彩色相機一直以來感光的極限都受限於因為要彩色成像，需要有不同的感測區塊加上濾片來測不同顏色的光，所以每個像素上的光很多都被浪費了。
以往的一個解決方式是利用分光鏡把不同波長的光投影到不同的CCD上，所以有所謂三CCD的攝影機。但是這樣的解決方案成本太高，無法普及。現在有公司開發出放在像素前的小分光器，可以把不同顏色的光導向不同的畫素，這樣一來就沒有因未使用濾鏡而被浪費的光，也可以整合進目前的感光元件設計。
這種小分光器的設計是利用光在小結構傳播時有波動的特性，所以不同波長的光的傳播對尺度很敏感，只要經過仔細的光學運算就可以設計出讓不同的光走不同路徑的微分光器。實際的裝置有設計出紅色跟藍色的分光器，可以把紅色跟藍色的光分到周圍的像素，也開發出了新的光學計算軟體。這樣的新型感測器或許有一天就會用在新的相機上，讓相機有更高的感光度跟夜拍的能力！
轉載自 Scimage 科學影像
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？
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。
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：
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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當我望著無邊無際的蔚藍海洋、聽到浪花聲、感受微風的輕拂，喜悅地回想起和好友在此旅行的回憶，並決定拿起手機拍下眼前的美景，我是如何感知世界、如何儲存與提取記憶？我的情感、思想、決策與行為是如何發生的？這些心智行為的奧秘藏在擁有 860 億個神經細胞的大腦，是我之所以為我的關鍵。
究竟大腦如何運作？這些神經細胞是如何透過彼此的連結與交互作用產生進一步的功能？進入 21 世紀以來，美國、歐盟、日本、中國等紛紛成立大型且長期的腦科學研究計畫，企圖揭開大腦的奧秘。
我國科技部也推出「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」，整合既有研究能量與專業人才，期望建構模式動物至部分人腦的腦神經網路結構及功能圖譜，並帶動腦部疾病的精準醫療。
想要全面分析大腦的結構與訊號，解開單一或一群神經細胞的連結情形，精良的觀測工具是其根本，因此臺大物理系教授朱士維致力研發先進的光學顯微鏡技術。
朱士維表示，常用於醫療的影像技術，像是正子造影（PET）、磁振造影（MRI）、超音波等，雖然可以穿透很深的物體，但是解析度不夠高，無法看到單一細胞；而解析度極高的電子顯微鏡穿透深度卻很小，只能看到表層。光學顯微鏡恰好介在中間，適合用於研究小動物的腦。近期，朱士維的跨領域團隊發表了數個嶄新的顯微技術，分別在解析神經訊號和結構有了重大突破。
首先，研究團隊發表了「高速體積成像系統」，是全球第一次可在活體果蠅腦中以毫秒解析度取得神經結構 3D 高速動態影像！
「高速體積成像系統」是由雙光子顯微鏡與「可調變的聲波漸層透鏡」（TAG）結合構成。拍攝二維的動態影像並不稀奇，厲害的是，研究團隊如何把二維變成三維？關鍵就在於「可調變的聲波漸層透鏡」。由於液體透鏡的密度，會決定光的折射率，進而影響焦距的長短，研究團隊透過壓電材料激發液體透鏡共振，當透鏡的密度不斷變化，焦點也會快速移動，其振盪頻率可高達 100 kHz – 1 MHz，也就是說，在 10 萬分之一秒以內即可完成焦點的來回移動。
一般雙光子顯微鏡每拍攝一次只能拍到水平面（xy 軸）的像素並組成二維影像，若加上「可調變的聲波漸層透鏡」組成「高速體積成像系統」，即可同時進行深度（z 軸）的來回掃描，在同樣的時間內拍攝出一個包含各個深度的體積三維影像。
這項強大的技術對於研究神經與神經之間的功能性連結非常有用，譬如說，想了解果蠅如何處理嗅覺訊號，我們可以給果蠅聞一種特殊氣體，以「高速體積成像系統」綜觀其腦，即可找出此特殊的嗅覺刺激會引發哪些下游神經反應。接著，選擇想深入研究的神經，將拍攝範圍鎖定在該神經所在的區域，便可以毫秒時間解析度與微米空間解析度，追蹤訊號在這些神經細胞之間的傳遞順序。
朱士維表示，「高速體積成像系統」的突破之處，在於可以於腦中劃定任意形狀的空間，並以毫秒等級的時間解析度，看見目標神經中各個神經細胞的電生理動態行為。
