Wie funktionieren Endoskopkameras bei schlechten Lichtverhältnissen?

Einleitung
Endoskopkameras arbeiten oft in dunklen, engen Räumen – in Rohren, Motorzylindern oder im menschlichen Körper. Eine gute Leistung bei schwachem Licht ist unerlässlich. Wenn die Kamera bei schlechten Lichtverhältnissen nicht gut sehen kann, wird das Bild verrauscht, dunkel oder verschwommen, wodurch Defekte oder Gewebeprobleme schwer zu erkennen sind. In diesem Artikel wird erläutert, wie Endoskopkameramodule mit schlechten Lichtverhältnissen umgehen, was ihre Schwachlichtfähigkeit einschränkt und wie Sie das richtige HD-Endoskopkameramodul für Ihre Anforderungen auswählen.

Warum schwaches Licht eine Herausforderung darstellt
Im Gegensatz zu einem Smartphone, das einen hellen Blitz verwenden kann, bietet ein Endoskopkameramodul nur sehr wenig Platz für LEDs. Die Beleuchtung erfolgt normalerweise durch ein paar winzige LEDs rund um die Linse. Die Kamera muss mit sehr wenig reflektiertem Licht arbeiten. Bei schlechten Lichtverhältnissen treten zwei Probleme auf:

• Dunkles Bild – nicht genügend Photonen erreichen den Sensor.

• Rauschen – Der Sensor verstärkt das Signal, wodurch auch zufälliges elektronisches Rauschen verstärkt wird, was zu einem körnigen Bild führt.

Hersteller verwenden verschiedene Techniken, um die Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen zu verbessern .

1. Wählen Sie einen empfindlichen CMOS-Sensor.
Die meisten modernen Endoskope verwenden ein CMOS-Endoskopkameramodul . CMOS-Sensoren sind bei gleicher Leistung naturgemäß empfindlicher als ältere CCDs. Bei der Back-illuminated-Technologie (BSI) wird die Verkabelung hinter den Pixeln platziert, sodass mehr Licht auf den empfindlichen Bereich trifft. Ein CMOS-Endoskopkameramodul mit BSI kann bei 30–50 % empfindlicher sein schlechten Lichtverhältnissen als ein Nicht-BSI-Sensor mit derselben Pixelgröße.

Beispielsweise ist der Sony IMX290 aufgrund seiner hervorragenden Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen dank BSI in medizinischen und industriellen Zielfernrohren beliebt.

2. Erhöhen Sie die Pixelgröße (oder verwenden Sie einen größeren Sensor).
Größere Pixel sammeln mehr Licht. Ein 2,0-µm-Pixel fängt viermal so viele Photonen ein wie ein 1,0-µm-Pixel. Bei einem bestimmten Endoskopkameramodul ist die Sensorgröße durch den Spitzendurchmesser begrenzt. Sehr dünne Zielfernrohre (unter 3 mm) müssen winzige Sensoren (z. B. 1/9 Zoll) mit kleinen Pixeln verwenden, sodass sie bei schlechten Lichtverhältnissen Probleme haben . Ein HD-Endoskopkameramodul (1080p) mit einem 1/4″- oder 1/3″-Sensor verfügt über größere Pixel und eine viel bessere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen.

3. Verwenden Sie hochwertige Optik.
Ein Objektiv mit einer größeren Blende (kleinerer Blendenzahl) lässt mehr Licht den Sensor erreichen. Ein f/2,0-Objektiv lässt doppelt so viel Licht durch wie f/2,8. Bei einem flexiblen Endoskop-Kameramodul ist das Objektiv oft der limitierende Faktor – es muss klein und günstig sein. High-End-Zielfernrohre verwenden Mehrelement-Glaslinsen mit f/1,8 bis f/2,4, um die Erfassung bei schlechten Lichtverhältnissen zu verbessern .

4. Optimieren Sie die LED-Beleuchtung.
Die eingebauten LEDs sind die Hauptlichtquelle. So verbessern Sie die Bildqualität bei schlechten Lichtverhältnissen :

• Verwenden Sie LEDs mit höherer Lichtleistung pro Watt.

