Selbstreinigende Kameras Potenzial der Linsenreinigung mittels Ultraschall

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Die Ultraschall-Linsenreinigung bietet eine kostengünstige Alternative für die Selbstreinigung von Kameras und Sensoren. Diese Systeme nutzen mechanische Vibrationen, um schnell Wärme zu erzeugen, Eis zu schmelzen und Wasser zu entfernen.

Vielleicht haben Sie schon einmal davon gehört, dass man durch lautes Singen eines hohen Tons Gläser zerspringen lassen kann – aber ist es auch möglich, Glas auf diese Weise nicht zu zerstören, sondern zu reinigen? Letzteres funktioniert tatsächlich: mit präzise geregelten, hochfrequenten Vibrationen ist die Ultraschall-Reinigungstechnik in der Lage, Glasoberflächen von Verschmutzungen zu befreien. Damit wäre es beispielsweise möglich, Regentropfen auf dem Objektiv einer Kfz-Rückfahrkamera automatisch zu erkennen und zu beseitigen, ohne dass ein manuelles Eingreifen erforderlich ist.

In der Automobilindustrie beschäftigen sich die Hersteller tatsächlich mit der Frage, wie man Kameras und Sensoren reinigen kann, indem sie Miniaturwischer, Sprühdüsen, Druckluft und andere Systeme einsetzen. Aber diese Lösungen sind teuer und mechanisch komplex.

Eine Alternative bietet die Ultraschall-Linsenreinigung, mit der eine kostengünstige Selbstreinigung von Kameras und Sensoren möglich ist. Der folgende Beitrag beschreibt, wie sich mit der ULC-Technik (Ultrasonic Lens Cleaning) selbstreinigende Kameras realisieren lassen.

Wie funktioniert die Linsenreinigung per Ultraschall?

Beginnen wir bei den physikalischen Grundlagen. Jeder Gegenstand besitzt eine bestimmte Eigenfrequenz, die sich aus seiner molekularen Struktur und seiner Geometrie ergibt. Es handelt sich hierbei um diejenige Frequenz, mit der das Objekt von sich aus vibriert bzw. oszilliert, nachdem es mit Energie angeregt wurde. Eine Gitarrensaite etwa schwingt nach dem Anschlagen genau mit ihrer Eigenfrequenz, und ein Weinglas tönt ebenfalls mit einer spezifischen Frequenz, nachdem man es mit einem Gegenstand angeschlagen hat.

Leitet man wiederholt und genau in der passenden Eigenfrequenz Energie in ein Material ein, überlagern sich die ankommenden Wellen mit den natürlich vorhandenen Schwingungen, wodurch diese intensiver werden, aber nach wie vor phasengleich sind. Dies wird als Resonanz bezeichnet.

Auch Linsen aus Glas, Silizium und Polycarbonat weisen abhängig von ihrer Form und Dicke jeweils ganz bestimmte Eigenfrequenzen auf und geraten in Resonanz, wenn sie durch eine Vibration im Ultraschallbereich mit ihrer jeweiligen Eigenfrequenz angeregt werden.

Es ist also durch Einleiten von Ultraschallvibrationen in besonderen Mustern sowie mithilfe von Piezo-Schallwandlern und hochentwickelten Halbleitern möglich, Wasser, Schmutz und andere Verunreinigungen von einer Oberfläche zu entfernen.

Ansatz mit einer oder zwei Moden

Bei einem einfachen Ansatz wird die Linse bei einer ihrer natürlichen Frequenzen in Resonanz gebracht, um eine stehende Welle (Mode) zu erzeugen. Die hohe Beschleunigung an der Oberfläche treibt das Wasser aus.

Eine typische Frequenz für die Erzeugung einer Schwingung auf einer runden Glaslinse mit einem Durchmesser von 10 bis 40 mm und einer Dicke von 0,5 bis 2 mm liegt zwischen 20 und 100 kHz. Da sich die Resonanzfrequenz durch Verunreinigungen leicht ändert, kann ein Reinigungszyklus einige Kilohertz um die Eigenfrequenz der Linse herum schwingen.

Beträgt die Eigenfrequenz beispielsweise 30 kHz, könnte ein ULC-System im Bereich zwischen 28 und 32 kHz reinigen. Ein Nachteil dieser Einmoden-Reinigung ist der Beschleunigungsgradient; niedrigere Beschleunigungspunkte reinigen schlecht und hinterlassen optische Rückstände.

Die bimodale Reinigung ist ein ULC-Ansatz, bei dem zwei verschiedene stehende Wellen in aufeinanderfolgenden Reinigungszyklen eingesetzt werden. Dieser Ansatz trägt dazu bei, tote Punkte oder Punkte mit geringer oder gar keiner Reinigungswirkung zu beseitigen, um eine vollständige Abdeckung zu gewährleisten.

