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2012 重要儀器系統、關鍵元組件與關鍵軟體產出

本年度完成特殊儀器開發列表如下:

儀器系統/關鍵元組件/關鍵軟體 說明
LED 螢光檢測系統
為避免皮膚病患者於診斷、治療的過程中又長時間的照射UV光使病情增加,開發此 LED 螢光檢測系統掃描設備,此系統採用 UV LED 作為激發光源,可大幅度降低燈源成本與使用功率(電壓)。其掃描速度為 14–280 mm/s,掃描範圍為 30*30 mm2,掃描光點尺寸為 1.8*1.2、2.4*2 mm2,影像之相對螢光強度(灰階值)為 115–160。本系統具備了高功率的激發光源以顯示患部特徵與病變細胞分佈範圍,並且以單點方式快速掃描病患患部,大大的降低患部照射UV光的時間與劑量同時提高診斷的正確性。此外,掃描式聚焦光點可減少在人體皮膚檢測上光源照射時產生的色散現象,讓待測區域輪廓更清晰。
可攜式多功能螢光檢測儀
完成可攜式多功能螢光檢測儀系統,可應用於血液之血流與血氧濃度檢測功能。系統之激發光源為不同波段之 LED 燈:白光、紫外光 405 nm、紅光 660 nm、紅外光 940 nm。攝影機規格為 90 FPS 高速攝影機 (血流) 及 30 FPS NIR 攝影機 (血氧)。顯微物鏡放大倍率為 10×-70×。調焦軸對焦精度為2 µm。螢光檢測範圍約為 35*35 mm2。此系統可應用於醫師進行皮膚癌檢測、糖尿病患末梢血管檢測,在臨床診斷時可靠近待檢測區域,提高檢測的品質與準確率。
LED 黃圈檢測系統
此系統尺寸為 300*200*200 mm3,重量約 3 公斤,攝影機規格為 30FPS 攝影機。運用此系統進行白光 LED 黃圈現象之檢測,並可降低不同環境對檢測樣本之影響,提升 LED 光源產品品質的可靠度。此外,利用黃圈指數建立四種標準白光光形做為檢測標準,提供淺顯易懂的黃圈品質分級檢測報告,讓 LED 製造商可依據標準光形,將公司各種LED產品進行黃圈品質的分類與管控。
可攜式晶圓微小顆粒檢測儀
此系統激發光源為 5 mW 綠光雷射,攝影機規格為 30 FPS,顯微物鏡放大倍率為 50×,電控平台每次移動 100 µm、精度10 µm,載台旋轉精度為0.5º,四吋晶圓檢測時間約 30 分鐘左右,微粒檢測尺寸為 2-20 µm。未來將提高檢測精度,並進行整片晶圓圓周式掃描,以建立晶圓表面上之微粒分佈資料庫,將可提供給半導體廠進行製程前晶圓潔淨度檢測。
可攜式皮膚特徵系統
此系統採用 PCM-3362 主機板作為內嵌式處理系統,其 CPU 處理速度 1.66 GHz。影像擷取採用彩色 1/2 吋 CMOS 影像感測器,其鏡頭為 12 倍變焦,FOV 範圍為 70 mm*95 mm、WD 為 50 mm,影像顯示採用 8 吋液晶觸控螢幕,針對生物體的皮膚進行螢光檢測,使用紫外光 LED 為激發光源,採用脈衝方式激發螢光,不但可減少環境雜光的影響,也能減少紫外光對於生物體老化現象與細胞功能的破壞。此外,白光 LED 激發光源可針對皮膚表面粗糙度與膚質 (細紋和色素斑等) 分析檢測。
智慧儀器用交換式電源模組
目前已開發完成儀器用鋰電池模組的容量為 1700 mAh,屬於小容量裝置,尺寸為 128*62*17.6 mm3,透過設計的充電模式與放電管理,使電池在數百次放電循環後,仍可維持七成以上的電容量。此類型模組可外接 USB 充電功能並延伸應用於外掛光源模組與客製化元組件,形成一可擴充式電源模組化平台。此電源模組提供雷射光源、數位顯微鏡及數位望遠鏡等各式光學儀器設備等相關開發廠商使用,進而研發更省電與更環保之產品。
Eye-Fi 無線儲存模組
無線儲存模組可藉由自行開發之儀控界面軟體,針對無線儲存模組進行參數設定與調控(如傳輸速度 2 Mbps 與 IP 設定等),此無線模組傳輸最大範圍為 30 m。可應用於皮膚螢光檢測系統、可攜式皮膚特徵檢測平台、工程量測儀器與醫療儀器等。透過遠端伺服器如平板電腦等內建儀控界面軟體,可進行即時資料傳輸/分析/監控。未來可提供動物實驗/醫學中心與醫師臨床診斷判斷病灶。
