【導(dǎo)讀】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(yàn)。閃存作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的固態(tài)解決方案,淘汰了這些復(fù)雜的機(jī)械存儲(chǔ)方式。
在如今的汽車行業(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(tǒng)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(jī)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)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(zhǎng)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?qū)⑵潇F化的較強(qiáng)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(dòng)
要產(chǎn)生所需的振動(dòng),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(dāng)對(duì)極化壓電材料的電鍍表面施加一個(gè)電壓電勢(shì),其形狀會(huì)發(fā)生變化。如果電壓電勢(shì)本質(zhì)上是交流的,則壓電材料會(huì)以交流信號(hào)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(zhí)行器。圖 1 展示了兩個(gè)不同形狀的壓電材料被驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)而慢速運(yùn)動(dòng)。
圖 1:壓電換能器被驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生慢速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫
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(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(tǒng)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(tǒng)的仿真及其加速度梯度,突出顯示了此缺點(diǎn)。
圖 2:?jiǎn)文G逑聪到y(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(gè)不同駐波的高級(jí) 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(xiàn)全面覆蓋。
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(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?zhèn)鞑?,并通過(guò)對(duì)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(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(dá)窗口片)上要比直接振動(dòng)效果更好。由于 SAW 在表面?zhèn)鞑?,該方法比使大且厚的鏡頭振動(dòng)更節(jié)省能量。
鏡頭蓋系統(tǒng)
TI 發(fā)明的 ULC 方法使用一個(gè)支架來(lái)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(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(zhàn)性),這樣可以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)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為鏡頭蓋系統(tǒng) (LCS),與您看到的智能手機(jī)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(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(qū)動(dòng)末級(jí)攝像頭鏡頭產(chǎn)生振動(dòng),可在攝像頭模塊中直接實(shí)現(xiàn) ULC。末級(jí)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(guò)集成可以減小整體系統(tǒng)尺寸,但也會(huì)增加超聲波清洗和制造過(guò)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(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(hù)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(guò)程中與光學(xué)傳感器精密對(duì)齊,因此增加了完全集成式 ULC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和工藝的復(fù)雜度。
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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)略有變化。ULC1001 可以在任何點(diǎn)來(lái)表征鏡頭系統(tǒng),提升效果。另一個(gè)集成功能是溫度檢測(cè),該功能可方便檢測(cè)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(jiān)測(cè)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(qū)動(dòng),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(hào)處理器和反饋閉環(huán),無(wú)需圖像處理即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)污染物檢測(cè)和清洗。全新的鏡頭清洗 IC 實(shí)現(xiàn)了上述功能,其狀態(tài)機(jī)示例如圖 6 所示,可針對(duì)給定應(yīng)用進(jìn)行定制。
圖 6:ULC 狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)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(kāi)源的機(jī)械設(shè)計(jì)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(chéng)邀您一起探索 ULC 設(shè)計(jì)資源并突破汽車和工業(yè)市場(chǎng)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(jì)實(shí)惠的攝像頭。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
峰值電流模式控制BUCK電路功率級(jí)電路計(jì)算及仿真