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CMOS小型科研级相机，160万像素
特性 黑白或彩色CMOS传感器 1/2.9英寸制式、1440 x 1080像素(160万像素)传感器，3.45 […]
描述
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特性
- 黑白或彩色CMOS传感器
- 1/2.9英寸制式、1440 x 1080像素(160万像素)传感器，3.45 µm方形像素
- 用于快速变化场景成像的全局快门
- USB 3.0接口
- 兼容30 mm笼式系统
- 超紧凑外壳：0.59英寸x1.72英寸x1.86英寸
- SM1(1.035″-40)螺纹孔径
- C-Mount和CS-Mount转接件下面有售
- 通过1/4″-20或M6螺纹孔安装接杆
软件
- ThorImage®CAM软件支持Windows® 10 (64位)和11操作系统
- SDK和编程接口提供以下支持：
- C、C++、C#、Python和VB .NET应用编程接口
- LabVIEW、MATLAB和µManager第三方软件
Thorlabs超紧凑、轻量型Zelux®相机使用CMOS传感器，以典型的通用相机价格提供科研相机的成像性能。我们提供具有黑白或彩色CMOS传感器的相机，可选带或不带MMCX接头的版本，MMCX接头用于外部触发，以此实现图像采集和外部设备的同步。这些相机具有< 4.0 e-低读出噪声和高灵敏度，而且保持小巧的外形。全局快门同时采集整个视场，能够用于快速变化场景的成像。
黑白相机具有一个镀增透膜的透明窗口片，而彩色版本具有一个阻挡红外的滤光片，用于截止650 nm以上的透射。窗口片和滤光片使用SM1RR卡环固定位置，可用SPW602或SPW606扳手(单独购买)拧紧；每个光学元件都可以用最厚1.27 mm的Ø25 mm或Ø1英寸光学元件替换。两种相机都具有一个USB 3.0接口，可以通过我们的ThorImageCAM软件控制；详细信息请看软件标签。最新的固件可以点击这里下载。每个相机发货时包含一个SM1EC2B卡扣式镜头盖，可在相机不用的时候保护传感器。
由于具有灵活的安装选项和紧凑的外形，这些相机不仅非常适合集成到实验室搭建的成像系统中，还能集成到商业显微镜系统中。每个Zelux相机外壳的相邻侧面上有两个1/4″-20或M6螺纹孔，兼容Ø1英寸底座式或柱式接杆以及很多标准三角架。外壳前面有四个4-40螺纹孔，可以将相机安装到我们的30 mm笼式系统。每个相机具有兼容Ø1英寸透镜套筒和SM1螺纹转接件的SM1(1.035″-40)螺纹孔径。C-Mount和CS-Mount (1.000″-32)转接件下面有售，用于兼容很多显微镜、机器视觉相机镜头和C-mount延长套筒。请看镜头兼容性标签查看一系列兼容的机器视觉相机镜头。
规格
| Common Specifications | |
|---|---|
| Number of Active Pixels (Horizontal x Vertical) |
1440 x 1080 |
| Imaging Area (Horizontal x Vertical) |
4.968 mm x 3.726 mm |
| Pixel Size | 3.45 µm x 3.45 µm |
| Optical Format | 1/2.9″ (6.2 mm Diagonal) |
| Max Frame Rate | See Table 2.1 |
| ADCb Resolution | 10 Bits |
| Sensor Shutter Type | Global |
| Read Noise | < 4.0 e– RMS |
| Full Well Capacity | ≥11 000 e– |
| Exposure Time | 0.040 ms to 26843 ms in ~0.025 ms Increments |
| Region of Interest (ROI) | 80 x 4 Pixelsc to 1440 x 1080 Pixels, Rectangular |
| Dynamic Range | Up to 69 dB |
