顕微鏡カメラの選び方

 手頃な価格の顕微鏡カメラが国内にほとんどない。ニコンやオリンパスの純正品は高価で手が出ない。海外に目を向けると ebayやアリババに数万円クラスの商品が多く並ぶ。今回はebayを中心にいろんな商品を取り寄せてみた。

 

センサーサイズと解像度

 数万円の顕微鏡カメラに乗るイメージセンサーは1/2.3~1/2.5インチが主流。解像度は2M~14Mまであるが、このサイズで5Mを超えるとピクセルサイズが2.2umを下回り、リレーレンズとの組み合わせで色ムラや輝度ムラなどの問題が出るようだ(後述)。
 イメージセンサーは日進月歩なので出来るだけ新しいセンサーを搭載したものを選ぶこともポイントになる。

 必要な解像度は倍率と対物レンズのNAによって決まる。文献1を参考に計算すると40~1000倍の範囲で5Mピクセルとみられ、上述したピクセルサイズの制約をあわせて考慮すると、1/2.3~1/2.5インチのイメージセンサーが乗る顕微鏡カメラは5Mピクセルがベストになる。

 より高解像度が必要なケースではピクセルサイズが極小になるのを避けるため大きなイメージセンサーが必要になり、カメラ自体が高額になってしまう。

 

フレームレート

 10fpsあれば接眼レンズを覗かないライブ検鏡が快適にできる。動物プランクトンなど「動きもの」を動画で撮影する場合は30pfs前後必要。古いイメージセンサーはフレームレートが遅いものが多いので注意したい。

 カメラのI/FはUSB2.0が多く、5Mピクセルで10fpsまでは問題なく出る。より高いフレームレートを求める場合はUSB3.0の機種から選ぶ必要がある。

 

リレーレンズ(縮小レンズ)

 顕微鏡カメラではリレーレンズが画質の鍵を握る。1/2.3~1/2.5インチのイメージセンサーに対する倍率は0.4~0.5倍が適合する。

 リレーレンズの性能で問題になる光学性能には、収差による周辺解像度の低下と、レンズ表面反射によるコントラストの低下やフレアの発生がある。色収差はレンズ倍率の高いものほど増える傾向がある。色収差は少ないに越したことはないが、縮小すれば目立たないしソフト(RawTherapeeなど)で修正のできるのであまり気にする必要はない。

 

 写真はフレアの例。リレーレンズによるフレアの例生物顕微鏡の明視野観察ではこのようなフレアが目立つことがある。フレアの原因はカメラ側のフィルターやリレーレンズ表面の反射が原因のため、低反射コートの徹底が求められる。

 リレーレンズに関しては構成レンズの大半にコーティングが施されていることが望ましい。このような商品はレイマー、ToupTek、OMAXなどから入手できる(OMAXはToupTekのOEMなので実質同じであり、選択肢は今のところこの2社しかない)。

 

リレーレンズによる色ムラ、輝度ムラの例 リレーレンズを極小画素のカメラと組み合わせると左のような色ムラや、輝度ムラが出ることがある。これはリレーレンズの光が受光面に対し垂直に入らない(デジタル対応の設計になっていない)ことが原因と見られる。

 この問題はイメージセンサーにもよるが、私が調べた中ではピクセルサイズ2.2umを下回ると顕在化するようだ。

 

 

 また、リレーレンズは取付けるカメラや顕微鏡によって違う結果になってしまう「相性問題」が起こりやすい。これは最終的に得る映像がリレーレンズだけで決まらずカメラのフィルターや顕微鏡の対物レンズなど、前後の光学系を含んだ全体で決まる為だ。相性は実際に取付けて見ないとわからないので、デモ機の貸し出しサービスなどを利用して検証してから購入するのが無難だ。

 

ソフトウェア

 カメラに付属するソフトは本体と同じくらい重要なもので、この出来で画質や使い勝手が大きく左右される。
 顕微鏡専用カメラを使う大きなメリットの一つに寸法計測がある。これは対物ミクロメータを対物レンズごとに撮影し、ピクセル長と実寸法の対応を事前に記憶する(校正)作業を行うことで実現している。対物レンズの倍率や切替えはソフトが検知しないので、対物レンズごと(ソフトによっては撮影解像度ごと)に校正データをあらかじめ取得しておき、ソフト上で設定を切り替えて使う形になる。
 暗視野画像を撮る場合はホットピクセル補正(ダークフレーム減算)が必要になることがある。RawTherapeeなどのソフトはこの機能を備えるが、RAWでないと出来ないので、この演算が必要な場合はカメラの付属ソフトに機能が必要だ。

