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「我的相機會轉彎」:MIT創新發明讓你能夠窺視轉角

dr. i
・2012/03/22 ・594字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

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如果哪一天我告訴你,我看得到你在轉角的另一邊在做甚麼,那不會是因為我有特異功能,而是因為我有了這台「飛秒攝影機」,繞過遮蔽物直接拍攝到你,甚至動態影像都沒有問題!

3D 重建影像

它的原理其實不難,首先一個雷射光源將一發一發的脈衝光打在一面牆上,再經由多重反射從待測物體上回到攝影機中。這個攝影機可不是一般市面上買的到的,他可以解析非常快的皮秒(Picosecond)光波訊號,1 皮秒大約是光行走30公分所需要的時間,很快吧!(欲看短片解說請點這個連結

這項技術主要由美國麻省理工學院MIT的團隊所研發,其實「飛秒雷射」(Femto-second laser) 的科技已經存在很久(是的,很多工業和醫學上的用途,例如:美容、無刀近視矯正等等),目前台灣幾所大學和工研院量測中心都有這項技術,但是把它用在這種另類的攝影技術上,真的是很創新呀!

未來他們希望能夠應用在災難現場的救援,以及心血管手術等的視覺輔助工具。

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(來源:Nature CommunicationCamera Culture MIT, USA Today

轉載自 :: dr. i ::  新發現 | 新科技 |  新生活 |  新藝術  欲轉貼請註明文章出處

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dr. i
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小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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有興趣的事就可以做很久——張允崇專訪
顯微觀點_96
・2024/09/07 ・2954字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

首圖用
圖/顯微觀點

「從高中生開始到大學生,甚至到研究所碩士、博士,其實你只要做一件事-叫做找到有興趣的問題」。

從藍光 LED 起始的奈米研究之旅

中研院應用科學研究中心副研究員張允崇近年致力於光電推廣教育工作,不僅作為國際光電工程學會 SPIE 的光學推廣委員會成員,還擔任中華民國光電學會教育委員會主任委員,並已連續舉辦兩屆光電學會光電教具創作競賽

張允崇自台灣大學物理系畢業後前往北卡羅萊納州立大學攻讀電機博士。時值台灣開始發展半導體的年代,加上他對光學和雷射很有興趣,因此選擇光電半導體作為研究領域,其中又以藍光 LED 為其研究重點。

LED(發光二極體,light-emitting diode)是一種半導體光源。當電流通過這個半導體電子元件時,電子與電洞複合以光子的形式釋放能量,而發出單色光。光線的波長、顏色則和採用的半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關。

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一開始以磷化鎵砷(GaAsP)為材料的 LED 僅能發出紅光且效率低,因此僅作為指示燈使用。而後雖出現可發出綠光的 LED,但一直缺少藍光 LED,就無法以光的三原色-藍、綠、紅,來任意組成不同的顏色,尤其是可供照明的白光。

直到 1993 年,日本日亞化學(Nichia Corporation)的中村修二成功把鎂摻入,成功以氮化鎵和氮化銦鎵(InGaN)開發具有商業應用價值的藍光發光二極體。

有了藍光 LED 後,白光 LED 也隨即問世。因此 2014 年諾貝爾物理學獎也以「發明高亮度藍色發光二極體,帶來了節能明亮的白色光源」的理由,將獎項頒給中村修二,以及製成高品質 GaN 並首次以 pn 結構完成藍色 LED 的日本科學家赤崎勇與天野浩。

2001 年博士學位並於 2003 年返台至成大任教的張允崇說,當時藍光 LED 領域正好當紅,因此博士班期間以及回台任教之初,便以此為研究材料進行研究。

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但很快地,藍光 LED 材料愈來愈便宜且效率也已提升很多,相關應用和研究到達瓶頸,要再突破已非易事。相關領域的學者不是已經放棄,就是必須做出變化。張允崇亦是如此。

台灣從 2003 年開始,投入新台幣約 250 億元執行「奈米國家型科技計畫」,推動奈米科技發展。因此,張允崇也將研究視角轉向開發各種不同奈米製程,其中一個便是奈米球鏡微影術(Nanospherical-Lens Lithography,NLL)。

奈米球鏡微影術是使用奈米球將入射的紫外光聚焦於下方光阻,藉以製作出大面積的金屬圓盤陣列,這樣不僅可以大面積生產,使用的設備也是產業界既有生產設備,成本相對低廉。

「到 2018 年,我們幾乎可以宣稱我們是全世界做奈米球做厲害的人」。但張允崇表示,儘管奈米球鏡顯微影術可以大面積、有效率地提升製程產量,但在學術發表上外界期望看到「新功能」,加上後來到中研院任職,資源較多,便不再限制於奈米球上,而是開發各種奈米製程和新功能。

