【導讀】如果您曾用過便攜式 CD 播放器
，大概率懂得CD 被劃傷或弄髒後聽到跳音的感受。或許，您也還記得 VHS 磁帶的纏繞問題、磁帶老化和圖像質量差的體驗。閃存作為一種經濟實用的固態解決方案，淘汰了這些複雜的機械存儲方式。

在如今的汽車行業
，製造商可以通過使用微型雨刮器
、噴水器
、壓ya縮suo空kong氣qi和he其qi他ta係xi統tong來lai解jie決jue攝she像xiang頭tou和he傳chuan感gan器qi的de清qing洗xi問wen題ti。然ran而er
，由you於yu這zhe些xie解jie決jue方fang案an價jia格ge昂ang貴gui且qie機ji械xie複fu雜za度du高gao，因yin此ci普pu及ji使shi用yong的de可ke能neng性xing不bu大da。

本文介紹的超聲波鏡頭清洗 (ULC) 固態解決方案可實現攝像頭和傳感器的自清洗
，並且具有成本效益。

鑒於鏡頭尺寸和材料繁多
，實現 ULC 的結構方法也多種多樣。那麼，半導體如何發揮作用
？盡管 ULC 可實現的功能不限於本文所述
，為方便起見，本文將典型圓形攝像頭上的水滴作為汙染物進行演示。

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於表麵張力的力將水滴霧化。正如我之前發表的技術文章“什麼是超聲波鏡頭清洗技術
？”中講到的，ULC 通(tong)過(guo)共(gong)振(zhen)並(bing)利(li)用(yong)相(xiang)長(chang)幹(gan)涉(she)的(de)概(gai)念(nian)，將(jiang)從(cong)微(wei)小(xiao)振(zhen)動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)量(liang)放(fang)大(da)為(wei)可(ke)以(yi)移(yi)動(dong)水(shui)滴(di)或(huo)將(jiang)其(qi)霧(wu)化(hua)的(de)較(jiao)強(qiang)能(neng)量(liang)。具(ju)有(you)疏(shu)水(shui)性(xing)和(he)疏(shu)油(you)性(xing)的(de)外(wai)殼(ke)可(ke)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)鏡(jing)頭(tou)極(ji)性(xing)
，優(you)化(hua) ULC 係統的性能。

驅動

要產生所需的振動，執行器必須產生必要的力
、具ju有you寬kuan帶dai寬kuan和he小xiao外wai形xing尺chi寸cun
，並bing且qie具ju有you成cheng本ben效xiao益yi。壓ya電dian執zhi行xing器qi通tong常chang稱cheng為wei壓ya電dian換huan能neng器qi
，不bu僅jin可ke以yi滿man足zu這zhe些xie要yao求qiu，而er且qie其qi可ke靠kao性xing可ke滿man足zu軍jun事shi和he汽qi車che應ying用yong的de要yao求qiu。當dang對dui極ji化hua壓ya電dian材cai料liao的de電dian鍍du表biao麵mian施shi加jia一yi個ge電dian壓ya電dian勢shi，其qi形xing狀zhuang會hui發fa生sheng變bian化hua。如ru果guo電dian壓ya電dian勢shi本ben質zhi上shang是shi交jiao流liu的de，則ze壓ya電dian材cai料liao會hui以yi交jiao流liu信xin號hao的de頻pin率lv產chan生sheng共gong振zhen。因yin此ci，壓ya電dian換huan能neng器qi是shi 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。

圖 1：壓電換能器被驅動產生慢速運動的動畫

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（稱為“單模”）。表麵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 之間。由於共振頻率會因汙染物稍有變化，清洗周期範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 係統的頻率範圍可為 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 2 展示了單模清洗係統的仿真及其加速度梯度，突出顯示了此缺點。

圖 2：單模清洗係統的仿真及其加速度梯度

雙模清洗是在連續清洗周期內采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，從而確保實現全麵覆蓋。

圖 3：雙模清洗係統的仿真及其加速度梯度

另一種 ULC 方法是使用表麵聲波 (SAW)，SAW 不會直接讓玻璃板產生振動。與用於排走汙染物的駐波不同
，SAW 沿表麵傳播，並通過對汙染物直接施加能量將其彈掉。相比直接使鏡頭產生振動
，SAW 方法需要的頻率高得多且每個玻璃板需要多個執行器，因此更加複雜，成本也更高。但是，這種方法在較大的平麵和矩形麵板（如激光雷達窗口片）上要比直接振動效果更好。由於 SAW 在表麵傳播
，該方法比使大且厚的鏡頭振動更節省能量。

