? ? ? ?如果您曾用过便携々式?CD?播放器，大概率懂得CD?被划伤或弄脏后听到跳音的感受。或许，您也还记得?VHS?磁带的缠◥绕问题、磁带老化和图像质量差的体验。闪存作为一种经济实用的固态解决方案，淘汰了这些复杂的机械存储方式。

? ? ? ?在如今的汽车行业，制造♀商可以通过使用微型雨刮器、喷水器、压缩空气和其他【系统来解决摄像头和传感器◥的清洗问题。然而，由于这些解决方案价格昂贵且机械复杂度高，因此普及使用的可能性不大。

? ? ? ?本文介绍的超声波镜头清洗?(ULC)?固态解决方案可实现摄像ζ　头和传感器的自清洗，并且具有成本效益。

? ? ? ?鉴于镜头尺寸和材料繁多，实现?ULC?的结构方』法也多种多样。那么，半导体如何发挥∮作用？尽管?ULC?可实现的功能○不限于本文所述，为方便起√见，本文将典型圆形摄像头上的水滴作为污染物进行演示。

? ? ? ?要清洗镜头，可以︽施加一个力将水滴从镜头上排到视场 (FoV) 外，或者也可以通过施加大于表面张力的力将水滴雾化。正如我之前发表的技术文章“什么是超声波镜头清洗技术∏？”中讲到的，ULC 通过共振并╳利用相长干涉的概念，将从微小振动产生的能量放大为可以移动水滴或将ξ其雾化的较强能量。具有疏水性和疏油性的外壳可有效降低镜头极性，优化 ULC 系统的性能。

驱动

? ? ? ?要产生所需的◣振动，执行器必须产生必要的力、具有宽带宽和小外形尺寸，并且具有成本效益。压电执行器通常称为压电换能器，不仅可以满足这些要∏求，而且其可靠性可满足军事和汽车应用的要求。当Ψ对极化压电材料的电镀表面施加一个电压电势，其形状会发生变化。如果电压电势本质上是交流的，则压电材料№会以交流信号的频率产生共振。因此，压电换能器是?ULC?中产生振动的有效执行器。图?1?展示了两个不同形状的压电材料被驱动产生振动而慢速运动卐。

图?1：压电换能器被驱动产∑生慢速运动的动画

清洗

? ? ? ?使镜头以其固有频率之一产生共振的一种简单方法是「产生驻波（称为“单模”）。表面的高加速度可以排除水滴。在直径为?10mm?至?40mm、厚度为?0.5mm?至?2mm?的圆形玻璃镜头上驱动单模的典型频率通常介于?20kHz?和?100kHz?之间。由于共振频率会因污染物稍有变↑化，清洗周期范围可能为镜头的固有频率上下几千赫兹。例如，如果固有频率为?30kHz，ULC?系统的频率范围可为?28kHz?至?32kHz，以便确↑保进行合适的清洗。单模清洗的缺点是加速度梯度，加速度较ζ小的点上可能清洗效果较差并且会留下肉眼可见的残留物。图?2?展示了单模清洗系统的仿真及其加速∞度梯度，突出显示了此缺点。

图?2：单模清洗系统的仿真及其加速∞度梯度

? ? ? ?双模清洗是在连续清洗周期内采用两个不同驻波的高级?ULC?方法，如图?3?所示。该方法有助于消除盲点或没有（以及⊙几乎没有）清洗到☆的点，从而确保实现全面覆盖。

图?3：双模清洗系统的仿真及其加速』度梯度

? ? ? ?另一种?ULC?方法是使用表面声波?(SAW)，SAW?不会直接让玻璃板产生振动。与用于排走污染Ψ 物的驻波不同，SAW?沿表ㄨ面传播，并通过对污染物直接施加能量将其弹掉。相比直接使镜头产生振动，SAW?方法需要的频率高得多且每个玻璃板需要多个执行♀器，因此⌒更加复杂，成本也更高。但是，这种方法在较大的∏平面和矩形面板（如激光雷达窗口片）上要比直接振动效果更好。由于?SAW?在表面传播，该方法比使大且厚的镜头振ぷ动更节省能量。

镜头盖系统

? ? ? ?TI?发明的?ULC?方法使用一个支架来连接具有统一厚度的镜头和环形压电换能器。环形换能器需要〗占据一点额外的空间，支架可避免玻璃镜头与压电★换能器的任何直接接触（连接非常具有挑战△性），这样可以实现可扩展的制造过程并获得可靠的产品。紧凑地罩在摄像头镜头上的组件称为镜⌒　头盖系统?(LCS)，与您看到的智能手机摄像头上的平面盖板玻璃类似。曲面?LCS?可提供较大的?FoV?且光学失真非常小，如图?4?所示。

图?4：具有大于?190?FoV?的曲面?LCS

完全ζ　集成式?ULC

? ? ? ?在不使用镜头盖的情况下，通过驱动末级摄【像头镜头产生振动，可在摄像头模块中ω直接实现?ULC。末级摄像头镜头称为前端元件，如图?5?所示。与添加镜头盖相比，通过集成可∴以减小整体系统尺寸，但也会增加超声波清洗和制造过程的复杂性，部分原因在于前端元件的厚度并不统一，无论是单模清洗还是双模清洗，均会抑制产生足♂够的驻波。前端元件可能需要具有不同厚度▓，以便使光发生折射进入光学传感器，但镜卐头盖的作用仅是保护摄像头，所以可以→使用统一厚度。此外，由于前端元件是摄像头镜头堆叠的一部分，需要在制造过程中与光学传感器精密对齐，因此增加了完全※集成式?ULC?系统设计流程和工艺的复杂度。

图?5：摄像头镜筒中的镜头堆叠示例

半导体的作用

? ? ? ?TI?的?ULC1001?等专用标准№产品】?(ASSP)?可通过在单个器件中▅组合多种功能来降低成本和减小尺寸。鉴于制造多⊙样性、外壳组装和安装的差『异，每个镜头的固有频率均不同，并且会在各自生命周期内略有变化。ULC1001?可以在任何①点来表征镜头系统◥，提升效果。另一个集成功能是温度检测，该功能可方便检测和除冰，更重要是可以用于保持压电功能。如果超出了居里█温度阈值，压电换能ω　器会去极化并丢失其共振属性。ULC1001?可监测压电换能器的温度，确保换能器不会在超过居里温度点后被驱动，并且还能检查所有镜头故障，如碎裂。ULC1001?具有集成式数字信号处理器和反馈闭环，无需图像处理即可实现自动污染物检测和清洗○。全新的镜头清洗?IC?实现了上述功能，其状态机示例如图?6?所示，可针对给定应用进行定制。

图?6：ULC?状态机简︾化示例

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