 その他、オープンソースの汎用ソフトにμManagerがある。付属の汎用ドライバを使ってほとんどの顕微鏡カメラで使うことが出来るが、発展途上にあり機能的に不十分な面が多い。現在はまだ顕微鏡に付属のソフトを使うのがベストである。

 

 

機種別レビュー

 購入調査した結果を機種別に紹介する。価格は送料込の目安。

 

TOAN(中国) TAMC500

 1/2.5″CMOS 5M,2.2um、アプティナMT9P001センサー。1万円前半

 アマゾンやebayで見るノーブランド商品。5Mピクセルで10fps出るためライブ映像が快適。ボディは小型&金属製でガッシリしている。商品の構成はボディ単体以外にも0.5倍のリレーレンズ+アダプタ2種が付属するセットがある。仕様的にはプリント基板などの産業検査用。

顕微鏡カメラ TOAN TAMC500 の本体 顕微鏡カメラ TOAN TAMC500 のリレーレンズセット

 マウントにはマクロ撮影用とみられる5mmの接写リングが最初から付いている。これを外してもリレーレンズを付けられるが各種収差が大きく増えピント位置もズレてしまうため、リング付きで使うのが前提のようだ。

 

付属ソフト

 MicroCam。設定の自由度はほとんどない。ホワイトバランスはリアルタイムオート。色温度の補正範囲は2800~6500K、色温度を直接入力して微調整できる。

撮影ソフト MicroCam の実行画面 撮影ソフト MicroCam の簡易計測画面

 左はMicroCamのUI。機能はとてもあっさりしている。ライブ映像を等倍で見るとザワザワしたノイズが目立ち、センサーの生映像をそのまま見せている印象。キャプチャーするとこの生映像がそのまま記録される。

 細かい画質調整はできないが、露出調整で暗視野撮影もできる(写真左)。 撮影解像度の設定は沢山あるがアスペクト比16:9の系列はトリミングしているだけ。基本的にカメラの最高解像度(1592×1944)を使って撮り、画像ソフトで縮小処理を行うのがよい。ホットピクセルの補正機能を持たないが縮小すればほとんど目立たない。

 簡易ながら計測機能を持つ(写真右)。対物ミクロミクロメーターを使って対物レンズごとにピクセル値と寸法の関係(校正値)を記録することで実寸法がわかる。解像度の自動補正は無いので解像度ごとに記録が必要。現行のVer5.6では校正値の適用がうまくいかないバグがありちょっと使いづらい。スケール表示のカスタマイズ性に乏しくそのまま業務レポートに使えるものではないがアマチュアが寸法計測するくらいの役には立つ。

 高いフレームレートを生かしてFHD以下の解像度で動画撮影できるが無圧縮AVIのためフレーム落ちしやすい。動画記録時には他のアプリを全部閉じるほか、ディスクアクセスが落ち着くまで待つなどの工夫がいる。

 

入手先

 このカメラはebayや日本のアマゾンから入手できるが安価な中国製品のためハズレを引くことがある。日本の商社から買うのも手で HOZAN L-835、佐藤商事のDS-2500、顕微鏡屋のU-2500LSがこれに相当し、値段が2倍になるが選別された良品を入手できる。

 開封の際注意がある。IRフィルターに保護シールが貼られているが、粘着が強いことがあり剥がすとき注意しないとフィルターごと取れてしまうことがある。ピンセットを使って横方向に慎重に引っ張る形で剥がす。

 

撮影例

 0.5倍のリレーレンズを組み合わた結果は接眼レンズで見る像の約2倍でかなり大きい。ノーブランドの安物レンズでも十分高画質だが明視野観察でフレアが出やすくToupTekやOMAXのマルチコートレンズを使っても完全には無くならない。これはカメラ側のIRフィルターの反射が原因とみられる。

