成大研發超穎介面光學雙重突破 發展臺灣首顆自主高光譜微型衛星
▲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，研發出全新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。（圖／記者林東良翻攝，下同）
記者林東良／臺南報導
微型衛星是全球發展重點，但因爲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，研發出全新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。
成大指出，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。這項研發爲超穎介面光學的雙重突破，被視爲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，論文標題爲「Metasurface-empowered snapshot hyperspectral imaging with convex/deep (CODE) small-data learning theory」。論文連結:https://www.nature.com/articles/s41467-023-42381-5。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劃補助，下一步希望結合其他不同的領域，發展出臺灣第一顆自主高光譜微型衛星。
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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，但高光譜衛星卻能借着不同的波長，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。
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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。爲解決此問題， 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。」
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劃「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。
