サイエンティフィックCCDカメラ、1.4メガピクセル

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このラットの神経の蛍光イメージは1.4メガピクセルカメラで撮影されました。「用途」タブでは他の画像サンプルもご覧いただけます。

高量子効率で低ノイズの1.4メガピクセルカメラ

• 高い量子効率が信号と信号対雑音比(SNR)を最大化(モノクロタイプでは最大量子効率60%)
• ＜6 e-(冷却タイプ)または＜7 e- (非冷却タイプ)の読み出しノイズで、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の読み出し速度：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)
• 2/3型、1392 x 1040 モノクロまたはカラーCCDセンサ、ピクセルサイズ6.45 µm × 6.45 µm (Sony ICX285ALまたはICX285AQ)
• 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1.4メガピクセルサイエンティフィックCCDカメラは、40 MHzの全画素読み出しにおいて最大23フレーム/秒の処理が可能で、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。このカメラはマルチスペクトルイメージング、蛍光顕微鏡、その他の高性能イメージング技術など、高量子効率かつ低ノイズの特長を発揮できる用途に適しています。

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60 mmケージシステムに組み込んだカメラ1501M-GE


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CマウントカメラレンズMVL25M23を取り付けたカメラ1501M-USB

標準パッケージまたはTE冷却素子付き密閉型カメラ

当社のカメラには、コンパクトで非冷却の標準パッケージと、2段のTE冷却素子で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。冷却ファンのない設計により、振動による画像のぼけが抑えられています。カメラを冷却すると暗電流が抑制されますが、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などの情報については「カメラノイズ」の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

当社のサイエンティフィックカメラでは、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数種類の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。フィルタを取り外す場合、お手持ちの厚さ4 mmまでのØ25 mm～Ø25.4 mm(Ø1インチ)フィルタや光学素子と交換可能です。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、標準の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を取り揃えております(例えば、Ø25 mm～Ø25.4 mm(Ø1インチ)レンズチューブに対応するSM1ネジアダプタ)。カメラの前面にはケージロッド用に#4-40タップ穴が開いており、当社の60 mmケージシステムに組み込むことができます。また筐体の側面に、1/4"-20タップ穴が1つずつ計4つ付いており、Ø1インチ(Ø25.4 mm)ポストに取り付けることができます。当社のサイエンティフィックカメラは、マウントの選択肢が広いため、市販の顕微鏡を用いたイメージングシステムだけでなく自作のシステムにも組み込むことが可能です。

• 仕様値は「インターフェイス」タブで推奨する使用のPCを使用したときに有効です。
• 動作モードによって露出時間は変化します。1 msより短い露出時間は外部トリガを使用すれば可能です。
• ADC = Analog-to-Digital Converter(アナログ‐デジタル コンバータ)
• ADU = Analog-to-Digital Unit(アナログ‐デジタル ユニット)
• カメラのフレームレートは「Vertical Hardware Binning」パラメータの影響を受けます。カラーカメラ使用時、ThorCamのImage Type設定が「Unprocessed」以外の場合、1 x 1のビニングのみが可能です。Unprocessedの場合24 x 24までのビニングが可能ですが、モノクロの画像が生成されます。
• 読み出しノイズを抑えたい用途には、CCDピクセルクロック速度が低い方の20 MHzでの使用をお勧めいたします。読み出しノイズについての詳細や、カメラノイズの総量を推定する方法については「カメラノイズ」タブをご覧ください。
• インターフェイスの詳細については「インターフェイス」タブをご覧ください。

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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。
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。 ソフトウェアからは近赤外強化(ブースト)モードがお選びいただけます。近赤外域において最大の感度を得るためには赤外域ブロックフィルタも取り外す必要があります。なお、近赤外ブーストモードではアンチブルーミング性能が減少します。アンチブルーミングは隣接したピクセルでの露出過度なピクセルからの影響を低減する性能です。

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この曲線はカラーカメラセンサの赤、緑、青のピクセルの量子効率を示しています。

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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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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。

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.

カメラ背面パネルにおけるコネクタ位置

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1501M-USB、1501C-USB、1501M-USB-TE、1501C-USB-TE

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1501M-GE、1501C-GE、1501M-GE-TE、1501C-GE-TE

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 and TSI-IOBOB2 Connector	8050-CAB1 Connectors	Camera Auxiliary (AUX) Port
Female 6-Pin Mini Din Female Connector	Male 6-Pin Mini Din Male Connector (TSI-IOBOB end of Cable) Male 12-Pin Hirose Connector (Camera end of Cable)	Female 12-Pin Hirose Connector (Auxiliary Port on Camera)

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。

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:1501M-USB

ギガビットイーサネットの同梱例

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型番:1501M-GE

Camera Linkの同梱例

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型番:1501M-CL

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
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。

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

• 性能はPCの構成によって異なります。
• GigEスイッチのトポロジでは最大4台のカメラがテストされています。

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: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