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、10または11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、組み込み用途(OEM用途)向けや開発業者によるカスタムアプリケーションの開発も可能です。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1.3 MP Kiraluxカメラではサポートされていません。

ソフトウェア

バージョン3.7.0

下のボタンをクリックしてThorCamソフトウェアのページにアクセスしてください。

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。

• 1 Hzのレートでカメラをトリガする
• 最大レートでカメラをトリガする
• ArduinoからのダイレクトAVRポートマッピングを使用してカメラの状態やトリガ取得をモニタする

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。

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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。

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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。

カメラのノイズと温度

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：

• ダークショットノイズ (σ_D): 暗電流とは、カメラに全く光子が入射しない状況でも流れている電流です。 熱によって引き起こされる現象で、シリコン製のチップから自然発生的に起こる電子(価電子は熱によって伝導バンドに励起されます)によるものです。 露光中に取得される暗電子の量のバラツキがダークショットノイズです。 表1でみられるように、この数値は信号レベルには依存しませんが、センサ温度には依存します。
• 読取りノイズ(σ_R): これは電子信号を生成する際に発生するノイズです。センサの設計が引き起こすノイズですが、カメラの電子部品の設計の影響も受けます。このノイズは、信号レベルやセンサ温度には影響を受けず、CCDピクセルクロックレートが高速になると大きくなります。
• フォトンショットノイズ (σ_S): フォトンショットノイズは、光子がピクセルに達する際に起こる統計的ノイズです。 フォトンの測定はポアソン統計に従うため、フォトンショットノイズは、測定される信号レベルに依存します。 なお、センサ温度には依存しません。
• 固定パターンノイズ (σ_F): このノイズは、ピクセルの空間的な不均一性が原因で、信号レベルやセンサ温度には無関係です。 なお、固定パターンノイズは、下記の説明においては考慮に入れないこととします。このノイズはここで販売されるCCDカメラにはあまり関係のないノイズですが、サイエンス用よりも低グレードの他のセンサを検討する上では必要となる場合があります。

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。

ここでは、σ_Dがダークショットノイズ、 σ_R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σ_S がフォトンショットノイズです。 σ_S＞＞≫σ_D であり、 σ_S＞＞σ_Rである時、下記の数式で近似的にσ_effが求められます：

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。

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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 I_D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 σ_Dは、表1に記載のある I_D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。

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。

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

Sから、フォトンショットノイズ σ_Sは下記の数式で求められます：

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 σ_S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：

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：

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：

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。

数式8からSNR値が下記であることが導出できます。

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。

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(a)

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(b)

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(c)

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:当社のサイエンティフィックカメラへのレンズの取付けについて

ここでは、当社のサイエンティフィックカメラを中心に、カメラのマウントとレンズの互換性についてご覧いただけます。

• CマウントとCSマウントのカメラとレンズに互換性はあるか
• 当社のサイエンティフィックカメラにアダプタは必要か
• フランジバックがカメラのフランジとセンサ間の距離よりも短くなり得る理由は

実験および機器についての「Insights-ヒント集」はこちらからご覧いただけます。

CマウントとCSマウントのカメラとレンズに互換性はあるか

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図1: Cマウントのレンズとカメラのフランジバックは同じで、17.526 mmです。そのためレンズを通る光は必ずカメラのセンサ上に焦点を結びます。どちらのコンポーネントにも1.000"-32ネジが付いており、これらは｢C-マウントネジ」とも呼ばれます。

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図2:CSマウントのレンズとカメラのフランジバックは同じで、12.526 mmです。そのためレンズを通る光は必ずカメラのセンサ上に焦点を結びます。1.000"-32ネジはCマウントのコンポーネントに付いているネジと同じで、これらは「Cマウントネジ」とも呼ばれます。