LED光源模組
白光 LED 採用四顆為一象限,紫外光 LED 則是採用八顆為一象限,各個象限彼此搭配控制 LED 明暗。此模組亮度分為五段,明暗對比度控制則有八種模式。以八組 PWM 輸出控制 LED 閃爍頻率,PWM最高頻率可達 97 kHz,避免影像失真。八顆 LED 串聯,輸出電壓高達則 24 V 以上,所以採用電壓回授調光控制,控制方式可支援高頻和高壓穩定輸出,並有限流保護裝置,確保 LED 脈衝光源功率的穩定性。此光源模組未來可應用於醫療、美容、防偽與工業相關產業中。
多功能四邊形 LED 光源模組
此模組可依照晶圓檢測需求控制燈源開啟方向,以激發檢測樣品得到最佳影像。此模組之操作電壓為 12 V,模組中包含四組條狀白光 LED 燈源 (每組 42 顆 LED 燈),其燈源分布呈正方形狀,有單獨開啟、相鄰兩組一起開啟、相對面兩組一起開啟或四組燈源同時開啟等功能並提供可程式之燈源控制機制。經由不同方向的燈源開啟後可針對矽晶圓邊緣之細微的長晶缺陷進行檢測。
可攜式皮膚特徵軟體
可攜式皮膚特徵系統採用 PCM-3362 主機板作為內嵌式處理系統,其 CPU 處理速度 1.66GHz。影像擷取採用彩色 1/2 吋 CMOS image sensor camera,其鏡頭為 12 倍變焦,FOV 範圍為 70 mm * 95 mm、WD 為 50 mm,影像顯示採用 8 吋液晶觸控螢幕。目前已完成可攜式皮膚特徵軟體之架構撰寫,並已建立針對 405 nm LED 與白光 LED 螢光影像之白平衡校正模型,未來可應用於臨床上皮膚內的血液流速與含氧量之檢測並針對螢光影像運用色彩平衡校正技術提供醫師臨床皮膚病灶診斷。
螢光影像校正平台開發
原始影像 校正後影像
完成螢光影像校正平台之影像色彩校正功能,螢光影像是以波段 405nm 的 UV-LED 照射,激發螢光反應物質 Ce6 產生螢光反應,再以相機搭配黃色濾鏡進行拍攝,相機規格為 1.7 吋一千萬畫素感光元件、等效 28-140 mm f2.8-4.5 五倍光學變焦鏡。此開發螢光影像校正平台已可修正影像之色偏現象,並強化螢光反應區域之螢光反應現象。目前以動物 (老鼠) 活體檢測做為實驗樣本,在臨床上可應用於皮膚科腫瘤細胞檢測,協助醫師對於腫瘤確切範圍之判定。
LED 黃圈檢測軟體
完成 LED 黃圈檢測軟體撰寫並建立黃圈即時影像顯示及黃圈等級辨識分級等功能。此人機介面操控軟體可即時拍攝白光 LED 投影在屏幕上的影像並立即分析顯示其黃圈的分布情形,亦可顯示此光形中黃圈指數最大值的位置,提供燈源製造上在產品生產時進行改善。
線型大尺度圖控影像檢測系統
近幾年來大尺寸的製程已逐漸成為工業上生產線的主流,舉凡太陽能模組、LED 模組等,其模組的尺寸都在一公尺左右,甚至更大,最具代表性則是大尺寸顯示器已漸成為生產線的主流。然而目前國內罕有自製之對應的大尺寸產品檢測設備。有鑑於此,101 年度開發之線型大尺度圖控影像檢測系統雛型,用高畫素且大尺寸之感測區域擷取待測區域之影像,以符合檢測大尺寸模組的檢測需求。大尺寸高畫素影像感測系統之規格為:
Optical Resolution:600 dpi、
Pixel Number:24768 pixels、
Image Length:1 meter、
Working Distance:13 mm、
Image Output Rate:9000 line/second。
Linear k spectrometer 關鍵元組件
Linear k spectrometer 是美國 Johns Hopkins University 生醫工程系所委託製作的近紅外生醫光譜系統中之準直鏡頭、分光稜鏡及複消色差鏡頭組等關鍵元組件。本案為擴展光學設計實作服務平能量於國際學術研究的具體實例。規格:
1. 應用波長範圍:770 nm – 1020 nm
