超小型カメラ モジュールは、医療用内視鏡、工業用ボアスコープ、ウェアラブル デバイス、さらにはマイクロドローンの内部に隠された目です。直径 2 mm のチューブに適合し、鮮明で色精度の高い画像を提供するカメラを設計することは、エンジニアリング上の重大な課題です。この記事では、モジュール カメラ センサーの選択から最終製品の組み立てまで、超小型カメラ モジュールの設計に関わる主要な手順とトレードオフについて説明します。
カメラ モジュールの外径が 4 mm 未満の場合は「超小型」とみなされ、多くの場合は 1 mm ～ 2 mm 程度になります。このようなモジュールは通常、先端が狭い血管、涙管、または小さなエンジン部品を通過する必要がある内視鏡カメラモジュール用途で使用されます。サイズにもかかわらず、720p、1080p、さらには 4K ビデオの出力が必要になる場合があります。
超小型設計の主な特徴:
非常に小さなレンズバレル (多くの場合、カスタムメイドのガラスまたはプラスチック)。
チップオンボード (COB) テクノロジーで組み立てられたベアダイセンサー。
リジッド PCB の代わりにフレキシブル プリント回路 (FPC)。
レンズ周囲にLEDイルミネーションを内蔵。
医療用または工業用の防水シール（IP67/IP68）。
センサーはカメラの心臓部です。超小型設計の場合、標準のパッケージ化されたセンサーは使用できません。代わりに、フレックス回路に直接ワイヤボンディングできるベア ダイが必要です。一般的な選択肢は次のとおりです。
OmniVision OV6948 – レンズ一体型の 0.65 mm × 0.65 mm センサーで、使い捨て内視鏡に使用されます。
Sony IMX290 (ベア ダイ バージョン) – 1/2.8 インチ センサー、はるかに大きいですが、4‑5 mm チップでも可能です。
より高い解像度を実現するには、4K 内視鏡カメラ モジュールで Sony IMX415 ベア ダイを使用する場合がありますが、これにより先端の直径が約 4 mm に増加します。
基本的な 720p カメラ モジュールの場合、OV9732 (1/9 インチ) のようなセンサーが人気です。モジュールのカメラ センサーによって可能な最小直径が決定されるため、解像度と低照度の要件を満たす最小のダイを選択してください。
超小型モジュールでは、リジッド PCB の代わりにフレキシブル プリント回路 (FPC) が使用されます。 FPCはセンサーとレンズホルダーを包み込むように設計されており、スペースを節約します。センサーのベア ダイは、を使用して FPC に取り付けられます。 チップオンボード (COB) テクノロジー
ダイはエポキシで FPC に接着されます。
金ワイヤはセンサー パッドから FPC トレースにボンディングされています。
グロブトップ (エポキシ) がワイヤーを保護します。
COB によりセンサー パッケージが不要になり、高さが最大 1 mm 削減されます。これは、総厚がわずか 2 mm の場合に重要です。
レンズはセンサーと同じくらい小さくなければなりません。超小型モジュールの場合、次の 2 つのオプションがあります。
ウェーハレベル光学系 (WLO) – レンズは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。これらは直径 0.6 mm ほど小さいものもあります。
精密ガラスボールレンズ – 金属またはプラスチックのホルダーに接着された小さな球面レンズ。
720p カメラ モジュールの場合、単一のプラスチック非球面レンズで十分な場合があります。 4K 内視鏡カメラ モジュールの場合、高いディテールを解決するには多要素ガラス レンズが必要です。これにより、先端の直径が大きくなります。
レンズはセンサーの真上に配置する必要があります。焦点距離と作動距離は固定されています。このスケールではオートフォーカスはほぼ不可能です。
レンズとセンサーの間に 10 ミクロンのずれがあるだけでも、画像は損なわれてしまいます。したがって、組み立て中に、レンズは アクティブに位置決めされます 。センサーが稼働している間、ソフトウェアが鮮明さを分析しながら、レンズは X、Y、Z、傾き、回転に移動します。最適な位置が見つかったら、レンズを UV 硬化接着剤で所定の位置に接着します。この アクティブな位置合わせ ステップは、一貫した品質を目指す内視鏡カメラ モジュールにとって必須です。
ほとんどの内視鏡カメラ モジュールには、レンズの周囲に 1 つ以上の小さな LED が含まれています。 LED も FPC に直接実装されたベア ダイ (チップ) です。それらは直列または並列に接続されており、多くの場合透明なエポキシで覆われています。影を避けるために、LED をできるだけレンズの近くに配置する必要があります。
