非视域成像（NLoS）是指在目标被墙体、粗糙表面或散射介质遮挡时，仍然恢复目标的形貌和位置信息。有研究者提出的合成波长全息（SWH）方法，利用两个相近波长下散射光场之间的光谱相关性，实现了快速、高分辨率和较大视场的隐藏目标成像。在该系统中，锁相相机（Lock-in Focal Plane Array, LI-FPA）是关键探测设备。它并不是简单记录亮度图像，而是通过外差干涉和像素级同步解调，直接获得散射光场的同相分量和正交分量，从而得到可用于全息计算的复光场。本篇文章将介绍heliCam™ 锁相相机在合成波长全息中是如何实现解调成像的。
锁相相机在合成波长全息非视域成像中的应用
当目标被墙体遮挡，或隐藏在毛玻璃、生物组织等散射介质之后时，普通相机难以直接成像，通常只能拍到一片杂乱的散斑。拍不到信息的原因并不是光完全消失了，而是光在多次散射后，原本携带目标形状的信息被打乱，有效信号很弱，相位关系也变得复杂。如何从这些看似无序的光中恢复目标，是非视域成像的重要课题。
一项合成波长全息研究给出了具有代表性的解决方案：利用连续波激光、外差干涉和锁相焦平面阵列相机，记录两个相近波长下的复值散射光场，再通过计算重建隐藏目标。实验在约58mm×58mm的墙面探测区域内，实现了近半球视场、亚毫米级分辨能力，并在46ms内完成完整物场采集。锁相相机为这一应用提供了关键能力：它可以在二维面阵上对特定调制频率的干涉信号进行同步解调，把不可直接观察的散射光场转化为可计算的复值数据。
图1 拐角处非视域成像及透过模糊介质非视域成像示意图
一、普通相机缺少的，正是锁相相机擅长的
普通相机主要记录光强。面对直接可见目标，光强已经足以形成清晰图像；但在非视域场景中，目标返回光往往经历“光源—散射面—隐藏目标—散射面—探测器”的光路历程，能量大幅衰减，并被环境光和噪声淹没。更关键的是，合成波长全息重建不仅需要知道每个位置“有多亮”，还需要获得光波的相位信息，而相位恰恰是普通相机无法直接记录的。
锁相相机是一种能够在二维成像的同时进行同步解调的相位敏感探测器。它并不是先拍摄一幅普通图像，再通过软件寻找相位，而是在曝光过程中，由每个像素直接对周期性干涉信号进行解调。可以将其理解为由大量微型锁相放大器组成的面阵相机：每个像素既负责接收光，也负责从接收到的光强变化中识别特定频率的有效信号。
在实验系统中，隐藏目标返回的散射光作为物光，同时引入一束相位稳定、强度较高的参考光。通过声光调制器或电光调制器，使物光与参考光之间产生一个固定的射频频差
。两束光在锁相相机表面叠加后，形成随时间周期变化的干涉信号。到达相机的总光场可以简化表示为：
其中，
和
分别表示物光与参考光，
为二者之间的频差。相机实际探测的是光强，因此接收到的信号可写为：
式中，
和
是物光与参考光的强度，为二者之间的相位差。
前两项是不随调制频率变化的直流背景，包括环境光、参考光和物光本身的强度；第三项是以周期振荡的干涉项，其中同时携带物光的振幅和相位信息。锁相相机真正要提取的，正是这一随频率变化的有效信号
锁相相机的工作方式可以类比为：在嘈杂房间里，只寻找一个已知节奏的声音。实验系统让物光与参考光之间产生一个固定的射频差。两束光在相机上干涉后，有效信号便以这一频率周期性变化。锁相相机的每个像素都与该频率同步解调，因此能够保留“同频、同相”的信号，同时抑制未调制的环境光和大部分背景噪声。
对某一波长
，锁相相机输出同相分量和正交分量：
其中，
是光场振幅，
是物光与参考光之间的相位差。将两路数据组合，就得到完整的复值光场：
这组公式揭示了锁相相机与普通相机的本质区别：它输出的不是单纯亮度图，而是包含实部和虚部的二维光场数据。幅值代表信号有多强，相位代表光波走过了怎样的路径。后续全息重建正是依靠这部分相位信息完成。
图2 锁相相机锁定效果图
外差检测还带来另一个重要优势。较强的参考光与微弱物光干涉后，可产生外差增益，使经过多次散射的微弱目标信号更容易被探测。论文使用的锁相焦平面阵列每次输出300×300像素的I/Q数据，单次曝光时间为23ms。相比逐点扫描，面阵同步解调可以一次获取整个探测区域的光场，是实现快速成像的关键。
图3 合成波长全息非视域成像原理示意图
二、合成波长是如何恢复隐藏目标的
单个波长经过强散射后，相位图看起来几乎是随机的。但如果使用两个非常接近的波长
和
