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基于超聲波鏡頭清洗 (ULC) 固態(tài)解決方案

jf_pJlTbmA9 ? 來源:TI ? 作者:TI ? 2023-08-24 15:22 ? 次閱讀

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。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(fù)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(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(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(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,將從微小振動產(chǎn)生的能量放大為可以移動水滴或?qū)⑵潇F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(qū)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(yīng)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(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(qū)動產(chǎn)生振動而慢速運動。

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圖 1:壓電換能器被驅(qū)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1砻娴母呒铀俣瓤梢耘懦?。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。

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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。

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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)鞑ィ⑼ㄟ^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(fù)雜,成本也更高。但是,這種方法在較大的平面和矩形面板(如激光雷達窗口片)上要比直接振動效果更好。由于 SAW 在表面?zhèn)鞑ィ摲椒ū仁勾笄液竦溺R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。

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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(qū)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(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(shè)計流程和工藝的復(fù)雜度。

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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(qū)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(yīng)用進行定制。

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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(fù)雜并且涉及方方面面,TI 提供了開源的機械設(shè)計和應(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)濟實惠的攝像頭。

審核編輯:彭菁

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