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Products HomeサイエンティフィックCCDカメラ、8メガピクセル
- 8 Megapixel Monochrome and Color CCD Cameras
- Scientific-Grade Cameras with Low Read Noise
- Up to 17.1 Frames per Second for the Full Sensor
- Support for LabVIEW, Matlab, µManager/ImageJ, and MetaMorph
8051M-GE Scientific CCD Camera Mounted on a Thorlabs Cerna® Widefield Microscope
8051M-USB
Non-Cooled Monochrome Camera
8051C-GE-TE
Hermetically Sealed
Two-Stage Cooled Color Camera
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当社の8メガピクセルカメラで取得した扁桃細胞のKi-67染色サンプルの明視野像。 Ki-67は、細胞分裂中の核のみに発現する抗原であり、ある細胞集団内に占める増殖分画を示すマーカとして頻用されます。 「用途」タブでは他の画像サンプルもご覧いただけます
| Scientific Camera Selection Guide | |
|---|---|
| sCMOS | Quantalux™ (2.1 Megapixel) |
| Scientific CCD | 1.4 Megapixel |
| 4 Megapixel | |
| 8 Megapixel | |
| 200 Frames Per Second, VGA Resolution | |
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60 mmケージシステムに組み込まれたカメラ
高分解能な8メガピクセルカメラ
- 広視野用の4/3型、画素数3296 x 2472モノクロまたはカラーCCDセンサ(On Semi KAI-08051MまたはKAI-08051-FBA)
- 低い読み出しノイズにより、低光量における検出閾値が向上
- ソフトウェアで選択可能な20 MHzまたは40 MHzの読み出し：40 MHzではフレームレート最大、20 MHzではノイズ最小
- 非同期リセット、トリガ、ならびにバルブ露光モード(詳細は「トリガ」のタブをご覧ください)
- 32ビット版および64ビット版Windows® 7、8.1、10対応ThorCam GUI
- LabVIEW、Matlab、µManager/ ImageJ、C++ならびにMetaMorphをサポート
- ソフトウェア開発用の解説付きフル機能API
当社の8メガピクセルCCDカメラ(US Patent 9,380,241 B2)は、フルセンサ40 MHz、4タップの読み出しにおいて1秒間に最大17.1フレームの処理が可能で、顕微鏡や厳しい仕様が要求されるイメージング用に特化した設計となっています。こちらのカメラは明視野イメージングや検査、その他の顕微鏡技術に適した低ノイズかつ広視野の撮像装置です。
非冷却の標準パッケージとTEC素子でCCDを冷却する密閉式パッケージ
当社のカメラには、コンパクトな非冷却の標準パッケージと、2段のTEC素子でCCDを冷却する密閉式パッケージの2つのタイプがあります。 いずれも冷却ファンのない設計のため、振動による画像のぼけを抑えることができます。 カメラを冷却すると暗電流が抑制されます。ただし、全体の暗電流は露光時間によって変化します。 高光量で露光時間が短い(1秒未満)用途には、通常非冷却タイプのカメラで十分です。 一方、低光量で露光時間が1秒以上必要な用途には冷却タイプのカメラをお勧めします。 カメラノイズの発生源やそれらが非冷却・冷却タイプを選択する上で与える影響等の情報については「カメラノイズ」タブをご参照ください。
USB3.0、ギガビットイーサネット(GigE)またはCamera Linkインターフェイス
当社の8メガピクセルカメラでは、USB3.0、ギガビットイーサネット(GigE)またはCamera Linkインターフェイスをご利用いただけます。 GigEは、PCとカメラが遠く離れている場合や、同じPCで複数のカメラを操作する場合に適しています。 GigEならびにCamera LinkカメラにはそれぞれGigEまたはCamera LinkのFrame Grabberカードとケーブルが付属しています。USBカメラについてはUSB3.0がほとんどのPCでサポートされているため、カードは付属していませんが、別途ご提供が可能です。すべてのカメラには電源やソフトウェアが付属します。 詳細については「発送リスト」タブをご覧ください。GigEまたはCamera Linkインターフェイスの場合、接続するPCには空のPCI Expressスロットが必要です。 これら3つのインターフェイスと推奨するPCの詳細については、「インターフェイス」タブをご参照ください。
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。
各カメラには脱着可能なIRフィルタが付いています。透過率については「仕様」タブをご覧ください。 フィルタを外すと、代わりに幅4 mmまでのØ25 mm～Ø25.4 mm(Ø1インチ)フィルタや光学素子を取り付けることができます。詳細につきましては、下の赤い「資料」アイコンからご覧いただけるマニュアルをご参照ください。
