传统的 Lock-in 放大器进行点对点测量。相比之下，Lock-in 成像在像素级别并行执行相同的解调 —— 为每个像素提供振幅和相位。这使得那些通过点测量难以或根本无法实现的实验成为可能：空间分辨率相位信息、快速制图以及即使在强噪声下也能进行稳健的评估。
在光照条件苛刻的应用中 —— 无论是强噪声中的微弱信号，还是极强的背景光或干扰光 —— 传统相机都会达到其极限。要么过早出现饱和（削波），要么必须对微弱信号进行平均以降低噪声，这会减慢频率甚至使其无法实现。在这两种情况下，有用信号都会被干扰源主导。然而，如果能够对有用信号进行调制并以此将其与干扰信号分离，heliCam™ C4 仍能提供高质量的图像。
图 1：具有像素级 Lock-in 技术的相机可以几乎完全抑制特定的干扰源，如恒定背景或 1/f 噪声。
Lock-in 放大器使极其微弱的信号变得可见，即使它们被噪声和环境光叠加。它将输入信号 s(t) 与相同频率和相位的参考信号同步比较（相敏检测）。
原理简述：
1. 输入： s(t) 包含有用信号 + 噪声 + 干扰信号
2. 同步乘法： 使用参考信号 cos(ωt) 和 sin(ωt) → 两个通道 I（同相）和 Q（正交）。
3. 积分 / 低通： 在测量时间 T 内取平均值可降低噪声带宽 (ENBW ≈ 1/(2T)) 并抑制参考频率之外的分量。
结果：
• 振幅：R = √(I2 + Q2)
• 相位：φ = atan2(Q, I)
• 宽带噪声和非同步干扰光在很大程度上被抵消；有用信号作为直流分量保留。
• 实际上，Lock-in 的作用类似于一个极窄带的相敏滤波器，其选择性由积分时间 T 决定。
在 Lock-in 成像中，相同的过程以像素并行方式执行：每个像素提供 I/Q（或振幅/相位）—— 这是在苛刻光照条件下进行空间分辨率、相敏测量的基础。
图 2：时域（左）和频域（右）中受强噪声干扰的有用信号。尽管干扰幅度较大，但得益于 Lock-in 原理，仍能成功提取并测量有用信号。
由 Heliotis 开发并获得专利的 Lock-in 像素信号处理技术是我们所有产品的核心。在我们专有的 CMOS 图像传感器中，相敏解调并非在后续信号路径中进行，而是直接在每个像素上完成。每个像素执行同步 I/Q 测量，并分别输出一个 10 位同相 (I) 值和一个 10 位正交 (Q) 值（双相解调）。通过 I 和 Q 可以直接确定有用信号的振幅和相位 —— 具有大面积、稳定且可重复的特点。
这种像素并行解调在采集阶段就抑制了恒定背景、1/f 噪声和非同步干扰光，因此即使是非常微小的调制信号也能可靠地显现 —— 无需长时间的平均。
Lock-in 相机最常用的应用领域大致可概括如下：
散射介质成像
很大一部分研究旨在捕获浑浊结构中的光学图像，或更广泛地聚焦与散射介质相互作用的光。
干涉式 3D 成像
在干涉式 3D 成像中，人们提出了扫描白光干涉测量术的改进方案以及替代测量方法。
定量相位成像方法
多个研究小组提出了定量相位成像方法，以获得例如生物细胞的无标记和高对比度图像，这些细胞在经典的基于吸收的光学测量中大多呈现透明状态。
量子传感
量子传感领域的应用日益重要，特别是关于用于微小磁场动态成像的宽场量子钻石显微镜。
光谱学
检测光谱中由各种机制引起的微小且快速的周期性变化的光谱方法，已多次使用 Heliotis 的 Lock-in 相机实现。
其他应用
有关上述及更多 Lock-in 相机应用示例的详细信息，请参阅我们的研究出版物集。
Lock-in 相机是研究领域中一种相对较新但极其强大的工具。它们为相敏成像和高精度实验开辟了令人兴奋的可能性。
以下是一些常见问题的解答。
拥有 542×512 Lock-in 像素的 heliCam™ C4 可解调 305 Hz 至 134 kHz 范围内的信号。
拥有 1024×1102 Lock-in 像素的 heliCam™ C4M 可解调 305 Hz 至 50 kHz 范围内的信号。
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