| Lens Mount | SM1 (1.035″-40) Threading; SM1A10 CS-Mount Adapter and SM1A10Z C-Mount Adapter Sold Below |
| USB Power Consumption | 1.17 W |
| Ambient Operating Temperature | 10 °C to 40 °C (Non-Condensing) |
| Storage Temperature | 0 °C to 55 °C |
| Item # | CS165MU(/M) | CS165MU1(/M) | CS165CU(/M) | CS165CU1(/M) |
|---|---|---|---|---|
| Sensor Type | Monochrome CMOS | Color CMOS | ||
| Hardware Trigger/Strobe | No | Yesa | No | Yesa |
| Peak Quantum Efficiency | 69% at 575 nm (See Figure 2.3) |
65% at 535 nm (See Figure 2.4) |
||
| Removable Optic | AR-Coated Window, Ravg < 0.5% per Surface (400 – 700 nm) |
IR Blocking Filterb | ||
| Vertical and Horizontal Digital Binning | 1 x 1 to 16 x 16 | 1 x 1 to 16 x 16c | ||
| Mounting Features | Imperial: Two 1/4″-20 Taps for Post Mounting, 30 mm Cage Compatible Metric: Two M6 Taps for Post Mounting, 30 mm Cage Compatible Taps are on Adjacent Sides of the Housing |
|||
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图2.2 Zelux®相机外壳的机械图纸。MMCX接头只包含在带外部硬件触发的版本中。公制相机的尺寸标注在括号内。
| Table 2.1 Example Frame Rates at 1 ms Exposure Timea | |
|---|---|
| Region of Interest | Frame Rate |
| Full Sensor (1440 x 1080) | 34.8 fps |
| Half Sensor (720 x 540) | 67.0 fps |
| 1/10 Sensor (144 x 108) | 260.0 fps |
| Minimum ROI (80 x 4) | >800 fps |
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图2.4 彩色相机传感器的红、绿、蓝像素的相对响应曲线图。这些数据不考虑已安装的红外截止滤光片的吸收。650 nm以上的蓝色阴影区域表示可移除滤光片阻挡的波长范围。
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图2.5 红外截止滤光片的典型透射曲线图。这个滤光片可移除，并用另一个最厚为1.27 mm的Ø25 mm或Ø1英寸光学元件替换。
引脚图
相机侧面板连接位置
图3.1 CS165MU(/M)和CS165CU(/M) Zelux相机的侧面板，展示了USB 3.0连接端口。
图3.2 CS165MU1(/M)和CS165CU1(/M) Zelux相机的侧面板，展示了USB 3.0和两个MMCX连接端口。
放大| Key Specificationsa | ||||
|---|---|---|---|---|
| Item # | CS165MU(/M) | CS165MU1(/M) | CS165CU(/M) | CS165CU1(/M) |
| Sensor Type | Monochrome CMOS | Color CMOS | ||
| Hardware Trigger/Strobe | No | Yesb | No | Yesb |
| Peak Quantum Efficiency (Click for Graph) |
