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成大跨域團隊研發超穎介面光學的雙重突破登國際期刊  有望發展台灣第一顆自主高光譜微型衛星

文/修瑞瑩 圖/修瑞瑩攝 林家祥、吳品頡提供

 

成大電機系副教授林家祥(右)與光電系副教授吳品頡(左)團隊,研發出全新的奈米級高光譜影像設備,相關論文刊登在全球頂尖「自然(Nature)」期刊的子期刊上,受到全球關注

 

微型衛星是全球發展重點,但因為體積小相對限制也多。國立成功大學電機系副教授林家祥與光電系副教授吳品頡團隊,結合超穎光學技術與機器學習理論,研發出全新的奈米級高光譜影像設備,未來預計架設在微型衛星上,透過筆尖大小的設備與運算,能從高空分析地面物的質地與成分,這項傑出的成果相關論文已刊登在全球頂尖「自然(Nature)」期刊的子期刊上,受到全球關注。

 

成大電機系副教授林家祥與光電系副教授吳品頡團隊,研發出全新的奈米級高光譜影像設備,相關論文刊登在全球頂尖「自然(Nature)」期刊的子期刊上,圖為期刊首頁

 

這項研發為超穎介面光學的雙重突破,被視為高光譜成像技術的新里程碑,論文刊登在「自然通訊(Nature Communications)」,影響因子 16.6,論文標題為Metasurface-empowered snapshot hyperspectral imaging with convex/deep (CODE) small-data learning theory。研究團隊除了上述兩名老師外,還有光電系博士生黃士修與電機系碩士林庭萱。

 

目前衛星朝向低軌道與微型化發展,可擴大應用面,從早期的軍事目的、未來將與人類的生活密不可分。林家祥表示,相關研究由教育部高教耕計畫補助,下一步希望結合其他不同的領域,發展出台灣第一顆自主高光譜微型衛星。

 

高光譜衛星可藉著不同的波長,分析影像的成分與質地,但傳統的設備相當龐大

 

什麼是高光譜衛星?林家祥指出,一般衛星從高空中拍攝地面,例如拍到綠色的小點,可能很難分辨是綠地還是綠色的坦克車,但高光譜衛星卻能藉著不同的波長,分析影像的成分與質地,正確判斷。目前只有美國國家航空暨太空總署(NASA)等極少數單位擁有高光譜衛星,而龐大設備要裝在近乎掌上型的微型衛星上,更是困難重重。

 

吳品頡表示,傳統的高光譜拍攝需要多種不同的光學配件搭配鏡頭,拍攝不同波長成像,設備相當龐大。為解決此問題, 團隊結合軟、硬體的專長,合作開發微型高光譜成像技術,設計出奈米級的「多波長斜聚焦超穎介面鏡」,由多重共振電漿子超穎原子(超穎介面)構成,設備大幅縮小,「用肉眼都看不到的東西拍出高光譜影像,實在讓人興奮。」

 

成大電機系副教授林家祥與光電系副教授吳品頡團隊,研發全新的奈米級高光譜影像設備,透過筆尖大小的設備與運算,能從高空分析地面物的質地與成分

 

吳品頡與與林家祥進一步表示,設備縮小缺點是拍攝出的影像不夠清楚,而高光譜影像數據取得不易,無法透過大數據學習修補,因此團隊再提出全新的機器學習理論,藉由「凸優化」、不需要大數據就能深度學習,即使只輸入 4 幅圖像,也能將光譜通道數量,經由運算擴展到 18 個,重建高保真度的光譜影像,實驗結果顯示新研發設備的拍攝結果分析,與一般的高光譜設備幾乎完全一致,誤差只有約 2%,大大突破這項技術的限制。

 

林家祥從 2019 年起,主持教育部高教深耕計畫「前瞻衛星成像之數學理論與超穎光柵設計」,團隊花費兩年多時間,完成上述研究,成果斐然;林家祥表示,科技部希望學術界能夠結合軟體與硬體的專長,做出突破,這項成果成功完成跨領域合作。

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