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結構化照明顯微鏡的誕生：Guerra是如何挑戰顯微技術的界限？
光學外差檢測是一種提取以電磁輻射的相位、頻率或兩者的調製所編碼的信息的方法。這項技術發展迅速，尤其在可見光或紅外光波長範圍內的應用。這一方法將信號光與來自“本地振盪器”的標準光進行比較，後者在頻率和相位上與信號光具有固定的偏移。與單頻率的同相檢測相比，“外差”則強調了多個頻率的應用。
自20世紀60年代以來，光學外差檢測已經開始受到研究，并且技術進步使其在各種領域獲得廣泛應用。
光學外差檢測的過程通常由一個光電二極體檢測器執行。這個檢測器的響應與能量成線性關係，因而與電磁場的幅度呈現二次方關係。當光信號的頻率接近時，探測器產生的差頻振盪在無線電或微波頻段，使其便於電子處理。從1990年代合成陣列外差檢測的發明開始，這種技術在拓撲和速度敏感成像領域變得愈加普遍。
1995年，Guerra發表的研究顯示，通過一種“光學外差技術”，他能夠檢測並成像一個比照明波長小得多的光柵。這項工作不僅使超分辨率顯微鏡的概念變為可能，還催生了“結構化照明顯微鏡”族的誕生。1997年，Guerra的發明獲得了Polaroid公司的專利，為光學檢測技術帶來了前所未有的變革。
光學與無線頻率外差檢測的對比
對比光學外差檢測與無線頻率（RF）外差檢測的實際方面，最明顯的不同在於能量與電場的檢測問題。在RF檢測中，電磁場驅動著天線中電子的振盪運動。相比之下，在光學檢測中，光子通常是通過其能量吸收來檢測，而不是直接測量電場的相位。
因此，光學外差混合的主要目的是將信號下移到電子可處理的頻率範圍，這一點在RF檢測中並不需要。
另外一個明顯的區別是所需的信號與本地振盪器的帶寬。典型的RF本地振蕩器是一個純頻率，而在光頻信號中，即使是激光，也很難產生一個頻率穩定、帶寬合適的參考信號。因此，在光學外差檢測中，通常會選擇來自同一光源的信號和本地振蕩器來保持頻率差恆定。
光子計數技術及其優勢
隨著光學外差技術的建立，對於在低信號光強下的運作進行了深入探討。儘管光子可能在不同的（隨機）時刻以可計數的速率被檢測器吸收，仍然可以產生差頻信號。這表明光不僅僅在傳播過程中表現出波的性質，還在與物質互動時展現出類似的特性。
到2008年，即便信號強度增加，降低本地振盪器功率以使用光子計數檢測Beat信號的優勢仍然受到重視。
光學外差檢測的關鍵優勢之一是，在檢測過程中下混頻差頻的振幅有時甚至會大於原始信號的振幅。這能夠提高信號的可檢測性及其質量。
關鍵挑戰與應對方案
儘管光學外差檢測提供了多種技術惠益，但仍然存在一些挑戰。例如，在陣列光檢測中，由於信號的震蕩性，整體的檢測過程變得非常複雜。因此，傳統的數位相機影像傳感器在光學外差檢測中的應用受到限制。
為了解決這一問題，合成陣列外差檢測（SAHD）技術被開發出來，這使得在單一元件檢測器上進行大規模的檢測成為可能。
技術的進步不禁讓人期待未來光學外差檢測應用的廣闊前景，Guerra的這項技術不僅提高了生物科學的成像分辨率，也為多個科學領域提供了新的視角。那么，未來這一技術將會如何改變我們對微觀世界的理解?
