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sCMOSサイエンティフィックカメラ、2.1メガピクセル![]()
CS2100M-USB Monochrome sCMOS Camera Merged triple emission fluorescence image of FluoCells® prepared BPAE cells taken with a CC215MU camera. Click Here for full-resolution image. CC215MU Monochrome sCMOS Camera Related Items ![]() Please Wait
用途
特長
当社のサイエンティフィックCMOS(sCMOS)カメラQuantalux®は、高感度でダイナミックレンジが広く、明るい細部を過剰に露光させることなく薄暗い部分の特徴を検出することができます。非常に低い読み出しノイズ(< 1 e- median) と高い量子効率(600 nmで61%のピーク値)により、蛍光顕微鏡のような要件の厳しい低光量の用途でも優れた性能を発揮します。 小型パッケージまたはハーメチックシールされたTE冷却素子付きカメラ ![]() こちらからフル解像度画像がご覧いただけます。 モノクロQuantaluxカメラCS2100M-USBで撮影したマウスの腎臓のFluoCells®蛍光スライド。ThorCam、ImageJ、などのサイエンティフィックイメージングソフトウェアを使用すれば16ビットのイメージをご覧いただけます。一般的なイメージビュワーではこれらのイメージは正しく表示されません。 脱着可能な保護ウィンドウ ソフトウェアおよびトリガ カメラにはタイミングやシステム制御のカスタマイズができるようトリガ機能が付いています。詳細については「トリガ」タブをご覧ください。外部トリガを利用するにはカメラの補助ポートへの接続が必要です。ケーブルや個々の信号を「ブレイクアウト」するためのボードなどのアクセサリは下記をご覧ください。USB 3.0ケーブルUSB3-MBA-118は、小型カメラCS2100M-USBにのみ対応しています。冷却型のカメラCC215MUには対応するUSB 3.0ケーブルが付属します。
![]() Click to Enlarge カメラCS2100M-USBの筐体の概略図 ![]() Click to Enlarge カメラCC215MUの筐体の概略図 カメラ背面パネルにおけるコネクタ位置![]() 小型QuantaluxカメラCS2100M-USBの背面パネルにおけるコネクタ位置。I/Oコネクタのピン配列については、下記の補助(I/O)コネクタのセクションをご参照ください。 ![]() 冷却型QuantaluxカメラCC215MUの背面パネルにおけるコネクタ位置。I/Oコネクタのピン配列については、下記の補助(I/O)コネクタのセクションをご参照ください。 ブレイクアウトボードTSI-IOBOBおよびTSI-IOBOB2のコネクタ位置![]() Click to Enlarge TSI-IOBOB ![]() Click to Enlarge TSI-IOBOB2
補助(I/O)コネクタカメラとブレイクアウトボードのコネクタはメス型で、カメラには12ピンHiroseコネクタ、ブレイクアウトボードには6ピン Mini Dinコネクタが付いています。ケーブル8050-CAB1の両端には何れもオス型のコネクタが付いており、カメラには12ピンのコネクタ、ブレイクアウトボードには6ピン Mini Dinコネクタを接続します。ピン1、2、3、5、6はそれぞれブレイクアウトボード上のSMAコネクタの中心ピンに接続され、ピン4(接地端子)は各SMAコネクタの筐体に接続されます。8050-CAB1では使用できないI/O機能を利用したい場合は、カメラがCEおよびFCCコンプライアンスに準拠するように、使用者がシールド線を使ってケーブルを作成する必要があります。詳しくはカメラのマニュアルをご覧ください。
![]() Click to Enlarge 小型sCMOSカメラCS2100M-USBと付属するアクセサリ CS2100M-USBにはカメラ本体のほかに以下の付属品が含まれます。
![]() Click to Enlarge 冷却型sCMOSカメラCC215MUと付属するアクセサリ CC215MUにはカメラ本体のほかに以下の付属品が含まれます。
ThorCam™ThorCamは強力な画像取得ソフトウェアパッケージで、当社のカメラを32ビット版または64ビット版のWindows®7または10で使用できるように設計されています。直観的で使いやすいグラフィカルインターフェイスによるカメラ制御や、イメージの取得・再生が可能です。シングルイメージキャプチャとイメージシーケンスをサポートしています。ソフトウェアの基本的な機能については、下記のスクリーンショットをご覧ください。 アプリケーションプログラミングインターフェイス(API)とソフトウェア開発キット(SDK)が付属しているため、OEMや開発者向けのカスタム用途にもお使いいただけます。SDKは、C、C++、C#、Python、Visual Basic .NETなど幅広いプログラミング言語に対応しています。また、LabVIEW、MATLAB、µManager*などのサードパーティソフトウェアパッケージもサポートしています。またブレイクアウトボードTSI-IOBOB2用のArduinoのコード例もご提供しています。 *µManagerによる制御は、現在はZelux および1.3 MP Kiraluxカメラではサポートされていません。Kiralux偏光検出型カメラをµManagerで操作した場合、取得できるのは強度画像のみです。偏光情報を含めた画像を生成するにはThorCamソフトウェアを使用する必要があります。
ボードTSI-IOBOB2用のArduinoコードの例下のボタンをクリックしてArduino用シールドTSI-IOBOB2のサンプルプログラムのダウンロードページにアクセスしてください。サンプルプログラムは3種類ご用意しております。
