照出事後可對焦的相片: 光場照相術與新相機 ! Lytro Light Field Camera

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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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數位攝影機如何捕捉、記錄高解析度影片呢？

現代數位攝影機的運作原理基本上與1980年代的大型VCR類比攝影機相同，兩者都包含了鏡頭、成像器和儲存媒體，但最大的不同是如今的攝影機將類比資料轉成了數位格式，而攝影技術整體也縮小成更實用、適合手持的大小。

攝錄影機透過鏡頭將現場光線的樣式聚焦在成像器上，成像器通常為CMOS感光元件或CCD（電荷耦合元件）。CCD是一種小半導體，可容納大約50萬感光單元（對光敏感的迷你二極體，可以測量光子數量，並且將光子轉換為電荷）。播放影片時，電荷強度會幫助攝錄影機判斷該點的光線強度。顏色則藉由測量綠色、紅色和藍色的程度決定，因為所有顏色都可由混合這三原色重現。

為了捕捉動態影像，CCD會將影片中的每格畫面傳送到主成像器後方，轉像系統中的外加感光器。這第二個感光器會將每個感光單位的電荷傳送到類比／數位轉換器，而第一層感光器則會自行清空，準備捕捉下一個影像。

最新的頂級攝錄影機雖然體型小，容納的技術卻多得驚人。舉例來說，日立的超高清攝錄影機（Super Hi-Vision）每秒可以拍下120張3300萬像素的影像，精細程度相當於IMAX電影。

什麼是感光元件

互補式金氧半導體（CMOS）感光元件是一種影像感應器，已取代多數行動電話、網路攝影機和數位單眼相機中的CCD。CMOS感光元件利用像素上的微小電晶體來個別捕捉每個點。電晶體會吸收並放大捕捉光點轉換而來的電荷，接著再透過電線傳送。

CMOS感光元件將影像處理和捕捉的功能整合在同樣的裝置上，耗電通常小於CCD，遲滯現象較少，也比較不涉及昂貴的製程。CMOS感光元件也因此常見於手機相機裡，因為手機正需要更便宜、省電的元件。CMOS感光元件因其線路很容易產生影像雜訊，畫質通常遜於CCD，因此後者常用於較高端的影像技術。

類比 VS 數位

數位與類比攝錄影機之間的最大差異在於資料的記錄方式。類比攝錄影機通常利用VHS磁帶記錄磁圖案，但有兩個最大的問題：需要大量的實體空間來存放卡帶，也需要硬碟上的虛擬空間；此外，類比資料每複製一次，就會「褪色」一些。相反地，資料數位化可以壓縮影像，在記憶卡或固態硬碟中所佔的虛擬空間少了許多。資料也可以原封不動地複製，不會像類比資料一樣隨時間褪逝。

本文選自《HOW IT WORKS知識大圖解 中文版》第01期（2014年10月號）

雖然照相術已經發明很久了，但是新的改進仍不停的產生，例如之前介紹過的超解析度照片可以從低解析度的照片得到高解析度的影像，立體材質照片可以利用光的散射方式給出大約的材質深度，自動構圖修正可以讓照片自動變成較專業的構圖等等…這些改進都是基於對物理的認識或是軟體分析影像的進步。今天要介紹的「光場照相術」是一種野心更大的改進技術，或許能帶動另一種新相機的發展。

一般的攝影把感光元件放在像平面，讓景物能經由鏡頭投影在這平面上來成像，因為鏡頭有固定的焦距，所以一張相片只能對應到一個景物的平面(就是所謂的景深範圍，跟光圈有關)；如果要改變對焦清楚位置，只能經由改變鏡頭位置來達到。不過理論上，一個平面上通過的光一定有所有景深影像的訊息，不然固定的相機就照不出對焦位置不同的影像；相片之所以不能紀錄這所有訊息的原因，是因為感光元件只能紀錄在像平面的光強，而不管每一道光(光子)的來源方向，所以剛好對焦的就清楚，沒有對到焦的就散開；只有移動像平面，才能讓沒對焦的光又聚合在一起。

光場攝影術的概念是由居禮夫人的指導教授所提出來的，主要概念就是不只要紀錄光的強度，更要對所有光子進入的角度進行紀錄。只要紀錄了這些資訊，理論上就可以知道哪些光雖然沒有對到焦，可是其實在另外的平面可以成像，而紀錄入射角度的方式就是在像平面放一塊小透鏡，然後每個小透鏡後面有一群感光元件(CCD像素)，不同角度的光進入透鏡以後就會被轉到不同的感光學件上被紀錄下來；這樣一來, 照出來的照片就不僅有亮度的資訊，還有入射光角度的資訊。

所這樣的照出來的特殊相片 (微觀影像如上圖) 只要經過軟體處理就可以合成出各種對焦位置影像；當然這種技術有缺點跟限制，那就是必須用很多的像素來儲存一個最後像素中所需要的資訊，所以解析度很差。最後的像素多寡取決於小鏡子的數目，不過隨著微鏡片技術跟CCD像素不斷發展，終於目前快要有可以有商品化的相機產生，就是下面所介紹的影片 (只有九萬個小鏡子，就是大約300×300的解析度)。或許在不久之後，像素能慢慢提升到不太差的水準。

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本文原發表於科學影像Scimage[2011-06-23]