新型電子后視鏡(CMS)攝像機(jī)探析

付紅強(qiáng) 付兵凱

(上海豫興電子科技有限公司，上海，201702)

電子后視鏡(Camera-monitor System，簡(jiǎn)稱CMS)是采用攝像機(jī)、監(jiān)視器系統(tǒng)取代汽車玻璃后視鏡的安全件，通過(guò)攝像頭進(jìn)行圖像采集，再通過(guò)算法進(jìn)行圖像處理。相較于傳統(tǒng)后視鏡，CMS的體積更小、視角更靈活、更能夠適應(yīng)可見(jiàn)度較低的環(huán)境狀況。CMS在國(guó)外的研發(fā)歷史已經(jīng)超過(guò)30年，一些卡車制造企業(yè)如戴姆勒卡車已經(jīng)推出了第2代電子后視鏡。

在我國(guó)，GB 15084《機(jī)動(dòng)車輛間接視野裝置性能和安裝要求》將在2022年底或2023年初頒布。該標(biāo)準(zhǔn)的正式頒布，意味著裝配CMS取代玻璃后視鏡的合法性，主機(jī)廠在新車型申報(bào)公告時(shí)就可以有傳統(tǒng)玻璃后視鏡和CMS 2種選擇。

1 新型CMS攝像機(jī)探析背景及目的

不同于現(xiàn)有車載攝像機(jī)，CMS攝像機(jī)的安裝空間非常狹小，是一個(gè)壽命要求長(zhǎng)達(dá)8年的安全件。同時(shí)，CMS攝像機(jī)防水等級(jí)為IP6K9K，意味著攝像機(jī)的密封要求非常高。高密封性再加上惡劣工況，讓CMS攝像機(jī)內(nèi)部長(zhǎng)期處于高溫、高壓狀態(tài)，極易導(dǎo)致CMS攝像機(jī)的氣密失效，在CMS生命周期內(nèi)監(jiān)視器的影像質(zhì)量持續(xù)下降，從而影響行車安全。

因此，設(shè)計(jì)一款不同于現(xiàn)有高端車載攝像機(jī)，采用充氮?dú)夤に嚱档蛢?nèi)外壓差、保證8年生命周期內(nèi)圖像質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定的新型CMS攝像機(jī)是本文探析的目的。

2 新型CMS攝像機(jī)的設(shè)計(jì)背景及解決方案

2.1車(船)電器系統(tǒng)進(jìn)水主要途徑

(1)依靠水的重力滲入電器模塊，或通過(guò)插接件、線束內(nèi)聯(lián)點(diǎn)、線束搭鐵點(diǎn)間接滲入電器模塊中。

(2)由于虹吸現(xiàn)象，使水分子通過(guò)多股銅導(dǎo)線之間的縫隙進(jìn)入電器模塊。虹吸現(xiàn)象是指液體在分子間引力和大氣壓力的作用下，通過(guò)曲管流向位置較高的液面，再向下流入較低液面的現(xiàn)象，如圖1所示。在車(船)上，電器模塊工作時(shí)內(nèi)部升溫，停止工作溫度降低時(shí)，內(nèi)部壓力減小，此時(shí)在壓差的作用下，水分子通過(guò)密封不良的多股導(dǎo)線的縫隙，滲入電器模塊，引起電器故障。

圖1 虹吸現(xiàn)象原理示意圖

2.2雙氣室設(shè)計(jì)解決內(nèi)外壓差

2.2.1現(xiàn)有車載攝像機(jī)存在的問(wèn)題(1)攝像機(jī)長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)工作后內(nèi)部溫度急劇上升，產(chǎn)生的壓力無(wú)法排出而形成內(nèi)高壓，對(duì)攝像機(jī)密封膠墊、電路板等形成反復(fù)壓力，加劇老化，影響密封性。

(2)內(nèi)高壓長(zhǎng)時(shí)存在，會(huì)從多股線束空隙往外排，線束包裹層微孔薄弱部位形成鼓包穿透、或者在連接頭壓迫密封件排出氣體。冷卻時(shí)腔體形成負(fù)壓，進(jìn)而從破損處吸入大量水氣，對(duì)腔體內(nèi)電器部分造成損壞。

(3)國(guó)內(nèi)攝像機(jī)組裝大多在平原低海拔地區(qū)組裝密封，密封時(shí)內(nèi)部壓力已經(jīng)恒定，不能隨著外部空氣壓力而改變。中國(guó)地域遼闊，溫差、氣候變化大，在高海拔地區(qū)空氣壓力小，溫差大，攝像機(jī)長(zhǎng)期在這種內(nèi)外壓差大的環(huán)境工作，會(huì)導(dǎo)致攝像機(jī)性能下降和縮短使用壽命。

(4)生產(chǎn)組裝時(shí)的空氣水分因?yàn)榍惑w密封，工作時(shí)高溫高壓無(wú)法排出，在腔體內(nèi)部形成掛壁薄霧，彌散在鏡頭內(nèi)部影響畫(huà)質(zhì)，造成影像模糊。

(5)反復(fù)的高溫霧化水汽附著在鏡頭內(nèi)部玻璃，會(huì)在鏡頭玻璃形成水汽干結(jié)污染層，加速鍍膜層脫落，造成畫(huà)質(zhì)下降壽命縮短，不能滿足車(船)使用年限。

(6)攝像機(jī)內(nèi)部反復(fù)壓力會(huì)給電路板帶來(lái)微量畸變，鏡頭和sensor軸心點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生偏移，出現(xiàn)失焦、部分區(qū)域畫(huà)質(zhì)模糊，電器元件也會(huì)加速老化。