このカメラには、標準的なCマウントネジ切り加工が施されています。当社ではこのCマウントネジを様々なネジ規格に変換するネジアダプタ(例えばØ25 mm～25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブに対応するSM1ネジアダプタ)を取り揃えております。 カメラの前面には#4-40タップ穴が開いており、当社の60 mmケージシステムを取り付けることができます。 また筐体の側面には、4つの1/4"-20タップ穴があり、Ø1インチ(Ø25.4 mm)ポストに取り付けることができます。 当社のカメラは、各種マウントに柔軟に対応できますので、市販の顕微鏡を用いたイメージングシステムはもちろん、自作のシステムに組み込むにも適した製品となります。
| Monochrome Item #a | 8051M-USB | 8051M-USB-TE | 8051M-GE | 8051M-GE-TE | 8051M-CL | 8051M-CL-TE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Color Item #a | 8051C-USB | 8051C-USB-TE | 8051C-GE | 8051C-GE-TE | 8051C-CL | 8051C-CL-TE |
| Sensor Type | Monochrome: ON Semiconductor KAI-08051M Monochrome CCD Color: ON Semiconductor KAI-08051-FBA Color CCD | |||||
| Number of Active Pixels | 3296 x 2472 (Horizontal x Vertical) | |||||
| Imaging Area | 18.13 mm x 13.60 mm (Horizontal x Vertical) | |||||
| Pixel Size | 5.5 µm x 5.5 µm | |||||
| Optical Format | 4/3" Format (22 mm Diagonal) | |||||
| Peak Quantum Efficiency | Monochrome: 51% at 460 nm Color: See Graph Below | |||||
| Number of Taps (Software Selectable) | Single, Dual, Quad | Single, Dual | Single, Dual, Quad | |||
| Exposure Time | 0 to 1000 s in 1 ms Incrementsb | |||||
| CCD Pixel Clock Speed | 20 or 40 MHz | |||||
| ADC Gainc | 0 to 1023 Steps (0.036 dB/Step) | |||||
| Optical Black Clamp | 0 to 1023 Steps (0.25 ADU/Step)d | |||||
| Vertical Hardware Binninge | Continuous Integer Values from 1 to 10 | |||||
| Horizontal Software Binninge | Continuous Integer Values from 1 to 10 | |||||
| Region of Interest | 1 x 1 Pixel to 3296 x 2472 Pixels, Rectangular | |||||
| Read Noisef | ＜10 e- at 20 MHz | |||||
| Digital Output | 14 Bit | Single Tap: 14 Bit Dual-Tap: 12 Bit | 14 Bit | |||
| Cooling | No | Sensor Cools to -10 °C at 20 °C Ambient Temperature | No | Sensor Cools to -10 °C at 20 °C Ambient Temperature | No | Sensor Cools to -10 °C at 20 °C Ambient Temperature |
| Host PC Interfaceg | USB 3.0 | Gigabit Ethernet | Camera Link | |||
| Lens Mount | C-Mount (1.000"-32) | |||||
| Sample Frame Rates at 1 ms Exposure Time | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| CCD Size and Binninga | Single Tap | Dual Tap | Quad Tapb | |||
| 20 MHz | 40 MHz | 20 MHz | 40 MHz | 20 MHz | 40 MHz | |
| Full Sensor (3296 x 2472) | 2.3 fps | 4.5 fps | 4.4 fps | 8.5 fps | 8.8 fps | 17.1 fps |
| Full Sensor, Bin by 2 (1648 x 1048) | 4.4 fps | 8.5 fps | 8.3 fps | 15.7 fps | 16.6 fps | 31.2 fps |
| Full Sensor, Bin by 10 (329 x 247) | 17.0 fps | 29.9 fps | 29.0 fps | 47.1 fps | 56.8 fps | 92.3 fps |
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生データはこちらからダウンロードいただけます。
赤外域ブロックフィルタ(型番FESH0700)カメラから取り外し可能です。取り外し方法についてはマニュアルをご参照ください。このフィルタを取り外して、お手持ちのØ25 mm～Ø25.4 mm(Ø1インチ)フィルタなど、厚さ4 mmまでの光学素子と取り換えることが可能です。
