Haben Sie schon einmal beobachtet, wie ein Hund Wasser abschüttelt? Dann haben Sie die „vierbeinige Physik“ erlebt – die Inspiration für den weltweit ersten speziell entwickelten Ultraschall-Chipsatz zur Reinigung von Objektiven.

So wie ein Hund sich instinktiv sauber schüttelt, macht sich die Ultraschalltechnologie zur Reinigung von Kameraobjektiven präzise gesteuerte Vibrationen zunutze, um die Objektive selbst zu reinigen, wenn sie verschmutzt oder nass geworden sind. Mit der zunehmenden Automatisierung unserer Welt verfügen Autos, Roboter, Fabriken und vieles über immer mehr Kameras und Sensoren. Da Verunreinigungen und Feuchtigkeit die Kamerasicht behindern und die Entscheidungsfindung in Echtzeit beeinträchtigen können, werden Reinigungsfunktionen immer wichtiger.

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„Etwa im Sommer 2015 begann das autonome Fahren Fahrt aufzunehmen. Es gab Prognosen, dass wir bald 10–15 Kameras an einem durchschnittlichen Auto haben würden“, so Dave Magee, ein Ingenieur der Kilby Labs, dem Labor für angewandte Forschung unseres Unternehmens. „Das wirft eine ganz praktische Frage auf: Wie sorgt man dafür, dass sie alle sauber bleiben?“

Es wird immer komplexer, herkömmliche Reinigungslösungen, wie etwa Wasser- oder Druckluftsprühgeräte, zu montieren und zu warten, wenn man die Wasser- und Luftleitungen zu den Objektiven rund um das Auto führen muss. Magee begann zu untersuchen, ob Ultraschallschwingungen ein rein elektrisches Mittel sein könnten, um Kameraobjektive sauber zu halten.

„Durch den Einsatz einer elektromechanischen Komponente, eines so genannten piezoelektrischen Messwandlers, können wir kleine, für das menschliche Auge unsichtbare Schwingungen erzeugen“, erklärt Avi Yashar, ein Produktmarketing-Ingenieur in unserer Unternehmenssparte Audio, der an dem Projekt zur Ultraschallreinigung von Objektiven arbeitet. „Ein Objektiv hat eine natürliche Frequenz, bei der es schwingt. Wenn man Ultraschallschwingungen speziell bei dieser Frequenz anlegt, wird das Glas auf mikroskopischer Ebene heftig geschüttelt, sodass sichtbare Verunreinigungen wie Wasser oder Schmutz, die auf der Oberfläche liegen, abgestoßen werden.

Den Schmutz abschütteln

Die Entwicklung einer Ultraschalltechnologie zur Reinigung von Objektiven, die sich dieses Phänomen zunutze macht, erforderte die Überwindung einiger, wie Dave Magee es nennt, „wirklich komplexer physikalischer Probleme“, um die Schwingungen des Objektivs mit denen des Transducer zu koordinieren. Bei seinen Forschungen und Tests in den Kilby Labs entdeckte er nicht nur eine Möglichkeit, diese Schwingungen sicher und zuverlässig zu steuern, ohne das Glas zu zerbrechen, sondern er begann auch, mit anderen Ingenieuren aus unserer Unternehmenssparte Audio zusammenzuarbeiten, um die Steuerungsund Überwachungssysteme in den weltweit ersten speziell entwickelten Chipsatz für die Ultraschallreinigung von Objektiven zu integrieren. 

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„Die Algorithmen und die Art und Weise, wie wir das Ultraschallsystem elektrisch ansteuern, sind einzigartig“, sagt Kelly Griffin, ein Systemingenieur in unserer Unternehmenssparte Audio. „Andere Lösungen würden mehrere Chips und einen separaten Mikrocontroller erfordern. Stattdessen haben wir das, was eine Fünf-Chip-Lösung gewesen wäre, auf eine Zwei-Chip-Lösung reduziert. Somit bieten wir den Entwicklern eine kompakte und erschwingliche Möglichkeit, die Ultraschall-Linsenreinigung in ihre Systeme zu integrieren.“

Durch die Integration mehrerer Systeme erkennt der Ultraschall-Chipsatz für die Linsenreinigung unseres Unternehmens automatisch, wenn sich ein Hindernis auf der Linse befindet, und aktiviert einen Reinigungszyklus, um die Verunreinigungen zu beseitigen – was den Bedarf an menschlichem Eingreifen und Wartung reduziert. Der Chipsatz kann für verschiedene Objektivtypen kalibriert werden. Er ist in der Lage, das Reinigungssystem zu überwachen, um Fehlfunktionen zu erkennen. Er schüttelt nicht nur Wasser und Staub ab, sondern kann sogar Eis schmelzen, indem er durch die schnelle Vibration Wärme erzeugt.

All diese Funktionen werden über ein einziges Kabelpaar verwaltet, während der Chipsatz in den zugewiesenen Kameraraum passt und die bereits vorhandenen Strom- und Datenleitungen der Kamera nutzt.

Die selbstreinigende Kamera

Der Ultraschall-Chipsatz für die Objektivreinigung sorgt für mehr Effizienz bei Anwendungen, bei denen eine Unterbrechung des Betriebs zur manuellen Reinigung eines Objektivs nicht möglich ist.

Neben autonomen Fahrsystemen können auch automatisierte Produktionslinien, medizinische Bildgebungsgeräte oder Lieferdrohnen zum Einsatz kommen – alles, was ein Kameraobjektiv oder einen Sensor hat.

„Anstatt die Anlagen in einer Fabrik jedes Mal abzuschalten, wenn die Linse gereinigt werden muss, könnte man ein System einrichten, bei dem sich die Linsen regelmäßig selbst reinigen, ohne dass die Produktionslinie angehalten werden muss“, so Kelly. „Oder Sie könnten das Objektiv einer Lieferdrohne während des Flugs reinigen. Diese Funktion wird erhebliche Vorteile mit sich bringen, denn sie macht den Betrieb einer solchen Anwendung auch bei Regen möglich.“

Der nächste Schritt für das Team ist die Ausweitung dieser Technologie auf die Reinigung größerer Glasstücke, wie sie in LIDAR-Systemen verwendet werden, die mehrere Zentimeter groß sein können. 

Wenn es darum geht, zukünftige Anwendungen für die UltraschallLinsenreinigung vorherzusagen, freut sich das Team am meisten auf die neuen Ideen, die unsere Kunden entwickeln.

„Die Ultraschallreinigung von Objektiven kann in allen Branchen eingesetzt werden“, so Avi Yashar. „Wenn Sie in 20 Jahren jemandem erzählen, dass Sie früher aus dem Auto gestiegen sind, um Ihre Rückfahrkamera zu reinigen, wird er nur müde lächeln. Eine Kamera sollte sich ja mittlerweile selbst reinigen können. Das macht einfach nur Sinn.“