CマウントとCSマウントのカメラシステムにはどちらも1.000"-32ネジが付いていますが、この2つのマウントのフランジバック(フランジ焦点距離/FFD、フランジ焦点深度、フランジ-フィルム間距離などとも呼ばれる)は異なります。Cマウントのフランジバックは17.526 mm(図1)、CSマウントのフランジバックは12.526 mm(図2)です。

フランジバックが異なるため、CマウントとCSマウントのコンポーネントには互換性がありません。しかしアダプタを用いることによってCマウントレンズをCSマウントカメラに使用することは可能です。

CマウントとCSマウントの組み合わせ
CマウントとCSマウントのネジ規格は同じですが、マウントの種類が異なるレンズとカメラを直接取り付けることはできません。直接取り付けると、フランジバックが異なるためレンズの焦点面がカメラのセンサ面と一致せず、象がぼやけます。

アダプタを使用することで、CマウントレンズをCSマウントカメラに使用することはできます(図3、4)。アダプタによりレンズとカメラのセンサの間隔が5.0 mmだけ長くなり、レンズの焦点面を確実にカメラのセンサ面に一致させることができます。

一方、フランジバックの短いCSマウントレンズは、Cマウントカメラには使用できません(図5)。レンズとカメラの筐体が干渉してカメラのセンサに焦点が合う位置までレンズを近づけることができず、またレンズを近づけられるようなアダプタはありません。

レンズとカメラのパラメータを確認し、互換性のあるコンポーネントなのかどうか、アダプタが必要かどうか、また互換性を持たせる手段はないかを判断することが重要です。

1.000"-32ネジ
インチ規格のネジは、その径とTPI(1インチあたりのネジ山数)によって正確に表現されています。これらの両方のマウントのネジ径は1.000インチ、TPIは32です。Cマウント製品の普及により、1.000"-32ネジは「Cマウントネジ」と呼ばれることがあります。しかし、CSマウントデバイスにも同じネジが用いられているため、この用語は混乱を招く場合があります。

フランジバックについて
フランジバックの値はレンズとカメラの両方について与えられます(図1、2)。レンズの場合、フランジバックはレンズのフランジ面から焦点面までの距離です。フランジ面はレンズ後方のフラットな面で、1.000"-32外ネジとその起点で交差しています。カメラの場合、フランジバックはカメラの前面からセンサ面までの距離です。 レンズがアダプタ無しでカメラに取り付けられているとき、カメラ前方のフランジ面とレンズ後方の面は接触しています。

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図5:CSマウントレンズをCマウントカメラに直接取り付けると、光はカメラのセンサの手前で焦点を結びます。この場合はフランジバックを青色の矢印の距離だけ短くする必要がありますが、これはアダプタなどでは対処できません。

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図4: 紫色の矢印が示す距離に相当する適切な厚さのアダプタを使用すると、Cマウントレンズの位置はCSマウントカメラのセンサから最適な位置に配置されます。これによりフランジバックが異なっても、光はカメラのセンサ上に焦点を結ぶことができます。

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図3:マウントレンズとCSマウントカメラは、レンズのフランジバック(青色の矢印)とカメラのフランジバック(黄色の矢印)が異なるため、直接取り付けることはできません。光はカメラのセンサ上に焦点を結ばす、像がぼやけます。

最終更新日:2020年7月21日

当社のサイエンティフィックカメラにアダプタは必要か

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図6:アダプタを使用することで、フランジバックが17.526 mmよりも短いカメラに対して、Cマウントレンズを適切な位置に配置することができます。この図は、ZeluxカメラとアダプタSM1A10Zをもとに描かれています。

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図7: アダプタを使用することで、フランジバックが12.526 mmよりも短いカメラに対して、CSマウントレンズを適切な位置に配置することができます。この図は、ZeluxカメラとアダプタSM1A10をもとに描かれています。