FPC はカメラヘッドからコネクタまで伸びています。 USB カメラ モジュールの場合、FPC は USB プラグまたは小型 ZIF コネクタで終わる場合があります。組み込みシステムの場合、ケーブルは MIPI CSI-2 信号を伝送できます。ケーブルの長さは信号の完全性によって制限されます。 MIPI の場合は 30 cm 未満に保ちます。 USBの場合は3mまで可能です。
ケーブル入口点は、液体の浸入を防ぐためにエポキシまたはオーバーモールドブーツで密閉する必要があります (IP67/IP68)。
医療用または産業用の場合、カメラヘッドは防水でなければなりません。アセンブリ全体 (センサー、ワイヤー、レンズホルダー) は医療グレードのエポキシまたはシリコンで埋め込まれています。レンズ窓は露出したままです。シールは水没または圧力低下によってテストされます。
各超小型カメラ モジュールには次の処理が施されます。
光学テスト – 解像度 (MTF)、視野、歪み、被写界深度。
欠陥ピクセルの検出 – デッドピクセルをマッピングして修正します。
ホワイト バランス キャリブレーション – モジュール間で一貫した色を保証します。
防水テスト – 指定されている場合。
4K 内視鏡カメラ モジュールの場合、テスト機器は 4K の鮮明さを検証するために十分な解像度を備えている必要があります。
多くの場合、標準モジュールは特定の製品に適合しません。 Thinking のような OEM カメラ モジュール メーカーは、以下をカスタマイズできます。
直径 – 1.5 mm ～ 8 mm。
ケーブル長 – 10 cm ～ 3 m。
レンズパラメータ – 視野 (60° ～ 140°)、作動距離 (マクロから無限大)。
インターフェイス – USB (UVC)、MIPI、またはアナログ。
医療用内視鏡用の OEM カメラ モジュールには、生体適合性材料と滅菌耐性も必要です。
自動車検査用に低コストの超小型 USB カメラ モジュールが必要だとします。デザインの選択肢:
センサー: OV9732 (720p、1/9 インチ、ベアダイ) – 手頃な価格で小型。
レンズ: シングルプラスチック非球面、90° FOV、30 mm で固定焦点。
アセンブリ: FPC 上の COB、アクティブな位置合わせ。
ケーブル: オーバーモールドされたストレインリリーフを備えた長さ 1.5 m の USB 2.0。
ハウジング: ステンレス鋼チューブ、IP67 定格。
出力: UVC 準拠、プラグアンドプレイ。
このモジュールの先端直径は約 4 mm になります。
ハイエンドの医療用内視鏡カメラ モジュールには以下が必要です。
センサー: Sony IMX415 ベア ダイ (8 MP、1/2.8 インチ)。
レンズ: 5 要素ガラスレンズ、110° FOV、固定焦点。
アセンブリ: リジッドフレックス PCB 上の COB、アクティブ アライメント。
ケーブル: シールド付き同軸バンドル (短い、<30 cm) を介して別の DSP ボードに接続する MIPI CSI-2。
ハウジング: チタンチューブ、生体適合性、IP68。
滅菌：オートクレーブ対応。
直径は約 5 ～ 6 mm となり、720p バージョンよりも大きくなりますが、4K 解像度が可能です。
画質とサイズ – センサーが小さいほどピクセルが小さくなり、取り込む光が少なくなります。 1.4 µm ピクセルの 720p カメラ モジュールは、2.0 µm ピクセルの 1080p モジュールよりもノイズが多くなりますが、後者にはより大きなチップが必要です。
熱放散 – 4K 内視鏡カメラモジュールはより多くの熱を発生します。密閉された 4 mm チューブ内では、熱により画像が劣化したり、センサーが損傷したりする可能性があります。 LED をパルス化し、フレーム レートを下げて熱を管理します。
歩留まり – 超小型 COB アセンブリは、標準の SMT よりも高い不合格率を示します。学習には時間がかかることが予想されます。
超小型カメラ モジュールを設計するには、センサー パッケージング (ベア ダイ、COB)、マイクロ光学、アクティブ アライメント、および防水シーリングについての深い理解が必要です。モジュールのカメラ センサーが達成可能な最小直径を決定し、レンズの複雑さが画質を決定します。基本的な 720p カメラ モジュールの場合、単一のプラスチック非球面レンズと OV9732 のような小型センサーで十分です。 4K 内視鏡カメラ モジュールの場合、多要素ガラス レンズとより大型のセンサー (IMX415 など) が必要となり、先端の直径が大きくなります。 OEM カメラ モジュールのアプローチにより、使い捨ての医療用スコープや工業用ボアスコープなど、特定の用途に合わせて直径、ケーブル長、視野、インターフェイスなどのあらゆる側面をカスタマイズできます。超小型寸法の USB カメラ モジュールが必要な場合も、同じ原理が適用されますが、インターフェイスは UVC over USB に簡略化されます。
Thinking では、医療、産業、民生用アプリケーション向けの超小型カメラ モジュールを設計および製造しています。内視鏡カメラモジュールプロジェクトについてご相談になりたい場合は、お問い合わせください。