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張允崇
擔任 2024 Taiwan顯微攝影競賽評審的張允崇認為,像顯微攝影這樣「較為學術」的攝影競賽,加分之處在於拍攝者發揮創意,在平凡無奇圖案中找到有趣的地方,例如某個角度像朵花或是用不同的染色變成有趣的圖案。圖/顯微觀點

直觀研究取代考試教學

「我可以講 30 分鐘的研究,沒有任何一個公式在投影片裡」,張允崇笑稱因為自己的數學不太好,所以研究的題目「數學不會太多」。

他以奈米金屬為例,儘管背後有很多數學推導,但在他們實驗室的研究開發中,便僅以「奈米顆粒對環境折射率非常靈敏」的直覺,進一步對其作為感測器進行研究。

但與其說是「受限於數學不好」,不如說張允崇更看重科學直覺和實作,這不僅表現在他的研究,也體現在他的教學和近年致力推廣的光電教具創作競賽中。

張允崇提到之所以投入光電教具創作競賽,起因於他參與國際光電工程學會(International Society for Optics and Photonics, SPIE)的年會時,擔任其中一個類似教具競賽的外展活動評審,氣氛不錯。

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加上當時張允崇在台大物理系兼職,教授光電半導體課程。「考試學到的東西很有限」,比起考試他更希望學生能從做中學,因此便參考年會外展活動的概念,讓學生執行期末計畫。

「當時想法只是覺得課堂裡好的作品可以到國際參賽,就像區域競賽比得好,比全國再比國際」。張允崇後來遇到一些志同道合的老師,才將全國競賽籌備起來。

不過,競賽今年邁入第三屆之際,回顧這一路走來,張允崇認為,競賽帶來的收穫、好處和原本初衷略有不同。而最大的好處在於讓學生「提早認識實驗室」。

他表示,許多學生到大三、大四要做專題進實驗室時,早已聽從學長姐和外界的聲音「立志進台積電」。

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「現在多學生大三大四就直接聽學長姐說哪一個領域很好,可以去台積電啊。如果你研究所找了老師就是做這個領域,你就被他綁住了,博士班再讀(其他領域)好了,其實也跳不太開了。」張允崇說,不只選錯路不易回頭,進而出現「學用落差」外,學術熱忱也不易被點燃。

但藉由教具競賽,讓大一、大二的學生及早進實驗室「東摸摸、西摸摸」。「大一暑假找一個老師,不喜歡;大二可以換一個、大三再換一個,老師沒有再看到你也不會覺得怎麼樣」,張允崇表示,就算學生不用跟著老師的計畫題目,教具做不出來也沒關係,單純和老師討論教具專題也能略知實驗室的研究內容,進而評估是否對該領域有興趣。

張允崇說,考試答案都是已知的,學生也只是努力搞清楚老師「要考什麼」。但工作、研究卻不是如此,答案都是未知的,因此培養解決問題的能力,包含問對人找到解決方法,更為重要。

而要培養解決問題能力,最快方式就是進實驗室直接動手做。由於實驗室基礎能力需要的是各種能力的展現,不僅限於書本與公式;例如自動控制需要電腦程式能力、有些人手巧適合精工,甚至 3D 繪圖等。學生及早進入實驗室,就算「自認不適合讀書」,也能從中發現自己的專長和定位。

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從半導體到奈米光學,再到生物感測,張允崇的研究領域很廣,「奈米領域所有問題都有興趣」。他笑稱,「優點是領域很廣,但缺點是『你問我做什麼題目,我講不出來』」。但只要找到有興趣的東西,就可以做好一件事,「因為你會願意花很多時間」。

電子顯微鏡
使用電子顯微鏡拍下的奈米球,如同擺放在球釘上的高爾夫球。圖/顯微觀點

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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科學不只是數據,還能看到想要的東西──專訪高甫仁教授
顯微觀點_96
・2024/08/29 ・2167字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自顯微觀點

2018 年,陽明大學生醫光電研究所教授高甫仁在台北的「未來科技展」上,展示出一種直徑遠小於市面產品的內視鏡,只有不到 0.5 公厘。「內視鏡就像是帶著車頭燈的攝影機。」高甫仁說。這種小型攝影機像是條細長的電線,能夠透過微創手術深入人體內部,檢查呼吸道、腸胃系統或各種器官,藉由鏡頭前端的光源看見病灶影像。

圖/顯微觀點

「可是你會發現,光源沒有辦法做得更小。」內視鏡受限於發光二極體(LED)的體積,似乎難以再改良。然而,高甫仁利用比頭髮更細的光纖導入雷射,取代 LED 作為光源,大大減少內視鏡體積。如此一來,就能進一步縮小手術傷口,加快恢復時間。而且只需要一至兩根光纖,亮度就會超過好幾顆 LED。