当社のサイエンティフィックカメラKiralux™およびQuantalux^®は、すべてCマウントレンズに対応するように予め設定されています。これらのパッシブ冷却方式のカメラからCマウントアダプタを取り外すと、フランジ内のSM1内ネジがご利用いただけます。サイエンティフィックカメラZeluxの取付けフランジにもSM1内ネジが付いています。またCマウントアダプタやCSマウントアダプタもご利用いただけます。

カメラ筐体にはSM1ネジが付いており、これによって当社のコンポーネントで構成されたレンズアセンブリを容易に使用することができます。アダプタを使用すれば、カメラのCマウント構成を変えることも可能です。用途に特化したレンズアセンブリを設計する場合や、そのカメラ用に設計されたものではないアダプタを使用しようとする場合には、カメラとレンズのフランジバック(FFD)が一致し、またカメラセンサのサイズが視野に適していることを確認することが重要です。

カメラとそのアダプタ
ZeluxカメラをCマウントやCSマウント規格に適合する構成に変換するための固定式アダプタをご用意しております(図6、7)。これらのアダプタは、パッシブ冷却方式のKiraluxおよびQuantaluxカメラに付属する調整機能付きCマウントアダプタと同様に、それぞれのカメラ専用に設計されています。

SM1ネジを1.000"-32ネジに変換するアダプタであれば、どの様なものでもカメラにCマウントやCSマウントのレンズを取り付けることが可能ですが、すべてのネジアダプタがレンズの焦点面を特定のカメラのセンサ面に一致させることができるわけではありません。場合によっては、それらの面を一致させられるアダプタが無いことがあります。例えば、こちらのサイエンティフィックカメラでは、ZeluxカメラだけがCSマウントレンズ用の構成にすることができます。

レンズの焦点面の位置は、空気中で測定されるレンズのフランジバックと、レンズとカメラセンサ間に置かれた屈折率を有する全ての光学素子との組み合わせで決定されます。レンズによって集光される光が屈折率を有する光学素子を透過すると、空気中を伝搬する場合とは異なり、焦点面はより遠い位置に移動します(この距離は算出可能)。 このアダプタは、カメラのフランジバックが短いときに、そのフランジバックの長さと、レンズとセンサ間のウィンドウやフィルタによって生じる焦点移動の両方を補正するのに十分な距離を付加するものでなければなりません。

調整機能付きCマウントアダプタ
パッシブ冷却方式のカメラKiraluxおよびQuantaluxは、SM1内ネジ付きカメラ、固定リングで固定されたウィンドウまたはフィルタ(センサの覆い)、および調整機能付きCマウントアダプタから構成されています。

調整機能付きCマウントアダプタの利点は、ウィンドウまたはフィルタと固定リングが取り付けられている時に、レンズとカメラ間の距離を1.8 mmの範囲で調整できることです。調整可能なことで、カメラのセンサ面とレンズの焦点面のミスアライメントによる様々な影響を補正することができます。それらの影響には、温度変化による材料の膨張や収縮、累積公差による位置誤差、異なる厚さや屈折率のウィンドウまたはフィルタに交換したことに伴う焦点シフトなどが含まれます。

無限遠にある物体の鮮明な像を得るためには、カメラのアダプタの調整が必要な場合があります。物体が無限遠にある場合には入射光は平行光であり、レンズのフランジバックは焦点の位置で決定されます。レンズやカメラの実際のフランジバックが意図したフランジバックと一致していない場合があり、無限遠の物体が焦点を結ぶ面がセンサ面からシフトし、そのため像がぼやけてしまうことがあります。

レンズの焦点調整をしても無限遠の物体の鮮明な像が得られない場合には、カメラのアダプタで調整してみてください。アダプタで調整することで公差や環境によるシフトが補正され、像の焦点を合わせることができます。