2.2.2解決方案

基于以上現(xiàn)有車載攝像機(jī)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙氣室攝像機(jī)(圖2)。該攝像機(jī)既能散熱、防水、透氣，還設(shè)計(jì)有平衡壓差的雙氣室交換機(jī)構(gòu)，防止在高海拔、溫差驟變引起的設(shè)備壓差強(qiáng)交換帶來(lái)的裝置失效。

圖2 雙氣室攝像機(jī)構(gòu)

利用攝像機(jī)原有艙室增加排氣裝置，攝像機(jī)工作會(huì)產(chǎn)生熱量，熱量會(huì)帶來(lái)壓力增大，此時(shí)防水透氣膜制作的透氣閥，把電器元件產(chǎn)生的高溫、高壓氣體排到第二艙室，經(jīng)過(guò)第二艙室緩沖的高壓與外部空氣交互平衡壓差，保持第一、第二艙室與外界大氣壓力一致；在攝像機(jī)停止工作時(shí)，第一艙室逐漸冷卻并降壓，此時(shí)會(huì)通過(guò)第二艙室與外界空氣交互平衡壓差不致形成負(fù)壓真空。

防水透氣膜具有獨(dú)特的透氣功能，能隨著壓力的變化進(jìn)行氣體互換，保持?jǐn)z像機(jī)工作環(huán)境與外界空氣壓力一致，從而減小密封件、電器元件的壓力，增強(qiáng)設(shè)備穩(wěn)定性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

2.3 EC鏡片降強(qiáng)光、加熱

2.3.1現(xiàn)有問(wèn)題

汽車行駛環(huán)境復(fù)雜，大燈強(qiáng)光會(huì)造成攝像機(jī)炫光。雖然在sensor選型和軟件圖像算法都進(jìn)行了很好的處理，但還是不能完全滿足用戶需求。

攝像機(jī)內(nèi)部工作溫度大多在50~70 ℃左右，在外界環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，組件因?yàn)槊芊?，組裝時(shí)封閉在腔體內(nèi)空氣中水分會(huì)液化，沾附在內(nèi)層玻璃產(chǎn)生薄霧，造成圖像模糊。此外，灰塵、雨水對(duì)攝像機(jī)鏡頭帶來(lái)的影響也不容小覷，鏡片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用能有效降低污染，達(dá)到自清潔目的。

2.3.2解決方案

鏡頭防護(hù)采用凸起的電致變色EC鏡片(圖3)，外表鍍疏水膜、抗炫光膜，遇到強(qiáng)光時(shí)通過(guò)感光電阻給到ECU控制，會(huì)自動(dòng)降低鏡片通光量，消除強(qiáng)光帶來(lái)的炫光。

圖3 鏡頭防護(hù)用EC鏡片

溫度感應(yīng)電阻會(huì)感知外界溫度并自動(dòng)加熱，能有效消除攝像機(jī)內(nèi)熱和外部低溫的平衡，消除外部水霧凝結(jié)掛壁現(xiàn)象。玻璃表面的水膜淡化蒸發(fā)，消除水膜帶來(lái)的圖像變形。

2.4防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1現(xiàn)有問(wèn)題

單純的膠墊設(shè)計(jì)作為密封裝置，長(zhǎng)年累月因?yàn)檎駝?dòng)和金屬應(yīng)力變化，會(huì)出現(xiàn)密封不嚴(yán)的現(xiàn)象，容易引發(fā)透氣、進(jìn)水。

增加液體膠固封干結(jié)等于做了雙密封設(shè)計(jì)，液體膠干結(jié)后為軟性膠體，金屬發(fā)生應(yīng)力變化，或者螺絲輕微松動(dòng)都不會(huì)產(chǎn)生漏氣進(jìn)水。

2.4.2解決方案

圖4所示是一種防水?dāng)z像機(jī)結(jié)構(gòu)，采用了特殊的羽毛球型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，灌封液體膠固化后形成特殊形態(tài)。同時(shí)，多折曲線設(shè)計(jì)也阻止了內(nèi)外空氣、水氣的交互。

圖4 防水?dāng)z像機(jī)結(jié)構(gòu)

2.5外形設(shè)計(jì)

2.5.1現(xiàn)有問(wèn)題

原有車(船)載攝像機(jī)設(shè)計(jì)大多都是通過(guò)膠條密封，或者內(nèi)部灌膠方法密封，但鏡頭在使用后還是會(huì)出現(xiàn)水霧、打膠密封帶來(lái)散熱不通暢等問(wèn)題，使用壽命下降。

2.5.2解決方案

新型攝像機(jī)的外形設(shè)計(jì)(圖5)在解決攝像機(jī)排氣、平衡壓差、防水密封方面，做了精細(xì)設(shè)計(jì)，可以顯著提升攝像機(jī)的使用安全，并延長(zhǎng)其使用壽命。

圖5 攝像機(jī)整體外形設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

CMS攝像機(jī)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)攝像機(jī)內(nèi)腔與外界的防水、透氣、平衡壓差技術(shù)。

(2)雙氣室緩沖壓差設(shè)計(jì)原理。

(3)溫度感應(yīng)、光感電阻、鍍疏水膜與電致鏡的綜合應(yīng)用，加熱、降強(qiáng)光、疏水。

(4)EC電致鏡凸起設(shè)計(jì)，增強(qiáng)抗沖擊強(qiáng)度保護(hù)，對(duì)攝像機(jī)鏡頭雙重保護(hù)。

(5)EC電致鏡+第一艙室+第二艙室組件之間密封圈、液體膠雙密封設(shè)計(jì)。