内視鏡カメラ モジュールは、人間の関節、ジェット エンジン、配管パイプの内部など、目が届かない場所を確認できるように設計されています。スコープの先端にあるレンズは最も重要な部品です。超小型スペース (直径 2 ～ 5 mm、またはそれ以下) で、鮮明で広く、明るい画像を撮影するレンズを設計することは、光学的に重大な課題です。この記事では、このような限られた環境で内視鏡カメラのレンズがどのように機能するか、また医療用のミニカメラモジュールから産業用ボアスコープ用のUSBカメラモジュールまで、さまざまなタイプのモジュールがどのようにこれを実現するかについて説明します。
スマートフォンの一般的なカメラレンズの直径は約 5 ～ 8 mm です。内視鏡では、カメラ アセンブリ全体が、多くの場合米粒よりも小さいチューブに収まる必要があります。これはつまり：
レンズは非常に小さくなければならず、場合によっては直径 0.6 mm に達することもあります。
レンズ要素の数は限られています（多くの場合、1 枚または 2 枚のガラスまたはプラスチックのみ）。
わずか数ミリメートル離れたところにある物体を見るには、レンズの焦点距離が非常に短い必要があります。
オートフォーカスなしで 3 mm ～ 50 mm のオブジェクトが鮮明に見えるようにするには、被写界深度を深くする必要があります。
レンズは液体や滅菌に対して密閉されている必要があります (医療用途の場合)。
広い視野 (通常 90° ～ 140°) と十分な被写界深度を実現するために、内視鏡レンズは次の技術の 1 つまたは組み合わせを使用します。
非球面 – 1 枚の非球面レンズで 2 枚の球面レンズを置き換えることができ、スペースを節約しながら歪みや球面収差を補正します。
高屈折率のガラスまたはプラスチック – 屈折率の高い材料は光をより曲げるため、焦点距離を短くし、レンズを小型化できます。
ウェーハレベルの光学系 – 何百もの小さなレンズがガラスウェーハ上にエッチングされ、その後ダイシングされます。使い捨て内視鏡に使用されます。
複合レンズ – 直径を小さく保ちながら画質を向上させるために、2 つまたは 3 つの小さなレンズ要素を積み重ねたもの (前部の負レンズと後部の正レンズなど)。
レンズは光を cmos カメラ モジュール センサーに焦点を合わせます。一般的な内視鏡カメラ モジュールでは、センサーも非常に小さく、多くの場合 1/9 インチから 1/6 インチ (対角約 1.5 ～ 3 mm) です。レンズは、センサーのアクティブ領域に一致するイメージサークルを投影します。レンズは固定焦点であるため、過焦点距離に設定されています。その半分の距離から無限遠までのすべてが許容範囲内に鮮明です。たとえば、15 mm に設定されたレンズは、8 mm から無限遠までのオブジェクトに焦点を合わせ続けます。
センサーは光を電気信号に変換します。最新の cmos カメラ モジュールでは、裏面照射型 (BSI) テクノロジーにより感度が向上し、開口部の小ささが補われます。
ミニ カメラ モジュール (医療用または産業用) – 使い捨て内視鏡 (直径 2 mm など) 用のミニ カメラ モジュールは、単一のプラスチック非球面レンズを使用します。レンズはアクティブ アライメントを使用してセンサーに直接接着されます。作動距離は固定されており、医療用途では通常 5 ～ 20 mm です。オートフォーカスはありません。被写界深度が深いため、必要な範囲がカバーされます。
USB カメラ モジュール (民生用ボアスコープ) – 家庭検査用の USB カメラ モジュールには、多くの場合、3 要素のガラス レンズを備えた直径 5.5 mm の先端が付いています。レンズの周囲に白色 LED のリングが含まれる場合があります。レンズは固定焦点で、作動距離は約 30 ～ 100 mm に設定されています。画像は USB 2.0 経由でストリーミングされ、UVC カメラ モジュール標準によりプラグアンドプレイが可能になります。
