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高速攝影!記錄每秒4.4兆次的感動

昱夫
・2014/08/12 ・846字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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From Flickr. Credit: wandrerstefan

美國大聯盟在今年啟用了高速攝影重播來挑戰一般判決,網球比賽的鷹眼系統能夠分析球體路徑,甚至模擬、預測軌跡。高速攝影技術除了在運動競技中屢見不鮮,也時常被應用於科學研究,像是科學的「無人之境」— 超冷水液晶「肥皂」泡的振盪現象等等(當然,許多在科學上使用的技術,其時間尺度可不是運動競技用的攝影機可以相比的)。看到這裡不禁好奇,那世界上最快的高速攝影機在哪裡呢?

答案揭曉:日本慶應義塾大學(Keio University)和東京大學(University of Tokyo)的科學家們最近在《Nature Photonics》上發表了ㄧ款世界最快的攝影機[1],其拍攝頻率最快可以達到每秒4.4兆個影像。在此之前,最快的攝像方法是利用雷射光進行的激發-偵測技術(pump-probe),其原理是利用光線將系統打至激發態,在激發態上再利用一道偵測光測量其吸收度,得到物質在激發態上的性質(如下圖所示),此方法可以得到極短時間尺度的解析度,不過缺點在於每次實驗都只能記錄一個時刻的資訊,要建構一連串的時變影像往往需要多次的重複測量。

pump_probe
Pump-probe技術。

日本科學家研發的這套新攝像技術STAMP(Sequentially Timed All-optical Mapping Photography),改進了過去的不足,它不只可以在單次測量內獲得完整的影像,其時間解析度也將近是第二名的1000倍,同時,在縮短拍攝時距的情形下,仍可維持一定的影像解析度(450 × 450 pixel)。

STAMP的出現,可以將許多研究帶入新的層次,像是觀測化學反應機制、晶體的內部振動(例如聲子)、電漿甚至是熱傳導,都可以應用其技術。目前,該研究團隊正著手於將裝置的體積縮小,未來在有效減少設備所需的空間後,預期該技術將可獲得更廣泛的應用性。

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延伸閱讀:

參考資料:

  1. Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP), Nature Photonics (2014) DOI: 10.1038/nphoton.2014.163

資料來源:Japanese universities develop new world’s fastest camera [PHYS.ORG, August 11, 2014]

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昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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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。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

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?

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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。

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圖片來源/BRITA

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

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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。

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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 (圖片來源 / BRITA)

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。

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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。

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。

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(圖片來源 / BRITA)

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

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發明高速攝影,電影般的人生:邁布里奇誕辰──科學史上的今天:4/9
張瑞棋_96
・2015/04/09 ・1206字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

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邁布里奇於 1978 年進行的馬匹高速攝影。圖/wikipedia

1874 年 10 月 17 日,劇評家拉金斯 (Major Larkyns) 走到平常玩牌的俱樂部門口時,一個人影擋在他面前。他警覺地問道:「你是誰?」人影冷冷地回答:「我叫邁布里奇,這是我老婆給你的回覆。」說完舉起槍朝他的胸膛開槍,拉金斯倒地不起。邁布里奇怔怔望著地上這個讓他戴綠帽的男人,直到警察前來逮捕。

俯首認罪的邁布里奇原本已準備接受法律制裁,沒想到企業大亨史丹佛(Leland Stanford, 沒錯,就是他創立了史丹佛大學)竟找了三位舊金山最厲害的律師來幫他辯護。律師與他討論辯護策略時,順便帶來一則口信:「史丹佛先生還等著你完成兩年前委託你的任務哪!」

邁布里奇沒有忘記。兩年前他已是小有名氣的攝影家,因此史丹佛找他去時,他原本以為是要幫他個人或家族成員拍肖像照,不料史丹佛開口竟然問了一個讓他丈二金剛摸不著頭腦的問題:「馬在奔跑時,四隻腳會同時離地嗎?」

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他怎麼會知道?也不會有人知道吧;馬跑那麼快,根本不可能看得清楚。史丹佛先生說他相信答案是肯定的,希望邁布里奇幫他證實這一點。他可以提供賽馬和所需的資金,邁布里奇只要發揮他的攝影技術就行了。

史丹佛先生也未免想得太簡單了!一來底片曝光需要時間,再則每次拍完就得抽換底片,哪可能清楚拍到馬騰空的瞬間?但在史丹佛的堅持下,加上他自己也頗有興趣挑戰,他還是答應了。如今他身陷囹圄,又罪證確鑿,史丹佛先生真的相信他還有機會完成這項任務?