 画質は偽色やフリンジなどもなく大変良好。良質なリレーレンズと組み合わせればメーカー純正カメラに匹敵しそう。動画の画質も良好で、後述するTouptekより良い。

 TAMC500+リレーレンズ(ノーブランド x0.5)による撮影例1 TAMC500+リレーレンズ(ノーブランド x0.5)による撮影例2

リレーレンズ ノーブランドx0.5 + BH-2 Splan x4(左),x10(右)

TAMC500+リレーレンズ(レイマーNC045 x0.45)による撮影例1 TAMC500+リレーレンズ(レイマーNC045 x0.45)による撮影例2

リレーレンズ レイマーx0.45(NC045) + BH-2 Splan x4(左),x10(右)

TAMC500+リレーレンズ(ToupTek FMA050 x0.5)による撮影例1 TAMC500+リレーレンズ(ToupTek FMA050 x0.5)による撮影例2

リレーレンズ ToupTek x0.5(FMA050※) + BH-2 Splan x4(左),x10(右)

 

TAMC500+リレーレンズ(ノーブランド x0.5)による撮影例3 TAMC500+リレーレンズ(ノーブランド x0.5)による撮影例4 

リレーレンズ ノーブランドx0.5 + BH-2 Splan x4(左),x10(右)

TAMC500+リレーレンズ(ノーブランド x0.5)による撮影例5

リレーレンズ ノーブランドx0.5 + ニコンSMZ x0.8

※ToupTekやOMAXのリレーレンズはネジ部が長いためそのままだと取り付けできない。接写リングを外し5mmのスペーサー(後述)を挟んで撮影した。

 


 

Touptek(中国)LCMOS05100KPA

 (1/2.5″CMOS 5M,2.2um、 アプティナMT9P001センサー、2万円後半

 Touptekは中国に拠点を置く顕微鏡カメラ専門のメーカー。TOANと同じセンサーを搭載するが最高フレームレートは6.8fpsに抑えられており最高解像度のライブ検鏡ではやや遅れが目立つ。

顕微鏡カメラ Touptek LCMOS05100KPA の本体 顕微鏡カメラ Touptek LCMOS05100KPA をBH-2に取り付けた様子

付属の口径変換アダプター 付属の対物ミクロメーター

 本体はTOANよりかなり大きく高級感がある。リレーレンズとアダプタ2種、0.01mmピッチの対物ミクロメーターが付属する。 アダプタリングは単なるアルミ削り出しの筒。ミクロメーターは付属ソフトの寸法測定機能の校正に使う。

 

付属リレーレンズ

 先端のOリングはアダプタリングの抜け止め用。Cマウントのねじ部は8mmと大きく出っ張るため他のカメラの取り付けは制約される。ほとんどのレンズ面がマルチコートされている(写真2枚目)。

付属のリレーレンズ FMA050 付属のリレーレンズ FMA050 の前玉

 

付属ソフト

付属ソフト ToupView の実行画面 付属ソフト ToupView の染料リスト編集画面

 ToupViewという高機能のソフトが付属する。計測機能の他にHDR、深度合成、3D、ダークフレーム減算など必要と思われるものはすべて装備されている。ハイアマチュアどころかラボでも十分使える。このソフトはメーカーのHPから最新版をDLできる。
 寸法計測はライブ映像のみに適用される。解像度の違いは自動補正されるため、付属の対物ミクロメーターを使って対物レンズごとに校正値を記録しておくだけでOK。

 ToupViewのVer3.7.5660 には残念な点がある。縮小画像が単純間引のようなのだ。情報のロスが多く見た目もかなり悪い。キャプチャーするとこれがそのまま記録されるため現状はフル画素の撮影以外は使えない。動画記録も同じであり640×480でフレームレートの高い動画を撮ろうと思っても解像度感のない絵しか得られない。今後のソフト改良を期待したい。

 

撮影例

Touptek+付属リレーレンズによる撮影例1 Touptek+付属リレーレンズによる撮影例2

BH-2 Splan x4(左),x10(右)

Touptek+付属リレーレンズによる撮影例3 Touptek+付属リレーレンズによる撮影例4

BH-2 Splan x4(左),x10(右)