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この曲線はモノクロカメラセンサの量子効率を示しています。
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非冷却型カメラ
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密閉冷却型カメラ
当社のサイエンス用CCDカメラは様々な用途にお使いいただけます。 下のフォトギャラリでは、当社の1.4メガピクセル、4メガピクセル、8メガピクセル、高フレームレートカメラで取得した様々な画像をご紹介しています。
画像の一部はこちらから解像度の高い16-bit TIFFファイルとしてダウンロードすることも可能です。 16-bitファイルを見るには他のビュワーが必要となる場合があります。 当社では無料でダウンロードが可能なImageJの使用をお勧めします。
| Thorlabs' Scientific Camera Applications (Click Images for Details) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
 |  |  |  |  |  |  |
| Intracellular Dynamics | Brightfield Microscopy | Ophthalmology (NIR) | Fluorescence Microscopy | Multispectral Imaging | Neuroscience | SEM/TEM |
| Thorlabs' Scientific Camera Recommended for Above Application | ||||||
| 1.4 Megapixel Fast Frame Rate | 4 Megapixel 8 Megapixel | 1.4 Megapixel | 4 Megapixel 1.4 Megapixel | 4 Megapixel 1.4 Megapixel | 1.4 Megapixel | 1.4 Megapixel 4 Megapixel Fast Frame Rate |
マルチスペクトルイメージング
右の動画は液晶チューナブルフィルタ(LCTF)をモノクロカメラの前においてマルチスペクトルイメージを取得している例です。 スライドガラス上の試料は広帯域光で照射され、試料を透過した光のうち、特定のスペクトルのみがLCTFにより透過されます。 モノクロ画像はモノクロサイエンティフィックカメラを使用して取得し、スペクトル分離した2次元画像の集合体(スタック画像)になります。このデータは割合や閾値を求めたり、スペクトルアンミキシングなどの定量的分析に使用できます。
こちらの例では、成熟したナズナの胚を当社の液晶チューナブルフィルタKURIOS-WB1(/M)を使用し、420 nm～730 nmの波長範囲で高速に走査しています。 画像はサイエンティフィックカメラ1501M-GEで取得しています。カメラは、液晶フィルタとともにCerna®シリーズ顕微鏡に接続されています。 システム全体の倍率は10倍です。 最終的なスタック・復元画像は以下の通りです。
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最終的なスタック・復元画像
血栓症研究
血栓症とは血管内で血の塊が形成され、循環系における血流が閉塞することです。 下は、Medical College of WisconsinのDr. Brian Cooleyによるマウスの大血管血栓症の実験研究の動画です。 3種類のレーザ(532 nm、594 nm、650 nm)を一旦拡大し、麻酔をかけたマウスの露出手術部位の顕微鏡観察視野に集光しました。 フィルターホイールを内蔵したカスタム仕様の1.4メガピクセルカメラをLeica製顕微鏡に取り付けることによって、手術部位から放射される低量の蛍光を捉えます。 詳細については下の動画と説明をご覧ください。
動脈血栓症
In the video above, a gentle 30-second electrolytic injury is generated on the surface of a carotid artery in an atherogenic mouse (ApoE-null on a high-fat, “Western” diet), using a 100-micron-diameter iron wire (creating a free-radical injury). The site (arrowhead) and the vessel are imaged by time-lapse fluorescence-capture, low-light camera over 60 minutes (timer is shown in upper left corner – hours:minutes:seconds). Platelets were labeled with a green fluorophore (rhodamine 6G) and anti-fibrin antibodies with a red fluorophore (Alexa-647) and injected prior to electrolytic injury to identify the development of platelets and fibrin in the developing thrombus. Flow is from left to right; the artery is approximately 500 microns in diameter (bar at lower right, 350 microns).