四個月後,陪審團接受邁布里奇是因為之前腦部意外受傷而性情丕變,害怕失去妻子才憤殺姦夫,算是正當防衛故予以無罪釋放。邁布里奇也開始著手改進相機的快門速度與底片上的感光劑,終於在 1878 年 6 月 15 日這一天,他用了 24 台相機,間隔 69 公分沿著跑道排成一列;跑道另一側則豎起標了距離的布幕作為背景;每台相機的快門綁上細線拉到跑道上由馬腳觸動,而成功拍下馬奔跑的分解動作,證實馬的四隻腿往內縮時同時離開地面──而非一般人所以為的在四肢伸展時離地。

邁布里奇完成了史上首次的高速攝影,之後還幫賓州大學拍了超過十萬張的相片,分析人類與各種動物的動作。高速攝影與顯微鏡分別在時間與空間上讓人眼得以突破生理上的限制,使我們大開眼界,更能看清萬物的本質,可說是科學史上相互輝映的重要發明。

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邁布里奇也是定格動畫的鼻祖。他發明了環狀的「跑馬燈」(Zoopraxiscope),放上馬奔跑的定格相片,旋轉之後就會宛如看到馬在奔跑的影片(這應該就是跑馬燈這名稱的由來),而成為電影放映機的原型。

從英國移民來美國,在一次騾車意外中頭部受傷返回英國休養而學會攝影,因此回到美國後從書商轉為攝影家,又從殺人犯變成重要的發明家。邁布里奇戲劇化的人生完全就像一部電影呢!

 

 

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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1027 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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高速攝影!記錄每秒4.4兆次的感動
昱夫
・2014/08/12 ・846字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 602 ・九年級

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From Flickr. Credit: wandrerstefan

美國大聯盟在今年啟用了高速攝影重播來挑戰一般判決,網球比賽的鷹眼系統能夠分析球體路徑,甚至模擬、預測軌跡。高速攝影技術除了在運動競技中屢見不鮮,也時常被應用於科學研究,像是科學的「無人之境」— 超冷水液晶「肥皂」泡的振盪現象等等(當然,許多在科學上使用的技術,其時間尺度可不是運動競技用的攝影機可以相比的)。看到這裡不禁好奇,那世界上最快的高速攝影機在哪裡呢?

答案揭曉:日本慶應義塾大學(Keio University)和東京大學(University of Tokyo)的科學家們最近在《Nature Photonics》上發表了ㄧ款世界最快的攝影機[1],其拍攝頻率最快可以達到每秒4.4兆個影像。在此之前,最快的攝像方法是利用雷射光進行的激發-偵測技術(pump-probe),其原理是利用光線將系統打至激發態,在激發態上再利用一道偵測光測量其吸收度,得到物質在激發態上的性質(如下圖所示),此方法可以得到極短時間尺度的解析度,不過缺點在於每次實驗都只能記錄一個時刻的資訊,要建構一連串的時變影像往往需要多次的重複測量。

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Pump-probe技術。

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日本科學家研發的這套新攝像技術STAMP(Sequentially Timed All-optical Mapping Photography),改進了過去的不足,它不只可以在單次測量內獲得完整的影像,其時間解析度也將近是第二名的1000倍,同時,在縮短拍攝時距的情形下,仍可維持一定的影像解析度(450 × 450 pixel)。

STAMP的出現,可以將許多研究帶入新的層次,像是觀測化學反應機制、晶體的內部振動(例如聲子)、電漿甚至是熱傳導,都可以應用其技術。目前,該研究團隊正著手於將裝置的體積縮小,未來在有效減少設備所需的空間後,預期該技術將可獲得更廣泛的應用性。

延伸閱讀:

參考資料:

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  1. Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP), Nature Photonics (2014) DOI: 10.1038/nphoton.2014.163

資料來源:Japanese universities develop new world’s fastest camera [PHYS.ORG, August 11, 2014]

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昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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單一相機的高速3D影像!
Scimage
・2012/09/06 ・419字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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三維的立體影像重在很多地方都有應用,像是模型的重建,物體大小或是物體表面量測等。各種的非接觸的方法雖然都已經發展很久,但是這些方法常常要依賴特殊的構造(雷射光點,多台攝影機等)常常不能高速的捕捉立體動態。

這影片介紹一種方式,利用投影機投影出有結構的圖案,再利用高速攝影機拍攝下來。投影出的圖形在不同曲度的表面上會產生變形,而這些變形就可以提供利用三角量測測距方法的基準,然後經由分析影像計算出每一點的距離。這樣的方式只需要一台投影機與一台攝影機,大幅減少了裝置上的難度。如果使用了高速攝影機,理論上就可以得到用超高速的立體影像,這在科學研究上有非常大的幫助,另外,同樣的方法也可以把圖型投影在顯微鏡下的物體上,這樣就同樣可以做出可以量測微小起伏的裝置!(類似的技術可以參考結構照明

轉載自 科學影像 Scimage

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