鏡頭蓋係統

TI 發明的 ULC 方fang法fa使shi用yong一yi個ge支zhi架jia來lai連lian接jie具ju有you統tong一yi厚hou度du的de鏡jing頭tou和he環huan形xing壓ya電dian換huan能neng器qi。環huan形xing換huan能neng器qi需xu要yao占zhan據ju一yi點dian額e外wai的de空kong間jian

，支zhi架jia可ke避bi免mian玻bo璃li鏡jing頭tou與yu壓ya電dian換huan能neng器qi的de任ren何he直zhi接jie接jie觸chu（連接非常具有挑戰性），這樣可以實現可擴展的製造過程並獲得可靠的產品。緊湊地罩在攝像頭鏡頭上的組件稱為鏡頭蓋係統 (LCS)，與您看到的智能手機攝像頭上的平麵蓋板玻璃類似。曲麵 LCS 可提供較大的 FoV 且光學失真非常小
，如圖 4 所示。

圖 4：具有大於 190 FoV 的曲麵 LCS

完全集成式 ULC

在不使用鏡頭蓋的情況下，通過驅動末級攝像頭鏡頭產生振動，可在攝像頭模塊中直接實現 ULC。末級攝像頭鏡頭稱為前端元件
，如圖 5 suoshi。yutianjiajingtougaixiangbi，tongguojichengkeyijianxiaozhengtixitongchicun，danyehuizengjiachaoshengboqingxihezhizaoguochengdefuzaxing，bufenyuanyinzaiyuqianduanyuanjiandehoudubingbutongyi，wulunshidanmoqingxihaishishuangmoqingxi
，junhuiyizhichanshengzugoudezhubo。qianduanyuanjiankenengxuyaojuyoubutonghoudu
，yibianshiguangfashengzheshejinruguangxuechuanganqi，danjingtougaidezuoyongjinshibaohushexiangtou，suoyikeyishiyongtongyihoudu。ciwai，youyuqianduanyuanjianshishexiangtoujingtouduidiedeyibufen
，xuyaozaizhizaoguochengzhongyuguangxuechuanganqijingmiduiqi，yincizengjialewanquanjichengshi ULC 係統設計流程和工藝的複雜度。

圖 5：攝像頭鏡筒中的鏡頭堆疊示例

半導體的作用

TI 的 ULC1001 等專用標準產品 (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
，並且會在各自生命周期內略有變化。ULC1001 可(ke)以(yi)在(zai)任(ren)何(he)點(dian)來(lai)表(biao)征(zheng)鏡(jing)頭(tou)係(xi)統(tong)，提(ti)升(sheng)效(xiao)果(guo)。另(ling)一(yi)個(ge)集(ji)成(cheng)功(gong)能(neng)是(shi)溫(wen)度(du)檢(jian)測(ce)，該(gai)功(gong)能(neng)可(ke)方(fang)便(bian)檢(jian)測(ce)和(he)除(chu)冰(bing)，更(geng)重(zhong)要(yao)是(shi)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)保(bao)持(chi)壓(ya)電(dian)功(gong)能(neng)。如(ru)果(guo)超(chao)出(chu)了(le)居(ju)裏(li)溫(wen)度(du)閾(yu)值(zhi)
，壓(ya)電(dian)換(huan)能(neng)器(qi)會(hui)去(qu)極(ji)化(hua)並(bing)丟(diu)失(shi)其(qi)共(gong)振(zhen)屬(shu)性(xing)。ULC1001 可監測壓電換能器的溫度
，確保換能器不會在超過居裏溫度點後被驅動
，並且還能檢查所有鏡頭故障，如碎裂。ULC1001 具有集成式數字信號處理器和反饋閉環
，無需圖像處理即可實現自動汙染物檢測和清洗。全新的鏡頭清洗 IC 實現了上述功能，其狀態機示例如圖 6 所示，可針對給定應用進行定製。

圖 6：ULC 狀態機簡化示例

讓我們一起突破現狀

盡管 ULC 比較複雜並且涉及方方麵麵，TI 提供了開源的機械設計和應用特定的半導體等，為該技術打下了基礎。在此，誠邀您一起探索 ULC 設計資源並突破汽車和工業市場的現狀
，打造具有自清洗功能的更優質、更智能、更經濟實惠的攝像頭。

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