镜片用超声波清洗机（镜特殊超声波清洗仪）

如果您曾经使用过便携式CD 播放器，您很可能知道当CD 被划伤或弄脏时听到跳动的声音是什么感觉。也许，您还记得VHS 磁带缠结问题、磁带老化和图像质量差的经历。闪存作为一种经济实用的固态解决方案，消除了这些复杂的机械存储方法。

在当今的汽车行业中，制造商可以通过使用微擦拭器、喷水器、压缩空气和其他系统来解决摄像头和传感器的清洁问题。然而，由于这些解决方案价格昂贵且机械复杂，因此不太可能广泛使用。

本文介绍了一种超声波镜头清洁(ULC) 固态解决方案，可实现相机和传感器经济高效的自清洁。

由于镜头尺寸和材料多种多样，实现ULC 的结构方法也有很多种。那么，半导体如何发挥作用呢？尽管ULC 的功能不限于本文中描述的功能，但为了方便起见，典型圆形相机上的水滴被证明为污染物。

要清洁镜头，您可以施加一个力将水滴从镜头中排出并移出视场(FoV)，或者您可以通过施加大于表面张力的力来雾化水滴。正如我之前的技术文章《什么是超声波镜片清洗技术？》中提到的ULC通过共振进行工作，并利用相长干涉的概念，将微小振动产生的能量放大成可以移动水滴或将其雾化的更强能量。疏水疏油外壳可有效降低镜头极性并优化ULC 系统性能。

驾驶

为了产生所需的振动，执行器必须产生必要的力，具有较宽的带宽和较小的外形尺寸，并且具有成本效益。压电执行器通常称为压电传感器，不仅满足这些要求，而且对于军事和汽车应用来说也足够可靠。当电压施加到极化压电材料的电镀表面时，其形状会发生变化。如果电势本质上是交流电，则压电材料将以交流信号的频率谐振。因此，压电换能器是ULC 中产生振动的有效致动器。图1 显示了两种不同形状的压电材料被驱动振动并缓慢移动。

图1：驱动压电传感器产生慢动作的动画

干净的

使透镜以其固有频率之一共振的一种简单方法是产生驻波（称为“单模”）。表面的高加速度会排出水滴。在直径为10mm 至40mm、厚度为0.5mm 至2mm 的圆形玻璃透镜上驱动单模的典型频率通常在20kHz 至100kHz 之间。由于共振频率会因污染物而略有变化，因此清洁周期可能会比镜片的固有频率高或低几千赫兹。例如，如果固有频率为30kHz，则ULC 系统的频率范围可以为28kHz 至32kHz，以确保正确清洁。单模式清洁的缺点是加速梯度。加速度较小的点可能效果较差并留下可见的残留物。图2 显示了单模式清洁系统及其加速梯度的模拟，突出了这一缺点。

图2：单模式清洁系统及其加速梯度的模拟

双模式清洁是一种先进的ULC 方法，在连续的清洁周期中使用两种不同的驻波，如图3 所示。该方法有助于消除盲点或未（和勉强）清洁的点，以确保完全覆盖。

图3：双模式清洁系统仿真及其加速梯度

另一种ULC 方法是使用表面声波(SAW)，它不会直接振动玻璃板。与用于去除污染物的驻波不同，声表面波沿着表面传播，并通过直接向污染物施加能量来将污染物弹开。与直接振动透镜相比，SAW 方法需要更高的频率，并且每个玻璃板需要多个执行器，这使其更加复杂且成本更高。然而，这种方法比在较大的平板和矩形面板（例如激光雷达窗）上直接振动效果更好。由于SAW 在表面上传播，因此这种方法比振动大而厚的透镜更节能。

镜头盖系统

TI发明的ULC方法使用支架将均匀厚度的透镜连接到环形压电换能器。环形传感器占用了一点额外的空间，并且支架避免了玻璃透镜与压电传感器的任何直接接触（连接起来非常困难），从而实现了可扩展的制造工艺和可靠的产品。紧凑地安装在相机镜头上的组件称为镜头盖系统(LCS)，类似于智能手机相机上看到的平面玻璃盖。弯曲LCS 提供大视场且光学畸变极小，如图4 所示。

图4：视场角大于190 的表面LCS

完全集成的ULC

ULC可以直接在相机模块中实现，通过驱动最终相机镜头振动，无需使用镜头盖。最终的相机镜头称为前端元件，如图5 所示。与添加镜头盖相比，集成减少了整体系统尺寸，但也增加了超声波清洗和制造工艺的复杂性，部分原因是前端元件的厚度- 无论是单模式还是双模式清洁，末端组件并不统一。所有这些都会抑制足够驻波的产生。前部元件可能需要具有不同的厚度，以将光线折射到光学传感器中，但镜头盖仅用于保护相机，因此可以使用均匀的厚度。此外，由于前端元件是相机镜头堆栈的一部分，并且需要在制造过程中与光学传感器精确对准，因此增加了完全集成的ULC 系统的设计流程和过程的复杂性。

图5：相机镜筒中镜头堆叠的示例

半导体的作用

TI 的ULC1001 等特定应用标准产品(ASSP) 通过在单个器件中组合多种功能来降低成本和尺寸。由于制造多样性、外壳组装和安装的差异，每个镜头的固有频率不同，并且在各自的使用寿命期间会略有变化。 ULC1001可以在任意点表征镜头系统以增强效果。另一个集成功能是温度检测，它有助于检测和除冰，更重要的是，可用于维持压电功能。如果超过居里温度阈值，压电换能器就会去极化并失去其谐振特性。 ULC1001 监控压电传感器的温度，以确保传感器不会被驱动超过居里温度点，并检查是否有任何透镜故障，例如破损。 ULC1001 具有集成数字信号处理器和反馈回路，可自动检测污染物并进行清洁，无需图像处理。新的镜头清洁IC 通过图6 所示的示例状态机实现了此功能，该示例状态机可以针对给定应用进行定制。

图6：ULC 状态机的简化示例

让我们一起突破现状

尽管ULC 非常复杂且涉及多个方面，但TI 提供了开源机械设计和专用半导体，为该技术奠定了基础。在这里，邀请您探索ULC设计资源，突破汽车和工业市场的现状，打造更好、更智能、更实惠的具有自清洁功能的相机。

审稿人：彭静