OEM カメラ モジュール (カスタム設計) – 特殊な用途向けに、カスタム レンズを備えた OEM カメラ モジュールを設計できます。たとえば、パイプライン検査用の非常に広い視野 (140°) を備えたレンズや、小型電子機器の検査用のマクロ レンズなどです。 OEM サプライヤーは、レンズの材質 (耐久性を考慮してガラス、コストを考慮してプラスチック)、要素の数、およびコーティング (反射防止、疎水性) を選択します。
UVC カメラ モジュール – UVC カメラ モジュールは、本質的には USB ビデオ クラス規格に準拠した USB カメラ モジュールです。レンズの特性は同じですが、ファームウェアはサポートされている解像度とフレーム レートを報告します。ユーザーはドライバーをインストールする必要はありません。
最も安価な内視鏡を除くすべての内視鏡では、レンズは単にホルダーにねじ込まれているだけではありません。代わりに、メーカーは アクティブな調整 プロセスを使用します。
センサーの電源がオンになり、テスト チャートが表示されます。
レンズはロボットマニピュレーターによって 6 軸 (X、Y、Z、チルト、ピッチ、ヨー) で移動します。
ソフトウェアは画像の鮮明さとセンタリングを分析します。
最適な位置が見つかったら、UV硬化型接着剤でレンズを固定します。
アクティブ アライメントにより、レンズ ホルダーとセンサーの配置におけるわずかな機械的公差が補正されます。これがないと、画像の片側がぼやけたり、ピントがずれてしまいます。このプロセスは、2 mm 内視鏡用のミニカメラ モジュールと 4K 工業用ボアスコープの両方にとって重要です。
超小型のスペースでは、外部照明を設置する余地はありません。したがって、内視鏡カメラモジュールには、レンズの周囲に配置された独自の LED が含まれています。 LED は次のように配置する必要があります。
レンズ鏡筒の影を作りません。
光は前方（またはプリズムの場合は横）に向けられます。
照明は視野全体にわたって均一です。
レンズバレル自体は、LED を光軸に近づけて配置できるように面取りまたは凹んだ設計になっている場合があり、ダークスポットを軽減します。
使い捨て尿管鏡を考えてみましょう。先端の直径は2mmです。中には次のものがあります。
直径 1.4 mm のプラスチック製非球面レンズ 1 枚。
1/9インチCMOSセンサー（400×400ピクセル）。
レンズの側面に2つの白色LEDチップ。
ケーブルに接続するフレキシブル回路。
レンズの焦点距離は 1.2 mm で、視野は 90° です。作動距離は3～15mmです。画像の端は柔らかいですが (樽型歪み)、腎臓結石が見える程度には許容範囲です。アセンブリ全体は防水と滅菌のためにエポキシで埋め込まれています。
超小型スペース用の内視鏡カメラ レンズは、小さな非球面光学系、ウェーハレベルの製造、およびアクティブ アライメントを利用して鮮明な画像を生成します。レンズは cmos カメラ モジュール センサーと連携して動作し、アセンブリ全体が医療用または産業用のミニ カメラ モジュールにパッケージ化されることがよくあります。民生用アプリケーションの場合、UVC カメラ モジュールに準拠した USB カメラ モジュールは、固定焦点レンズを備えたプラグアンドプレイ ソリューションを提供します。カスタム製品の場合、OEM カメラ モジュールにより、レンズ設計、作動距離、シーリングを完全に制御できます。
これらの小さなレンズがどのように機能するかを理解することは、血管、タービンブレード、または家庭用排水管の内部を見る必要があるかどうかにかかわらず、用途に適した内視鏡カメラモジュールを選択するのに役立ちます。
ミニ カメラ モジュールから高解像度 USB カメラ モジュールまで、カスタムの内視鏡カメラ モジュールが必要な場合は、シンシアにお問い合わせください。当社は、高精度の光学系とアクティブ アライメントを備えた OEM カメラ モジュールを設計および製造しています。