最終更新日:2020年8月2日

フランジバックがカメラのフランジとセンサ間の距離よりも短くなり得る理由は

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図9:屈折率の違い(θ_m vs. θ_o )により光線が屈折するため、光線の光軸に対する角度は空気中よりも媒質内で浅くなります(n_m vs. n_o )。媒質内でdの距離を伝搬したとき、光線は h_m しか光軸に近くなりません。そのため、光線はfの位置よりもΔfだけ遠い位置で光軸と交差します。

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図8:空気中を通る光線は、f.位置で光軸と交差します。光線は距離dを伝搬すると、h_oだけ光軸に近くなります。空気の屈折率はn_o です。

Equations for Calculating the Focal Shift (Δf )
Angle of Ray in Air, from Lens f-Number ( f / N )
Change in Distance to Axis, Travelling through Air (Figure 8)
Angle of Ray to Axis, in the Medium (Figure 9)
Change in Distance to Axis, Travelling through Optic (Figure 9)
Focal Shift Caused by Refraction through Medium (Figure 9)	Exact Calculation
	Paraxial Approximation

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図11:公差や温度の影響により、レンズとカメラのフランジバックが異なることがあります。レンズのフランジバックの方が短い場合には、無限遠の物体の像は焦点調整範囲外になります。このシステムでは焦点を合わせられないため、像はぼやけます。

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図10:カメラとレンズのフランジバックが同じときは、カメラのセンサ面とレンズの焦点面は完全に一致しています。無限遠の物体の鮮明な像は、システムの焦点調整範囲の一端で得られます。

カメラとレンズのフランジバック(FFD)を決めるときは、レンズとカメラのセンサ面の間にあるのは空気のみであることを仮定しています。レンズとカメラのセンサの間にウィンドウまたはフィルタ、あるいはその両方が挿入されている場合は、カメラのフランジとセンサ面の間の距離を仕様で指定されたフランジバックよりも長くする必要があるかもしれません。ウィンドウやフィルタにより光路が屈折して焦点面がより遠い位置にシフトするため、フランジバックと同じ距離では短すぎる場合があります。

レンズとカメラセンサの間の光学素子を変更するなら、焦点面のシフト量を計算し、アライメントを保つためにレンズとカメラ間の距離を調整する必要があるかどうか判断してください。焦点の合った像を得るには、適切なアライメントは必要です。理由は、光学素子を変更することで収差やその他の影響が現れ、画像品質が許容できないレベルに低下することがあるためです。

屈折による焦点移動
光が固体媒質を通るときの光路は直線です(図8)。光が焦点に集光していく過程で、光線の光軸に対する角度(θ_o )は一定です(f )。フランジバックの値はこの媒質が空気であることが仮定されています。

平行平面を有する屈折率の高い(n_m )光学素子を光路に置いた場合、光線は屈折により曲がり、光学素子内を浅い角度(θ_m )で通過します。この角度は、表と図9に示すように、スネルの法則により決定されます。

光学素子を通るときの光線は、同じ距離だけ空気を通る光線に比べて、光軸に向かう速さは遅くなります。光学素子から出た後の光線の光軸に対する角度は、また光学素子を通過していないときの角度θ_oになります。しかし、光学素子から出る光線の位置は、光学素子を通らない場合には決して通ることのない、光軸からより遠く離れた位置になります。光学素子によって屈折された光線は光軸からより遠くなるため、光軸と交差する位置は光学素子を通らない光線よりもΔfだけ先にシフトします。光学素子の厚さが増すと、2つの光線の間は広がり、Δfは増大します。

無限遠およびそれを超えた調整
カメラシステムでは、多くのアプリケーションにおいて、無限遠の物体の高品質な像を得ることが要求されます。これらの物体からの光線は平行光で、近い物体からの光線よりもよりレンズに近い位置で焦点を結びます(図10)。カメラとレンズのフランジバックは、無限遠の位置にある物体からの光線の焦点が、カメラのセンサ面と一致するように決められています。レンズに焦点の調整範囲があるときには、その範囲の一端は無限遠の物体に、もう一端はそれよりも近い物体に焦点が合うように調整されています。