研究團隊更進一步發展光學神經激發系統，用光精準地刺激個別神經，再透過「高速體積成像系統」，輔以自動化影像分析，精準定位有反應之神經區域，做到「全光學生理」觀察（all-optical physiology）。目前已成功解析果蠅的視覺神經迴路中，上下游的神經連結與編碼模式。
「高速體積成像系統」以高速動態影像研究神經細胞功能上的連結，為建立果蠅的「功能性全腦連結體（connectome）」提供強而有力的工具。
此外，在結構解析方面，顯微鏡光是能看到神經細胞還遠遠不足。神經細胞有樹突、軸突等向外延伸的纖維，有些纖維寬度只有 100 奈米，當兩條神經纖維緊鄰彼此，需要小於 100 奈米的解析度才能將它們區分開來。而且，神經纖維常常延伸至很遠的地方與其他神經細胞連結，因此顯微鏡的穿透深度，還須深至腦的最底層。
朱士維團隊發表了「深組織超解析光學技術」（Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing, COOL），在果蠅全腦中達成 20 奈米的超高空間解析度，剖析腦中神經的細微結構，能分辨出相鄰或彼此纏繞的神經纖維，藉以判斷神經連結的路徑。
「深組織超解析光學技術」結合了四個關鍵技術，包含「螢光蛋白標定」、「共軛焦掃描顯微鏡」、「光學組織澄清技術」以及「定位顯微技術」。
「定位顯微技術」是 2014 年諾貝爾化學獎的得獎項目，透過操縱螢光分子輪流放光，再分別計算螢光分子的中心位置，打破光學顯微鏡的解析度極限，大幅提高解析度至接近 20 奈米。「光學組織澄清技術」則是江安世院士發明的 FocusClearTM 試劑，因其獨特的化學配方，讓生物組織各部位的折射率一致，呈現透明狀態。
朱士維團隊找出可適用於腦組織的螢光分子並改善其放光能力，成功將定位顯微技術應用在果蠅腦，並且透過光學組織澄清技術讓腦組織透明化，減少組織的散射與像差，提高穿透深度，以及利用共軛焦掃描顯微鏡一層一層地掃描不同深度的影像。最終，組合成三維的超高解析影像。
這項技術最厲害之處在於可穿透厚度約 200 微米的果蠅腦，在果蠅全腦皆達成 20 奈米的解析度，可應用在建立果蠅全腦的神經連結網路。
這些研究成果仰賴跨領域的團隊，除了朱士維，還有清華大學腦科學研究中心主任、中央研究院院士江安世、中研院物理所副研究員林耿慧、清大工程與系統科學系副教授吳順吉、清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安、捷絡生技公司執行長林彥穎等人，共同參與研究。
諾貝爾生醫獎得主 Sydney Brenner 曾說：「科學的進展往往是始自新的技術」，腦科學作為 21 世紀科學界的兵家必爭之地，顯微技術的研發重要性不言可喻。朱士維團隊在動態的神經訊號與靜態的神經結構，皆發展出相應的顯微技術，可說是為腦科學領域開拓出令人期待的嶄新未來。
我們打開Nikon D600，檢查其內部組件
D600是Nikon出產的全片幅數位單眼反射式相機（DSLR），旨在提供消費者一台具備專業性能但價格平易近人的相機。
拜大小為35.9×24公釐的CMOS感光元件所賜，它的畫素高達2430萬像素。與D600價位相近的款式通常感光元件只有其一半或四分之一大，這是由於傳統的全片幅感光元件成本相當高，導致每一片矽晶片可生產的感光元件數量較少。
以全片幅感光元件擷取的圖像由EXPEED 3成像引擎處理。EXPEED 3是內含多中央處理器（CPU）的媒體處理器，可以執行多重任務，例如色彩再現、灰階處理、影像銳化、伽馬校正和壓縮等。由於有多CPU，EXPEED 3成像引擎能夠平行執行多項任務，因此相機連拍速率可每秒高達5.5張。
與其他同樣高級的全片幅相機相較，D600最重要的特點是它輕便的設計──體積為14.2×11.2×8.1公分，重量也輕。而輕便背後的奧祕在於整合雙SD卡插槽，並選用體積較小的內部晶片和電板。
何謂全片幅？
全片幅單眼相機的感光元件相當於35mm底片的大小，主要優點是以全片幅感光元件拍攝的影像範圍較一般感光元件來得大，因此畫面不會被裁切，拍攝到的角度也更寬廣。舉例而言，一個24mm的鏡頭若是裝在全片幅相機上，則可拍攝到視角84度的影像，而焦距轉換率為1.5的一般相機則只有62度。除此之外，全片幅相機能應用於較大的感光點，進而取得更寬廣的動態範圍與更低的雜訊，因此影像即使過曝仍能保留細節。
本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第04期（2015年1月號）
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狐禪
