太空科研里程碑 我送首顆CMOS上太空
在明年第一季即將升空的福爾摩莎衛星五號（福衛五號）日前完成光學遙測酬載，負責單位國研院表示，這次酬載於福衛五號的光學酬載，百分百由國人自製研發，特別的是，不同於過去他國採用CCD感光元件送上太空，這次酬載於福五的鏡頭採用CMOS感光元件，焦長3600mm，等於把目前數位單眼鏡頭800mm四倍焦段的「超級大砲」送上太空。
光學遙測酬載是福福衛五號的主要任務酬載，將於720公里高的太陽同步軌道對地球表面取像，可提供地面解析度2公尺的黑白影像，以及解析度4公尺的彩色影像。取得之高解析度影像可應用於國土安全、環境監控、防災勘災、科技外交、科學研究等政府施政與民生用途。
折射方式放入小小衛星
福五的光學遙測酬載主由遙測取像儀、聚焦面組合件與電子單元等三個次系統所組成，三個系統都是國人自主研發。
取像儀部分，由於要把3600mm的超級大砲放到小小的衛星中，國研院團隊採用卡賽格林式望遠鏡的原理，利用折反射原理取像，將尺寸縮小到可以放到衛星當中，國研院太空中心工程師黃柏瑄舉例，這樣的焦段可從離地表720公里的高度看到地表的一台汽車。
聚焦面組合件則是負責把類比的自然光學訊號，轉換成為數位訊號，就像目前數位單眼的功能，將大自然中類比的訊號轉換成充滿01的數位訊號，黃柏瑄說該光學酬載可將藍、綠、全可見光、紅光、近紅外光都轉換成數位訊號。
黃柏瑄強調，聚焦面組合件中的影像感側晶片就是這次光學酬載的重點，目前傳統的光學酬載都受到出口管制，技術相對成熟，不過為了要突破現狀，團隊利用台灣的半導體代工的強項，利用同於傳統CCD的感側晶片，採用數位訊號的CMOS晶片，讓傳輸速度更快，耗電浪更低，也更容易整合周邊的電路，成為獨步全球的創舉。
這次感光元件將傳統獨立五組感測器整合於單一晶片上，福五這次光學酬載使用的CMOS晶片大小12x2.4公分，相當於目前全片幅數位相機感光元件的4倍大，黃柏瑄說，這樣的大小，在一棵8吋晶圓中，只能切割出5片感測晶片。
第三個單位為電子單元，負責訊號處理，可進行影像擷取、壓縮儲存、加密、傳送影像、溫度控制等功能，這次光學酬載影像壓縮比達到傳統的7.5倍，具有128GB的儲存容量，可以即時處理將近1Gbps（925Mbps）的影像資料。
極力克服發射三大挑戰
其實把光學遙測放到衛星內，對目前技術並非難事，不過因為衛星必須經歷升空的極端條件考驗，並最後達到在無重力的空間。這樣高精細度的系統，必須克服在發射過程中的劇烈震動、升空之後的極端溫度等問題。黃柏瑄指出，一不小心就會讓鏡片飛出或是碎裂。
第一個要克服的就是升空過程的強大重力，黃柏瑄表示，這次整組光學酬載140公斤，主鏡重達10公斤，若要承受火箭發射的25G的巨大G力，相當於主鏡要承受250公斤的力量。
所謂G力就是重力，正常地球人承受的為1G，為一個大氣壓力，如果一個人60公斤、承受1G重力，就是60公斤，心臟負荷也就是60公斤，太空人要接受專業訓練，就是必須承受太空梭升空的重大G力，心臟如果不夠力，就無法更努力工作才能讓血液循環，尤其是讓血液送達腦部（這正是高G力讓人喪失意識的原因）。相信許多人都坐過劍湖山世界的G5，該設施俯衝的力量，就是5G的力量。
而在這組光學軸載上，這棵在地球上重達10公斤的大鏡片，必須承受25G的震動，黃柏瑄強調，這也無法利用強力咬合的方式，會讓鏡片變形，該團隊研發出關鍵的膠合技術，讓鏡片在25G的劇烈震動下，直徑45公分的主鏡變形量小於1奈米，他說，畢竟該鏡片變形1毫米，就會造成嚴重失焦。
溫度部分，因為該衛星繞地球運行，當太陽照射到的時候，溫度高達200度c，但是到達陰影面，沒有太陽照射的時候，溫度可到負20度c，該光學酬載在外部包覆多層隔熱膜，內部更搭載多達51顆的溫度感測器，以及39片的加熱片，讓該光學酬載的溫度控制在恆溫20度C正負兩度，黃柏瑄說，目前預計該遙測酬載可於400度溫差的環境下正常運作5年。
