深度攝影機與即時3D建模技術

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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十九世紀初，倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒，他握著剛領到的工資，興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打 (Alessandro Volta) 所作電學實驗的書給吸引住，但他身上的錢不夠，而且這是本法文書，他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金，並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後，他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池，但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃，根本不用買，就拿手上的銅板便士 (penny) 取代就行啦！這就是惠斯登，從小就努力追求新知，並展露發明的天份。

他的發明橫跨不同領域。除了在自己的本行上發明六角形手風琴，他也是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45 度角的反射鏡，而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花，透過稜鏡會呈現各自特有的光譜，為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法 (Playfair cipher)，而廣被軍隊採用，直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

不過他奉獻最多的還是在電磁學方面。他將電線從中切開，接上萊頓瓶，再用快速旋轉的鏡子測量跳過電線缺口的火花延遲的時間，而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度還快了 50%，但他所發明的旋轉鏡卻在後來物理學家測量光速時派上用場。他和威廉・庫克 (William F. Cooke) 於 1837 年共同發明電報，不但成為最早的發明者，並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」(Wheatstone bridge) 至今仍被廣泛用來測量電阻。他也是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵，而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登靠著自學，從一個樂器行的學徒變成一位多產的發明家，還成為英國皇家學會的一員，可說是事在人為的最佳例證。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

報導/江書賢

在生活中各種時刻，拿起智慧型手機把所見的人事景物拍攝下來，或者透過網路攝影機和朋友視訊通話，對於許多人來說已經是生活不可或缺的部分。在不知不覺間，我們常常是透過屏幕來觀察實體世界；另一方面，我們更是經常透過屏幕來瀏覽網路等資訊世界裡的訊息。既然兩者都常常透過同樣一種媒介和我們接觸，資訊和實體兩個世界愈來愈加緊密的結合，便是一個不讓人意外的趨勢。例如我們藉由掃描印在實體物品上的QR code，來讀取連結的資訊，或者是用手機拍了照片以後，使用Line等軟體把相片加上可愛的熊大與兔兔貼圖，像這些把來自資訊世界裡的文字或者影像，附加在來自真實世界的物件影像上的需求，將會更加普遍的成長。

擴增實境(Augmented Reality，AR)是將電腦、網路等資訊世界中的虛擬影像（尤其是３Ｄ影像），和實體世界中的物品互相結合，並且實現使用者與虛擬影像物件之間互動的技術。想像我們手拿一張圖片，在手機鏡頭或Web cam前面輕輕一晃，屏幕中所顯示的影像，除了出我們手拿著實體圖片以外，還憑空長出一些3D的虛擬物件，比如說飛碟或機器人，會追著我們手拿的圖片跑，甚至我們可能可以和這些虛擬3D影像進行互動，是不是很有趣呢？又或許是拿著某個商品的包裝盒，屏幕中的包裝盒上就會浮現出盒內商品的３Ｄ影像，比起印刷在平面上的包裝照片來說，能更增加消費者和包裝商品的接觸感。擴增實境的技術，想必在未來的物聯網中將會是一項商品銷售競爭上的利器。

既然要達成虛擬物件和真實物件兩者之間的連結，就必須讓電腦具備能從攝影機所拍攝到的影像中辨識出實體物件的能力。目前比較普遍的是利用QR code標示在實體物件上，但是如果要更普遍的廣泛應用在各種物品上，大家應該不會喜歡見到隨處可見的各種物品都印上死板的黑白方框圖像吧？如果電腦能夠直接辨認出物件上本身就具有的紋理特徵，就可以讓虛實物件之間的整合更加自然而不留痕跡，這就是無圖標AR技術所要達成的目標。

工研院南分院微系統中心視覺互動技術部的陳柏戎經理表示，先前無圖框AR的技術已在外國發展一段時間，技術由外國公司掌握，若是國內的廠商想要將無圖框AR的技術應用在商品上，必須支付很高昂的授權費用，所以目前國內很少廠商能利用這一種技術。工研院為了提供國內廠商的底層技術支援，因此著手進行無圖框AR的自主技術開發。

研發團隊目前的軟體技術開發成果，除了能達成不需要有特定邊框圖案的物件紋理特徵辨識與追蹤以外，更可以容許辨識目標物有超過30度的旋轉，並且容許辨識目標30%的遮蔽，因此電腦能夠更容易的成功辨識物件，不會因為在實用情境下，物品沒有正對著鏡頭，或著因為手拿著物件時不小心遮蔽到一部分的圖樣，就無法成功辨識物品。

相較於QR code 使用方形邊框與黑白圖樣等預先規定的特定圖樣模式來作標示，無圖框AR的技術目標是要能辨識更加自由多樣的圖案或紋理特徵，所以圖樣辨識的演算法必然會比QR code的辨識要複雜上很多，辨識的運算速度因此成為技術開發上的一大挑戰。研發團隊在開發演算法時，必須設計目標物件紋理的不同特徵部位的定義與擷取方式、權重分配，並且考慮辨識目標在各種不同的情境，如光線、旋轉角度、目標物和鏡頭間的距離時，能夠自動選用一組適合的特徵定義方式來進行辨識，才能使執行速度夠快，以符合即時性的要求。

除了目標物件特徵辨識的演算法以外，研發團隊進行的另一項技術開發重點是實體物件的辨識系統與虛擬物件的3D繪圖引擎的整合。目前市面上的3D繪圖引擎有許多不同的廠牌與版本，若國內的產品開發廠商想請國外公司提供無圖標AR技術的服務，經常會碰上兩家公司所使用的軟體不一致的情況，國外的技術廠商不一定會願意為小型的客戶處理軟體的相容性問題，因此會造成技術運用上的障礙。工研院作為促進本國創新科技的研發與技術支援單位，進行自主技術的開發，可以為國內的業者提供無圖標AR系統與其他軟體相容性問題的解決服務，作為國內產業底層技術的後盾，並且促成國內相關廠商的技術合作與整合。工研院所研發的系統目前是在PC平台上運作，現在正把開發目標朝向跨平台的技術延伸，如智慧型手機等行動裝置與嵌入式系統上。

擴增實境(AR)技術的概念已經被提出了十幾到二十年的時間，但是過去因為取像與顯示設備的體積、重量、成本等等硬體的限制，所以仍未充分發展，但是隨著近年來這些硬體設備的快速發展，甚至如Google Glass這些隨身的穿戴式系統也開始崛起，擴增實境的技術未來將有很大的應用空間與成長機會。或許在不久後的將來，人們就可以戴著擴增實境眼鏡上街，像許多科幻電影中機器人的視野一般，眼中所見許多物品旁邊都附帶著凌空的立體虛擬圖像或者文字資訊。

技術專頁:無圖標AR技術 

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