Lượt xem: 0 Tác giả: Site Editor Thời gian xuất bản: 2026-05-30 Nguồn gốc: Địa điểm
Mô-đun máy ảnh siêu thu nhỏ là con mắt ẩn bên trong ống nội soi y tế, ống soi công nghiệp, thiết bị đeo và thậm chí cả máy bay không người lái siêu nhỏ. Thiết kế một chiếc máy ảnh vừa với ống có đường kính 2 mm đồng thời mang lại hình ảnh sắc nét, chính xác về màu sắc là một thách thức kỹ thuật nghiêm trọng. Trong bài viết này, chúng tôi giải thích các bước chính và những cân nhắc liên quan đến việc thiết kế mô-đun máy ảnh siêu thu nhỏ, từ việc chọn mô-đun cảm biến máy ảnh cho đến lắp ráp sản phẩm cuối cùng.
Mô-đun máy ảnh được coi là 'siêu thu nhỏ' khi đường kính ngoài của nó nhỏ hơn 4 mm và thường nhỏ từ 1 mm đến 2 mm. Các mô-đun như vậy thường được sử dụng trong các ứng dụng mô-đun máy ảnh nội soi, trong đó đầu dò phải điều hướng các mạch máu hẹp, ống dẫn nước mắt hoặc các bộ phận động cơ nhỏ. Bất chấp kích thước, chúng có thể cần xuất video 720p, 1080p hoặc thậm chí 4K.
Các đặc điểm chính của thiết kế siêu thu nhỏ:
Thân thấu kính cực nhỏ (thường được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa tùy chỉnh).
Cảm biến khuôn trần được lắp ráp bằng công nghệ Chip‑on‑Board (COB).
Mạch in linh hoạt (FPC) thay vì PCB cứng nhắc.
Tích hợp đèn LED chiếu sáng xung quanh ống kính.
Niêm phong chống nước (IP67/IP68) dùng trong y tế hoặc công nghiệp.
Cảm biến là trái tim của bất kỳ máy ảnh nào. Đối với các thiết kế siêu thu nhỏ, bạn không thể sử dụng cảm biến đóng gói tiêu chuẩn. Thay vào đó, bạn cần một khuôn trần có thể nối dây trực tiếp vào mạch uốn. Các lựa chọn phổ biến bao gồm:
OmniVision OV6948 – cảm biến 0,65 mm × 0,65 mm với ống kính tích hợp, được sử dụng trong máy nội soi dùng một lần.
Sony IMX290 (phiên bản khuôn trần) – cảm biến 1/2.8”, lớn hơn nhiều nhưng vẫn có thể sử dụng ở đầu 4‑5 mm.
Để có độ phân giải cao hơn, mô-đun máy ảnh nội soi 4k có thể sử dụng khuôn trần Sony IMX415, nhưng điều này làm tăng đường kính đầu lên khoảng 4 mm.
Đối với mô-đun máy ảnh 720p cơ bản, các cảm biến như OV9732 (1/9”) là phổ biến. Cảm biến mô-đun máy ảnh xác định đường kính tối thiểu có thể, vì vậy hãy chọn khuôn nhỏ nhất đáp ứng các yêu cầu về độ phân giải và ánh sáng yếu của bạn.
Thay vì sử dụng PCB cứng nhắc, các mô-đun siêu thu nhỏ sử dụng mạch in linh hoạt (FPC). FPC được thiết kế để quấn quanh cảm biến và giá đỡ ống kính, tiết kiệm không gian. Khuôn trần cảm biến được gắn vào FPC bằng công nghệ Chip‑on‑Board (COB) :
Khuôn được dán vào FPC bằng epoxy.
Dây vàng được liên kết từ các miếng cảm biến tới dấu vết FPC.
Mặt trên hình cầu (epoxy) bảo vệ dây điện.
COB loại bỏ gói cảm biến, giảm chiều cao tới 1 mm – rất quan trọng khi tổng độ dày chỉ 2 mm.
Ống kính phải nhỏ bằng cảm biến. Đối với các mô-đun siêu thu nhỏ, có hai tùy chọn:
Quang học cấp độ tấm bán dẫn (WLO) – Thấu kính được khắc trên tấm bán dẫn thủy tinh và sau đó được cắt hạt lựu. Chúng có thể có đường kính nhỏ tới 0,6 mm.