Venous Thrombosis
In the video above, a gentle 30-second electrolytic injury is generated on the surface of a murine femoral vein, using a 100-micron-diameter iron wire (creating a free-radical injury). The site (arrowhead) and the vessel are imaged by time-lapse fluorescence-capture, low-light camera over 60 minutes (timer is shown in upper left corner – hours:minutes:seconds). Platelets were labeled with a green fluorophore (rhodamine 6G) and anti-fibrin antibodies with a red fluorophore (Alexa-647) and injected prior to electrolytic injury to identify the development of platelets and fibrin in the developing thrombus. Flow is from left to right; the vein is approximately 500 microns in diameter (bar at lower right, 350 microns).
Reference: Cooley BC. In vivo fluorescence imaging of large-vessel thrombosis in mice. Arterioscler Thromb Vasc Biol 31, 1351-1356, 2011. All animal studies were done under protocols approved by the Medical College of Wisconsin Institutional Animal Care and Use Committee.
カメラ背面パネルのコネクタの位置
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8051M-USB、8051C-USB、8051M-USB-TE、8051C-USB-TE
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8051M-GE、8051C-GE、8051M-GE-TE、8051C-GE-TE
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8051M-CL、8051C-CL、8051M-CL-TE、8051C-CL-TE
(CL0とCL1の使用法についてはマニュアルをご参照ください。)
ブレイクアウトボードTSI-IOBOBおよびTSI-IOBOB2のコネクタの位置
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TSI-IOBOB
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TSI-IOBOB2
TSI-IOBOBと | 8050-CAB1コネクタ | カメラ補助ポート |
|---|---|---|
 メス型6ピンMini Din メス型コネクタ |  オス型6ピンMini Din オス型コネクタ (TSI-IOBOB側のケーブル)  オス型12ピンヒロセコネクタ (カメラ側のケーブル) |  メス型12ピンヒロセコネクタ (カメラの補助ポート) |
補助コネクタ
カメラとブレイクアウトボードはいずれもメス型のコネクタで、8メガピクセルカメラには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の両端にはオス型のコネクタが付いています。カメラに接続する端には12ピンのコネクタ、ブレイクアウトボードに接続する端には6ピン Mini Dinコネクタが付いています。 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ていますが、ピン4(接地端子)は、各SMAコネクタのパッケージに接続されます。 8050-CAB1では使用されていないI/O機能をご入用の場合は、カメラがCEならびにFCCコンプライアンスに準拠するようシールドケーブルを加工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。
| Camera AUX Pin # | TSI-IOBOB and TSI-IOBOB2 Pin # | Signal | Description |
|---|---|---|---|
| 1 | - | 予約済み | 将来用に予約済み |
| 2 | - | 予約済み | 将来用に予約済み |
| 3 | - | 予約済み | 将来用に予約済み |
| 4 | 6 | STROBE_OUT (出力) | 連続多重露出モードを使用している際、実際のセンサ露光時間中はHighとなるTTL出力。 一般的に、外付けストロボなどカメラと一緒に利用するデバイスの同期に使用します。 |
| 5 | 3 | TRIGGER_IN (入力) | 電圧がHighからLowに移行した際、露出のトリガに使用されるTTL入力。 |
| 6 | 1 | LVAL (出力) | 「Line Valid(有効ライン)」の略。 正論理TTL信号で、各ラインが有効の際アサートされます。 各ライン間ならびに各フレーム間ではLowに戻ります。 |
| 7 | 2 | TRIGGER_OUT (出力) | 外部トリガ入力(TRIGGER_IN、LVDS_TRIGGER_IN、またはCameraLink CC1信号)を使用する際にアサートされる6 µs正パルス。 ホストから駆動されるCC1信号は、ソフトウェア制御のトリガ信号の1つです。 CC1信号は、電圧がHighからLowへ移行した際にTRIGGER_OUTとしてカメラから出力され、他のデバイスのトリガを可能にします。 その他の外部トリガ装置も同様です。 |
| 8 | - | LVDS_TRIGGER_IN_N (入力、ピン9の差動対) | 電圧がHighからLowへ移行した際、露出のトリガに使用するLVDS(低電圧差動信号)入力 末尾の「N」は、LVDSのNegative信号を意味しています。 |
| 9 | - | LVDS_TRIGGER_IN_P (入力、ピン9の差動対) | 電圧がHighからLowへ移行した際、露出のトリガに使用するLVDS(低電圧差動信号)入力 末尾の「P」は、LVDSのPositive信号を意味しています。 |
| 10 | 4 | GND | カメラ信号用アース |
| 11 | - | 予約済み | 将来用に予約済み |
| 12 | 5 | FVAL_OUT (出力) | 「Frame Valid(有効フレーム)」の略。 正論理読み出しライン時にはHigh、フレーム間ではLowに戻るTTL出力信号。 |
| Recommended System Requirements | |
|---|---|