Touptek+付属リレーレンズによる撮影例5

ニコンSMZ x0.8 (青っぽいのは色温度補正を忘れたため)

TouptekとTOANの640×480動画(キャプチャー画像)の違い

640×480で撮影した動画キャプチャーの比較。左が本機、右がTOAN TAMC500。

Touptek LCMOS05100KPA のパープルフリンジ 本機はパープルフリンジが目立つが最高解像度で撮影して縮小すれば問題ない。フリーのRawTherapeeを使って修正もできる。

 

 


 

OMAX(USA) A35140U

 1/2.3″CMOS 14M,1.4um、4万円前半

 Touptekと本体の外装が違うだけで付属品はソフトも含めTouptekとまったく同じものが同梱されている。OMAXは顕微鏡本体とのセット販売が多く、カメラ部分はおそらくTouptekのOEMと見られる。

 アプティナのセンサーを搭載。14Mのライブ検鏡はフレームレートが遅すぎて無理。3.3Mにすれば10fpsでライブ検鏡できるが、上述したようにToupViewの縮小処理に問題があって画質が悪く使えない。

顕微鏡カメラ OMAX A35140U のパッケージ 顕微鏡カメラ OMAX A35140U をBH-2に取り付けたところ

BH-2に取り付けてみたところ。USBのコネクタが上にくる。

 

撮影例

OMAX A35140U+付属リレーレンズによる撮影例 OMAX A35140U+リレーレンズ(レイマー NC045)による撮影例

左はBH-2(Splan10)。右はリレーレンズをレイマーのNC045にしたもの。ピクセルサイズが1.4umと極小のため色ムラ、輝度ムラが目立つ。リレーレンズを交換してもほとんどかわらない。リレーレンズ無しでは問題ない。

 

 


 

リレーレンズ

 

ノーブランド(CNSCOPE) 数千円

 ebayで数千円のノーブランド商品のほとんどは中国CNSCOPE製。x0.3~x2まで細かく6段階ラインナップされている。HOZAN L-845 ほか他の付属レンズもほとんどがここのOEMと見られる。先端にはアダプタリングの抜け止めにOリングが付いている。太さが商品によって異なり、太めのOリングが付くものは顕微鏡のマウントにしっくり嵌り摩擦がカメラの回り止めに効いて使い勝手が良い。

CNSCOPE製リレーレンズの ×0.4と×0.5

 3種3台取り寄せてみたところ同じ箱、同じ梱包材。写真はその中のx0.4 とx0.5。ビニールに包まれてたり、そうでなかったり、タグ紙があったり無かったり様々。たまたま入っていたタグ紙からCNSCOPE製と判明。
 不良率が高く、取り寄せた3台中、良品は1個だけ。1個は最初からレンズが傾斜していて使えないものだった。日本の商社から買うと値段が高いが、選別された良品が得られる。

 

 

CNSCOPE リレーレンズの前玉 CNSCOPE リレーレンズの後玉

 光源が白飛びしていてわかりにくいが対物側1面のみの単層膜コート。OEMでコーティングが違うものも出回っているがほとんどが前面1面のみ。画質は良好で歪や収差は少ないのにフレアが出やすい点が惜しい。

 

ToupTek,OMAX 8千円~1万円

 ToupTek,OMAX共にリレーレンズを単品売りしており、ebayで買える。OMAXのレンズはToupTekのOEMで中身は同じもの。x0.37 x0.5 x0.75の3種類あり、それぞれ固定焦点とピント調整機構付きがある。コンパクトな設計で全長は最も短い部類に入る。上述したようにほとんどのレンズがマルチコートされている。先端にOリングが付くがアダプタリングの抜け止め用で顕微鏡の周り止めにはならない。

ToupTekリレーレンズの前玉 ToupTekリレーレンズの後玉

ピント調整機構付きリレーレンズ OMAX A3RDA37 左はOMAX A3RDA37 x0.37のピント調整付きレンズ。金色のリングを回すとピント位置が変わるが同時に倍率も変わってしまうため寸法計測には適さない。

