超音波鏡頭清潔:您不知道自己其實需要的固態技術

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Other Parts Discussed in Post: ULC1001 德州儀器作者: Avi Yash […]

Other Parts Discussed in Post: ULC1001

德州儀器作者:

如果您夠年長、曾經擁有 CD 隨身聽,您可能還記得 CD 遭刮傷或出現髒污時會造成音樂斷斷續續。或者,您可能也還記得 VHS 錄影帶會出現纏繞問題、磁帶劣化和影像畫質劣化。快閃記憶體提供經濟實惠的固態解決方案,因而淘汰這些複雜的機械儲存方法。

 

在汽車產業中,製造商目前正在解決如何透過使用微型刮水器、噴射器、壓縮空氣和其它系統來清潔攝影機和感測器的問題。不過 由於這些解決方案的價格昂貴,而且機械結構複雜,因此不太可能普及。

 

超音波鏡頭清潔 (ULC) 則是適合這種情況的固態解決方案,對於攝影機和感測器可實現符合成本效益的自助清潔。

 

考量到諸多的鏡頭尺寸和材料,ULC 有許多結構方法,那半導體該如何發揮作用呢?為了便於本文敘述起見,讓我們將水視為一般圓形攝影機上的污染物,不過 ULC 處理的污染物不限於此。

 

若要清潔鏡頭,您可以產生一股力,將鏡頭上的水移動到視野 (FoV) 外,也可以使用比表面張力更強的一股力將水加速到霧化點。正如我先前的技術文章「什麼是超音波鏡頭清潔技術?」所述,ULC 運用透過共振進行建設性干擾的概念,將微觀振動的能量放大為足以移動或霧化水的能量。疏水和疏油塗層是降低鏡頭極性的有效方法,能夠優化 ULC 系統性能。

 

致動

為了獲得適當的振動,致動器必須產生必要的力、達到寬頻寬和小尺寸,並且符合成本效益。壓電致動器通常稱為壓電換能器,此裝置能夠滿足這些要求,並且對於軍事和汽車應用來說足夠可靠。極化壓電材料在對於鍍層表面施加電壓時會改變形狀。如果電勢本質上是交流電,壓電材料將以交流訊號的頻率進行諧振,因此,壓電換能器是在 ULC 中產生振動的有效致動器。圖 1 顯示兩種不同的壓電材料形狀,這些壓電材料在致動後會慢速振動。

 

 

1:壓電換能器以慢動作致動的動畫

 

清潔

只要簡單的方法即可讓鏡頭以其中一個固有頻率產生共振,因而產生稱為模式的駐波。表面上的高加速度可以將水排出。在直徑為 10 公釐至 40 公釐、厚度為 0.5 公釐至 2 公釐的圓形玻璃鏡頭上,驅動模式的一般頻率通常在 20 kHz 至 100 kHz 之間。由於共振頻率會隨著污染物而略微變化,因此清潔週期可能會對於鏡頭的固有頻率掃掠數千赫茲。例如,如果固有頻率為 30 kHz,則 ULC 系統可以從 28 kHz 掃掠到 32 kHz,達到確實清潔的效果。單模清潔的缺點是加速度梯度– 較低的加速點可能導致清潔效果不佳,並留下肉眼可見的殘留物。圖 2 顯示單模清潔系統和加速度梯度的模擬,突顯這個缺點。

 

2:單模清潔系統和加速度梯度的模擬

 

如圖 3 所示,雙模清潔是先進的 ULC 方法,可在連續的清潔週期中使用兩個不同的駐波。這種方法有助於消除死角或幾乎難以清潔的斑點,確實達到全面清潔的效果。

 

3:雙模清潔系統和加速度梯度的模擬

 

另一個 ULC 方法使用不直接振動玻璃板的表面聲波 (SAW)。SAW 不會產生用於排出的駐波,而會沿著表面行進並產生直接推進污染物的能量。SAW 方法需要更高的頻率和每個玻璃板的多個致動器,因此比直接鏡頭振動更複雜,而且成本更高。不過,這種方法比直接振動更適用於更大的表面和矩形窗格 (例如光達窗口)。此外,由於 SAW 在表面上傳播,這種方法需要的能量也比振動大而厚的鏡頭需要的能量更少。

 

鏡頭蓋系統

TI 發明的一個 ULC 方法為使用支架接合厚度均勻的鏡頭和環形壓電換能器。環形換能器佔用的額外空間很小,支架不需要玻璃與壓電的任何直接接觸 (壓電換能器可能很難接合),因此實現可擴展的製程和可靠的結果。這個組件稱為鏡頭蓋系統 (LCS),位於攝影機鏡頭上方,類似於智慧型手機攝影機的平面玻璃窗孔。如圖 4 所示,曲面 LCS 可以容納較大的 FoV,而且光學畸變最小。

 

4FoV 大於 190 度的曲面 LCS

 

完全整合式 ULC

使用者可以藉由致動最終攝影機鏡頭本身,在沒有鏡頭蓋的攝影機模組中直接採用 ULC。這個最終攝影機鏡頭稱為前部元件,如圖 5 所示。相較於增加鏡頭蓋,整合將縮減整個系統的尺寸,不過會增加超音波清潔和製造的複雜性。部份原因是前部元件的厚度不均勻 抑制足夠駐波的產生,例如單模或雙模清潔。為了將光折射到光學感測器中,前部元件可能需要不均勻的厚度,不過蓋板可以有均勻的厚度,因為蓋板僅用於保護攝影機。此外,由於前部元件是攝影機鏡頭組的一部份,因此在製程中需要精確對準光學感測器,導致完全整合式 ULC 系統的設計流程和製造變得複雜。

 

5:攝影機鏡筒內部鏡頭組的範例

 

半導體的作用

TI 的 ULC1001 之類的專用標準產品 (ASSP) 透過在一個裝置中加入多種功能來降低成本並縮減尺寸。有鑑於不同的製造變動性、外殼組件和安裝,每個個別的鏡頭都會有不同的自然頻率,而且會在使用壽命期間略微變化。ULC1001 可以隨時監控鏡頭系統的情況來提高效率。另一個整合功能是溫度感測,這有助於進行冰的偵測和清除,不過對於壓電功能的保留更為重要。如果超過居禮溫度閾值,壓電換能器將去極化並失去諧振特性。ULC1001 可以監控壓電換能器的溫度,藉以確保驅動時不會超過居禮點,也可以檢查是否有任何鏡頭故障,例如碎屑的殘片或裂縫。ULC1001 具備整合數位訊號處理器和閉合回饋迴路,不需要影像處理即可進行自動污染物偵測和清潔。新的鏡頭清潔 IC 透過狀態機實現這些功能,如圖 6 中所示的範例,針對特定應用可自訂這些功能。

 

6ULC 狀態機的簡化範例

 

讓我們大展身手

雖然 ULC 相當複雜,而且涉及許多方面,不過 TI 已經為包括開放原始碼機械設計和專用半導體在內的技術奠定基礎。我想邀請您探索 ULC 設計資源,並在汽車和工業市場大展身手 — 推出更優質、更智慧、更實惠且具備自助清潔功能的攝影機。

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