雷射是一種能量集中的光束,再加上亮度高的特性,常被應用在光學儀器上。事實上,這已經不是第一次高甫仁利用雷射作為光學儀器的光源。鑽研雷射超過 20 年的他,深知這項技術所具備的潛力。

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超快雷射結合顯微技術

其中一項重要的應用領域便是超快雷射,這種雷射的持續時間極短,甚至可達到飛秒(10-15秒)的程度,能夠形成瞬間能量極強的光,「超快雷射能夠達到的能量密度,可能是一般雷射的百萬倍以上。」高甫仁解釋。

1990 年代,超快雷射技術崛起,開始應用在各種科學場域上。當時高甫仁正在美國康乃爾大學攻讀博士班,主要研究的領域是固態物理,例如探討原子或分子間的交互作用,讓他也有機會學習使用與架設超快雷射。

然而固態物理的實驗十分昂貴,常常需要在超低溫、高磁場、超高真空等環境下進行。因此當高甫仁從美國回到台灣從事研究工作時,便面臨到經費不足的困境,「太空實驗、高能物理都不是一個人或一個團隊能夠負擔的,因此我思考,是不是能透過個人創意,在比較簡單的實驗室就能做出特別的東西。」

超快雷射除了應用在固態物理,也逐漸在顯微領域上嶄露頭角。因此高甫仁認為,若超快雷射能夠與光學顯微鏡結合,就有機會做出一番成果。於是在陽明大學的近代光學實驗室裡,高甫仁成功自製出應用超快雷射作為光源的雙光子顯微鏡,「很多以前只是在教科書上看到的非線性光學效應,跟顯微鏡結合後,居然真的實現了;本來看不到的東西,現在直接就看得到。」

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一般使用傳統的螢光顯微鏡時,會採用較高能量、短波長的光子照射樣品,使螢光分子發出低能量、長波長的光子。若使用超快雷射作為光源,就能夠將能量低的光子轉換為高能量的光子,「就像用兩個五塊錢換一個十塊錢,可是兩個五塊錢要在同一時間打到同一個點,普通光源做不到這件事。」雙光子顯微鏡讓研究者可以觀測到深層組織,並降低雜訊干擾。

能量高、亮度高的超快雷射,還可以用來捕捉快速發生的自然現象,就像我們使用單眼相機拍照時,可以調控快門速度來清楚拍攝物體,「機械快門通常可達千分之一秒,電子快門可達萬分之一秒,但如果想要更快的快門,就得從光源下手,例如使用特殊的閃光燈,在百萬分之一秒內凍結影像。」若使用超快雷射,就能抓住兆分之一秒的瞬間。

「我一直對顯微鏡很著迷,做科學不是只有數據,而是能看到很漂亮的圖像、看到想要的東西。」高甫仁真切地說,「如果有一幅影像全世界沒有人拍過,而我是全世界第一個做出來的,就會感到非常振奮。」他說,二十多年前,他第一次看到氮化鎵(gallium nitride)所形成的光電流影像,當下的感覺無可比擬。

科學與藝術

「顯微鏡需要最尖端的科技,呈現的影像又具有藝術性,很少有領域同時具有這樣的特性。」高甫仁認為,顯微鏡所呈現的影像,就像哈伯天文望遠鏡所觀測的宇宙般令人驚豔,即使兩種科技的尺度天差地別,但都是透過光學成像技術映照出前所未見的世界。

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從生物樣品到半導體元件等各種樣本,高甫仁都曾用顯微鏡觀察過,對於光學成像已有自己的一套心得,「所有的光學成像離不開三個原則:挑選與使用光源、如何用光學元件成像,以及如何偵測影像。」

高甫仁也提及,隨著人工智慧(AI)的普及,顯微鏡也已開始採用 AI。現階段顯微攝影已具備快速拍攝大量影像的技術,然而如何分析與處理影像,成為當前各研究人員急欲解決的問題,「AI的運算能力加上深度學習技術,可以分析上千張影像之間的關聯性。」高甫仁認為透過 AI,將能夠補足傳統光學顯微術的不足之處。

此外,高甫仁表示,未來還可能會出現量子光學,掀起另一波的顯微技術革命。「利用量子狀態的相關性,可以讓取像時間大幅縮短。」就像量子電腦可以利用量子位元提升運算速度,解決當前棘手的問題,「利用量子光學,只需要更少的光子,就達到同樣的精準度。」

高甫仁認為,「顯微鏡的目的,就是透過影像連結尖端科學。」影像裡所述說的故事,以及所負載的科學意義,將會持續推動科學家鑽研更新的技術,發現更多前所未見的世界。

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