| Operating System | Windows® 7, 8.1, or 10 (64 Bit) |
| Processor (CPU)a | ≥3.0 GHz Intel Core (i5 or Higher) |
| Memory (RAM) | ≥8 GB |
| Hard Drive | ≥500 GB (SATA) Solid State Drive (SSD)b |
| Graphics Card | Dedicatedc Adapter with ≥256 MB RAM |
| Power Supply | ≥600 W |
| Motherboard | USB 3.0 (-USB) Cameras: Integrated Intel USB 3.0 Controller or One Unused PCIe x1 Slot (for Item # USB3-PCIE) GigE (-GE) Cameras: One Unused PCIe x1 Slot Camera Link (-CL) Cameras: One Unused PCIe x4/x8/x16 Slot |
| Connectivity | USB or Internet Connectivity for Driver Installation |
ThorCam™
Software
Version 3.0.0
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。
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、8.1、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。これには、LabVIEW、MATLAB、Metamorph、µManager / ImageJなどのサードパーティソフトウェアパッケージのサポート、ならびにOEMや開発者向けのカスタム用途にお使いいただける開発キットやアプリケーションプログラミングインターフェイスが付属しています。
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内での制御で、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。
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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た様子。
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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。
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図3: 当社のサイエンティフィックカメラ用ImageJプラグインにより、ImageJで直接ライブ画像を見ることができます。
サードパーティアプリケーションおよびサポート
ThorCamには、LabVIEW、MATLAB、Metamorph、µManager/ImageJ(図3参照)などのサードパーティーソフトウェアパッケージのサポートが付いています。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。
Arduino用シールドTSI-IOBOB2のArduinoコード例
Arduinoコード例
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
USB 3.0の同梱例
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型番:8051M-USB
カメラ本体のほかに以下が含まれています。
- USB 3.0ケーブル(Micro B-A)
- 電源と電源ケーブル(日本国内用)
- 光学アセンブリを緩めるためのレンチ
- レンズマウント用ダストキャップ(IRフィルタの取外し用ツールとしても機能)
- ThorCamソフトウェア付きCD
- クイックスタートガイド、マニュアルダウンロード情報カード
ギガビットイーサネットの同梱例
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型番:8051M-GE
カメラ本体のほかに以下が含まれています。
- ギガビットイーサネット用PCI Expressカード
- ギガビットイーサネット用ケーブル
- 電源と電源ケーブル(日本国内用)
- 光学アセンブリを緩めるためのレンチ
- レンズマウント用ダストキャップ(IRフィルタの取外し用ツールとしても機能)
- ThorCamソフトウェア付きCD
- クイックスタートガイド、マニュアルダウンロード情報カード
Camera Linkの同梱例
カメラ本体のほかに以下が含まれています。
- Camera Link用PCI Expressカード
- Camera Link用ケーブルが2本
- 電源と電源ケーブル(日本国内用)
- 光学アセンブリを緩めるためのレンチ
- レンズマウント用ダストキャップ(IRフィルタの取外し用ツールとしても機能)
- ThorCamソフトウェア付きCD
- クイックスタートガイド、マニュアルダウンロード情報カード
カメラのノイズと温度
概要
カメラの購入時に重要となるのは、使用用途に冷却センサが必要かどうかの判断です。 一般的な多くの用途では信号レベルが高いために、冷却センサは必要ではありません。 しかし微弱光を捕えるために長い露光時間が必要な状況では、冷却タイプの利点が活きます。 下に掲載しているチュートリアルで示す通り、私達は次のような経験則を導き出しました。1秒未満の露光時間では、ほとんどの場合、標準(非冷却)のカメラで十分ですが、5秒以上の露光時間には冷却タイプが推奨されます。また、10秒以上の露出時間では、ほぼ全てのケースで冷却タイプが必要となります。 お客様の用途がどれに当てはまるかについて迷われた場合は、下記チュートリアルに詳しく記載されている手順に沿って、信号レベルならびにノイズの発生源を評価・ご検討ください。当社の1.4メガピクセルカメラの仕様に基づく計算結果もご参考までに掲載しております。 もちろん、当社までご相談いただければ、担当者がカメラ選定のお手伝いを致しますので、お気兼ねなくご連絡ください。
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 (σD): 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(σR): 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 (σS): 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 (σF): 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、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:
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。
| Temperature | Dark Current (ID) |
