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研究生: 李宜運
Yi-Yun Li
論文名稱: 微機電光譜晶片之自動校正系統開發暨非監督品質分類研究
Development of Automated Calibration System for MEMS Spectrochip and Study of Unsupervised Performance Clustering
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: 112
中文關鍵詞: 品質評估光譜聚類集成光學非監督學習主成份分析
外文關鍵詞: Quality assessment, Spectral clustering, Integrated optics, Unsupervised learning, Principal component analysis
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  • 病毒性傳染疾病的診斷和預防一直是每代人類必須面對的課題。抗體快篩技術是一種短時間、低成本、低風險的快速檢測方法,對病毒株變異的容忍度也更大。本文首先重點介紹了應用於生物醫學診斷的光譜晶片光譜儀,並討論其製造過程的光學校正和光譜品質量化解決方案,以提高生產效率和品質控制能力。

    光譜晶片(Spectrochip)基於微機電製造技術並作為側向流體免疫層析法快速篩選的讀取器,可提高快篩結果的可靠度,降低錯誤率、樣品用量、篩選時間和醫療人力成本。本論文從免疫學、傳染病學、光學、光刻、製造理論、光譜學、統計學等多個角度解釋了造成光譜品質缺陷的潛在原因。

    研究中挑選出了光譜儀系統生產中必不可少的一道工序——波長校正程序,實現其自動化、標準化、資訊化系統的開發,並將品質量化加入該工序之中。品質量化模型建立了基於主成分分析的無標籤品質分類。該模型在保持最大資訊量的前提下對高維光譜晶片品質資料進行降維,然後利用密度聚類演算法完成非監督分類。最終可以從多項指標對光譜晶片品質進行量化和排序,提前檢測出異常。也可以透過可視化聚類結果產生的過程,追溯前端製程與組裝缺陷的變因。


    Diagnosis and prevention of viral infectious diseases have always been a topic humans have to face in all generations. Antibody screening technology is a short-time, low-cost, low-risk rapid test method with a greater tolerance for variants. This paper also focuses on the Spectrochip spectrometer for biomedical diagnosis and discusses its manufacturing process's optical calibration and spectral performance quantification solution to improve production efficiency and quality control ability.

    Spectrochip bases on MEMS used as a reader for LFIA rapid screening, which can improve the reliability of results and reduce error rate, sample dosage, screening time, and medical labor costs. In this thesis, the potential crises to cause defects in spectral quality from multiple perspectives have been explained, including immunology, epidemiology, optics, lithography, manufacturing theory, spectroscopy, and statistics.

    In the research, an essential procedure in spectrometer system production, wavelength calibration, is picked out, and the development of its automated, informationized, standardized system is realized. Moreover, add performance quantification to this process.The performance quantification model builds the label-free quality classification based on principal component analysis. This model performs dimensionality reduction of the high-dimensional Spectrochip performance data under the premise of maintaining the maximum amount of information and then using the density clustering algorithm to complete unsupervised classification.Finally, the method can quantify and rank spectral performance with multi-feature and detect anomalies in advance. By visualizing the process of clustering results, the causes of front-end manufacturing and assembly defects are traceable.

    目錄 致謝 ............................................................................... I 摘要 ............................................................................... II ABSTRACT....................................................................... III 目錄 ............................................................................... IV 圖目錄............................................................................. VII 表目錄............................................................................. X 符號列表 .......................................................................... XI 第一章 緒論 .................................................................... 1 1.1 前言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1.2 文獻探討 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 1.2.1 基於 LFIA 的生醫診斷感測器探討 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 1.2.2 微光柵技術探討 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 1.2.3 波長校正演算法探討· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 1.3 研究動機 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 1.4 論文架構 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 第二章 快篩光譜檢測方法...................................................... 9 2.1 側向流體免疫層析法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 2.2 LFIA 光譜反應測試 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 第三章 微型光譜晶片製造...................................................... 15 3.1 二維曲面光柵 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15 3.2 光譜模組組裝程序 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16 第四章 基於光譜分析學的非監督聚類.......................................... 19 4.1 波長校正精確度係數 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20 4.1.1 自動化波長校正 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20 4.1.2 光源儀器選擇 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 24 4.1.3 光譜數據收集 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 24 4.1.4 波長校正計算 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 25 4.1.5 最佳化結果· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 27 4.2 光譜解析能力量化係數 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 29 4.2.1 峰擬合函數· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 29 4.2.2 瑞利準則 (Rayleigh’s Criterion)· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 30 4.2.3 系統光譜解析度 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 30 4.3 光譜抗噪能力量化係數 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 33 4.3.1 訊噪比 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 33 4.3.2 雜散光 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 35 4.3.3 動態範圍 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 35 4.4 主成份分析與資料降維 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 37 4.5 DBSCAN 聚類演算法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 38 第五章 自動化波長校正系統實現............................................... 40 5.1 高速光譜影像傳輸的硬體實現 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 41 5.1.1 線性影像感測器 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42 5.1.2 MIPI · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44 5.1.3 色彩空間轉換 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 46 5.1.4 UVC 協議介面· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 49 5.2 控制與運算軟體實現 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 50 5.2.1 非同步設計模式 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 51 5.2.2 任務管理器· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 53 5.2.3 數學方法的 API 實現 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 55 5.2.4 雷射光源控制 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 59 5.3 工廠操作介面的實現 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 62 第六章 光譜品質聚類與數據分析結果.......................................... 69 6.1 主成份意義分析· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 72 6.2 生產批次關係性分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 78 6.3 波長校正日期關係性分析· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 81 6.4 Holder 版本關係性分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 85 第七章 結論與未來展望 ........................................................ 88 參考文獻 .......................................................................... 89

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