温度変化や累積公差などの影響により、レンズやカメラのフランジバックが仕様を満たさない場合があります。レンズの実際のフランジバックがカメラのフランジバックよりも短いときには、カメラのシステムは無限遠の物体の鮮明な像を得ることはできません(図11)。このオフセットは、レンズとカメラセンサの間にある光学素子を取り外したときも生じることがあります。

これを補正するために、レンズによっては焦点を結ぶ物体の位置を、無限遠を「超えて」設定できるようにしています。これは物理的な距離を意味しているわけではなく、単にレンズの焦点面をより遠くまで移動できるようにしているだけです。当社のKiralux™とQuantalux^®カメラに付属する調整機能付きCマウントアダプタは、必要に応じて距離を調整できるようになっています。

レンズのフランジバックがカメラのフランジバックよりも長い場合には、無限遠の物体の像はシステムの焦点調整範囲内にありますが、本来は焦点調整範囲内にあるべき近い物体がその範囲外になります。この状況は、レンズとカメラセンサの間に光学素子を挿入することで生じる場合があります。無限遠の物体のイメージングが可能であるならば、この状況はしばしば許容されることがあります。

カメラの設計例
ハーメチックシールされたTE冷却型のCマウントQuantaluxカメラには、フランジ面とセンサ面の間に18.1 mmの固定された距離があります。しかし、Cマウントカメラシステムのフランジバック(f )は17.526 mmです。フランジバックよりも長い距離が必要であることは、ハーメチックカバーにはんだ付けされているウィンドウとセンサを覆うガラスによる焦点移動を考慮すると明白です。図9の下の表に記載されている結果は、厳密な式でも近軸近似の式でも、必要な全体の距離として18.1 mmという値が得られることを示しています。

最終更新日:2020年7月31日

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カメラにはモノクロ、カラー、近赤外(NIR)強化型または偏光検出型のCMOSセンサーが搭載されています。コンパクトなパッシブ放熱型の筐体に納められているタイプのほか、カメラCC505MUのようにハーメチックシールされた熱電(TE)冷却型の筐体に納められたタイプもございます。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、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。