|---|---|
| -20 °C | 0.1 e-/(s•pixel) |
| 0 °C | 1 e-/(s•pixel) |
| 25 °C | 5 e-/(s•pixel) |
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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 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。
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 σSは下記の数式で求められます:
計算例(1.4メガピクセルカメラ使用)
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:
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。
| Exposure | Camera Recommendation |
|---|---|
| ＜1 s | Standard Non-Cooled Camera Generally Sufficient |
| 1 s to 5 s | Cooled Camera Could Be Helpful |
| 5 s to 10 s | Cooled Camera Recommended |
| ＞10 s | Cooled Camera Usually Required |
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。
| Recommended System Requirements | |
|---|---|
| Operating System | Windows® 7, 8.1, or 10 (64 bit) |
| Processor (CPU)a | ≥3.0 GHz Intel Core i5, i7, or i8 |
| Memory (RAM) | ≥8 GB |
| Hard Drive | ≥500 GB (SATA) Solid State Drive (SSD)b |
| Graphics Card | Dedicatedc Adapter with ≥256 MB RAM |
| Power Supply | ≥600 W |
| Motherboard | USB 3.0 (-USB) Cameras: Integrated Intel USB 3.0 Controller or One Unused PCIe x1 Slot (for Item # USB3-PCIE) Camera Link (-CL) Cameras: One Unused PCIe x4/x8/x16 Slot GigE (-GE) Cameras: One Unused PCIe x1 Slot |
| Connectivity | USB or Internet Connectivity for Driver Installation |
当社では、サイエンティフィックカメラシリーズ用に、USB3.0、ギガビットイーサネット(GigE)ならびにCamera Linkの3種類のインターフェイスをご用意しております。視野やフレームレートなどカメラの仕様が決まりましたら、インターフェイスを1つお選びください。また、使用するPCが右表のシステム要件を満たしていることを確認する必要があります。満たさない場合、特に記憶媒体に直接カメラ画像をストリーミング保存する際、フレーム落ちが起こる可能性があります。
定義
- カメラフレームレート:秒単位でカメラが生成する画像数。カメラのモデルとユーザ設定によって変わります。
- 有効フレームレート:ホストPCのカメラソフトウェアが受信した秒単位の画像数。インターフェイスハードウェア(チップセット)の制限、CPUの性能、そしてホストPCのリソースを共有するほかのデバイスやソフトウェアによって変わります。
- 最大帯域幅:カメラがインターフェイスを介して、ホストPCにデータを転送する際の最大速度(ビット/秒またはバイト/秒)。最大帯域幅はインターフェイスの性能のベンチマークで、ホストPCがその速度でデータを受信し、処理できることを想定しています。最大帯域幅が高いインターフェイスは一般的に数値の高いカメラフレームレートをサポートしますが、インターフェイスの選択だけでカメラのフレームレートが増加するわけではありません。
USB 3.0
USB3.0は最新のPCのほとんどに標準装備されているインターフェイスで、通常、追加のハードウェアは必要ありません。USB3.0ポートが付いていないPCをお持ちの場合には、PCIeカードを別途販売しております(下記参照)。USB3.0は320 MB/sまでのデータ転送速度および3 mまでのケーブル長に対応します。PCのUSB3.0マルチポートまたはUSB3.0ハブを使用すれば複数のカメラに対応可能です。
ギガビットイーサネット
ギガビットイーサネット(GigE)は、長いケーブルが必要な場合や同じPCで複数のカメラを接続する場合に適しています。GigEは、100 MB/sまでのデータ転送速度および100 mまでのケーブル長に対応します。使用するケーブルは安価ですが、GigEインターフェイスを有するPCをお使いいただく必要があります。GigEスイッチを使用することで、簡単に複数のカメラがサポート可能です。カメラに付属しているGigEカードはネットワークへの接続が可能ですが、機関によっては、承認されたデバイスしかPCへの組み込みやネットワーク接続が許可されない場合があります。GigEカードをPCに組み込む場合は、お客様の所属先のIT管理部門にご相談ください。
Camera Link
Camera Linkは、最大850 MB/sの非常に速いデータ転送速度が必要な用途に適しています。ただし、最大ケーブル長は10 mです。Camera LinkをPCに接続するには付属のCamera Linkカードとケーブルを使用する必要があります。当社の4ならびに8メガピクセルのカメラを4タップモードで操作する際には、Camera Linkでの接続が必要です。
サイエンティフィックカメラ用インターフェイスの概要
| Interface | USB 3.0 | Gigabit Ethernet | Camera Link |
|---|---|---|---|
| Interface Image (Click to Enlarge) |  |  |  |
| Maximum Cable Length | 3 m | 100 m | 10 m |
| Maximum Bandwidtha | 320 MB/s | 100 MB/s | 850 MB/s |
| Support for Multiple Cameras | Via Multiple USB 3.0 Ports or Hub | Via Switch Topology (Click for Details)b | No |
| Available Cameras | 200 Frames per Second Scientific-Grade CCD Cameras 1.4 Megapixel Scientific-Grade CCD Cameras 4 Megapixel Scientific-Grade CCD Cameras 8 Megapixel Scientific-Grade CCD Cameras | ||