69% at 575 nm | 65% at 535 nm | ||
| Removable Optic | AR-Coated Window, Ravg < 0.5% per Surface (400 – 700 nm) |
IR Blocking Filter | ||
| Mounting Features | Imperial: Two 1/4″-20 Taps for Post Mounting, 30 mm Cage Compatible Metric: Two M6 Taps for Post Mounting, 30 mm Cage Compatible Taps are on Adjacent Sides of the Housing |
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软件
对于使用我们Zelux®相机借用设备的客户，请联系chinaimaging@thorlabs.com获取软件功能及下载的相关信息。
用于Thorlabs科研级相机的软件
Thorlabs用于科研级和紧凑型USB相机的软件提供一套强大的采集工具，具有直观的用户界面，设计与我们的科研级相机一起使用。Thorlabs针对特定操作系统或科研级相机提供两个软件平台：我们的ThorImage®CAM软件和正在逐步淘汰的ThorCam™软件。ThorImageCAM软件经过改进，支持我们当前及未来的所有科研级相机，并兼容Windows® 10 (64位)和11操作系统。ThorCam软件则支持2025年7月1日之前发布的科研级相机系列，以及我们上一代的DCC、DCU和CCD系列相机。运行Windows 10 (32位)操作系统或更低版本的用户应使用ThorCam软件，因为ThorImageCAM需要64位操作系统。需要双相机成像功能的用户也应使用ThorCam软件。
ThorImageCAM软件具有更新的用户界面，并提供改进的分析工具，如线性剖面、直方图和多个感兴趣区域(ROI)的统计工具。请查看下方用户界面与工具部分中的ThorImageCAM界面截图以获取详细信息。
请注意，ThorCam软件正在逐步淘汰，自2025年7月1日起将不再提供任何软件或固件兼容性更新。请查看此处的ThorCam用户手册以获取系统要求和可用工具的相关信息。
触发
相机触发模式
Zelux®科研相机提供带或不带MMCX接头的版本可选，MMCX接头用于输入外部触发信号，使图像采集和外部设备同步。带MMCX接头的Zelux相机有三种外部触发工作模式：流重叠曝光、异步触发采集以及通过外部触发脉冲驱动的B门曝光。这些触发模式的工作不受读出设置(比如像素合并)以及增益和偏移的影响。图6.1、6.2和6.3为这些触发模式的时序图，假设使用低电平有效的外部TTL触发器。
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图6.1 Zelux相机流重叠曝光模式。当外部触发信号变低时，曝光开始，并在软件选择的曝光时间内连续曝光，随后再读出。然后以设定的时间间隔重复这个序列。后续的外部触发信号将被忽略，直到相机工作停止。
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图6.2 Zelux相机异步触发采集模式。当外部触发信号变低时以预设时间曝光，然后从相机读取曝光采集的数据。在读出过程中忽略外部触发。完成一次读出后，只有当外部触发信号变低时相机才会开始下一次曝光。
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图6.3 Zelux相机B门曝光模式。当外部触发信号变低时曝光开始，当外部触发信号变高时曝光结束。在相机读出过程中忽略触发信号。
特定相机的时序问题
由于Zelux相机的通用工作模式以及典型的系统传输延迟，对于上面显示的时序关系需要注意以下两个问题：
- 对于所有模式(标准和B门)，从外部触发信号到曝光和频闪信号的开启一般有12 µs到15.5 µs的延迟。
- 对于B门模式触发的曝光，除了曝光开始前有12 µs到15.5 µs的延迟，外部触发信号的下降沿后还有一个固定的曝光时间段(通过ThorImage®CAM软件选择)。这是传感器工作中固有的。CS165系列相机的固定曝光时间段是14.26 µs。
