초소형 카메라 모듈은 의료용 내시경, 산업용 내시경, 웨어러블 장치, 심지어 마이크로 드론 내부의 숨겨진 눈입니다. 선명하고 색상이 정확한 이미지를 제공하면서 직경 2mm 튜브에 맞는 카메라를 설계하는 것은 심각한 엔지니어링 과제입니다. 이 기사에서는 모듈 카메라 센서 선택부터 최종 제품 조립까지 초소형 카메라 모듈 설계와 관련된 주요 단계와 장단점을 설명합니다.
카메라 모듈은 외부 직경이 4mm 미만이고 종종 1mm~2mm 정도로 작은 경우 '초소형'으로 간주됩니다. 이러한 모듈은 일반적으로 팁이 좁은 혈관, 누관 또는 작은 엔진 구성 요소를 탐색해야 하는 내시경 카메라 모듈 애플리케이션에 사용됩니다. 크기에도 불구하고 720p, 1080p 또는 4K 비디오를 출력해야 할 수도 있습니다.
초소형 디자인의 주요 특징:
매우 작은 렌즈 배럴(종종 맞춤 제작된 유리 또는 플라스틱)
COB(칩온보드) 기술로 조립된 베어 다이 센서입니다.
견고한 PCB 대신 유연한 인쇄 회로(FPC)를 사용합니다.
렌즈 주변에 통합된 LED 조명.
의료용 또는 산업용 방수 밀봉(IP67/IP68).
센서는 모든 카메라의 핵심입니다. 초소형 설계의 경우 표준 패키지 센서를 사용할 수 없습니다. 대신 플렉스 회로에 직접 와이어 본딩할 수 있는 베어 다이가 필요합니다. 일반적인 선택 사항은 다음과 같습니다.
OmniVision OV6948 – 렌즈가 통합된 0.65mm × 0.65mm 센서로 일회용 내시경에 사용됩니다.
Sony IMX290(베어 다이 버전) - 1/2.8인치 센서로 훨씬 크지만 4-5mm 팁에서도 가능합니다.
더 높은 해상도를 위해 4k 내시경 카메라 모듈은 Sony IMX415 베어 다이를 사용할 수 있지만 이로 인해 팁 직경이 약 4mm로 늘어납니다.
기본 720p 카메라 모듈의 경우 OV9732(1/9″)와 같은 센서가 인기가 있습니다. 모듈 카메라 센서는 가능한 최소 직경을 결정하므로 해상도 및 저조도 요구 사항을 충족하는 가장 작은 다이를 선택하십시오.
초소형 모듈은 견고한 PCB 대신 FPC(연성 인쇄 회로)를 사용합니다. FPC는 센서와 렌즈 홀더를 감싸도록 설계되어 공간을 절약합니다. 센서 베어 다이는 COB(Chip-on-Board) 기술을 사용하여 FPC에 부착됩니다.
다이는 에폭시로 FPC에 접착됩니다.
금선은 센서 패드에서 FPC 트레이스까지 접착됩니다.
글로브 톱(에폭시)이 전선을 보호합니다.
COB는 센서 패키지를 제거하여 높이를 최대 1mm까지 줄입니다. 총 두께가 2mm에 불과한 경우 중요합니다.
렌즈는 센서만큼 작아야 합니다. 초소형 모듈의 경우 두 가지 옵션이 있습니다.
웨이퍼 레벨 광학(WLO) – 렌즈는 유리 웨이퍼에 에칭된 후 절단됩니다. 직경이 0.6mm만큼 작을 수 있습니다.
정밀 유리 볼 렌즈 – 금속 또는 플라스틱 홀더에 접착되는 작은 구면 렌즈입니다.
720p 카메라 모듈의 경우 단일 플라스틱 비구면 렌즈로 충분할 수 있습니다. 4k 내시경 카메라 모듈의 경우 높은 디테일을 해결하려면 다중 요소 유리 렌즈가 필요합니다. 이로 인해 팁 직경이 늘어납니다.
렌즈는 센서 바로 위에 위치해야 합니다. 초점 거리와 작동 거리는 고정되어 있습니다. 이 규모에서는 자동 초점이 거의 불가능합니다.
렌즈와 센서 사이에 10미크론만 이동해도 이미지가 손상됩니다. 따라서 조립하는 동안 렌즈는 능동적으로 배치됩니다 . 센서가 작동하는 동안 소프트웨어가 선명도를 분석하는 동안 렌즈는 X, Y, Z, 기울기 및 회전으로 이동됩니다. 최적의 위치를 찾으면 렌즈가 UV 경화 접착제로 제자리에 접착됩니다. 이 활성 정렬 단계는 일관된 품질을 목표로 하는 모든 내시경 카메라 모듈에 필수입니다.
대부분의 내시경 카메라 모듈에는 렌즈 주위에 하나 이상의 작은 LED가 포함되어 있습니다. LED는 또한 FPC에 직접 장착된 베어 다이(칩)입니다. 직렬 또는 병렬로 연결되며 종종 투명한 에폭시로 덮여 있습니다. 그림자를 방지하려면 LED를 렌즈에 최대한 가깝게 배치해야 합니다.
FPC는 카메라 헤드에서 커넥터까지 확장됩니다. USB 카메라 모듈의 경우 FPC는 USB 플러그 또는 소형 ZIF 커넥터로 끝날 수 있습니다. 임베디드 시스템의 경우 케이블이 MIPI CSI‑2 신호를 전달할 수 있습니다. 케이블 길이는 신호 무결성에 의해 제한됩니다. MIPI의 경우 30cm 미만으로 유지하세요. USB의 경우 최대 3m까지 가능합니다.
