福衛五號光學酬載MIT　為地球拍寫真集

福衛五號樣貌，上方「金光閃閃」的部分為光學遙測酬載，即台灣自力研發之處。科學酬載「先進電離層探測儀」安裝在遙測酬載旁邊，蒐集電漿不規則體的擾動變化；下方為衛星本體。圖／太空中心提供。

福衛五號預計明年第一季委由Space X的鷹隼9號火箭（Falcon 9）發射至太陽同步軌道，從離地720公里高空拍攝地球。福衛五為台灣首度自主研發光學儀器酬載，也發展出全球第一顆應用於太空遙測的線型CMOS影像感測器，從設計至完成歷時五年，規格與福衛二號相近，預備日後接棒福衛二的任務。

福衛五號耗資36.64億（其中約20億為火箭發射成本），設計與福衛二號相差不遠，主要差別在於彩色影像的解析度由八公尺提高為四公尺，黑白影像解析度維持兩公尺；福衛二每日再訪同一地點（每天早上10點5分與晚上九點半行經台灣上空），福衛五周期為每兩日再訪，每隔一天早上10點20分經過台灣上空；赤道附近是福衛二拍攝死角，福衛五拍攝範圍則能涵蓋全球。

福衛二號原定執行任務五年，自2004年發射上空，拍下許多影像應用於救難與災害評估、科學研究、追蹤地貌變化等。它也曾執行特殊任務，2006年馬爾他籍吉尼號貨輪行經蘇澳港南端，船艙破裂而漏油上百噸，國家太空中心緊急排程取像，順利於當日拍攝台灣東岸影像，取得實際證據，也創下台灣第一次海域污染求償成功案例；日本小行星探測器隼鳥號著陸澳洲時也曾委託福衛二作為備用方案，若隼鳥號訊號失靈就拍攝協尋。

福衛五號設計

福衛五號的光學遙測酬載像是給衛星用的超大型數位相機，主要由負責集光、成像在感測器的「遙測取像儀」、感測不同波段影像的「聚焦面組合件」與負責影像擷取、壓縮、儲存的「電子單元」組成。

福衛五號酬載示意圖。地表反射的太陽光進入望遠鏡頭，依序被主鏡和次鏡反射後穿過修正透鏡，聚焦成像於影像感測器上，再轉換成數位電子訊號。圖／太空中心提供

實際的福衛五號光學遙測酬載外觀，為了讓衛星在太空中正負200℃的極端溫差中運作五年，酬載外部的「金縷衣」是多層絕熱膜，酬載內有51顆溫度感測器與39片加熱片，調控在恆溫18~22℃。圖／太空中心提供

「遙測取像儀」是太空級望遠鏡頭，採用折反射式的卡賽格林式望遠鏡（Cassegrain telescope）。光學設計與校準是相當重要的一環，主鏡直徑45公分、光學系統焦長3.6公尺，是國內製造最大型的非球面鏡片。固定主鏡的方式讓團隊卡關半年，「我們要固定好鏡面，但是加諸在鏡面的力量，不管是黏膠或鎖螺絲都會導致鏡面變形！」太空中心系統工程組正工程師黃柏瑄說。團隊改了六次製程，研發特殊膠合技術才克服，使其能承受火箭發射時最大值為25G的加速度，變形量從2微米、1微米、0.1微米降到小於10奈米，並確認各種應力不會影響鏡面。

地球重力會將次鏡往下拉20至30微米（大約頭髮直徑的三分之一），但太空微重力會讓鏡面「反彈」回去，因此地球上最佳成像的點不會是太空中成像的最佳點。負責光學設計、儀器科技研究中心遙測光電儀器發展組組長黃鼎名說，地球上的天文台會在望遠鏡後方添加設備校正重力造成的相差，衛星若要如法炮製就得加裝感測器和制動器，「這樣太耗電了，衛星的電力主要用來儲存資料和傳資料。」團隊把儀器又正立又倒吊的量測，解讀干涉條紋，一次量測要耗去半天，反覆試了30次才找到太空中最佳成像點。

遙測取像儀的主次鏡進行干涉儀量測作業。圖／太空中心提供

校準之後，主鏡與次鏡相距一公尺，距離與設計值誤差只有0.0007毫米，約一跟頭髮直徑的十分之一，而角度偏差為0.00096度，「相當於從台北看墾丁一間透天厝的視角！」黃柏瑄說。

「聚焦面組合件」的核心是CMOS影像感測器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體），可感測五個不同光波段的影像。傳統太空遙測常用的CCD（Charge-couple Device，電荷耦合元件）感測器技術完全掌握在外國手上，採購單價高，也有輸出許可限制，太空中心表示，採用CMOS是考量台灣半導體優勢的策略，CMOS具有成本低、省電、訊號傳輸快速的優點，缺點則是雜訊較高；「電子單元」負責擷取拍攝的數位影像，將影像壓縮、儲存、加密之後以X波段通訊系統傳至地面接收站。