色付きの枠で囲まれた部分をクリックするとThorCamの特長がご覧いただけます。![]() カメラ制御およびイメージ取得カメラ制御およびイメージ取得機能は、ウィンドウの上にあるアイコン(上の画像中のオレンジの枠内)から実行できます。カメラパラメータの設定は、ツールアイコンをクリックすると表示されるポップアップウィンドウ内で行えます。スナップショットボタンを押すと、現在のカメラ設定を使用したシングルイメージが取得できます。 キャプチャスタート/ストップボタンを押すと、トリガイメージなどのカメラ設定に基づいたイメージキャプチャを開始します。 時系列および像系列のレビュー図1のような時系列制御により、低速度画像の記録ができます。画像の総数とキャプチャ間の遅延時間を設定してください。出力結果は、高精度の無修正画像データとして保存するために、マルチページTIFFファイルとして保存されます。ThorCam内で、画像のシークエンス再生やフレームごとのコマ送り再生が可能です。 測定および注釈機能上の画像の黄色い枠内にあるように、ThorCamには注釈および測定機能が多数内蔵されています。これは取得後の画像を分析する際に役立ちます。直線、長方形、円およびフリーハンドによる図形を画像上に描くことができます。注釈マークを付けた位置には文字を入力できます。また、測定モードでは対象とする2点間の距離を計測できます。 上の画像内の赤、緑、青の枠で囲まれた部分に、ライブ画像および取得済み画像に関する情報を表示させることができます。 ThorCamには計数機能も内蔵されており、画像内の対象点に印をつけてその数を計数することができます(図2参照)。画像の中心に固定されている十字のターゲットが基準点となります。 サードパーティアプリケーションおよびサポートThorCamは、LabVIEW、MATLAB、.NET.などのサードパーティソフトウェアパッケージもサポートしています。LabVIEWとMATLABは32ビット版ならびに64ビット版の両方をサポートいたします。当社カメラに付属する解説付きのフル機能APIを使えば、カメラを効率的にフルカスタマイズできます。 ![]() Click to Enlarge 図1:1秒間隔で撮影された10枚の時系列画像が、マルチページTIFFファイルとして保存されます。 ![]() Click to Enlarge 図2: ThorCamソフトウェアのスクリーンショット。計数機能によって画像内の3地点がマークされています。測定機能によって左下の直線が付加されています。直線の上には対象点間の距離がピクセル単位で表示されています。
性能に関する注意点イメージシーケンスをディスクに保存するときに、システム性能が十分でないと「フレーム落ち」が発生する可能性がありますのでご注意ください。ホストシステムがカメラの出力データストリームを処理する能力は、ホストシステムの様々な特性に依存します。なお、USBハブを使用すると性能に影響を与える可能性があります。PCとは専用のケーブルで接続することをお勧めいたします。USB 2.0による接続はサポートされておりません。 まず、カメラのフレームレートと、ホストPCが画像を表示する能力およびフレーム落ちせずにディスクにストリーミングする能力とを区別することが重要です。カメラのフレームレートは露光および読み出し(例えば、クロックやROI)パラメータに依存します。ユーザによって設定された画像取得パラメータに基づいて、カメラのタイミング機能はデジタルカウンタのように動作し、1秒間にある特定の数のフレームを生成します。画像を表示するときは、このデータがPCのグラフィックシステムによって処理され、画像や動画を保存するときにはディスクに転送されます。この時、ハードドライブの速度が十分でないとフレーム落ちが発生します。 この問題に対する解決策の一つとして、ソリッドステートドライブ(SSD)のご使用をお勧めいたします。PCのそれ以外の仕様が十分であれば、多くの場合はこれによって解決します。SSDへの書き込み速度は、データのスループットを処理するのに十分なものでなければなりません。 大きなフォーマットの画像を早いフレームレートで処理する場合には、より速いスピードが必要な場合があります。その場合は、複数のSSDを用いてRAID0を構成するか、あるいはRAMドライブを使うといった方法が考えられます。後者の方法では保存スペースがPC上のRAMで制限されてしまいますが、実現可能な方法としては最も高速なものです。ImDiskは、無料のRAMディスク作製用ソフトウェアパッケージの一例です。RAMドライブは揮発性メモリであることにご注意ください。従って、データの損失を防ぐために、PCを再起動またはシャットダウンする前に、必ずデータをRAMドライブから不揮発性のハードドライブに移動させることが重要です。 カメラのトリガ操作当社のサイエンティフィックカメラには3種類の外部トリガ操作モード(ストリーミングオーバーラップ露光、非同期トリガ取得、そしてバルブ露光)があります。作動するには外部で生成したトリガーパルスが必要です。トリガーモードは、読み出し(例:ビニング)設定や利得、オフセットとは別に動作します。下の図1~3はこれらのトリガーモードのタイミング図です。アクティブロー外部TTLトリガを想定しています。 ![]() Click to Enlarge 図1: ストリーミングオーバーラップ露光 外部トリガ信号がローになると、露光が始まり、ソフトウェアで選択した時間の間露光し、読み出されます。このシーケンスは設定された時間間隔で繰り返されます。後続の外部トリガは、カメラ動作が停止するまで無視されます。TTL信号の定義は「ピン配列」タブをご参照ください。 ![]() Click to Enlarge 図2: 非同期トリガ取得モード 外部トリガ信号がローになると、プリセットされた時間の間露光がはじまり、カメラで読み出されます。読み出し時間の間、外部トリガは無視されます。 1つの読み出しが終わると、カメラは外部トリガ信号がローになったときのみ次の露光を始めます。 ![]() Click to Enlarge 図3: バルブ露光モード 外部トリガ信号がローになると露光が始まり、ハイになると露光が終わります。カメラの読み出し中のトリガ信号は無視されます。 ![]() Click to Enlarge 図4: ThorCamカメラの設定画面。赤と青の枠内は本文で説明しているトリガの設定を示しています。 外部トリガにより、カメラをほかの外部接続装置と同期させる必要のあるシステムに簡単に組み込むことが可能になります。ストローブ出力がハイになることにより露光を示しています。よってストローブ信号は外部機器とカメラの露光を同期させるためのシステムに使用できます。外部トリガは、カメラの補助ポートに接続させる必要があります。当社では補助ケーブル8050-CAB1を別途ご用意しております。個々の信号を「ブレイクアウト」する製品は2種類あります。TSI-IOBOBには、各信号用にSMAコネクタが付いています。また、TSI-IOBOB2には、SMAコネクタのほかにArduinoボード用のシールド機能が付いており、その他の周辺機器の制御が可能です。これらのアクセサリの詳細については下記をご覧ください。 トリガの設定はThorCamソフトウェアを使用して調整します。図4は、カメラの設定画面です。赤枠と青枠内がトリガの設定画面です。設定は以下の通り調整できます。
