超音波鏡頭清洗：您不瞭解卻需要的固態技術
作者 : TI德州儀器
如今的汽車產業，製造廠能透過使用微型雨刷、噴水器、壓縮空氣和其他系統，解決攝影鏡頭及感測器的清洗問題，但那些方案要價不斐且機械複雜度高，未必能普及。本文介紹的超聲波鏡頭清洗(ULC)固態解決方案，則可實現攝影鏡頭及感測器的「自清洗」，並相對具成本效益。
要清洗鏡頭，可以施加一個力將水滴從鏡頭上排到可視範圍 (Field of View, FoV) 外，或者透過施加大於表面張力的力將水滴霧化。正如我之前發表的技術文章《什麼是超音波鏡頭清洗技術？》中講到的，超音波鏡頭清潔(ULC)透過共振並利用相長干涉的概念，將從微小振動產生的能量放大為可以移動水滴或將其霧化的較強能量。具有疏水性和疏油性的外殼可有效降低鏡頭極性，優化ULC系統的性能。
要產生所需的振動，執行器必須產生必要的力、具有寬頻寬和小外形尺寸，並且具有成本效益。壓電執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，其形狀會發生變化。如果電壓電勢本質上是交流的，則壓電材料會以交流信號的頻率產生共振。因此，壓電換能器是 ULC 中產生振動的有效執行器。圖1展示了兩個不同形狀的壓電材料被驅動產生振動而慢速運動。
清洗
使鏡頭以其固有頻率之一產生共振的一種簡單方法是產生駐波(standing wave, 又稱為單模)。表面的高加速度可以排除水滴。在直徑為10mm至40mm、厚度為0.5mm至2mm的圓形玻璃鏡頭上驅動單模的典型頻率，通常介於20kHz和100kHz間。由於共振頻率會因污染物稍有變化，清洗週期範圍可能為鏡頭的固有頻率上下幾千Hz。
比如，若固有頻率(Natural Frequency)為30kHz，ULC系統的頻率範圍可為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並且會留下肉眼可見的殘留物。圖1展示單模清洗系統的模擬及其加速度梯度，突出顯示了此缺點。雙模清洗則是在連續清洗週期內，採用兩個不同駐波的高級 ULC 方法，如圖3所示；該方法有助於消除盲點或沒有(以及幾乎沒有)清洗到的點，從而確保實現全面覆蓋。
單模清洗系統的模擬及其加速度梯度。 (來源：TI)
雙模清洗系统的模擬及其加速度梯度。 (來源：TI)
另一種ULC的方法是使用表面聲波(SAW)，SAW不會直接讓玻璃板產生振動。與用於排走污染物的駐波不同，SAW沿表面傳播，並透過對污染物直接施加能量將其彈掉。相比直接使鏡頭產生振動，SAW需要的頻率高得多且每個玻璃板需要多個執行器，因此更加複雜，成本也更高。不過這種方法，在較大的平面和矩形面板(如雷射雷達視窗片)上要比直接振動效果更好；在表面傳播，亦使該方法比大且厚的鏡頭振動更節省能量。
鏡頭蓋系統
TI開發的ULC方法，使用一個支架來連接具有統一厚度的鏡頭和環形壓電換能器。環形換能器需要占據一點額外的空間，支架可避免玻璃鏡頭與壓電換能器的任何直接接觸(連接非常具有挑戰性)，實現可擴展的製造過程並獲得可靠的產品。緊湊地罩在攝影機鏡頭上的元件稱為「鏡頭蓋系統」(LCS)，類似於智慧型手機攝影鏡頭上的平面蓋板玻璃，曲面LCS可提供較大的FoV，且光學失真非常小，如圖4所示。
具有大於190 FoV的曲面LCS。 (來源：TI)
完全整合型ULC
在不使用鏡頭蓋的情況下，透過驅動末級攝影鏡頭產生振動，可在攝影鏡頭模組中直接實現ULC。末級攝影鏡頭稱為前端元件，如圖5所示。與添加鏡頭蓋相比，透過整合可以減小整體系統尺寸，但也會增加超音波清洗和製造過程的複雜性，部分原因在於前端元件的厚度並不統一，無論是單模清洗還是雙模清洗，均會抑制產生足夠的駐波。
攝影鏡頭模組中的鏡頭堆疊。(來源：TI)
前端元件可能需要具有不同厚度，以便使光發生折射進入光學感測器，但鏡頭蓋的作用僅是保護攝影鏡頭，所以可以使用統一厚度。此外，由於前端元件是攝影鏡頭堆疊的一部分，需要在製造過程中與光學感測器精密對齊，因此增加了完全整合型ULC系統設計流程和製程的複雜度。
半導體的作用
TI的ULC1001等專用標準產品(ASSP)可透過在單個元件中組合多種功能來降低成本和減小尺寸。鑒於製造多樣性、外殼組裝和安裝的差異，每個鏡頭的固有頻率均不同，並且會在各自生命週期內略有變化。ULC1001可以在任何點來表徵鏡頭系統，提升效果。
另一個整合功能是溫度檢測，該功能可方便檢測和除冰，更重要是可以用於保持壓電功能。如果超出了居禮溫度(curie temperature)閾值，壓電換能器會去極化並丟失其共振屬性。ULC1001可監測壓電換能器的溫度，確保換能器不會在超過居禮溫度點後被驅動，並且還能檢查所有鏡頭故障，如碎裂。ULC1001具有整合式數位訊號處理器和回饋閉路，無需影像處理即可實現自動污染物檢測和清洗。
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