 倍率の変化幅はx0.3~x0.47、広角端は周辺の収差が大きく4隅がケラレる。このケラレはイメージセンサーや対物レンズではなく、リレーレンズの視野によるもの。拡大側はレンズ中央部分を使う分、固定焦点の同商品より画質がいい。

 BH-2との組み合わせでは接眼レンズの焦点が広角端の外にズレれていて両者の焦点が合致する調整ができなかった。

 

カメラとリレーレンズの間にCマウントスペーサーを挟んだ様子 ToupTek,OMAXのCマウントはネジ部が長い(8mm)ため取り付けるカメラを選ぶ。TAMC500に対しては接写リングを外してCマウントスペーサーを挟むことで取り付け可能。

 写真はEdmund opticsのCマウント用スペーサーリング 2mm+2mm+1mmを重ねて5mmにしたところ。5mmを基準に焦点位置の微調整が出来る。

 

 

レイマー 1.3万円

 Cマウントアダプター(ユニバーサル)という商品名で売られている。レンズ付きはx0.35 x0.45 x0.70の3種類。多くのレンズがコーティングされていてフレアが出にくい。生物顕微鏡との相性が良い。今回テストしたx0.45のNC045は他のレンズと比較すると実質x0.41、BH-2との組み合わせで最良の結果を得るが写真のように実体顕微鏡(ニコン SMZ)との相性は悪く周辺で収差が目立つ。

ニコンSMZ x0.8にOMAX+付属リレーレンズを取り付けた場合の撮影例 ニコンSMZ x0.8にOMAX+レイマーNC045を取り付けた場合の撮影例

ニコンSMZ x0.8とリレーレンズの相性。左はOMAX 付属レンズx0.5、右はレイマーNC045。カメラはOMAX 14Mを使用。

 レイマーにはOリングが無いためカメラが簡単に回ってしまうほかガタツキがある。全長も長いため少し傾斜した形になる。これは別売のリテーナJON28(2500円)を使えば改善する。レイマーはリテーナもアダプタリングも六角レンチを使った固定式のため、脱着が必要となる用途には向かない。

 

リレーレンズの結果まとめ

リレーレンズの性能比較表
オリンパス BH-2 SPlan、ニコンSMZ

  諸収差の少なさ コントラスト
(フレアの出にくさ)
固定と脱着
ToupTek(OMAX) x0.37(可変焦点)   広角端×~ケラレ限界点○~拡大端◎
カメラが回る
ToupTek(OMAX) x0.5 ○ 
カメラが回る
CNSCOPE x0.5 ×


Oリングの摩擦が効く

レイマー NC045 ◎  (ニコンSMZ △)
カメラが傾斜&回る
(JON28で六角レンチ固定◎)

 


 

結論

 顕微鏡カメラ商品は更新は遅く、その性能は市販のデジタルカメラに比べかなり劣る。ebayやアリババで売られている数万円クラスの商品は、5年以上前のコンデジ並。

 画質を優先する用途、例えばアマチュアが顕微鏡写真や動画を撮る場合は、オリンパスTGなどのコンデジを使ってコリメート撮影するか[2]マイクロフォーサーズのカメラを使ってリレーレンズなし(等倍アダプタ、レイマーNC100など)で直接撮影できる(フォーサーズに適したリレーレンズは計算上1.26倍なので、等倍でいけるはず)。

 ラボなので画質があまり求められない用途では数万円クラスのカメラが役に立つ。これは寸法計測などソフト側の機能が充実している為。

 画質を優先するか、ソフトの機能を生かして研究に使うか、よく検討して選ぶことが大切だ。

 

<参考購入先>
HOZAN USBカメラ L-835 TOANのOEMと見られます
HOZAN 顕微鏡アダプター L-845 L-835と組み合わせるリレーレンズ
Cマウント スペーサーリング ToupTekやOMAXのリレーレンズをTAMC500に付けるのに使います。5mm確保に2セット必要。(Edmund optics なら組み合わせ自由で1本から買えます)
対物ミクロメーター 計測機能を使う際に必須です

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<参考文献>
1.第14回 九州電子顕微鏡技術研究会 市民公開講演 デジタル写真は銀塩を超えたか? -光顕および電顕写真の入力から出力まで-

<メーカーサイト>
レイマー
ToupTek
OMAX
CNSCOPE