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:20または40 MHz;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。
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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。
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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。
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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。
図4: ThorCamカメラの設定画面。赤と青の枠内では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。ストロボ出力がハイになることにより露光を示しています。よってストロボ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。
- 「HW Trigger」(赤枠内)が「None」に設定されている:ThorCamのキャプチャーボタンが押されると、カメラは「Frames per Trigger」に設定されたフレーム数を取得します。
- 「HW Trigger」が「Standard」に設定されている:2通りあります。
- 「Frames per Trigger」(青枠内)がゼロ、または1を超えた数値に設定されている場合:カメラはストリーミングオーバーラップ露光モードで動作します(図1参照)。
- 「Frames per Trigger」が1に設定されている場合:カメラは非同期トリガ取得モードで動作します(図2参照)。
- 「HW Trigger」が「Bulb (PDX) Mode」に設定されている場合:カメラはバルブ露光モード、またの名をパルス駆動露光(PDX)モードで動作します(図3参照)。
またトリガの極性を「HW 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。
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5: 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
システム制御にカメラトリガを組み込んだ例が図5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。
About Thorlabs Scientific Imaging
Thorlabs 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. In addition, we are leveraging the engineering experience across Thorlabs, a vertically integrated photonics products manufacturer, to bring to market a line of integrated imaging systems, including our forthcoming, patent-pending system for whole-slide scanning.
A Message from TSI's General Manager
As 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,
Jason Mills
General Manager
Thorlabs Scientific Imaging
| Posted Comments: | |
mirtruth
(posted 2018-04-23 07:48:11.927) Dear ThorLabs,
What is the ECCN number for 8051M-USB ?
Is it EAR99 ?
Thank you! YLohia
(posted 2018-04-23 08:40:00.0) Hello, thank you for contacting Thorlabs. Yes, this camera is indeed EAR99. hsynvnvural
(posted 2017-09-25 13:13:45.43) What is the operating temperature range of 8051M-G? tfrisch
(posted 2017-11-14 02:23:11.0) Hello, thank you for contacting Thorlabs. On the cooler end, the limit will most often be condensation. Always operate in a non-condensing regime. I have heard of use as low as 5°C ambient. As for the warmer end, that is a more application dependent question. I will reach out to you directly to discuss in what ways performance could change and whether that would be within the tolerances of your application. jerry.tsai
(posted 2016-08-31 16:35:54.51) Dear
I am Jerry, I come from Taiwan, I buy your product Camera"8050M-USB". I want to use by sdk with c++, my computer is x64, I can build Success, but the program initial "tsi_sdk = get_tsi_sdk("tsi_sdk.dll")" can't work, it return
tsi_sdk=0x00000000, and I find the tsi_sdk.dll is x64 version. Can you Help me to Complete this program? Like give me the tsi_sdk.dll 32 version. Thank you so much!!!!! tfrisch
(posted 2016-09-07 11:55:26.0) Hello, thank you for contacting Thorlabs. I have contacted you directly about your application. bob.ke
(posted 2016-08-29 11:46:28.83) Dear Sir:
I come from Chroma ATE Inc.