除此之外，重力的影響也會造成遙測酬載上太空之後的誤差，團隊在實驗室中利用特殊方式模擬太空無重力的環境，黃柏瑄解釋，如果沒有這樣的測試，鏡片在地球上測試正常，但是到太空重力改變，就會讓鏡片飄移，造成誤差，而團隊在較準後，可讓該光學酬載的誤差量到達及小，角度偏差僅0.00096度，距離誤差僅0.0007mm，這樣的誤差角度相當於在台北101看墾丁豪宅的視角，誤差距離僅一跟頭髮直徑的1/10。
團隊耗時5年盼成功升空
福衛五號光學酬載團隊於2010年成軍，歷經5年的挑戰的克服許多困難，直到今年3月6日攢成所有測試，完成酬載，目前正在進行第一系列測試，預計2016年於美國范登堡基地升空，黃柏瑄說最希望發射成功，也很擔心發射不成功。
黃柏瑄回憶團隊的努力過程，他分享道，有一次團隊請水電工道實驗室內進行水電修繕，該水電工看到他們就問，「台灣也有做這個阿」，團隊回答他說有在做，該水電工默默不語，直到離開前才說以團隊為榮。
對於團隊來說，該顆衛星就像孩子一樣，團隊一步一腳印的研究、組裝直到完成，背負了台灣太空科學研究的使命，也創下台灣太空研究的里程碑，於記者會上，黃柏瑄談到成果語過去努力的時刻相當感動，一度眼眶泛淚。
國研院表示，福衛五號光學遙測酬載的研發完成，顯示國研院太空中心已掌握了太空級光學系統與CMOS影像感測器等多項關鍵衛星技術，奠定了我國自主發展光學遙測酬載的技術能量，除充分展現我國產學研界跨領域的整合能量外，更落實運用台灣產業優勢加值太空計畫的願景目標。展望未來，太空中心將秉持逆風而上展翅再飛的精神，持續勇於面對挑戰，結合國內產學研界，厚植我國太空科技創新與技術升級之研發能量，為下一階段的任務努力以赴。
福衛五號光學遙測酬載規格。（國研院提供）
福衛五號模擬圖。（國研院提供）
遙測取像儀正進行例行性結構檢查。（國研院提供）
光學遙測酬載完成多層絕熱膜包覆。（國研院提供）
全球第一顆應用於太空對地遙測的線型CMOS影像感測器-長12公分寬2.4公分。（國研院提供）
折反射式光學系統。（國研院提供）
國研院太空中心工程師黃柏瑄。（國研院提供）
光學遙測酬載是福福衛五號的主要任務酬載，將於720公里高的太陽同步軌道對地球表面取像，可提供地面解析度2公尺的黑白影像，以及解析度4公尺的彩色影像。取得之高解析度影像可應用於國土安全、環境監控、防災勘災、科技外交、科學研究等政府施政與民生用途。
折射方式放入小小衛星
福五的光學遙測酬載主由遙測取像儀、聚焦面組合件與電子單元等三個次系統所組成，三個系統都是國人自主研發。
取像儀部分，由於要把3600mm的超級大砲放到小小的衛星中，國研院團隊採用卡賽格林式望遠鏡的原理，利用折反射原理取像，將尺寸縮小到可以放到衛星當中，國研院太空中心工程師黃柏瑄舉例，這樣的焦段可從離地表720公里的高度看到地表的一台汽車。
聚焦面組合件則是負責把類比的自然光學訊號，轉換成為數位訊號，就像目前數位單眼的功能，將大自然中類比的訊號轉換成充滿01的數位訊號，黃柏瑄說該光學酬載可將藍、綠、全可見光、紅光、近紅外光都轉換成數位訊號。
黃柏瑄強調，聚焦面組合件中的影像感側晶片就是這次光學酬載的重點，目前傳統的光學酬載都受到出口管制，技術相對成熟，不過為了要突破現狀，團隊利用台灣的半導體代工的強項，利用同於傳統CCD的感側晶片，採用數位訊號的CMOS晶片，讓傳輸速度更快，耗電浪更低，也更容易整合周邊的電路，成為獨步全球的創舉。
這次感光元件將傳統獨立五組感測器整合於單一晶片上，福五這次光學酬載使用的CMOS晶片大小12x2.4公分，相當於目前全片幅數位相機感光元件的4倍大，黃柏瑄說，這樣的大小，在一棵8吋晶圓中，只能切割出5片感測晶片。
第三個單位為電子單元，負責訊號處理，可進行影像擷取、壓縮儲存、加密、傳送影像、溫度控制等功能，這次光學酬載影像壓縮比達到傳統的7.5倍，具有128GB的儲存容量，可以即時處理將近1Gbps（925Mbps）的影像資料。