• Platzieren Sie die LEDs so nah wie möglich an der Linse.

• Lassen Sie die LEDs synchron mit der Belichtung des Sensors pulsieren (Global-Shutter-Sensoren ermöglichen dies ohne Flimmern).

Einige flexible Endoskopkameramoduldesigns verwenden faseroptische Lichtleiter anstelle von LEDs und werden an eine externe hochintensive Lichtquelle angeschlossen – wie es bei medizinischen Laparoskopen üblich ist.

5. Digitale Rauschunterdrückung anwenden
Selbst bei guter Hardware bleibt etwas Rauschen bestehen. Der ISP (Bildsignalprozessor) der Kamera wendet eine räumliche und zeitliche Rauschunterdrückung an. Spatial NR glättet den aktuellen Frame; Die zeitliche NR bildet den Durchschnitt mehrerer Frames. Beide reduzieren die Körnung, können aber auch feine Details verwischen. Ein gutes HD-Endoskopkameramodul vereint Rauschunterdrückung und Detailerhaltung.

6. Reduzieren Sie die Bildrate, um die Belichtungszeit zu verlängern.
In sehr dunklen Szenen kann die Kamera die Belichtungszeit verlängern. Wenn Sie beispielsweise die Geschwindigkeit von 30 fps (33 ms pro Frame) auf 15 fps (66 ms pro Frame) senken, verdoppelt sich die Menge des gesammelten Lichts. Der Nachteil ist ein ruckeligeres Video – akzeptabel für die stationäre Inspektion, aber nicht für schnelle Bewegungen.

Leistung bei schwachem Licht nach Endoskoptyp

Praktische Tipps für eine bessere Endoskopie bei schlechten Lichtverhältnissen

• Fügen Sie externe Beleuchtung hinzu – Verwenden Sie nach Möglichkeit eine separate Lichtquelle (Glasfaser oder heller LED-Ring).

• Wählen Sie einen BSI-Sensor – Fragen Sie, ob das CMOS-Endoskopkameramodul BSI-Technologie verwendet.

• Bildrate reduzieren – Mit vielen Softwaretools können Sie die Bilder pro Sekunde verringern und so die Belichtungszeit verlängern.

• Reinigen Sie die Linse – Staub oder Feuchtigkeit verringern die Lichtdurchlässigkeit.

• LED-Helligkeit erhöhen – Einige Endoskope verfügen über einen einstellbaren LED-Strom; Stellen Sie es auf Maximum.

Endoskop-Kameramodule für schwaches Licht von Sincere
Bei Sincere entwickeln wir Endoskop-Kameramodulprodukte mit geringem Licht als Schlüsselmetrik:

• Cmos-Endoskop-Kameramodul – BSI-Sensoren für hohe Empfindlichkeit.

• HD-Endoskopkameramodul – 1080p mit 1/3-Zoll-Großpixelsensoren.

• Flexibles Endoskop-Kameramodul – Optionen mit Glasfaser-Lichtleiteranschlüssen.

Zusammenfassung
schwachem Licht Die Leistung eines Endoskopkameramoduls bei hängt von der Sensorempfindlichkeit (BSI CMOS), der Pixelgröße (Sensorformat), der Objektivöffnung, der LED-Beleuchtung und der Rauschunterdrückung ab. Ein HD-Endoskopkameramodul mit einem 1/3-Zoll-BSI-Sensor liefert bei den meisten Inspektionen hervorragende Ergebnisse. Bei sehr beengten Platzverhältnissen ist ein flexibles Endoskopkameramodul mit einem winzigen Sensor bei schlechten Lichtverhältnissen schlechter geeignet – Sie benötigen möglicherweise eine externe Beleuchtung. Das Verständnis dieser Faktoren hilft Ihnen bei der Auswahl des richtigen CMOS-Endoskopkameramoduls für dunkle, anspruchsvolle Umgebungen.