内視鏡カメラ モジュールは、内蔵 LED を利用して人体や産業機械の内部の暗く狭い空洞を照らします。スタジオ ライトやカメラのフラッシュとは異なり、内視鏡 LED は小さな先端 (通常は直径 3 ～ 8 mm) に収まり、cmos カメラ モジュールが鮮明な画像をキャプチャするのに十分な光を生成し、組織やコンポーネントの過熱を避ける必要があります。内視鏡用の効果的な LED 照明を設計するには、光学工学、熱工学、電気工学の慎重なバランスが必要です。
内視鏡内は真っ暗な環境です。照明がなければ、最も高感度の cmos カメラ モジュールであっても何も見えません。 LED は次の理由から光源として推奨されます。
小型 – ベア LED ダイは 0.5 mm × 0.5 mm ほど小さいものもあります。
効率的 – ほとんどのエネルギーを熱ではなく光に変換します。
長持ち – フィラメントが切れることはありません。
簡単に制御 – 明るさはパルス幅変調 (PWM) によって調整できます。
一般的な内視鏡カメラ モジュールには、レンズの周囲に配置された 2 ～ 8 個の白色 LED が含まれています。特殊な用途では、UV または赤外線 LED を蛍光や暗視に使用できます。
スペースの制約 – LED リングはレンズの周囲に数ミリメートル以内に収まる必要があります。
熱放散 – LED は熱を発生するため、密閉された内視鏡先端内部には空気の流れがありません。過度の熱により、cmos カメラ モジュールが損傷したり、患者に不快感を与えたりする可能性があります。
均一な照明 – 光は、中央に暗いスポットができたり、端に明るい反射が発生したりすることなく、視野全体に均一に分散される必要があります。
消費電力 – バッテリ駆動の USB カメラ モジュール内視鏡の場合、バッテリ寿命を延ばすために LED 電力を最小限に抑える必要があります。
生体適合性 – 医療用途では、すべての材料 (LED 封止材、配線、接着剤) が生体適合性と滅菌耐性を備えていなければなりません。
内視鏡用 LED は通常、以下に基づいて選択されます。
サイズ – ベアダイ LED (プラスチック パッケージなし) が最小です。パッケージ化された LED (0402 または 0603 SMD など) は若干大きいですが、取り扱いが簡単です。
色温度 – 5000‑6500 K (冷白色) は工業用ボアスコープでは一般的です。医療用途では、昼白色 (4000 ～ 5000 K) の方が組織の色の区別が良好です。
光度 – ミリカンデラ (mcd) またはルーメンで測定されます。一般的な内視鏡には合計 10～50 lm が必要です。
ビーム角 – 中央のホットスポットを作らずにシーン全体を照らすには、広角 LED (120 ～ 150°) が推奨されます。
の場合 HD カメラ モジュール(1080p) 、組織の真の色を表示するには演色評価数 (CRI) が 80 を超える LED が推奨されます。
最も一般的な配置は、レンズを囲む LED の円形リングです。 LED の数は、先端の直径と必要な明るさによって異なります。
2‑3 LED – 先端が 3 mm 未満のミニ内視鏡用。 LED 間の隙間により影が生じる可能性があります。したがって、拡散体または反射コーティングを追加することができます。
4‑6 LED – 一般的な 5‑6 mm 工業用ボアスコープ用。 LEDは均等な間隔で配置されており、均一な光を実現します。
8 個以上の LED – 光ファイバーによるバックアップを備えた大口径 (>8 mm) 医療用スコープ用。
LED はできるだけレンズの近くに配置する必要がありますが、レンズ バレルが影を落とすほど近づきすぎないようにしてください。多くの場合、PCB またはフレキシブル回路は、LED がレンズ ホルダーと同一面に収まるようにカットアウトを備えて設計されています。
LED が物理的に対称であっても、次の理由により配光が不均一になる可能性があります。
レンズ鏡筒の影 – レンズがわずかに飛び出しています。その端が LED の光の一部を遮る可能性があります。面取りされたレンズ ホルダーまたは反射リングを使用すると、この影響を軽減できます。
中心のホットスポット – LED の指向性が強すぎる場合、中心が明るく見える場合があります。ディフューザー (薄いすりガラスまたはプラスチックの窓) を追加すると、光が均一に広がります。
グレアと反射 – 光沢のある金属や濡れたティッシュを検査する場合、直接反射 (鏡面グレア) によってカメラが見えなくなる可能性があります。 LED を外側にわずかに傾けるか、交差偏光を使用すると、これを最小限に抑えることができます。
の場合 OEM カメラ モジュール、光学エンジニアはプロトタイプを構築する前に、レイ トレーシング ソフトウェア (Zemax、LightTools など) を使用して照明パターンをシミュレーションできます。