值得注意的是，Strobe_Out信号中包含额外的固定曝光时间段，因此更接近实际曝光时间；我们建议使用Strobe_Out信号测量曝光时间，并相应地调节B门模式的触发脉冲。
相机噪声
相机噪声和温度
简介
在选购一款相机时，应重点考虑所针对应用是否需要使用冷却传感器。一般而言，绝大部分应用具有高信号等级，并不需要冷却。但是，对于一些特殊情况，通常是在低光水平以下，如果相机具有冷却功能会对其产生很大助益。该教程将会解释为何在冷却和非冷却相机之间进行选择时应考虑的图像噪声源和其它因素。对于曝光时间小于1秒的，标准相机就足够了；对于曝光时间大于5秒的，建议使用制冷；对于曝光时间大于10秒的，制冷则是必要的。如果您不确定您的曝光时间，您可以考虑采用以下详细步骤来估计信号等级和噪声源。或者您可以联系我们，我们的科研级相机专家会帮助您选择适合您的相机。
噪声源
假设照明强度恒定、均匀，相机拍摄图像中的噪声是测量信号中空间和时间振动的总和。噪声中含有几部分分量：
- 暗散粒噪声(σD): 暗电流即使在没有光子入射到相机上时也会存在。它是由硅片中自发产生电荷而引起的热现象（价电子经过热激发至导带中）。在曝光过程中，暗电子数量的变化即为暗散粒噪声。它与信号高低水平无关，但与传感器的温度有关，如表17A所示。
- 读出噪声 (σR):该噪声是在产生电子信号时生成的。该噪声由传感器的设计引起，但也会受到相机电路的设计影响。它与信号高低水平和传感器温度无关。
- 光子散粒噪声(σS): 该噪声是与落于传感器像素上光子相关的统计噪声。由于光子的测量结果符合泊松统计结果，因此光子散粒噪声是与测量信号高低水平有关的。它与传感器温度无关。
- 固定图形噪声 (σF): 该噪声是由像素的空间不均匀性引起的，与信号高低水平和传感器温度无关。请注意，固定图形噪声在下方的讨论中可以忽略不计；这对于这里出售的CCD相机而言是一种有效的假设，但对于其它非科学水平的传感器而言该噪声应列入考虑范围。
总有效噪声
每个像素的总有效噪声是下方列出的所有噪声的总和：
其中，σD 为暗散粒噪声，σR 为读出噪声（对于采用ICX285AL CCD的科学水平相机，其数值通常小于10 e- ；在该教程中我们将假设其数值为10 e-），σS 为光子散粒噪声。如果有σS>>σD and σS>>σR，那么σeff 就可以根据下式进行近似计算：
同样地，固定图形噪声是被忽略的，这对于科学水平的CCD而言是一种很好的近似，但对于非科学水平的传感器而言该噪声应列入考虑范围。
| Table 17A Nominal Dark Current Values at Several Temperatures for a Sample CCD Sensor | |
|---|---|
| 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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图17B 用于我们的140万像素相机的暗散粒噪声和读出噪声在三种传感器温度下与曝光时间的函数关系曲线。该曲线在两个坐标轴上采用对数作为标度。位于5秒位置的垂直虚线表示所举例子中的计算值。
暗散粒噪声和传感器温度
如上所述，暗电流是由热效应产生的，因此可以通过冷却传感器将其降低。表17A列出了我们140万像素相机中采用的Sony ICX285AL CCD传感器的典型暗电流数值。由于暗电流是自发电子产生的，因此只需对电子进行”计数“就可以得出暗电流数值。由于计数电子符合泊松统计，因此与暗电流ID 相关的噪声是与在曝光过程中积累的暗电子数量的平方根成比例的。对于一个给定的曝光时间，根据表17A（对于一个给定传感器温度），暗散粒噪声σD就等于ID 的平方根值乘以单位为秒的曝光时间：
由于暗电流会随着温度的降低而降低，因此响应的噪声可以通过冷却相机而减少。例如，假设曝光时间为5秒，表17A中列出的三种传感器温度下暗散粒噪声为
图17B为暗散粒噪声与表17A中列出的三种温度下曝光时间的函数关系曲线，说明了暗散粒噪声是如何随着温度增高而增大的。图17B还包含读数噪声的上限曲线。
如果光子散粒噪声远高于比暗散粒噪声，那么冷却相机对噪声的改善作用是微不足道的，我们的标准封装相机就可以胜任对应拍摄要求。
光子散粒噪声
如果S为传感器上每个像素上入射光子通量为N光子/秒情况下产生的“信号”电子的数量，其中量子效率为QE，曝光时间为t秒，那么