I have some question for this camera:(8050M-GE)
Please provide
1.C++ Smaple Code
2.Initial Camera(How to allocate memory?)
Question:
1.How to get lossless 14 bit Image (tiff)? or raw data?
2.How to know the capture is finished? any callback function can used? tfrisch
(posted 2016-09-01 10:57:39.0) Hello, thank you for contacting Thorlabs. We will contact you directly about your application. kbanman
(posted 2015-09-16 16:53:50.597) It is unclear whether or not the 8050M-GE cameras support the GigE Vision interface, as trademarked by AIA (see visiononline.org)
> Thorlabs offers two interface options across our scientific camera product line: Gigabit Ethernet (GigE) and Camera Link.
Whether support is official or unofficial, it would be useful to know which version of the standard is implemented by the 8050M-GE. The GigE Vision interface spec is currently in 2.0, but 1.0 and 1.2 are referenced often as well.
Does the 8050M-GE implement the official GigE Vision specification?
Or is the support not official for whatever reason?
Is a certain subset of the spec implemented?
Regardless, which version should I reference? besembeson
(posted 2015-10-06 05:43:25.0) Response from Bweh at Thorlabs USA: Thank you for your inquiry. We apologize for any confusion. Our Gigabit Ethernet cameras are not compliant with the GigE vision specification in any way, therefore we make no claims as such. You can interface with our cameras through our SDK, which covers Gigabit Ethernet and Camera Link. |
ズーム
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TSI-IOBOB2によりArduinoと接続し、カスタムカメラシステムを構築。
サイエンティフィックCCDカメラやQuantalux™ sCMOS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、またはほかのデバイス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の長さは3 mで、当社のサイエンティフィックカメラ*の補助コネクタに接続することにより、外部からカメラのトリガ入力や出力信号のモニタができます。ケーブルの一端はカメラ接続用に12ピンコネクタ(オス)が付いており、もう一端には外部機器接続用に6ピンMini Dinコネクタ(オス)が付いています。このケーブルは、下記のブレイクアウトボードとの使用に適しています。ピンの配列については、「ピン配列」タブをご覧ください。
ブレイクアウトボード(TSI-IOBOB)
TSI-IOBOBは、当社のサイエンティフィックCCDカメラの補助ポートに接続したケーブルの6ピンMini Dinコネクタを5つのSMAコネクタに分岐します。それぞれのSMAコネクタにSMAケーブルをつなげて、カメラのトリガ入力を供給する機器や、カメラの状態をモニタする機器を接続することができます。ピンの配置については、「ピン配列」タブをご覧ください。
ブレイクアウトボード/Arduino用(TSI-IOBOB2)
TSI-IOBOB2は、TSI-IOBOBと同様にカメラ信号を分岐します。加えてArduino Uno Rev. 3のフォームファクタをサポートするArduinoボードに取り付けると、シールドとして機能します。カメラの入出力信号は5 V TTLですが、TSI-IOBOB2は双方向ロジックレベルコンバータにより5 Vまたは3.3 Vロジックで動作するArduinoボードに対応します。サイエンティフィックカメラ制御用のサンプルプログラムがソフトウェアのページからダウンロードいただけます。またマニュアル(下の赤いアイコンをクリック)にも記載されています。Arduinoの詳細、またはArduinoボードについてはwww.arduino.ccをご覧ください。
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。
USB3.0カメラ用アクセサリ(USB3-MBA-118ならびにUSB3-PCIE)
当社ではカメラをPCに接続するUSB3.0 A-Micro Bケーブルもご用意しております(なお、USB3.0カメラにはケーブルが各1本付属しています)。ケーブルの長さは3 mです。Micro Bのコネクタの両側にはカメラのタップ穴に対応するネジが付いており、USBケーブルをカメラの筐体に固定可能です。
USB 3.0用PCIeカードはIntel USB3.0コントローラ内蔵のUSB3.0コネクタを装備していないPC向けにご用意しております。比較的新しいPCにはUSB3.0ポートが複数付いているため、USB 3.0用PCIeカードはUSB3.0カメラには付属していません。カードにはA型USB3.0ポートが2つ付いております。
*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。
サイエンティフィックCCDカメラ：8メガピクセル
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