省能量。
镜头盖系统
TI 发明的 ULC 方法使用一个支架来连接具有统一厚度的镜头和环形压电换能器。环形换能器需要占据一点额外的空间，支架可避免玻璃镜头与压电换能器的任何直接接触（连接非常具有挑战性），这样可以实现可扩展的制造过程并获得可靠的产品。紧凑地罩在摄像头镜头上的组件称为镜头盖系统 (LCS)，与您看到的智能手机摄像头上的平面盖板玻璃类似。曲面 LCS 可提供较大的 FoV 且光学失真非常小，如图 4 所示。
图 4：具有大于 190 FoV 的曲面 LCS
完全集成式 ULC
在不使用镜头盖的情况下，通过驱动末级摄像头镜头产生振动，可在摄像头模块中直接实现 ULC。末级摄像头镜头称为前端元件，如图 5 所示。与添加镜头盖相比，通过集成可以减小整体系统尺寸，但也会增加超声波清洗和制造过程的复杂性，部分原因在于前端元件的厚度并不统一，无论是单模清洗还是双模清洗，均会抑制产生足够的驻波。前端元件可能需要具有不同厚度，以便使光发生折射进入光学传感器，但镜头盖的作用仅是保护摄像头，所以可以使用统一厚度。此外，由于前端元件是摄像头镜头堆叠的一部分，需要在制造过程中与光学传感器精密对齐，因此增加了完全集成式 ULC 系统设计流程和工艺的复杂度。
图 5：摄像头镜筒中的镜头堆叠示例
半导体的作用
TI 的 ULC1001 等专用标准产品 (ASSP) 可通过在单个器件中组合多种功能来降低成本和减小尺寸。鉴于制造多样性、外壳组装和安装的差异，每个镜头的固有频率均不同，并且会在各自生命周期内略有变化。ULC1001 可以在任何点来表征镜头系统，提升效果。另一个集成功能是温度检测，该功能可方便检测和除冰，更重要是可以用于保持压电功能。如果超出了居里温度阈值，压电换能器会去极化并丢失其共振属性。
ULC1001 可监测压电换能器的温度，确保换能器不会在超过居里温度点后被驱动，并且还能检查所有镜头故障，如碎裂。ULC1001 具有集成式数字信号处理器和反馈闭环，无需图像处理即可实现自动污染物检测和清洗。全新的镜头清洗 IC 实现了上述功能，其状态机示例如图 6 所示，可针对给定应用进行定制。
图 6：ULC 状态机简化示例
让我们一起突破现状
尽管 ULC 比较复杂并且涉及方方面面，TI 提供了开源的机械设计和应用特定的半导体等，为该技术打下了基础。在此，诚邀您一起探索 ULC 设计资源并突破汽车和工业市场的现状，打造具有自清洗功能的更优质、更智能、更经济实惠的摄像头。
其他资源
观看视频“自清洗摄像头的超声波镜头清洗”，了解 ULC 的实际应用
关于德州仪器(TI)
德州仪器（TI）（纳斯达克股票代码：TXN）是一家全球性的半导体公司，致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片，用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用，创造一个更美好的世界。如今，每一代创新都建立在上一代创新的基础之上，使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠，从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用，这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。