케이블 진입점은 유체 유입을 방지하기 위해 에폭시 또는 오버몰드 부트로 밀봉해야 합니다(IP67/IP68).
의료용 또는 산업용으로 사용하려면 카메라 헤드가 방수 처리되어야 합니다. 전체 어셈블리(센서, 전선, 렌즈 홀더)는 의료용 에폭시 또는 실리콘으로 채워져 있습니다. 렌즈 창이 노출된 상태로 유지됩니다. 밀봉은 침수 또는 압력 붕괴를 통해 테스트됩니다.
각 초소형 카메라 모듈은 다음을 수행합니다.
광학 테스트 – 해상도(MTF), 시야, 왜곡 및 피사계 심도.
결함 픽셀 감지 – 데드 픽셀 매핑 및 수정.
화이트 밸런스 보정 – 모듈 전체에서 일관된 색상을 보장합니다.
방수 테스트 – 지정된 경우.
4K 내시경 카메라 모듈의 경우 테스트 장비는 4K 선명도를 검증할 수 있는 충분한 해상도를 갖추고 있어야 합니다.
표준 모듈이 특정 제품에 맞지 않는 경우가 많습니다. Sincere와 같은 OEM 카메라 모듈 제조업체는 다음을 맞춤화할 수 있습니다.
직경 – 1.5mm에서 8mm까지.
케이블 길이 – 10cm ~ 3m.
렌즈 매개변수 – 시야각(60°~140°), 작동 거리(매크로~무한대).
인터페이스 - USB(UVC), MIPI 또는 아날로그.
의료용 내시경용 OEM 카메라 모듈에는 생체 적합성 소재와 멸균 내성도 필요합니다.
자동차 검사를 위해 저렴한 초소형 USB 카메라 모듈이 필요하다고 가정해 보겠습니다. 디자인 선택:
센서: OV9732(720p, 1/9″, 베어 다이) – 저렴하고 작습니다.
렌즈: 단일 플라스틱 비구면, 90° FOV, 30mm에 고정 초점.
조립: FPC의 COB, 활성 정렬.
케이블: 오버몰드 스트레인 릴리프가 포함된 1.5m 길이의 USB 2.0.
하우징: 스테인리스 스틸 튜브, IP67 등급.
출력: UVC 규격, 플러그 앤 플레이.
이 모듈의 팁 직경은 약 4mm입니다.
고급 의료용 내시경 카메라 모듈에는 다음이 필요합니다.
센서: Sony IMX415 베어 다이(8 MP, 1/2.8″).
렌즈: 5요소 유리 렌즈, 110° FOV, 고정 초점.
조립: Rigid-Flex PCB의 COB, 활성 정렬.
케이블: 차폐 동축 번들(짧음, <30cm) 위의 MIPI CSI‑2를 별도의 DSP 보드에 연결합니다.
하우징: 티타늄 튜브, 생체 적합성, IP68.
멸균: 오토클레이브와 호환됩니다.
직경은 약 5-6mm로 720p 버전보다 크지만 4K 해상도가 가능합니다.
이미지 품질 대 크기 - 센서가 작을수록 픽셀이 작아서 빛을 더 적게 포착합니다. 1.4μm 픽셀의 720p 카메라 모듈은 2.0μm 픽셀의 1080p 모듈보다 소음이 더 크지만 후자의 경우 더 큰 팁이 필요합니다.
열 방출 – 4k 내시경 카메라 모듈은 더 많은 열을 발생시킵니다. 단단히 밀봉된 4mm 튜브에서는 열로 인해 이미지 품질이 저하되거나 센서가 손상될 수 있습니다. LED를 펄스하고 프레임 속도를 줄여 열을 관리하세요.
수율 – 초소형 COB 어셈블리는 표준 SMT보다 거부율이 더 높습니다. 학습 곡선을 기대하십시오.
초소형 카메라 모듈을 설계하려면 센서 패키징(베어 다이, COB), 마이크로 광학, 활성 정렬 및 방수 밀봉에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 모듈 카메라 센서는 달성 가능한 최소 직경을 결정하는 반면, 렌즈의 복잡성은 이미지 품질을 결정합니다. 기본 720p 카메라 모듈의 경우 단일 플라스틱 비구면 렌즈와 OV9732와 같은 소형 센서로 충분합니다. 4k 내시경 카메라 모듈의 경우 다중 요소 유리 렌즈와 더 큰 센서(예: IMX415)가 필요하므로 팁 직경이 늘어납니다. OEM 카메라 모듈 접근 방식을 사용하면 직경, 케이블 길이, 시야, 인터페이스 등 모든 측면을 사용자 정의하여 일회용 의료용 내시경이든 산업용 내시경이든 특정 응용 분야에 맞게 조정할 수 있습니다. 초소형 크기의 USB 카메라 모듈이 필요한 경우 동일한 원칙이 적용되지만 인터페이스는 USB를 통한 UVC로 단순화됩니다.
Sincere에서는 의료, 산업 및 소비자 응용 분야를 위한 초소형 카메라 모듈을 설계하고 제조합니다. 내시경 카메라 모듈 프로젝트에 대해 논의하려면 당사에 문의하십시오.