Thấu kính bóng thủy tinh chính xác – Thấu kính hình cầu nhỏ được dán vào giá đỡ bằng kim loại hoặc nhựa.
Đối với mô-đun máy ảnh 720p, một ống kính phi cầu bằng nhựa duy nhất có thể là đủ. Đối với mô-đun máy ảnh nội soi 4k, bạn cần có thấu kính thủy tinh đa thành phần để phân giải độ chi tiết cao – điều này làm tăng đường kính đầu ống kính.
Ống kính phải được đặt trực tiếp trên cảm biến. Tiêu cự và khoảng cách làm việc cố định; tự động lấy nét gần như không thể ở quy mô này.
Ngay cả sự dịch chuyển 10 micron giữa ống kính và cảm biến cũng sẽ làm hỏng hình ảnh. Do đó, trong quá trình lắp ráp, ống kính được định vị chủ động – trong khi cảm biến hoạt động, ống kính sẽ di chuyển theo X, Y, Z, nghiêng và xoay trong khi phần mềm phân tích độ sắc nét. Sau khi tìm được vị trí tối ưu, thấu kính sẽ được dán vào vị trí bằng keo chống tia cực tím. Bước này căn chỉnh chủ động là bắt buộc đối với bất kỳ mô-đun camera nội soi nào hướng đến chất lượng ổn định.
Hầu hết các mô-đun máy ảnh nội soi đều bao gồm một hoặc nhiều đèn LED nhỏ xung quanh ống kính. Các đèn LED cũng là các khuôn trần (chip) được gắn trực tiếp trên FPC. Chúng được kết nối nối tiếp hoặc song song và thường được phủ một lớp epoxy trong suốt. Đèn LED phải được đặt càng gần ống kính càng tốt để tránh bóng.
FPC kéo dài từ đầu camera đến đầu nối. Đối với Mô-đun máy ảnh USB, FPC có thể kết thúc bằng phích cắm USB hoặc đầu nối ZIF thu nhỏ. Đối với hệ thống nhúng, cáp có thể mang tín hiệu MIPI CSI‑2. Độ dài cáp bị giới hạn bởi tính toàn vẹn của tín hiệu; đối với MIPI, giữ nó dưới 30 cm; đối với USB, có thể lên tới 3 m.
Điểm vào cáp phải được bịt kín bằng nhựa epoxy hoặc đế bọc ngoài để ngăn chất lỏng xâm nhập (IP67/IP68).
Để sử dụng trong y tế hoặc công nghiệp, đầu camera phải chống thấm nước. Toàn bộ bộ phận lắp ráp (cảm biến, dây dẫn, giá đỡ ống kính) được bọc bằng nhựa epoxy hoặc silicone cấp y tế. Cửa sổ ống kính vẫn lộ ra. Việc niêm phong được kiểm tra bằng cách nhấn chìm hoặc giảm áp suất.
Mỗi mô-đun máy ảnh siêu thu nhỏ đều trải qua:
Kiểm tra quang học - Độ phân giải (MTF), trường nhìn, độ méo và độ sâu trường ảnh.
Phát hiện pixel bị lỗi – Ánh xạ và sửa các pixel chết.
Hiệu chỉnh cân bằng trắng – Để đảm bảo màu sắc nhất quán trên các mô-đun.
Kiểm tra chống thấm nước – Nếu được chỉ định.
Đối với mô-đun camera nội soi 4k, thiết bị kiểm tra phải có đủ độ phân giải để kiểm chứng độ sắc nét 4K.
Thông thường, một mô-đun tiêu chuẩn không phù hợp với một sản phẩm cụ thể. Một nhà sản xuất mô-đun máy ảnh OEM như Chân thành có thể tùy chỉnh:
Đường kính – Từ 1,5 mm đến 8 mm.
Chiều dài cáp – Từ 10 cm đến 3 m.
Thông số ống kính – Trường nhìn (60° đến 140°), khoảng cách làm việc (macro đến vô cực).
Giao diện – USB (UVC), MIPI hoặc analog.
Mô-đun máy ảnh OEM dành cho máy nội soi y tế cũng sẽ yêu cầu vật liệu tương thích sinh học và khả năng khử trùng.