In Bild 1 ist der Querschnitt durch ein Ultraschall-Linsenreinigungssystems dargestellt, und die Animation in Bild 2 verdeutlicht, wie Wasser durch das Ultraschall-Linsenreinigungssystem von der Linsenoberfläche entfernt wird. Die Bewegung der Linsenabdeckung ist hier deutlichkeitshalber stark übertrieben dargestellt – in Wirklichkeit beträgt die Auslenkung nur etwa 10 µm.

Worin liegt die Bedeutung der Technik zur Ultraschall-Linsenreinigung?

Ultraschall-Reinigungsbäder werden nicht nur im medizinischen Bereich routinemäßig eingesetzt. Es waren jedoch Innovationen bei der mechanischen Konstruktion, der Softwarealgorithmen und der Halbleiterintegration notwendig, um das Reinigen von Oberflächen per Ultraschall in der freien Luft zu ermöglichen. Selbstreinigende Kameralinsen sind übrigens nicht nur für die Automobilindustrie interessant. Vielmehr profitiert jede Anwendung, in der Kameras zum Einsatz kommen, von dieser Technik – von der Verkehrsüberwachung über die Endoskopie bis zu Machine-Vision-Applikationen.

Viele Autos sind mit bis zu acht Kameras sowie weiteren Umgebungssensoren beispielsweise auf Lidar-Basis ausgestattet. Sinnvoll nutzbar sind diese Kameras und Sensoren jedoch nur, wenn ihre Linsen frei von Verunreinigungen sind. Schlammspritzer oder Regentropfen können die autonomen Funktionen schnell außer Gefecht setzen. Wenn also die Autos immer intelligenter, sicherer und ausgefeilter werden, dürften wahrscheinlich neue Vorschriften erlassen werden, die besagen, dass diese Sensoren in Anwendungen wie etwa autonomen Notbremsfunktionen unter allen Wetterbedingungen funktionsfähig sein müssen.

Ultraschall-Linsenreinigungssysteme nutzen mechanische Vibrationen, um schnell Wärme zu erzeugen, Eis zu schmelzen und Wasser zu entfernen. Indem sie Wasser erkennen und es durch Vibration in kleinste Bestandteile auflösen, können sie Regen fortlaufend von den Linsen beseitigen.

Mit den richtigen Algorithmen und einer geeigneten mechanischen Konstruktion sind diese Systeme sogar in der Lage, Verunreinigungen wie Staub, Schlamm oder sogar Insekten zu entfernen. Dies mag recht komplex klingen, aber es gibt applikationsspezifische integrierte Schaltungen (ASSP), die diese Aufgabe mit sehr geringem Platzbedarf erledigen können. Mit einem ASSP wie dem ULC1001 lässt sich ein automatisches Ultraschall-Linsenreinigungssystem als eigenständige Lösung implementieren, die lediglich eine Stromversorgung und eine optionale Datenleitung benötigt.

Aufbau eines bimodalen Linsenreinigungssystems

Diese ULC-Methode besteht aus einer Halterung, die eine gleichmäßig dicke Linse mit einem ringförmigen Piezo-Wandler verbindet. Ringförmige Wandler benötigen nur wenig zusätzlichen Platz und die Halterung verhindert den direkten Kontakt zwischen Glas und Piezo. Diese Baugruppe wird als Lens Cover System (LCS) bezeichnet, da sie kompakt über dem Kameraobjektiv sitzt, ähnlich wie bei Smartphone-Kameras.

Mit dem ASSP lassen sich die Linseneigenschaften charakterisieren und die Effizienz steigern. Ein Temperatursensor erkennt Vereisung, Linsenfehler (Risse, Schmutz) und steuert den Piezo-Wandler. Ein integrierter DSP und die Rückkopplungsschleife ermöglichen das automatische Erkennen und die Reinigung ohne Bildverarbeitung.

Angesichts der Forderung nach sicheren und zuverlässigen Autos ist davon auszugehen, dass die Automobilindustrie auf die Ultraschall-Linsenreinigung setzen wird. Aber auch in anderen Anwendungen, wie etwa bei Systemen für die automatisierte Landwirtschaft, Verkehrsüberwachungs-Kameras und Sportübertragungen, wird man diese Technik wegen ihrer Performance-Vorteile, ihrer Effizienz und ihrer rationellen Instandhaltung verwenden. Die Ultraschall-Linsenreinigung funktioniert somit nicht ganz so wie das Singen eines hohen Tons, aber dennoch handelt es sich hier um ein hochinteressantes Verfahren. (kr)

* Avi Yashar ist Product Marketing Manager bei Texas Instruments.

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