熱は LED と CMOS センサーの両方にとって静かな敵です。密閉された内視鏡先端では、LED がフルパワーで駆動されると温度が急速に上昇する可能性があります。熱を管理する戦略には次のようなものがあります。
高効率 LED の使用 – ワットあたりの光量が多いほど、廃熱が少なくなります。
パルス電流 (PWM) で LED を駆動 – 定電流の代わりに、高周波数 (1 ～ 10 kHz) で LED をパルスします。目はこれを連続光として認識しますが、平均電流と熱は低くなります。
LED 電流を減らす – 多くの場合、良好な画質を得るには定格電流の 50 ～ 70% で十分です。
サーマルインターフェイス – LED のサーマルパッドは PCB 上の銅領域にはんだ付けする必要があり、次にヒートシンクとして機能する金属ハウジング (ステンレス鋼チューブなど) に接続されます。
断続的に使用されるの場合、熱はそれほど重要ではありません。 USB カメラ モジュール (DIY ボアスコープなど)医療用 UVC カメラ モジュールの場合、熱設計は不可欠です。 30 分間連続稼働する可能性がある
LED は通常、並列 (それぞれ独自の電流制限抵抗を使用) または直列 (定電流ドライバーを使用) に接続されます。内視鏡の場合:
抵抗と並列 – シンプルで安価ですが、明るさは LED ごとに若干異なる場合があります。均一性が重要ではない低コストの OEM カメラ モジュール 設計に適しています。
定電流ドライバーを備えたシリーズ – すべての LED が同じ電流を共有し、同じ明るさを保証します。小型 IC (CAT4104、PAM2804 など) は、3.3 V または 5 V 電源から最大 4 つの LED を駆動できます。これは、医療用およびハイエンドの産業用モジュールに適しています。
LED 電流は通常、ポテンショメータ、電圧入力、またはカメラのプロセッサからの PWM 信号を介して調整できます。ユーザーは、まぶしさを避けたり、電力を節約したりするために光を暗くすることができます。
LED リングは、多くの場合、レンズおよび cmos カメラ モジュールと一緒に単一のチップに組み立てられます。製造プロセスは通常、次の手順に従います。
フレキシブル PCB (またはリジッドフレックス基板) には、LED と受動部品が実装されています。
センサー (ベア ダイまたはパッケージ化) が取り付けられ、ワイヤーボンディング (COB プロセス) されます。
レンズはアクティブに位置合わせされ、接着されます。
LED リングは、明るさと色の均一性がテストされています。
先端全体は透明または不透明のエポキシで埋め込まれており、レンズと LED ウィンドウのみが露出しています。
の場合も UVC カメラ モジュール(USB 内視鏡) 同じアセンブリが使用され、ケーブルは張力緩和と防水のためにオーバーモールドされています。
を構築しているとします。 USB カメラ モジュール 自動車検査用の先端の直径は 5.5 mm で、 HD カメラ モジュールが搭載されています。 2 mm レンズを備えた1080p それぞれ定格が 2 lm の 4 つの白色 0402 パッケージ LED を使用することにします。
レンズの周囲にLEDを90°間隔で配置します。
LED あたり 20 mA に設定された定電流ドライバ (PAM2804 など) を使用します。
LED とレンズウィンドウの間に薄い拡散フィルムを追加します。
ホスト ソフトウェアからの調光を可能にするために、PWM (2 kHz) 経由で LED を駆動します。
その結果、最小限の熱で明るく均一な照明が得られ、最大 100 mm 離れたエンジン シリンダーの壁を見るのに十分です。
内視鏡用の LED 照明を設計するには、小型サイズ、均一な照明、熱管理、電力効率のバランスをとる必要があります。 LED は慎重に選択し、レンズの周囲に対称的に配置し、適切な回路で駆動する必要があります。医療用途では、熱制御と生体適合性が最も重要です。民生用 USB カメラ モジュール 内視鏡の場合、コストと組み立ての容易さがより重要です。
シンプルな UVC カメラ モジュールが必要な場合でも、医療用内視鏡用の完全にカスタム DIY ボアスコープ用の の OEM カメラ モジュールが必要な場合でも 、高効率 LED を使用し、熱を管理し、均一な配光を確保するという原則は変わりません。明るい内視鏡を使用すると、 cmos カメラ モジュールは、 最も暗い空洞であっても、鮮明な診断品質の画像をキャプチャできます。
最適化された LED 照明を備えたカスタム内視鏡カメラ 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。当社はを設計および製造しています。 HD カメラ モジュール, USB カメラ モジュール、および OEM カメラ モジュールソリューション 、医療、産業、民生アプリケーション向けの