またトリガの極性を「Hardware Trigger Polarity」の枠内で(図4の赤枠内)「On High」(露光が立ち上がりエッジで開始される)または「On Low」(露光が立ち下がりエッジで開始される)に設定することができます。 Equal Exposure Pulse(EEP)モードEEPはQuantaluxカメラのI/Oコネクタから出力される信号です。ThorCamの設定のダイアログでEEPを選択した場合、STROBE_OUT信号は再構成されて、CMOSセンサのローリングリセット機能が完了してからでないとアクティブにならなくなります。この信号はセンサのローリング読み出し機能が開始されるまでアクティブのまま維持されます。つまり、この信号はセンサの全てのピクセルがリセットされてから、実際に電荷を蓄積している間だけアクティブになります。これにより、最終的な画像にはローリングリセットセンサに一般的にみられる露光量の勾配が発生しません。図5は、ストローブ駆動による露光の1例です。ここでは、STROBE_OUTを使用して外部光源を動作させています。最終的な画像に勾配が見られますが、これは光源がオンの時の各センサ列の電荷蓄積時間が異なるためです。図6は、EEP露光の1例です:露光時間が長くなっており、トリガ出力信号は全ての列が電荷を蓄積するタイミングまでシフトして、フレーム全体にわたり照射時間が均一になった画像を取得することができます。 EEPは連続的に照射された画像に対しては効果がありません。EEPモードを使用するのに適した条件がいくつかありますが、詳しくはUser Guideに記載されています。 ![]() Click to Enlarge 図5: STROBE_OUTを使用して露光中に外部光源を動作させる露光タイミングの例。光源がオンになっている間の各センサ列の電荷蓄積時間が異なるため、画像全体に勾配が生じています。 ![]() Click to Enlarge 図6: EEPを使用した露光のタイミング例。 全てのセンサ列が電荷を蓄積している間だけEEP信号が光源をオンにするため、画像に勾配は見られません。 サイエンティフィックカメラ用アクセサリを使用したカメラのトリガ構成例![]() 図7: システム統合と制御を容易にするTSI-IOBOB2を使用したシステム概略図。図はサイエンティフィックCCDカメラの背面パネルですが、Quantalux sCMOSも同様にお使いいただけます。 システム制御にカメラトリガを組み込んだ例が図7で示されています。図では、カメラがArduino用シールド付きブレイクアウトボードTSI-IOBOB2にケーブル8050-CAB1で接続されています。シールドのピンを利用して信号を出力することにより、光源、シャッタならびにモーションコントロールデバイスなどの周辺機器を同時制御することも可能です。制御プログラムをArduinoボードに書き出し後、ホストPCからUSB接続を取り外せば、スタンドアローンのシステム制御が可能なプラットフォームとなります。またUSBを接続したままにすればArduinoとPCの双方向通信が可能となります。外部トリガーモードはThorCamを使用し、上記説明の通り設定します。 カメラのノイズと温度概要 ノイズの原因カメラ画像のノイズの原因は、照明が安定して均一であると仮定すると、測定信号の空間的・時間的バラツキの積み重ねであると言えます。 ノイズには複数の要因があります:
有効ノイズの総量1個のピクセルあたりの有効ノイズの総量とは、上記のノイズの求積法による和です。 (1) ここでは、σDがダークショットノイズ、 σRが読取りノイズ (CCD ICX285ALを使用しているサイエンス用レベルのカメラでの典型値は10 e-未満ですが、このチュートリアルでは、10 e-であると仮定します)、そしてσS がフォトンショットノイズです。 σS>>≫σD であり、 σS>>σRである時、下記の数式で近似的にσeffが求められます: (2) 繰り返しますが、ここでは固定パターンノイズは考慮に入れません。そしてこのことはサイエンス用のCCDを考える上では妥当かもしれませんが、サイエンス用よりもグレードの低いセンサでは、考慮に入れなければならない場合もあると考えます。
![]() Click to Enlarge 図1: 3つのセンサ温度において、露出時間の変化にともなうダークショットノイズと読取りノイズの変化を示したグラフです。 このグラフではxy軸はともに対数目盛です。5 sのところで縦に点線が引かれていますが、これは文章内の数式例での数値です。 ダークショットノイズとセンサ温度上述のように、暗電流は熱が原因であるため、センサの冷却で低減できます。 表1 は、1.4メガピクセルカメラで使用されているCCDセンサSony ICX285ALの暗電流の典型値を図示しています。 暗電流は自然発生した電子によって起こるので、単純に電子の数を「数える」ことで測定されます。 電子のカウントはポワソン統計に従うため、暗電流 IDが引き起こすノイズは、露出中に蓄積する暗電子の数の平方根に比例します。 既知の露出において、ダークショットノイズ σDは、表1に記載のある IDの値 (既知の温度に対応した数値) と露出時間t(秒)の積の平方根となります。 (3) 暗電流は、温度の低下に伴って減少するので、これに関連したノイズはカメラの冷却で低減できます。 