Giả sử bạn cần Mô-đun camera USB siêu nhỏ, chi phí thấp để kiểm tra ô tô. Các lựa chọn thiết kế:
Cảm biến: OV9732 (720p, 1/9”, khuôn trần) – giá cả phải chăng và nhỏ.
Ống kính: Ống kính phi cầu nhựa đơn, FOV 90°, tiêu cự cố định ở 30 mm.
Lắp ráp: COB trên FPC, căn chỉnh tích cực.
Cáp: USB 2.0 dài 1,5 m có khuôn đúc chống căng.
Vỏ: Ống thép không gỉ, xếp hạng IP67.
Đầu ra: tuân thủ UVC, cắm và chạy.
Mô-đun này sẽ có đường kính đầu khoảng 4 mm.
Mô-đun camera nội soi y tế cao cấp yêu cầu:
Cảm biến: Khuôn trần Sony IMX415 (8 MP, 1/2.8”).
Ống kính: Thấu kính thủy tinh 5 thành phần, FOV 110°, lấy nét cố định.
Lắp ráp: COB trên PCB cứng nhắc, căn chỉnh chủ động.
Cáp: MIPI CSI‑2 qua bó đồng trục được bảo vệ (ngắn, <30 cm) đến bảng DSP riêng.
Vỏ: Ống titan, tương thích sinh học, IP68.
Tiệt trùng: Tương thích với nồi hấp.
Đường kính sẽ vào khoảng 5‑6 mm – lớn hơn phiên bản 720p nhưng có khả năng phân giải 4K.
Chất lượng hình ảnh so với kích thước – Cảm biến nhỏ hơn có pixel nhỏ hơn, thu được ít ánh sáng hơn. Mô-đun máy ảnh 720p có điểm ảnh 1,4 µm sẽ ồn hơn mô-đun 1080p có điểm ảnh 2,0 µm, nhưng mô-đun 1080p có điểm ảnh 2,0 µm, nhưng mô-đun sau yêu cầu đầu lớn hơn.
Tản nhiệt – Mô-đun camera nội soi 4k tạo ra nhiều nhiệt hơn. Trong ống 4 mm được đậy kín, nhiệt có thể làm giảm chất lượng hình ảnh hoặc làm hỏng cảm biến. Xung đèn LED và giảm tốc độ khung hình để quản lý nhiệt.
Hiệu suất – Lắp ráp COB siêu thu nhỏ có tỷ lệ loại bỏ cao hơn SMT tiêu chuẩn. Mong đợi một đường cong học tập.
Việc thiết kế các mô-đun máy ảnh siêu thu nhỏ đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về bao bì cảm biến (khuôn trần, COB), quang học vi mô, căn chỉnh chủ động và lớp bịt kín chống thấm nước. Cảm biến mô-đun máy ảnh xác định đường kính tối thiểu có thể đạt được, trong khi độ phức tạp của ống kính quyết định chất lượng hình ảnh. Đối với mô-đun máy ảnh 720p cơ bản, một ống kính phi cầu bằng nhựa duy nhất và một cảm biến nhỏ như OV9732 là đủ. Đối với mô-đun máy ảnh nội soi 4k, cần có ống kính thủy tinh đa thành phần và cảm biến lớn hơn (ví dụ: IMX415) để tăng đường kính đầu. Cách tiếp cận mô-đun máy ảnh OEM cho phép bạn tùy chỉnh mọi khía cạnh – đường kính, chiều dài cáp, trường nhìn và giao diện – để phù hợp với ứng dụng cụ thể của bạn, cho dù đó là ống soi y tế dùng một lần hay ống nội soi công nghiệp. Nếu bạn cần Mô-đun máy ảnh USB có kích thước siêu nhỏ, các nguyên tắc tương tự sẽ được áp dụng nhưng giao diện được đơn giản hóa thành UVC qua USB.
Tại Chân thành, chúng tôi thiết kế và sản xuất các mô-đun máy ảnh siêu nhỏ cho các ứng dụng y tế, công nghiệp và tiêu dùng. Liên hệ với chúng tôi để thảo luận về dự án mô-đun máy ảnh nội soi của bạn.