全球第一顆應用於遙測的線型CMOS影像感測器，長寬分別為12公分與2.4公分，含有5條12公分長的線型感測器列，搭配多光譜濾光片可同時感測5個不同波段的影像。圖／太空中心提供

太空計畫幕後

許多國家會限制出口衛星科技的關鍵零組件，福衛二就曾歷經波折，原本交由德商製造，但德國政府管制技術，不願意核發輸出許可，後改由法商研製。太空中心主任張桂祥說，加上台灣政治情勢特殊，更難以取得，自製則能掌握技術。

福衛五原定要向加拿大購買太空望遠鏡頭而未成，於是2006台灣計劃自製兩個衛星酬載，第一顆找外商合作當顧問，一起研製，第二顆再全部自己來，招標時卻沒人投標。直至2008，決定兩顆衛星酬載都自己作。太空中心負責結構、熱控與系統整合，儀科中心負責光學設計與鏡片拋光、鍍膜，中山科學研究院則負責電子單元。

黃柏瑄說，最困難的是「國內沒經驗，國外不會跟你說。」國外已經累積了好幾代程序書，但台灣研發人員得重頭開始摸出所有瑣碎細節，「細節細到像一片玻璃要經過幾道清潔、幾次塗抹、表面改質等等。」黃柏瑄說。他們曾遍訪國內研究光學的教授，「結果教授都說，你們就是這方面的專家了。」太空中心過去曾派駐人員到法國學習福衛二光學遙測酬載研發，「但敏感的東西他們不會讓你接觸，就只能盡量跟他們聊天、蒐集文件上的隻字片語，看他們用什麼材料以及如何組裝測試。」

他說，最麻煩的該屬制定規格，規格從2007到2010花了三年才定案，而後才提案、正式成立團隊研製福衛五。規格制定以影像解析度為出發點，進而討論飛行高度、口徑大小、焦距長度等等，團隊也必須事先知道發射火箭的款式，才知道要承受幾G的加速度。

黃鼎名說，不同的軌道和感測器而要求同樣解析度的話，就得改變焦距，「焦距一改變，設計及後續的分析、跑模擬得全部重來。」光學設計就將近20個版本，「這是帶有研發性質的衛星計劃，但衛星又要求高可靠度，實在有點矛盾。」不同於常態的太空任務會知道要使用什麼感測器與材料再據此設計，當年感測器也尚未簽約，「當時什麼都不確定！」

儀器要忍受發射時的震動與太空極端環境，因此必須事先經過光學、震動、電磁干擾、熱真空艙等一系列測試。成像品質量測必須在半夜12點進行，因為測試儀器對震動非常敏感，午夜較少人車干擾。黃柏瑄回憶，有次不知為何測試結果很差，成員騎車出外晃一圈，原來是交大附近正在施工、打地樁，「相距至少兩公里，我們都聽不到聲音，但儀器感覺得到！」

目前福衛五號正在進行熱真空測試，溫度在高低溫之間循環，測試所有元件的運作情形，研究人員必須24小時不停歇的輪班測試，為期約一個月。「這是工程師最爆肝的時候。」黃鼎名說。

過去台灣全無經驗，一開始團隊就以福衛二的酬載為研發目標，「雖然沒有超越，但證明了我們自己掌握的技術可以到這裡。」

遙測取像儀完成熱真空測試後，工作人員進行開艙後檢查作業。圖／太空中心提供

研發故事外傳：半導體製程突破

常說太空科研是火車頭產業，自主研發福衛五光學鏡頭的過程中，有兩項技術被導入半導體製程而帶來突破與改良：在半導體製程中對覆上液態光阻的晶圓曝光、以便後續蝕刻的機器「曝光機」，以及「自動化光學檢測系統（Automatic Optical Inspection, AOI）」。

半導體高階設備仰賴進口，一台高級的曝光機要價新台幣十億以上。儀科中心曝光機開發小組專案經理曾釋鋒說，因研發福衛五而開發了大口徑鏡頭的製作系統與機台，延伸用於曝光機鏡頭模組的設計開發；生產線上的晶片快速跑過，AOI則快狠準的把瑕疵品抓出來，儀科中心先進光學組組長黃吉宏說，AOI要有良好的光學鏡頭、好的光源、讓待測物精準移動的平台，以及分析軟體。他生動地描述：「想像一下衛星在高空高速運轉的同時還要拍地球，相同的道理，把尺度縮小就是AOI在掃描晶片！」導入太空級光學技術讓AOI的掃描精度與速度精進不少。

福衛二與福衛五小檔案

註：解析度4公尺的意思是，在遙測影像中，一個數位影像的畫素對應地表上4公尺x 4公尺大小的面積。

福爾摩沙衛星們

表格整理／劉珈均，資料來源／國家太空中心

訪問外的參考資料

• 胡妙芬、阮光民編繪，《來自第8蟲洞的訪客》，2014，國家實驗研究院國家太空中心。

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