通过S，可以将光子散粒噪声表示为：
计算举例(以我们的140万相机为例)
如果我们假设有足够高的光子通量和量子效率，可以让一个像素在5秒曝光时间内积累的信号S高达10,000 e-，那么可以对光子散粒噪声进行估算，约为10,000的开平方值，即100 e-。读出噪声为10 e-（与曝光时间无关）。当曝光时间为5秒，传感器温度为25、0和-25 °C时，暗散粒噪声在式（4）中给出。有效噪声为：
信噪比（SNR）是图像质量评估的有效特征参数，可以由下式进行估算：
从公式7中可以得出，三种传感器温度下的SNR值为：
正如所给例子所示，在室温下使用冷却相机与非冷却相机相比没有明显优势，在该例子中光子散粒噪声为主要的噪声源。这种情况下，我们的标准封装相机就可以胜任相应拍摄需求。
但是，如果光强较低，例如需要100秒曝光时间达到每个像素积累900 e-，那么光子散粒噪声将会是30 e-。估算的暗散粒噪声在25°C时约为22.4 e-，而在-20 °C时暗散粒噪声约为3.2 e-。总有效噪声将为
从公式8可以得出，SNR值为
| Table 17C Cooled Camera Recommendationsa | |
|---|---|
| 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 |
在此示例中，25 °C传感器的暗光噪声比-25 °C传感器的暗光噪声对总噪声的影响更大。根据应用的噪声预算，冷却型相机可能更有优势。
图17D、17E、17F显示了不同噪声分量的曲线，包括三种传感器温度下的暗散粒噪声，在三种光子通量下关于曝光时间的函数。这些曲线显示了暗散粒噪声在低信号强度（通常需要较长曝光时间）情况下占总噪声的比例较小。尽管图中给出了计算过程中的光子通量水平，但对于用户的应用而言是不需要确定准确的光子通量水平的。图片给出了基于曝光时间的通用计算方法，如果曝光时间可以估计，无论是否需要冷却相机都可以用该方法进行计算，相关的计算结果在表17C中列出。如果发现您主要的噪声源为读出噪声，我们推荐您在20 MHz的低CCD像素时钟速率下运行相机，这样读取噪声较小。
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图17D 低光子通量时所有噪声源与曝光量的函数关系。计算中使用60%的量子效率。请注意，此图的两个坐标轴均使用对数标尺
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图17E 中等光子通量时所有噪声源与曝光量的函数关系。计算中使用60%的量子效率。请注意，此图的两个坐标轴均使用对数标尺
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图17F 高光子通量时所有噪声源与曝光量的函数关系。由于像素在相应的入射光子水平下趋于饱和，因此信号和光子射出噪声在大约20秒后趋于饱和。计算中使用60%的量子效率。请注意，此图的两个坐标轴均使用对数标尺。
其它注意事项
即使在暗散粒噪声不是总噪声的主要分量时，热电冷却也应作为长时间曝光考虑，这是因为冷却有助于减少热像素效应。热像素会在长时间曝光后引起“星场”图形。图17G显示了这种星场图形分布的实例，这些图像分别是在有TEC冷却和没有TEC冷却下记录的，曝光时间都为10秒。
(a)
(b)
图17G 采用我们的（a）标准无冷却相机和（b）冷却到 -20 °C的相机记录的带“星场”图样分布的图像。这两幅图像都是在10秒曝光时间下拍摄的，具有32分贝的增益（是为了让热像素更具可见性）。请注意，为了显示这种特别图样，这两幅图像是从16位图像中裁剪的。原始尺寸的16位图像可以在这里下载，并通过诸如ImageJ等免费软件进行查看。
Insights
Thorlabs科研级相机的镜头安装
将鼠标向下滑动，了解不同接口类型的镜头与相机之间的兼容性，其中重点讨论的是Thorlabs的科研级相机。
- C-mount和CS-mount相机与镜头兼容吗？
- Thorlabs的科研级相机是否需要转接件？
- 为什么FFD可能小于相机法兰和传感器之间的距离？
点击这里了解更多关于实验经验和设备使用技巧的信息。
C-mount和CS-mount相机与镜头兼容吗？