Compact Scientific Cameras
Camera Type	Zelux® CMOS	Kiralux® CMOS					Quantalux® sCMOS
	1.6 MP	1.3 MP	2.3 MP	5 MP	8.9 MP	12.3 MP	2.1 MP
Item #	Monochrome: CS165MUa Color: CS165CUa	Mono.: CS135MU Color: CS135CU NIR-Enhanced Mono.: CS135MUN	Mono.: CS235MU Color: CS235CU	Mono., Passive Cooling: CS505MU1 CS505MU Mono., Active Cooling: CC505MU Color: CS505CU1 CS505CU Polarization: CS505MUP1	Mono., Passive Cooling: CS895MU Mono., Active Cooling: CC895MU Color: CS895CU	Mono., Passive Cooling: CS126MU Mono., Active Cooling: CC126MU Color: CS126CU	Monochrome, Passive Cooling: CS2100M-USB Active Cooling: CC215MU
Product Photos (Click to Enlarge)
Electronic Shutter	Global Shutter	Global Shutter					Rolling Shutterb
Sensor Type	CMOS	CMOS					sCMOS
Number of Pixels	1440 x 1080 (H x V)	1280 x 1024 (H x V)	1920 x 1200 (H x V)	2448 x 2048 (H x V)	4096 x 2160 (H x V)	4096 x 3000 (H x V)	1920 x 1080 (H x V)
Pixel Size	3.45 µm x 3.45 µm	4.8 µm x 4.8 µm	5.86 µm x 5.86 µm	3.45 µm x 3.45 µm			5.04 µm x 5.04 µm
Optical Format	1/2.9" (6.2 mm Diag.)	1/2" (7.76 mm Diag.)	1/1.2" (13.4 mm Diag.)	2/3" (11 mm Diag.)	1" (16 mm Diag.)	1.1" (17.5 mm Diag.)	2/3" (11 mm Diag.)
Peak Quantum Efficiency (Click for Plot)	Monochrome: 69% at 575 nm Color: Click for Plot	Monochrome: 59% at 550 nm Color: Click for Plot NIR: 60% at 600 nm	Monochrome: 78% at 500 nm Color: Click for Plot	Monochrome & Polarization: 72% (525 to 580 nm) Color: Click for Plot	Monochrome: 72% (525 to 580 nm) Color: Click for Plot	Monochrome: 72% (525 to 580 nm) Color: Click for Plot	Monochrome: 61% (at 600 nm)
Max Frame Rate (Full Sensor)	34.8 fps	165.5 fps	39.7 fps	35 fps (CS505xx1, CC505MU, CS505MUP1), 53.2 fps (CS505xx)	20.8 fps (CC895MU), 30.15 fps (CS895xx)	15.1 fps (CC126MU), 21.7 fps fps (CS126xx)	50 fps
Read Noise	< 4.0 e- RMS	< 7.0 e- RMS	< 7.0 e- RMS	< 2.5 e- RMS			< 1 e- Median RMS; < 1.5 e- RMS
Digital Output	10 Bit (Max)	10 Bit (Max)	12 Bit (Max)				16 Bit (Max)
PC Interface	USB 3.0
Available Fanless Cooling	N/A	N/A	N/A	15 °C to 20 °C Below Ambient Temperature (CCxxxMU Cameras Only)
Housing Size (Click for Details)	0.59" x 1.72" x 1.86" (15.0 x 43.7 x 47.2 mm3)	Passively Cooled CMOS Camera TE-Cooled CMOS Camera					Passively Cooled sCMOS Camera TE-Cooled sCMOS Camera
Typical Applications	Mono. & Color: Brightfield Microscopy, General Purpose Imaging, Machine Vision, Material Sciences, Materials Inspection, Monitoring, Transmitted Light Spectroscopy, UAV, Drone, & Handheld Imaging Mono. Only: Multispectral Imaging, Semiconductor Inspection Color Only: Histopathology	Mono., Color, & NIR: Brightfield Microscopy, Ca++ Ion Imaging, Electrophysiology/Brain Slice Imaging, Flow Cytometry, Fluorescence Microscopy, General Purpose Imaging, Immunohistochemistry (IHC), Laser Speckle Imaging, Machine Vision, Material Sciences, Materials Inspection, Vascular Imaging, Monitoring, Particle Tracking, Transmitted Light Spectroscopy, Vascular Imaging, VIS/NIR Imaging Mono. Only: Multispectral Imaging Semiconductor Inspection Color Only: Histopathology NIR Only: Ophthalmology/Retinal Imaging	Mono. & Color: Autofluorescence, Brightfield Microscopy, Electrophysiology/Brain Slice Imaging, Fluorescence Microscopy, Immunohistochemistry (IHC), Machine Vision, Material Sciences, Materials Inspection, Monitoring, Quantitative Phase-Contrast Microscopy, Transmitted Light Microscopy Mono. Only: Multispectral Imaging Semiconductor Inspection Color Only: Histopathology	Mono. & Color: Autofluorescence, Brightfield Microscopy, Electrophysiology/Brain Slice Imaging, Fluorescence Microscopy, Immunohistochemistry (IHC), Machine Vision, Material Sciences, Materials Inspection, Monitoring, Quantitative Phase-Contrast Microscopy, Transmitted Light Microscopy Mono. Only: Multispectral Imaging, Semiconductor Inspection Color Only: Histopathology Polarization Only: Inspection, Surface Reflection Reduction, Transparent Material Detection	Mono. & Color: Autofluorescence, Brightfield Microscopy, Electrophysiology/Brain Slice Imaging, Fluorescence Microscopy, Immunohistochemistry (IHC), Machine Vision, Material Science, Materials Inspection, Monitoring, Quantitative Phase-Contrast Microscopy, Transmitted Light Microscopy Mono. Only: Multispectral Imaging, Ophthalmology/Retinal Imaging, Semiconductor Inspection Color Only: Histopathology CS126xx and CC126MU Only: Whole-Slide Microscopy		Passive & Active Cooling: Autofluorescence, Brightfield Microscopy, Fluorescence Microscopy, Immunohistochemistry (IHC), Material Sciences, Materials Inspection, Monitoring, Quantitative Phase-Contrast Microscopy, Quantum Dots, Semiconductor Inspection, Transmitted Light Microscopy, Whole-Slide Microscopy Active Cooling Only: Electrophysiology/Brain Slice Imaging, Multispectral Imaging