例えば露出時間が5秒であるとき、表で示される3つのセンサ温度でのダークショットノイズレベルは下記の数式で得られます。 (4) 図1はプロット図で、表1の3つの温度における露出時間とダークショットノイズの関係を表し、露出時間が増えるにつれてダークショットノイズが増大することがわかります。 図1には、読取りノイズの上限も示されています。 フォトンショットノイズがダークショットノイズと比較して十分に大きければ、ノイズに対する影響という意味では冷却がもたらすメリットは小さく、そのような条件でもカメラは十分に機能します。 フォトンショットノイズ量子効率がQEのセンサの各ピクセルに入射する光量子束密度(フォトン/秒)がNであるとして、露出時間がt秒のときに生成される「信号」の電子の数がSとすると (5) Sから、フォトンショットノイズ σSは下記の数式で求められます: (6) 計算例(当社の1.4メガピクセルカメラを使用)光量子束密度と量子効率が十分に高い値で、露出時間が5秒の時にピクセルに蓄積される信号 S の数が10,000 e-であれば、予測されるショットノイズの値 σSは、10,000の平方根または100 e-となります。 読取りノイズは10 e-です (露出時間に依存しません)。 露出時間が5秒で、センサ温度が25、 0、 -25 °Cであるとき、ダークショットノイズは数式(4)によって得られます。 有効ノイズは下記のとおりです: (7) 信号対雑音比(SNR)は、画像品質を示す便利な性能指数で、下記の通り見積もられます: (8) 数式7から3つのセンサ温度におけるSNRの値は下記の数式であらわすことができます: (9) この例でわかるように、室温では非冷却タイプカメラの代わりに冷却型タイプを使うメリットはほとんどなく、この例ではフォトンショットノイズが主なノイズの原因となっています。 このような条件では、当社の標準タイプのパッケージのカメラは十分な性能を発揮することが予測されます。 しかし、光量が低いために1個のピクセルあたり900 e-の数値を達成する上で100秒の露出時間が必要な時には、ショットノイズは30 e-となります。 予測されるダークショットノイズは25 °Cで22.4 e- となり、一方で-20 °C でのダークショットノイズは3.2 e-となります。 有効な総ノイズ量は下記の数式で示すことができます。 (10) 数式8からSNR値が下記であることが導出できます。 (11)
この例では25 °Cのセンサにおけるダークショットノイズの総ノイズ量に対する影響は、-25 °Cのセンサよりも大きくなっています。 用途によって許容されるノイズ量は変化しますが、場合によっては冷却型カメラの方が有効な場合があります。 図2 は、3つの異なるセンサ温度でのダークショットノイズをはじめとした様々なノイズの要素の変化をプロットで表していますが、3種類の光量子束密度において、露出時間を変化させて比較しています。 このプロットを見ると、ダークショットノイズは総ノイズ量に大きく影響していませんが、信号レベルが低いとき(そしてその結果として露出時間が長い場合)は例外です。 図においては、計算で使われれる光量子束密度が示されていますが、各用途において冷却モデルのカメラを使用するか否かの判断では、正確な光量子束密度の値は必要ではありません。 図2をご参照いただければ、露出時間に対する数値的な目安がわかるようになっており、露出時間の予測がつけば冷却モデルのカメラが必要であるかどうかがわかります。その概要は表2にまとめてあります。 ノイズの主な原因が読取りノイズだと判明した場合、読取りノイズを低くするために、より低い20 MHzのCCDピクセルクロック速度でカメラを動作することを推奨します。 図2: 3つの光量子束密度で、露出時間を変化させた場合の総ノイズ量(すべてのノイズ源からの合計)の推移を図示しています。(a) 低い光量子束密度(b)中程度の光量子束密度 (c) 高い光量子束密度 (c)では、露出時間が約20秒を超えると、信号電子とフォトンショットノイズが飽和状態になっています。これは、この露出時間に対応する入射光子レベルに対してピクセルが飽和状態に達するためです。 この計算では、量子効率は60% としています。 なお、これらのプロット図ではxy軸で対数目盛を使っていることにご注意ください。 その他の考慮すべき点ノイズの総量に対してダークショットノイズが大きく影響を与えない場合でも露出時間が長いときには、熱電対冷却を検討する必要があります。これはホットピクセルの影響を低減する一助となるからです。 ホットピクセルは、露出時間が長いときに、「星」のようなパターンの原因となります。 図3 では、その「星」のようなパターンが示されていますが、ここでは露出時間が10秒のときにTEC冷却素子を用いた場合と用いない場合を比較しています。 ![]() (a) ![]() (b) 図3: この画像ではホットピクセルが引き起こした「星」のようなパターンを(a)標準タイプの非冷却モデルのカメラおよび (b) -20 °Cに冷却したカメラで比較しています。いずれも露出時間は10秒で、利得は32 dB です(ホットピクセルがはっきりと見えるように利得を調整しました)。 なお、ここで示されている画像は、フル解像度の16 bit画像から切り取ったものです。 フルサイズの16 bit画像を見るにはこちらからダウンロードしてください。 この画像は無料でダウンロードが可能なImageJなどでご覧いただくことができます。 Insights into Mounting Lenses to Thorlabs' Scientific CamerasScroll down to read about compatibility between lenses and cameras of different mount types, with a focus on Thorlabs' scientific cameras.