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图194A: C-mount镜头和相机具有相同的法兰焦距(FFD)为17.526 mm。这样可确保通过镜头的光聚焦在相机的传感器上。这两种组件都带有1.000″-32螺纹，有时也称为”C-mount螺纹”。
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图194B: CS-mount镜头和相机具有相同的法兰焦距(FFD)为12.526 mm。这样可确保通过镜头的光聚焦在相机的传感器上。两种组件带有的1.000″-32螺纹与C-mount组件的螺纹相同，有时也称为”C-mount螺纹”。
C-mount和CS-mount相机系统标准件都带有1.000″-32螺纹，但这两种类型的组件具有不同的法兰焦距(FFD，也称为法兰焦深、焦长、卡口、法兰后距和法兰到胶片的距离)。C-mount的FFD为17.526 mm，CS-mount的FFD为12.526 mm(分别见图194A和图194B)
由于法兰焦距不同，C-mount和CS-mount组件无法直接互换。但是，通过转接件，C-mount镜头可与CS-mount相机一起使用。
组合与匹配
C-mount和CS-mount组件具有相同螺纹，但不同接口类型的镜头和相机无法直接相互连接。如果直接连接，因FFD不同，镜头的焦平面与相机的传感器面不一致，则成像会变模糊。
通过转接件，C-mount镜头可与CS-mount相机一起使用(图194C和194D)。转接件使镜头和相机传感器之间的距离增加了5.0 mm，从而确保镜头的焦平面与相机的传感器面对齐。
相比之下，因CS-mount镜头的FFD较短，其不兼容C-mount相机(图194E)。镜头和相机的外壳使得镜头无法安装在距离相机传感器足够近的位置，从而不能提供对焦成像，而且也无法使用转接件将镜头拉近。
检查镜头和相机的参数至关重要，这样才可以确定组件是否兼容，以及是否需要转接件，或者确定组件无法兼容。
1.000″-32螺纹
英制螺纹可正确描述为它们的直径加上每英寸螺纹数(TPI)。对于这两种接口类型，螺纹直径为1.000英寸且TPI为32。由于C-mount装置的普遍性，1.000″-32螺纹有时也被称为”C-mount螺纹”。因为CS-mount装置具有相同的螺纹，所以使用这个术语可能会造成混淆。
测量法兰焦距
这里给出了镜头和相机的法兰焦距测量值。对于镜头，FFD是从镜头的法兰表面(图194A和194B)到其焦平面测量得到的。法兰表面沿着镜头的平背面，与1.000″-32外螺纹的底部相交。对于相机，FFD是从相机的正面到传感器面测量得到的。不使用转接件将镜头安装至相机时，相机正面和镜头背面的法兰表面会接触。
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图194E: CS-mount镜头无法直接兼容C-mount相机，因为这样光会聚焦在相机传感器之前。转接件也不适用，因为这时需要的是缩小相机的法兰焦距(蓝色箭头)。
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图194D: 具有合适厚度的转接件可将C-mount镜头移动最佳距离，而远离CS-mount相机传感器，由紫色箭头指示。这时尽管FFD不同，镜头仍可将光聚焦在相机传感器上。
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图194C: C-mount镜头和CS-mount相机无法直接兼容，因为它们的法兰焦距不同，两个焦距分别由蓝色和黄色箭头指示。由于光不会聚焦在相机传感器上，因此这种组合会导致成像模糊。
Date of Last Edit: July 21, 2020
Thorlabs的科研级相机是否需要转接件？
所有Kiralux™和Quantalux®科研级相机都经过出厂设置，可安装C-mount镜头。从被动冷却型相机中拆下已安装的C-mount转接件后，即可使用其法兰中的SM1(1.035″-40)内螺纹。Zelux科研级相机在其安装法兰中同样具有SM1内螺纹，可选用C-mount或CS-mount转接件。
集成在相机外壳中的SM1螺纹旨在便于使用Thorlabs组件构建的镜头配件。转接件可用于转换相机的C-mount配置。设计特定应用所需的镜头配件，或考虑使用非专用于相机的转接件时，重要的是确保相机的法兰焦距(FFD)与镜头相匹配，以及相机的传感器尺寸适合所需的视场(FOV)。
