¿Cómo funcionan las cámaras endoscópicas con poca luz?

Introducción
Las cámaras endoscópicas suelen funcionar en espacios oscuros y reducidos: dentro de tuberías, cilindros de motores o el cuerpo humano. Un buen rendimiento con poca luz es esencial. Si la cámara no puede ver bien en condiciones de poca luz, la imagen se vuelve ruidosa, oscura o borrosa, lo que dificulta detectar defectos o problemas en los tejidos. Este artículo explica cómo los diseños de módulos de cámara para endoscopios manejan la iluminación deficiente, qué limita su capacidad en condiciones de poca luz y cómo elegir el módulo de cámara para endoscopios HD adecuado para sus necesidades.

Por qué la poca luz es un desafío
A diferencia de un teléfono inteligente que puede usar un flash brillante, el módulo de cámara de un endoscopio tiene muy poco espacio para los LED. La iluminación generalmente proviene de unos pequeños LED alrededor de la lente. La cámara debe funcionar con muy poca luz reflejada. Con poca luz aparecen dos problemas:

• Imagen oscura : no llegan suficientes fotones al sensor.

• Ruido : el sensor amplifica la señal, que también amplifica el ruido electrónico aleatorio, provocando una imagen granulada.

Los fabricantes utilizan varias técnicas para mejorar el rendimiento con poca luz .

1. Elija un sensor CMOS sensible
La mayoría de los osciloscopios modernos utilizan un módulo de cámara endoscópica CMOS . Los sensores CMOS son naturalmente más sensibles que los CCD más antiguos con la misma potencia. La tecnología de retroiluminación (BSI) coloca el cableado detrás de los píxeles, lo que permite que llegue más luz al área sensible. Un módulo de cámara endoscópica CMOS con BSI puede ser entre un 30 % y un 50 % más sensible en condiciones de poca luz que un sensor sin BSI del mismo tamaño de píxel.

Por ejemplo, el Sony IMX290 es popular en el ámbito médico e industrial debido a su excelente rendimiento en condiciones de poca luz gracias a BSI.

2. Aumente el tamaño de los píxeles (o utilice un sensor más grande)
Los píxeles más grandes recogen más luz. Un píxel de 2,0 µm captura cuatro veces más fotones que un píxel de 1,0 µm. En un módulo de cámara de endoscopio determinado , el tamaño del sensor está limitado por el diámetro de la punta. Los visores muy delgados (menos de 3 mm) deben usar sensores diminutos (por ejemplo, 1/9″) con píxeles pequeños, por lo que tienen dificultades con poca luz . Un módulo de cámara de endoscopio HD (1080p) con un sensor de 1/4″ o 1/3″ tiene píxeles más grandes y un rendimiento mucho mejor en condiciones de poca luz.

3. Utilice ópticas de alta calidad
Una lente con una apertura más grande (número f más pequeño) permite que llegue más luz al sensor. Una lente f/2.0 transmite el doble de luz que f/2.8. En un módulo de cámara para endoscopio flexible , la lente suele ser el factor limitante: debe ser pequeña y económica. Los visores de alta gama utilizan lentes de vidrio de elementos múltiples con f/1,8 a f/2,4 para mejorar la captura con poca luz .

4. Optimice la iluminación LED
Los LED integrados son la principal fuente de luz. Para mejorar las imágenes con poca luz :

• Utilice LED con mayor potencia luminosa por vatio.

• Coloque los LED lo más cerca posible de la lente.

• Pulse los LED sincronizados con la exposición del sensor (los sensores de obturador global lo permiten sin parpadeo).

Algunos diseños de módulos de cámara de endoscopio flexibles utilizan guías de luz de fibra óptica en lugar de LED, que se conectan a una fuente de luz externa de alta intensidad, algo común en los laparoscopios médicos.

5. Aplique la reducción de ruido digital
Incluso con un buen hardware, queda algo de ruido. El ISP (procesador de señal de imagen) de la cámara aplica reducción de ruido espacial y temporal. Spatial NR suaviza el fotograma actual; La NR temporal promedia varios fotogramas. Ambos reducen el grano pero también pueden difuminar los detalles finos. Un buen módulo de cámara para endoscopio HD equilibra la reducción de ruido y la preservación de los detalles.

6. Reduzca la velocidad de cuadros para aumentar el tiempo de exposición
En escenas muy oscuras, la cámara puede aumentar el tiempo de exposición. Por ejemplo, bajar de 30 fps (33 ms por cuadro) a 15 fps (66 ms por cuadro) duplica la luz captada. La contrapartida es un vídeo más entrecortado, aceptable para inspecciones estacionarias pero no para movimientos rápidos.

Rendimiento en condiciones de poca luz según el tipo de endoscopio

Consejos prácticos para una mejor endoscopia con poca luz

• Agregue iluminación externa : utilice una fuente de luz separada (fibra óptica o anillo de LED brillante) si es posible.

• Elija un sensor BSI : pregunte si el módulo de la cámara del endoscopio cmos utiliza tecnología BSI.

• Reduzca la velocidad de fotogramas : muchas herramientas de software le permiten reducir los fps, lo que aumenta el tiempo de exposición.

• Limpie la lente : el polvo o la humedad reducen la transmisión de luz.

• Aumente el brillo del LED : algunos endoscopios tienen corriente de LED ajustable; ponlo al máximo.

Módulos de cámara para endoscopios con poca luz de Sincere
En Sincere, diseñamos productos de módulos de cámara para endoscopios con poca luz como métrica clave:

• Módulo de cámara endoscópica Cmos : sensores BSI para alta sensibilidad.

• Módulo de cámara endoscópica HD : 1080p con sensores de píxeles grandes de 1/3″.

• Módulo de cámara para endoscopio flexible : opciones con puertos de guía de luz de fibra óptica.

Resumen El rendimiento
con poca luz en un módulo de cámara para endoscopio depende de la sensibilidad del sensor (BSI CMOS), el tamaño de píxel (formato del sensor), la apertura de la lente, la iluminación LED y la reducción de ruido. Un módulo de cámara de endoscopio HD con un sensor BSI de 1/3 ″ brinda excelentes resultados para la mayoría de las inspecciones. Para espacios muy reducidos, un módulo de cámara de endoscopio flexible con un sensor pequeño tendrá peor capacidad en condiciones de poca luz; es posible que necesite iluminación externa. Comprender estos factores le ayudará a elegir el módulo de cámara de endoscopio CMOS adecuado para entornos oscuros y exigentes.