Click here for more insights into lab practices and equipment. Can C-mount and CS-mount cameras and lenses be used with each other?![]() Click to Enlarge Figure 1: C-mount lenses and cameras have the same flange focal distance (FFD), 17.526 mm. This ensures light through the lens focuses on the camera's sensor. Both components have 1.000"-32 threads, sometimes referred to as "C-mount threads". ![]() Click to Enlarge Figure 2: CS-mount lenses and cameras have the same flange focal distance (FFD), 12.526 mm. This ensures light through the lens focuses on the camera's sensor. Their 1.000"-32 threads are identical to threads on C-mount components, sometimes referred to as "C-mount threads." The C-mount and CS-mount camera system standards both include 1.000"-32 threads, but the two mount types have different flange focal distances (FFD, also known as flange focal depth, flange focal length, register, flange back distance, and flange-to-film distance). The FFD is 17.526 mm for the C-mount and 12.526 mm for the CS-mount (Figures 1 and 2, respectively). Since their flange focal distances are different, the C-mount and CS-mount components are not directly interchangeable. However, with an adapter, it is possible to use a C-mount lens with a CS-mount camera. Mixing and Matching With an adapter, a C-mount lens can be used with a CS-mount camera (Figures 3 and 4). The adapter increases the separation between the lens and the camera's sensor by 5.0 mm, to ensure the lens' focal plane aligns with the camera's sensor plane. In contrast, the shorter FFD of CS-mount lenses makes them incompatible for use with C-mount cameras (Figure 5). The lens and camera housings prevent the lens from mounting close enough to the camera sensor to provide an in-focus image, and no adapter can bring the lens closer. It is critical to check the lens and camera parameters to determine whether the components are compatible, an adapter is required, or the components cannot be made compatible. 1.000"-32 Threads Measuring Flange Focal Distance ![]() Click to Enlarge Figure 5: A CS-mount lens is not directly compatible with a C-mount camera, since the light focuses before the camera's sensor. Adapters are not useful, since the solution would require shrinking the flange focal distance of the camera (blue arrow). ![]() Click to Enlarge Figure 4: An adapter with the proper thickness moves the C-mount lens away from the CS-mount camera's sensor by an optimal amount, which is indicated by the length of the purple arrow. This allows the lens to focus light on the camera's sensor, despite the difference in FFD. ![]() Click to Enlarge Figure 3: A C-mount lens and a CS-mount camera are not directly compatible, since their flange focal distances, indicated by the blue and yellow arrows, respectively, are different. This arrangement will result in blurry images, since the light will not focus on the camera's sensor.
