傳統的 Lock-in 放大器進行點測量。而在 Lock-in 成像中，相同的解調過程以像素平行方式執行 — 每個像素都有振幅和相位。這使得僅靠點測量難以實現或根本無法實現的實驗成為可能：空間解析的相位資訊、快速映射以及即使在強雜訊下也能進行穩健的評估。
在光照條件嚴苛的應用中 — 無論是強雜訊中的微弱訊號，還是非常強的背景光或干擾光 — 傳統相機會達到極限。要麼很快出現飽和（削波），要麼必須對微弱訊號進行平均以降低雜訊，這會減慢速度甚至使測量變得不可能。在這兩種情況下，有用訊號都會被干擾源主導。然而，如果有用訊號可以被調變並因此與干擾訊號分離，heliCam™ C4 仍能提供高品質的影像。
圖 1：在像素層級採用 Lock-in 技術的相機可以幾乎完全抑制特定干擾源，例如恆定背景或 1/f 雜訊。
Lock-in 放大器能使極其微弱的訊號可見，即使它們被雜訊和外來光覆蓋。它將輸入訊號 s(t) 與相同頻率和相位的參考訊號同步比較（相位敏感檢測）。
簡要工作原理：
1. 輸入： s(t) 包含有用訊號 + 雜訊 + 干擾訊號
2. 同步乘法： 與參考訊號 cos(ωt) 和 sin(ωt) → 兩個通道 I（同相）和 Q（正交）。
3. 積分 / 低通： 在測量時間 T 內平均可降低雜訊頻寬（ENBW ≈ 1/(2T)）並抑制參考頻率以外的成分。
結果：
• 振幅：R = √(I2 + Q2)
• 相位：φ = atan2(Q, I)
• 寬頻雜訊和非同步干擾光大部分被平均掉；有用訊號作為 DC 成分保留下來。
• 實際上，Lock-in 的作用類似於一個 非常窄頻、相位敏感的濾波器，其選擇性由積分時間 T 決定。
在 Lock-in 成像 中，相同的過程以 像素平行 方式執行：每個像素提供 I/Q（即振幅/相位）— 這是在嚴苛光照條件下進行空間解析、相位敏感測量的基礎。
圖 2：時域（左）和頻域（右）中的強雜訊有用訊號。儘管干擾振幅較大，但由於 Lock-in 原理，仍可成功提取和測量有用訊號。
Heliotis 開發並取得專利的 Lock-in 像素訊號處理是我們所有產品的核心。在我們專有的 CMOS 影像感測器中，相位敏感解調不是在後續訊號路徑中進行，而是直接在每個像素上進行。每個像素執行同步 I/Q 測量，並輸出一個 10 位元同相（I）值和一個 10 位元正交（Q）值（雙相位解調）。從 I 和 Q 可以直接確定有用訊號的振幅和相位 — 面狀、穩定且可重現。
這種像素平行解調在擷取時就已經抑制了恆定背景、1/f 雜訊和非同步干擾光，因此即使是非常小的調變訊號也能可靠地顯示出來 — 無需長時間平均。
Lock-in 相機最常用的應用領域大致可概述如下：
散射介質中的成像
大部分研究旨在擷取混濁結構中的光學影像，或更廣泛地說，聚焦與散射介質相互作用的光。
干涉式 3D 成像
在干涉式 3D 成像中，已提出掃描白光干涉測量法的改進以及替代測量方法。
定量相位成像方法
多個研究小組提出了定量相位成像方法，以獲得無標記、高對比度的影像，例如在傳統基於吸收的光學測量中幾乎透明的生物細胞。
量子感測
量子感測中的應用日益重要，特別是關於寬視場量子鑽石顯微鏡，用於動態成像微小磁場。
光譜學
檢測由各種機制引起的光譜中微小且快速週期性變化的光譜方法，已多次使用 Heliotis 的 Lock-in 相機實現。
其他應用
有關上述及其他 Lock-in 相機應用範例的更多資訊，請參閱我們的研究出版物集。
Lock-in 相機是一種相對較新但極其強大的研究工具。它們為相位敏感成像和高精度實驗開啟了令人興奮的可能性。
以下是一些常見問題的解答。
具有 542×512 Lock-in 像素的 heliCam™ C4 可解調 305 Hz 至 134 kHz 範圍內的訊號。
具有 1024×1102 Lock-in 像素的 heliCam™ C4M 可解調 305 Hz 至 50 kHz 範圍內的訊號。
更多資訊請參閱我們的 文件 以及以下頁面：
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