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研究生: 蘇育代
Yu-Dai Su
論文名稱: 自動化光譜晶片波長校正及晶片性能量化之演算法研究與開發
Research and Development of an Algorithm for Automated Wavelength Calibration and SpectroChip Performance Quantization
指導教授: 柯正浩
Cheng-Hao Ko
口試委員: 徐勝均
Sheng-Dong Xu
沈志霖
Ji-Lin Shen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 波長校正波峰偵測晶片性能量化雙光源校正
外文關鍵詞: Wavelength Calibration, Peak Detection, SpectroChip Performance Quantization, Dual Light Source Wavelength Calibration
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光譜晶片完成時,將訊息從像素空間轉換至光譜空間的轉換稱為波長校正,波
長校正需要多組光譜峰值之像素位置與其對應波長。在人為校正的情況下,經常僅
能找到粗略的波峰位置,且計算時耗時許久,因此有不精確、效率低、擬合錯誤這
三個致命的缺點。

在單一筆已知數據情況下要找到光譜中精確的每一個波峰並不困難,本研究提
出一個自動化通用型波長校正方法,對於未知效能之光譜晶片校正仍有良好的效果,
並對於所有校正流程皆提出對應方式與完整的銜接。輸入影像採用橫向掃描式找到
準確ROI,接著Auto Scaling 將光譜最大強度調整至指定強度,解決光譜過曝與過暗
問題。在光譜輸入環境調整完成後,將光譜分區使得每一區域中僅有一波峰,接著
使用高斯擬合或勞倫茲擬合找出精準波峰位置。使用汞氬燈與雷射雙光源校正,結
合雙光源的特徵峰像素位置與絕對波長進行多項式擬合得出空間轉換方程式。本研
究實際校正後之晶片進行空間轉換後波長與標準波長平均誤差低至3nm 內。


When the spectral chip is completed, the conversion of the information from the pixel space to the spectral space is called wavelength correction. Wavelength correction requires multiple pixel position and wavelength sets of peak. In the case of artificial correction, only a rough peak position can be found, and the calculation takes a long time, so there are three fatal shortcomings: inaccuracy, low efficiency, and fitting errors.

It is not difficult to find the precise peaks in the spectrum when the data is unchanged. This research proposes an automated general-purpose wavelength calibration method, which still has a good effect on the calibration of spectrum chips with unknown performance. And for all calibration procedures, corresponding methods and complete connections are proposed.The input image uses horizontal scanning to find the accurate ROI, and then Auto Scaling adjusts the maximum intensity of the spectrum to the specified intensity to solve the problem of over-exposure and very-low-intensity of the spectrum. After the adjustment is completed, the spectrum is divided so that there is only one peak in each region, and then Gaussian fitting or Lorenz fitting is used to find the precise peak position. Use the Hg-Ar lamp and laser multi-light source calibration, combine the characteristic peak pixel positions of the multi-light sources and their absolute wavelengths to perform polynomial fitting to obtain the spatial conversion equation. The RMSE between the converted wavelength of the
corrected chip and the standard wavelength is as low as 3nm.

致謝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I 摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III 目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV 圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI 表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII 符號列表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX 第一章緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 前言· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1.2 文獻探討· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1.3 研究動機· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 1.4 論文架構· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 第二章方法與理論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1 光源介紹· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 2.2 光譜影像轉換光譜· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 2.2.1 色彩轉換理論· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 2.2.2 興趣區間(Region of Interest, ROI) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 2.2.3 自動強度調整· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 2.3 Hilbert Transform 運算· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 2.4 光譜模型擬合· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 2.4.1 高斯擬合· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12 2.4.2 勞倫茲擬合· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13 第三章自動波長校正流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.1 動態連結函式庫· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17 IV 3.2 ROI Scan· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 18 3.3 ROI 影像轉換光譜· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 19 3.4 Auto Scaling· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23 3.5 波峰位置偵測· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 27 3.5.1 汞氬燈波峰位置偵測· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 28 3.5.2 單雷射波峰位置偵測· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 41 3.6 結合校正· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 47 3.7 光譜晶片模組性能量化判定· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 49 3.7.1 汞氬燈波形量化判定· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 50 3.7.2 白光LED 波形量化判定· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 52 第四章實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1 實際晶片量測· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 57 4.2 不同方法之波長校正比較· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 61 第五章結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

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