Date of Last Edit: July 21, 2020 Do Thorlabs' scientific cameras need an adapter?![]() Click to Enlarge Figure 6: An adapter can be used to optimally position a C-mount lens on a camera whose flange focal distance is less than 17.526 mm. This sketch is based on a Zelux camera and its SM1A10Z adapter. ![]() Click to Enlarge Figure 7: An adapter can be used to optimally position a CS-mount lens on a camera whose flange focal distance is less than 12.526 mm. This sketch is based on a Zelux camera and its SM1A10 adapter. All Kiralux™ and Quantalux® scientific cameras are factory set to accept C-mount lenses. When the attached C-mount adapters are removed from the passively cooled cameras, the The SM1 threads integrated into the camera housings are intended to facilitate the use of lens assemblies created from Thorlabs components. Adapters can also be used to convert from the camera's C-mount configurations. When designing an application-specific lens assembly or considering the use of an adapter not specifically designed for the camera, it is important to ensure that the flange focal distances (FFD) of the camera and lens match, as well as that the camera's sensor size accommodates the desired field of view (FOV). Made for Each Other: Cameras and Their Adapters While any adapter converting from SM1 to The position of the lens' focal plane is determined by a combination of the lens' FFD, which is measured in air, and any refractive elements between the lens and the camera's sensor. When light focused by the lens passes through a refractive element, instead of just travelling through air, the physical focal plane is shifted to longer distances by an amount that can be calculated. The adapter must add enough separation to compensate for both the camera's FFD, when it is too short, and the focal shift caused by any windows or filters inserted between the lens and sensor. Flexiblity and Quick Fixes: Adjustable C-Mount Adapter A benefit of the adjustable C-mount adapter is that it can tune the spacing between the lens and camera over a 1.8 mm range, when the window / filter and retaining ring are in place. Changing the spacing can compensate for different effects that otherwise misalign the camera's sensor plane and the lens' focal plane. These effects include material expansion and contraction due to temperature changes, positioning errors from tolerance stacking, and focal shifts caused by a substitute window or filter with a different thickness or refractive index. Adjusting the camera's adapter may be necessary to obtain sharp images of objects at infinity. When an object is at infinity, the incoming rays are parallel, and location of the focus defines the FFD of the lens. Since the actual FFDs of lenses and cameras may not match their intended FFDs, the focal plane for objects at infinity may be shifted from the sensor plane, resulting in a blurry image. If it is impossible to get a sharp image of objects at infinity, despite tuning the lens focus, try adjusting the camera's adapter. This can compensate for shifts due to tolerance and environmental effects and bring the image into focus. Date of Last Edit: Aug. 2, 2020 Why can the FFD be smaller than the distance separating the camera's flange and sensor?![]() Click to Enlarge Figure 9: Refraction causes the ray's angle with the optical axis to be shallower in the medium than in air (θm vs. θo ), due to the differences in refractive indices (nm vs. no ). After travelling a distance d in the medium, the ray is only hm closer to the axis. Due to this, the ray intersects the axis Δf beyond the f point.; ![]() Click to Enlarge Figure 8: A ray travelling through air intersects the optical axis at point f. The ray is ho closer to the axis after it travels across distance d. The refractive index of the air is no .