極力克服發射三大挑戰
其實把光學遙測放到衛星內，對目前技術並非難事，不過因為衛星必須經歷升空的極端條件考驗，並最後達到在無重力的空間。這樣高精細度的系統，必須克服在發射過程中的劇烈震動、升空之後的極端溫度等問題。黃柏瑄指出，一不小心就會讓鏡片飛出或是碎裂。
第一個要克服的就是升空過程的強大重力，黃柏瑄表示，這次整組光學酬載140公斤，主鏡重達10公斤，若要承受火箭發射的25G的巨大G力，相當於主鏡要承受250公斤的力量。
所謂G力就是重力，正常地球人承受的為1G，為一個大氣壓力，如果一個人60公斤、承受1G重力，就是60公斤，心臟負荷也就是60公斤，太空人要接受專業訓練，就是必須承受太空梭升空的重大G力，心臟如果不夠力，就無法更努力工作才能讓血液循環，尤其是讓血液送達腦部（這正是高G力讓人喪失意識的原因）。相信許多人都坐過劍湖山世界的G5，該設施俯衝的力量，就是5G的力量。
而在這組光學軸載上，這棵在地球上重達10公斤的大鏡片，必須承受25G的震動，黃柏瑄強調，這也無法利用強力咬合的方式，會讓鏡片變形，該團隊研發出關鍵的膠合技術，讓鏡片在25G的劇烈震動下，直徑45公分的主鏡變形量小於1奈米，他說，畢竟該鏡片變形1毫米，就會造成嚴重失焦。
溫度部分，因為該衛星繞地球運行，當太陽照射到的時候，溫度高達200度c，但是到達陰影面，沒有太陽照射的時候，溫度可到負20度c，該光學酬載在外部包覆多層隔熱膜，內部更搭載多達51顆的溫度感測器，以及39片的加熱片，讓該光學酬載的溫度控制在恆溫20度C正負兩度，黃柏瑄說，目前預計該遙測酬載可於400度溫差的環境下正常運作5年。
除此之外，重力的影響也會造成遙測酬載上太空之後的誤差，團隊在實驗室中利用特殊方式模擬太空無重力的環境，黃柏瑄解釋，如果沒有這樣的測試，鏡片在地球上測試正常，但是到太空重力改變，就會讓鏡片飄移，造成誤差，而團隊在較準後，可讓該光學酬載的誤差量到達及小，角度偏差僅0.00096度，距離誤差僅0.0007mm，這樣的誤差角度相當於在台北101看墾丁豪宅的視角，誤差距離僅一跟頭髮直徑的1/10。
團隊耗時5年盼成功升空
福衛五號光學酬載團隊於2010年成軍，歷經5年的挑戰的克服許多困難，直到今年3月6日攢成所有測試，完成酬載，目前正在進行第一系列測試，預計2016年於美國范登堡基地升空，黃柏瑄說最希望發射成功，也很擔心發射不成功。
黃柏瑄回憶團隊的努力過程，他分享道，有一次團隊請水電工道實驗室內進行水電修繕，該水電工看到他們就問，「台灣也有做這個阿」，團隊回答他說有在做，該水電工默默不語，直到離開前才說以團隊為榮。
對於團隊來說，該顆衛星就像孩子一樣，團隊一步一腳印的研究、組裝直到完成，背負了台灣太空科學研究的使命，也創下台灣太空研究的里程碑，於記者會上，黃柏瑄談到成果語過去努力的時刻相當感動，一度眼眶泛淚。
國研院表示，福衛五號光學遙測酬載的研發完成，顯示國研院太空中心已掌握了太空級光學系統與CMOS影像感測器等多項關鍵衛星技術，奠定了我國自主發展光學遙測酬載的技術能量，除充分展現我國產學研界跨領域的整合能量外，更落實運用台灣產業優勢加值太空計畫的願景目標。展望未來，太空中心將秉持逆風而上展翅再飛的精神，持續勇於面對挑戰，結合國內產學研界，厚植我國太空科技創新與技術升級之研發能量，為下一階段的任務努力以赴。
福衛五號光學遙測酬載規格。（國研院提供）福衛五號模擬圖。（國研院提供）遙測取像儀正進行例行性結構檢查。（國研院提供）光學遙測酬載完成多層絕熱膜包覆。（國研院提供）全球第一顆應用於太空對地遙測的線型CMOS影像感測器-長12公分寬2.4公分。（國研院提供）折反射式光學系統。（國研院提供）國研院太空中心工程師黃柏瑄。（國研院提供）
