기존의 Lock-in 증폭기는 점 단위로 측정합니다. 반면 Lock-in 이미징에서는 동일한 복조가 픽셀 병렬로 수행되어 각 픽셀의 진폭과 위상을 얻습니다. 이를 통해 점 측정으로는 구현하기 어렵거나 불가능한 실험이 가능해집니다: 공간적으로 분해된 위상 정보, 빠른 매핑, 강한 노이즈 환경에서도 견고한 분석.
까다로운 조명 조건의 응용 분야에서 – 강한 노이즈 속 약한 신호이든, 매우 강한 배경광 또는 간섭광이든 – 기존 카메라는 한계에 도달합니다. 조기 포화(클리핑)가 발생하거나, 약한 신호를 노이즈 감소를 위해 평균화해야 하므로 측정 속도가 느려지거나 아예 불가능해집니다. 두 경우 모두 유용한 신호가 간섭 소스에 의해 지배됩니다. 그러나 유용한 신호를 변조하여 간섭 신호와 분리할 수 있다면, heliCam™ C4는 여전히 고품질 이미지를 제공합니다.
그림 1: 픽셀 레벨에서 Lock-in 기술을 사용하는 카메라는 일정한 배경이나 1/f 노이즈와 같은 특정 간섭 소스를 거의 완전히 억제할 수 있습니다.
Lock-in 증폭기는 노이즈와 외부 광에 의해 가려진 극히 약한 신호를 가시화합니다. 입력 신호 s(t)를 동일한 주파수와 위상의 기준 신호와 동기적으로 비교합니다(위상 감응 검출).
작동 원리 요약:
1. 입력: s(t)는 유용한 신호 + 노이즈 + 간섭 신호를 포함
2. 동기 곱셈: 기준 신호 cos(ωt) 및 sin(ωt)와 곱하여 → 두 채널 I(동위상) 및 Q(직교) 생성.
3. 적분 / 저역 통과: 측정 시간 T에 걸친 평균화로 노이즈 대역폭(ENBW ≈ 1/(2T))을 줄이고 기준 주파수 외부의 성분을 억제합니다.
결과:
• 진폭: R = √(I2 + Q2)
• 위상: φ = atan2(Q, I)
• 광대역 노이즈와 비동기 간섭광은 대부분 평균화되어 사라지며, 유용한 신호는 DC 성분으로 남습니다.
• 실질적으로 Lock-in은 매우 협대역의 위상 감응 필터처럼 작동하며, 그 선택도는 적분 시간 T에 의해 결정됩니다.
Lock-in 이미징에서는 동일한 프로세스가 픽셀 병렬로 수행됩니다: 각 픽셀이 I/Q(즉, 진폭/위상)를 제공하여 까다로운 조명 조건에서 공간적으로 분해된 위상 감응 측정의 기반이 됩니다.
그림 2: 시간 영역(왼쪽)과 주파수 영역(오른쪽)에서 강하게 노이즈가 낀 유용한 신호. 더 큰 간섭 진폭에도 불구하고 Lock-in 원리 덕분에 유용한 신호를 성공적으로 추출하고 측정할 수 있습니다.
Heliotis가 개발하고 특허를 보유한 Lock-in 픽셀 신호 처리는 당사 모든 제품의 핵심입니다. 당사의 독점 CMOS 이미지 센서에서는 위상 감응 복조가 후속 신호 경로가 아닌 각 픽셀에서 직접 수행됩니다. 각 픽셀은 동기 I/Q 측정을 수행하고 각각 10비트 동위상(I) 값과 10비트 직교(Q) 값을 출력합니다(이중 위상 복조). I와 Q로부터 유용한 신호의 진폭과 위상을 직접 결정할 수 있습니다 – 면적 전체에 걸쳐 안정적이고 재현 가능하게.
이러한 픽셀 병렬 복조는 일정한 배경, 1/f 노이즈, 비동기 간섭광을 획득 단계에서 이미 억제하므로, 매우 작은 변조 신호도 긴 평균 시간 없이 안정적으로 가시화됩니다.
Lock-in 카메라가 가장 자주 사용되는 응용 분야는 대략 다음과 같이 요약할 수 있습니다:
산란 매질에서의 이미징
연구의 상당 부분은 흐린 구조에서 광학 이미지를 획득하거나, 보다 일반적으로 산란 매질과 상호작용하는 빛을 집속하는 것을 목표로 합니다.
간섭계 3D 이미징
간섭계 3D 이미징에서는 스캐닝 백색광 간섭계의 개선과 대체 측정 방법이 모두 제안되었습니다.
정량적 위상 이미징 방법
여러 연구 그룹이 정량적 위상 이미징 방법을 제안하여, 기존의 흡수 기반 광학 측정에서는 거의 투명하게 보이는 생물학적 세포 등의 라벨 프리 고대비 이미지를 얻고 있습니다.
양자 센싱
양자 센싱 분야의 응용이 점점 더 중요해지고 있으며, 특히 미세 자기장의 동적 이미징을 위한 광시야 양자 다이아몬드 현미경과 관련하여 그러합니다.
분광학
다양한 메커니즘에 의해 발생하는 스펙트럼의 미세하고 빠른 주기적 변화를 감지하는 분광 방법이 Heliotis의 Lock-in 카메라로 반복적으로 구현되었습니다.
기타 응용 분야
언급된 응용 사례 및 Lock-in 카메라의 추가 응용 예시에 대한 자세한 내용은 당사의 연구 논문 모음에서 확인하실 수 있습니다.
Lock-in 카메라는 비교적 새로운 도구이지만 연구에서 매우 강력한 성능을 발휘합니다. 위상 감응 이미징과 고정밀 실험을 위한 흥미로운 가능성을 열어줍니다.
다음은 자주 묻는 질문에 대한 답변입니다.
542×512 Lock-in 픽셀을 갖춘 heliCam™ C4는 305 Hz에서 134 kHz 범위의 신호를 복조합니다.
1024×1102 Lock-in 픽셀을 갖춘 heliCam™ C4M은 305 Hz에서 50 kHz 범위의 신호를 복조합니다.
자세한 정보는 당사 문서 및 다음 페이지에서 확인하실 수 있습니다:
예, 귀하의 질문은 일반적으로 스위스에 있는 당사 지원팀(설치, 기술적 질문 등)과 응용 전문가(응용 관련 질문)가 답변합니다. 구매 전에도 개별적이고 구속력 없는 상담을 제공해 드립니다.
대여는 당사 전문가와 함께 적용 가능성을 검증한 후 가능합니다.
당사 전문가들이 귀하의 질문에 적합한 설정을 개발하고, 최적의 매개변수를 선택하며, 실험을 신속하게 성공으로 이끌 수 있도록 지원합니다.
Heliotis AG