![]() Click to Enlarge Figure 11: Tolerance and / or temperature effects may result in the lens and camera having different FFDs. If the FFD of the lens is shorter, images of objects at infinity will be excluded from the focal range. Since the system cannot focus on them, they will be blurry. ![]() Click to Enlarge Figure 10: When their flange focal distances (FFD) are the same, the camera's sensor plane and the lens' focal plane are perfectly aligned. Images of objects at infinity coincide with one limit of the system's focal range. Flange focal distance (FFD) values for cameras and lenses assume only air fills the space between the lens and the camera's sensor plane. If windows and / or filters are inserted between the lens and camera sensor, it may be necessary to increase the distance separating the camera's flange and sensor planes to a value beyond the specified FFD. A span equal to the FFD may be too short, because refraction through windows and filters bends the light's path and shifts the focal plane farther away. If making changes to the optics between the lens and camera sensor, the resulting focal plane shift should be calculated to determine whether the separation between lens and camera should be adjusted to maintain good alignment. Note that good alignment is necessary for, but cannot guarantee, an in-focus image, since new optics may introduce aberrations and other effects resulting in unacceptable image quality. A Case of the Bends: Focal Shift Due to Refraction When an optic with plane-parallel sides and a higher refractive index While travelling through the optic, the ray approaches the optical axis at a slower rate than a ray travelling the same distance in air. After exiting the optic, the ray's angle with the axis is again θo , the same as a ray that did not pass through the optic. However, the ray exits the optic farther away from the axis than if it had never passed through it. Since the ray refracted by the optic is farther away, it crosses the axis at a point shifted Δf beyond the other ray's crossing. Increasing the optic's thickness widens the separation between the two rays, which increases Δf. To Infinity and Beyond Different effects, including temperature changes and tolerance stacking, can result in the lens and / or camera not exactly meeting the FFD specification. When the lens' actual FFD is shorter than the camera's, the camera system can no longer obtain sharp images of objects at infinity (Figure 11). This offset can also result if an optic is removed from between the lens and camera sensor. An approach some lenses use to compensate for this is to allow the user to vary the lens focus to points "beyond" infinity. This does not refer to a physical distance, it just allows the lens to push its focal plane farther away. Thorlabs' Kiralux™ and Quantalux® cameras include adjustable C-mount adapters to allow the spacing to be tuned as needed. If the lens' FFD is larger than the camera's, images of objects at infinity fall within the system's focal range, but some closer objects that should be within this range will be excluded. This situation can be caused by inserting optics between the lens and camera sensor. If objects at infinity can still be imaged, this can often be acceptable. Not Just Theory: Camera Design Example Date of Last Edit: July 31, 2020 ![]() About Thorlabs Scientific ImagingThorlabs Scientific Imaging (TSI) is a multi-disciplinary team dedicated to solving the most challenging imaging problems. We design and manufacture low-noise, high performance scientific cameras, interface devices, and software at our facility in Austin, Texas. A Message from TSI's General ManagerAs a researcher, you are accustomed to solving difficult problems but may be frustrated by the inadequacy of the available instrumentation and tools. The product development team at Thorlabs Scientific Imaging is continually looking for new challenges to push the boundaries of Scientific Cameras using various sensor technologies. We welcome your input in order to leverage our team of senior research and development engineers to help meet your advanced imaging needs. Thorlabs' purpose is to support advances in research through our product offerings. Your input will help us steer the direction of our scientific camera product line to support these advances. If you have a challenging application that requires a more advanced scientific camera than is currently available, I would be excited to hear from you. ![]() Sincerely,