相互匹配：相机及其转接件
固定式转接件可用于配置Zelux相机，以满足C-mount和CS-mount标准(图194F和194G)。这些转接件，以及安装在被动冷却型Kiralux和Quantalux相机的可调C-mount转接件，都经过专门设计，可与各自的相机配合使用。
尽管任一将SM1转换为1.000″-32螺纹的转接件都可将C-mount或CS-mount镜头安装至这些相机之一，但不是每个螺纹转接件都可将镜头的焦平面与特定相机的传感器平面对齐。某些情况下，没有转接件可以对齐这些平面，例如，在这些科研级相机中，只有Zelux相机可配置CS-mount镜头。
镜头的焦平面位置由镜头的FFD(在空气中测量)和镜头与相机传感器之间的任意折射元件一起决定。由镜头聚焦的光通过折射元件，而不是仅仅通过空气时，物理焦平面漂移至距离一定量(可计算)的更远处。转接件必须增加足够间距以补偿相机的FFD(当FFD太短时)和因镜头与传感器间插入的任意窗口片或滤光片引起的焦点偏移。
灵活性和快速修复：可调C-Mount转接件
被动冷却型Kiralux和Quantalux相机包含一个带SM1内螺纹的相机、一个覆盖传感器的窗口片或滤光片(由卡环固定)和一个可调C-mount转接件。
可调C-mount转接件的一个优势是当窗口片/滤光片和卡环固定时，它可以在1.8 mm范围内调节镜头和相机的间距。更改间距可以针对不同的影响进行补偿，否则这些影响会导致相机的传感器平面与镜头的焦平面不对齐。这些影响包含因温度变化引起的材料膨胀与收缩、公差叠加导致的定位误差、以及具有不同厚度或折射率的替换窗口片或滤光片导致的焦点偏移。
为了获得无限远处物体的清晰成像，可能需要调节相机的转接件。当物体处于无限远处时，入射光线平行，焦点的位置定义了镜头的FFD。由于镜头和相机的实际FFD可能不符合其预期FFD，因此无限远处物体的焦平面可能会偏离传感器平面，从而导致图像模糊。
尽管调整了镜头焦距，但可能在无限远处也无法获得清晰的物体成像，请尝试调整相机的转接件。这样可以补偿由于公差和环境影响而引起的偏移，使成像在焦距内。
Date of Last Edit: Aug. 2, 2020
为什么FFD可能小于相机法兰和传感器之间的距离？
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图194J: 由于折射率的差异(nm vs. no)，折射导致介质中光线与光轴的夹角比空气中光线与光轴的夹角小(θm vs. θo )。光线在介质中传播d距离后，离光轴只更近hm。因此，光线在ff点之外的Δf处与光轴相交。
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图194H: 通过空气的光线在f点与光轴相交。光线传播ho距离后，离光轴更近ho。空气的折射率为no。
| Table 194L Example of Calculating Focal Shift | |||
|---|---|---|---|
| Known Information | |||
| C-Mount FFD | f | 17.526 mm | |
| Total Glass Thickness | d | ~1.6 mm | |
| Refractive Index of Air | no | 1 | |
| Refractive Index of Glass | nm | 1.5 | |
| Lens f-Number | f / N | f / 1.4 | |
| Parameter to Calculate |
Exact Equations | Paraxial Approximation |
|
| θo | 20° | ||
| ho | 0.57 mm | — | |
| θm | 13° | — | |
| hm | 0.37 mm | — | |
| Δf | 0.57 mm | 0.53 mm | |
| f + Δf | 18.1 mm | 18.1 mm | |
| Table 194K 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 194H) |  |
|
| Angle of Ray to Axis, in the Medium (Figure 194J) |