，它们在准静态场景中会经过近似相同的传播路径，受到的随机扰动也高度相关。将两次测量进行差分，就有机会消除一部分共同扰动，保留与目标宏观结构相关的信息。
两个波长可以构造一个远大于光学波长的合成波长：
锁相相机分别得到
和
后，计算系统将二者混合：
其中，
表示复共轭。简单理解，这一步是在计算两个波长之间的相位差。由于合成波长比原始光学波长大得多，它对细小、随机的散射相位波动更不敏感。随后，计算机对合成光场进行数值反向传播，相当于把在墙面或散射介质表面记录到的波前“倒放”回目标所在空间，隐藏目标便能重新聚焦成像。
这较好程中，锁相相机承担的是关键的物理测量：把微弱干涉信号稳定地转化为可计算的复光场。没有可靠的I/Q数据，合成波长计算和反向传播都无从进行。
三、合成波长全息非视域成像实验结果
在拐角成像实验中，激光先照射可见墙面上的虚拟光源区域，散射光照亮隐藏字符“N”；目标返回光再次落到墙面虚拟探测区域，并由锁相相机记录。图4展示了不同合成波长下的相位图和重建结果。即使相位图本身呈现复杂散斑，反向传播后仍能恢复字符轮廓。实验还表明，减小合成波长通常可以提高分辨率；在Λ=280μm时，点目标横向分辨率达到约800μm。但合成波长过小会降低两个光场的相关性，使图像出现“合成散斑”，因此实际系统需要在分辨率与稳定性之间选择合适参数。
图4拐角非视域成像结果
研究还将目标“U”放在220目毛玻璃和约4mm厚的乳白塑料板之后。肉眼观察时，背景图案已被明显模糊；锁相相机仍能提取调制干涉信号，并通过合成波长全息恢复目标。在毛玻璃实验中，多个波长设置均可重建“U”；在乳白塑料板后，Λ不小于约360μm时仍获得了清晰结果。
图5透过散射介质的重建结果
实验说明，锁相相机不仅适用于“绕过拐角”，也可用于透过散射层的相位敏感成像。
这一应用集中体现了锁相相机的关键能力：频率选择性检测有效抑制环境光，适合弱光和高背景场景；I/Q同步解调直接提供复值光场，使相位成像、数字全息和波前测量成为可能；强参考光提供外差增益，有助于探测经过长链路传播后的微弱信号；而焦平面阵列的并行解调，则避免了机械扫描，为动态过程捕捉提供了速度保障。
因此，锁相相机不应只被理解为“更灵敏的相机”。它更像是一套二维并行的锁相放大器阵列，能够把普通图像传感器难以利用的幅值、相位和调制信息转化为结构化数据。在计算成像、数字全息、三维轮廓测量、弱光荧光、散射介质成像、工业无损检测和复杂环境感知中，这种能力都具有直接的迁移价值。
合成波长全息让人们有机会从杂乱散斑中恢复隐藏目标，而锁相相机则为这一计算过程提供了可信的数据入口。它通过外差增益“看见”微弱返回光，通过同步解调过滤背景，通过I/Q输出保留相位，再借助面阵结构实现快速采集。这一案例展示了锁相相机在非视域成像方向上作为特殊成像设备特点。
图6 heliCam C4/C4M 高速锁相相机
四、锁相相机介绍
heliCam™ C4/C4M 锁相相机是一款将二维成像与锁相放大技术集成的灵敏科研相机。其采用 Heliotis 相关技术的像素级锁相 cmos 技术，每个像素不仅是光电探测器，同时也是独立的锁相检测单元，可在成像芯片内部对调制光信号进行同步 I/Q 双相解调，直接获得目标信号的振幅和相位信息。通过像素级并行解调，锁相相机能够在采集阶段有效抑制恒定背景光、低频噪声及非同步干扰光，使微弱调制信号在复杂光学背景下仍可被稳定识别。C4 系列提供512×542像素和1024×1102像素两种分辨率，调制频率较高可达 134 kHz，并支持外部同步控制以及 Python、MATLAB、C++ 等软件开发接口，便于集成至现有实验系统和自动化测量平台。该设备特别适用于数字全息、非视域成像、泵浦—探测、光谱测量、光学层析成像、量子金刚石成像以及弱光调制信号检测等科研与工业应用。
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参考文献
[1] Florian Willomitzer et al. Fast non-line-of-sight imaging with high-resolution and wide field of view using synthetic wavelength holography. Nature Communications, 2021, 12:6647.
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