当社ではZelux™、Kiralux®、Quantalux®ならびにサイエンティフィックCCDの4つのシリーズのサイエンティフィックカメラをご提供しております。Zeluxカメラは汎用的なイメージング向けで、設置面積が小さいながら高いイメージング性能を発揮します。Kiraluxカメラは同じコンパクトな筐体にCMOSセンサが納められており、モノクロ、カラー、近赤外強化型および偏光検出型がございます。偏光検出型Kiraluxカメラにはマイクロ偏光子アレイが組み込まれており、ThorCam™ソフトウェアパッケージを使用すると、直線偏光度、方位角、およびピクセルレベルでの強度を表す画像を取得することができます。QuantaluxモノクロsCMOSカメラは、低光量でも使用できるように広いダイナミックレンジと低い読み出しノイズという特徴を備えています。パッシブ冷却方式のコンパクトな筐体、またはハーメチックシールされたTE冷却素子付き筐体でご用意しています。当社のサイエンティフィックCCDカメラには、UV、可視、近赤外の各波長域用に最適化されたモデル、高フレームレートのカメラ、TE冷却素子付きまたは非冷却式の筐体、センサーフェイスプレートの無いモデルなど、様々な特徴を備えたモデルがございます。下の表では当社のカメラのラインナップの概要がご覧いただけます。
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コンパクトなQuantaluxカメラCS2100M-USBは、センサに対してパッシブな温度管理を行うように設計されており、そのため冷却ファンや熱電冷却(TEC)素子を使用せずに暗電流を低減することができます。短い露光時間(500 ms未満)で済むような高光量でのイメージング用としては、一般にパッシブ冷却方式のカメラCS2100M-USBで十分です。500 msよりも長い露光時間を必要とする低光量でのイメージング用としては、TE冷却素子付きカメラCC215MUを強くお勧めいたします。 2/3インチフォーマットのモノクロsCMOSセンサのおおよその位置は、カメラ本体の上部に刻印された線で示されています。付属のクリアウィンドウ(400~700 nmのARコーティング付き)は取り外して別のØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子と交換することができます。Cマウントアダプタを使用する場合は、取り付けられる光学素子の最大厚さは1.270 mmです。使用しない場合は、最大厚さは4.4 mmになります。クリアウィンドウを取り外している間に、センサのフェイスプレートに埃や汚れが付着する可能性があります。フェイスプレートをクリーニングする際は、センサが傷つかないようにご注意ください。 フランジ焦点距離(フランジバック)を±1.5 mmの範囲で調整できるCマウントアダプタが、予め工場で装着されています。そのため、到着後すぐに様々な顕微鏡やマシンビジョンカメラ用レンズ、Cマウントエクステンションチューブなどを取り付けることができます。交換用のCマウントアダプタSM1A10Aは別売りでご用意しております(下記参照)。このアダプタを取り外すとSM1ネジが露出します。そのネジを用いてØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブを取り付けることができます。カメラの筐体前面には4つの#4-40取付け穴があり、それを用いて30 mmケージシステムに接続できます。また、筐体には2つの1/4"-20タップ穴があり、インチ規格のØ1/2インチポストのほか多くの標準的な三脚にも取り付けることができます こちらのカメラは小型で各種のマウントにも柔軟に対応できるため、市販の顕微鏡を用いたイメージングシステムや自作のシステムに組み込むのに適した製品です。
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ハーメチックシールされた冷却型のQuantaluxカメラCC215MUには、外側の大きなヒートシンクの内部に熱電冷却されたチャンバがあり、それでセンサを能動的に冷却して暗電流を低減します。こちらのカメラは、500 ms以上の露光時間を必要とするような低光量での用途にお勧めしています。短い露光時間(500 ms未満)で済むような高光量での用途には、一般にパッシブ冷却タイプのカメラCS2100M-USBで十分です。 2/3インチフォーマットのモノクロsCMOSセンサの位置は、各側面の前方にある4つの1/4"-20取付け穴とほぼ一致しています。カメラ前端の取り外し可能なCマウントアダプタにより、透明な保護ウィンドウが保持されています。400~700 nmのARコーティングが施されたこのウィンドウは、取り外して厚さ2.0 mm以下のØ25 mm~Ø25.4 mm(Ø1インチ)光学素子と交換できます。この保護ウィンドウを取り外しているときに、ハーメチックシールされたチャンバのガラスカバーに埃や汚れが付着する可能性があります。このカバーをクリーニングする際は、ガラスに傷などがつかないようにご注意ください。 フランジ焦点距離(フランジバック)が固定のCマウントアダプタが工場で予め装着されており、到着後すぐに様々な顕微鏡やマシンビジョンカメラ用レンズ、Cマウントエクステンションチューブなどを取り付けることができます。このカメラは、筐体前面にある4つの#4-40取付け穴を用いて当社の60 mmケージシステムに接続できます。また、側面の1/4"-20タップ穴を使用して当社のインチ規格のØ1インチ台座付きピラーポストまたはピラーポストに取り付けることができます。このように様々な取付け方ができるため、このカメラは市販の顕微鏡や自作のイメージングシステムに組み込むのに適しています。
![]() ![]() Click for Details Arduinoに接続されたTSI-IOBOB2から小型サイエンティフィックカメラにトリガ信号を送信するときの概要図。 小型サイエンティフィック(sCMOS、CMOS)カメラまたはサイエンティフィックCCDカメラの補助ポートにつなげると便利なアクセサリをご用意しました。外部からのトリガ入力やオシロスコープを使用したカメラのモニタ、またはほかの機器とカメラの同時制御の際にご使用になれます。 USB3.0カメラ用に、PCに接続する際のPCIe USB3.0カードと予備のケーブルもご用意しております。 補助I/Oケーブル(8050-CAB1) *8050-CAB1は、当社の旧製品1500Mシリーズカメラには対応しません。 インターコネクトボード(TSI-IOBOB) ブレイクアウトボード/Arduino用(TSI-IOBOB2) 右は、カメライメージングシステムに組み込まれたTSI-IOBOB2ならびにArduinoボードの構成図です。カメラはケーブル8050-CAB1(別売り)によりブレイクアウトボードに接続しています。シールドのピンを利用して信号を送ることにより、光源、シャッタならびにモーションコントロールデバイスなどの周辺機器を同時制御することも可能です。制御プログラムをArduinoボードに書き込んだ後、ホストPCからUSB接続を取り外せば、スタンドアローンのシステム制御が可能なプラットフォームとなります。またUSBを接続したままにすればArduinoとPCの双方向通信が可能となります。TSI-IOBOB2は68.6 mm x 53.3 mmと小さいので、コンパクトなシステムが実現します。 USB 3.0カメラ用アクセサリ(USB3-MBA-118ならびにUSB3-PCIE) USB 3.0に対応するカメラは、ノート型PCやデスクトップ型PCのUSB 3.0ポートに直接接続できます。USB 3.0カメラはUSB 2.0ポートには適合しません。ホスト側のUSB 3.0ポートは多くの場合は青色ですが、黒色の場合もあります。また、一般に高速(SuperSpeed)を表す「SS」マークが付いています。Intel USB 3.0コントローラを内蔵していないPCに対しては、USB 3.0用PCIeカードを別売りでご提供しております。なお、USBハブを使用すると性能に影響する可能性があります。PCとは専用のケーブルで接続することをお勧めいたします。 ![]() SM1A10Aは、非冷却型Kiralux®およびQuantalux®カメラのための、交換用のSM1-Cマウントアダプタです。アダプタにはSM1外ネジとCマウント内ネジが付いており、多くの顕微鏡、マシンビジョン用カメラレンズ、Cマウントエクステンションチューブに取付け可能です。アダプタにはロッキングリングSM1NTも1個付属します。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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