 |
|
| Change in Distance to Axis, Travelling through Optic (Figure 194J) |  |
|
| Focal Shift Caused by Refraction through Medium (Figure 194J) | Exact Calculation |
 |
| Paraxial Approximation |
 |
|
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图194N: 公差和/或温度影响可能会导致镜头和相机具有不同的FFD。如果镜头的FFD较短，则无限远物体的成像不在焦距范围之内。由于系统无法对其聚焦，因此图像变得模糊。
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图194M: 当镜头与相机的法兰焦距(FFD)相同时，相机的传感器平面与镜头的焦平面完全对齐。无限远处物体的成像与系统焦距范围的极限重合。
相机和镜头的法兰焦距(FFD)值假定的是仅有空气填充镜头和相机传感器平面之间的空间。如果在镜头和相机传感器之间插入窗口片和/或滤光片，则可能需要将相机法兰和传感器平面间的距离增加到超出指定FFD值。因为光路径在通过窗口片和滤光片后会因折射产生弯曲，并使焦平面偏移至更远处，因此等于FFD的间距可能会太短。
如果更改镜头和相机传感器之间的光学元件，应计算最终的焦平面偏移，以确定是否需要调整镜头和相机之间的距离从而保持良好对准。请注意，对于聚焦成像，必须进行良好对准(但不能保证)，因为新的光学元件可能会引入像差和其他影响，导致图像质量不合格。
光路弯曲：折射引起的焦点偏移
在固体介质中传播时，光线路径是笔直的(图194H)。光线聚焦到焦点(f)时，与光轴的夹角(θo)是恒定的。假设此介质为空气，则可确定FFD值。
当平面平行且具有较高折射率(nm)的光学元件放置在光线路径中时，折射会导致光线弯曲并以较小的角度(θm)通过光学元件。可以根据斯涅尔定律确定此角度，如表194K中所述和图194J所示。
相比在空气中传播相同距离，通过光学元件传播时，光线会以较慢的速度接近光轴。穿过光学元件后，光线与轴的夹角再次变为θo，此角度与未通过光学元件的光线相同。但是，与未通过光学元件的光线相比，光纤穿过光学元件后将离轴更远。因为光学元件折射后的光线距离更远，它会在距离另一条光线交点的Δf处与轴相交。增加光学元件的厚度会增加两条光线之间的距离，即增加Δf。
无限远和超出无限远
对于许多应用而言，相机系统能够捕捉无限远物体的高质量图像非常重要。与较近物体的光线相比，无限远处物体的光线平行且聚焦在离镜头更近的位置(图194J)。明确相机和镜头的FFD以便无限远处物体的光线焦点可与相机的传感器平面对齐。当镜头的焦距范围可调时，无限远处的物体可聚焦于此范围的一端，而近距离处的物体则聚焦于另一端。
不同的影响(包括温度变化和公差叠加)可能导致镜头和/或相机不完全符合FFD规格。当镜头的实际FFD比相机的短时，相机系统将无法再获得无限远处物体的清晰成像(图194N)。如果拆下镜头和相机传感器之间光学元件，也会导致此偏移。
一些镜头用来补偿此问题的方法是让用户将镜头焦点变为“超出”无限远。这不是指物理距离，它只是使得镜头将其焦平面推得更远。Thorlabs的Kiralux™和Quantalux®相机包含可调C-mount转接件，可根据需要调整间距。
如果镜头的FFD大于相机的FFD，则无限远处物体的成像处于系统的焦距范围内，但是应该在此范围内的一些较近距离处的物体却超出焦距范围。这种情况可能是镜头和相机传感器之间插入的光学元件而引起的。如果仍然可以对无限远处物体成像，这也是可接受的。
不只是理论：相机设计实例
带C-mount螺纹的密封TE冷却型Quantalux相机在其法兰表面和传感器平面之间具有固定的18.1 mm间距。但是，C-mount相机系统的FFD(f )为17.526 mm。考虑到因焊接在密封盖中的窗口片和覆盖传感器的玻璃所引起的焦点偏移时，明显相机需要更大间距。表194L中的结果表明，精确方程和近轴方程得出的所需总间隔均为18.1 mm。
Date of Last Edit: July 31, 2020
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