• こちらの型番はZeluxシリーズ製品となります。これらのカメラには外部トリガ機能の有るタイプと、無いタイプがございます。
• このローリングシャッタには、照明が均一になるようにカメラと光源を同期させるEqual Exposure Pulse(EEP)モードが付いています。

Scientific CCD Cameras
Camera Type	Fast Frame Rate VGA CCD	1.4 MP CCD	8 MP CCD
Item # Prefix	Monochrome: 340M	Monochrome: 1501M	Monochrome, No Sensor Face Plate: S805MU
Product Photo (Click to Enlarge)
Electronic Shutter	Global Shutter
Sensor Type	CCD
Number of Pixels	640 x 480 (H x V)	1392 x 1040 (H x V)	3296 x 2472 (H x V)
Pixel Size	7.4 µm x 7.4 µm	6.45 µm x 6.45 µm	5.5 µm x 5.5 µm
Optical Format	1/3" (5.92 mm Diagonal)	2/3" (11 mm Diagonal)	4/3" (22 mm Diagonal)
Peak QE (Click for Plot)	55% at 500 nm	60% at 500 nm	51% at 460 nm
Max Frame Rate (Full Sensor)	200.7 fps (at 40 MHz Dual-Tap Readout)	23 fps (at 40 MHz Single-Tap Readout)	17.1 fps (at 40 MHz Quad-Tap Readout)
Read Noise	< 15 e- at 20 MHz	< 7 e- at 20 MHz (Standard Models) < 6 e- at 20 MHz (-TE Models)	< 10 e- at 20 MHz
Digital Output (Max)	14 Bit	14 Bit	14 Bit
Available Fanless Cooling	Passive Thermal Management	-20 °C at 20 °C Ambient Temperature	Passive Thermal Management
Available PC Interfaces	USB 3.0
Housing Dimensions (Click for Details)	Non-Cooled Scientific CCD Camera	Cooled Scientific CCD Camera Non-Cooled Scientific CCD Camera	No Face Plate Scientific CCD Camera
Typical Applications	Monochrome: Brightfield Microscopy, Ca++ Ion Imaging, Electron Microscopy (TEM/SEM), Fluorescence Microscopy, Immunohistochemistry (IHC), Material Sciences, Particle Tracking, SEM/EBSD, Transmitted Light Microscopy Flow Cytometry	Monochrome: Autofluorescence, Brightfield Microscopy, Electron Microscopy (TEM/SEM), Flow Cytometry, Fluorescence Microscopy, Laser Speckle Imaging, Immunohistochemistry (IHC), Material Sciences, Ophthamology/Retinal Imaging, Quantitative Phase-Contrast Microscopy, Quantum Dots, SEM/EBSD, Transmitted Light Microscopy Vascular Imaging, VIS/NIR Imaging	Monochrome: Beam Profiling & Characterization, Digital Holographic Microscopy, Fluorescence Microscopy, Immunohistochemistry (IHC), Interferometry, Material Sciences, Monitoring, Ptychography, Transmitted Light Microscopy, VCSEL Inspection