2. Collimator lens有效焦長 (EFL):22 mm
3. Apochromatic lens有效焦長 (EFL):50 mm
4. Prism頂角 (Apex angle):56.83523º,角度公差tol:1',尺寸為 40 mm * 40 mm * 38.072 mm,厚度 T:15 mm
φ 65 mm、1/15 λ 標準球面鏡
此為發展業界需求的雷射干涉儀量測系統標準球面鏡,提供廠商開發雷射干涉儀所需的標準鏡頭。規格:口徑 φ 65.00 mm,面精度PV ≤ (1/15) λ。
主反射鏡(M1)
完成米級口徑非球面鏡片製作與鍍膜標準作業流程,大口徑鏡片可應用於精密量測與加工設備、天文望遠鏡、衛星遙測酬載、精密微影加工設備等,增加國內精密量測與加工設備等產業自主開發的契機。主反射鏡為福衛五號光學遙測酬載所需之關鍵元組件,口徑為 φ466 mm、表面形狀精度必須達到 RMS≤ 35 nm,儀科中心結合傳統拋光技術搭配 CNC 先進拋光製程,完成國內自製最大口徑非球面鏡製作,最終表面形狀誤差為 RMS 5.7 nm,該結果遠優於太空等級光學元件之要求。
6 c.c. 微投影照明鏡頭
藉由超精密加工完成的高填充率微透鏡陣列將 RGB LED 的光源均勻混合,產生均勻且具有高演色性的光源,可應用於微投影系統的照明光源。本關鍵元件總體積僅約 1.6 c.c. 可提供於體積小於 6 c.c. 以下微投影機光源之應用,其光學效率可大於 35%,於 0.37" 的 LCoS Panel 約有 77% 的均勻度,具有體積小、效率高且均勻度好等特性,除了微投影機的應用外還可被整合使用於其他需小型且效率好之儀器系統中。此成果係運用核心技術提供學術團隊開發應用。
福衛五號光學薄膜元件 (M1+M2+filter)
完成福衛五號光學酬載之銀反射主鏡 (直徑 46 cm、經設計加鍍保護層後,反射率達 99% @ 550 nm 以上)、次鏡、修正透鏡與多波段帶通濾光鏡陣列 (藍、綠、紅、近紅外及全色態等波段帶通濾光鏡,均為近百層高低折射率材料交疊設計並以離子束輔助精密監控製鍍於單面基板,穿透率達 85% 以上)。上揭光學薄膜元件均通過附著性、真空熱循環及輻射損傷等太空環境模擬測試。
三維裂環共振器
超穎材料製程平台可製作多類三維光學超穎材料,開發之三維裂環共振器 (3D split ring resonators) 在製程上僅須一道微影舉離及乾式蝕刻步驟,這些立體化的超穎材料能更有效率地操縱電磁波。搭配不同的微影技術如光微影或電子束微影,目前已成功製作線寬 1 微米至 80 奈米,直徑 20 微米至 1.5 微米之三維裂環共振器;共振波段為 100 微米至 5 微米。
環境監測無線感測器網路(WSN)模組整合
本系統整合溫濕度、振動、噪音、電力能耗、氧氣濃度等環境感測器,除了可有效地長期觀測佈建在智慧型實驗室之無線感測器網路的系統狀態與感測資料,亦可透過移動裝置,例如手機或平版電腦,遠端監測實驗室環境參數,若發生環境參數異常狀況,可即時處置,避免實驗室人員或儀器設備損傷;即時的環境資訊參數亦可協助研究人員判斷實驗結果是否正確。
能耗檢測系統整合
此系統包含「電力系統量測模組」、「空調與通風系統量測模組」及「超音波流量量測模組」,可檢測實驗環境之用電、用氣及用水之性能表現狀況,以提供動力系統(設備) 於進行能源效率改善及提昇運作效益時之重要評析基礎,進以確保獲得有效之改善方針和執行策略。目前已應用檢測系統對中心遙測實驗室施以掛錶量測,目的將蒐集建立實驗室之能源負載資料庫,以為後續節能改造方向之評估依據。
影像式輻射檢測系統
2011 年日本福島核電廠事故發生,鑒於游離輻射關鍵感測器如蓋格管及半導體輻射感測器皆為國外廠商掌控,且個人輻射劑量偵測器 (儀) 台灣並無儲備,國際現貨優先供貨日本取得困難;台灣民眾在缺乏檢知工具情況下,對於環境受放射物質污染與否感到惶惶不安。本中心利用國內智慧型行動裝置與半導體影像感測器產業優勢,完成研發智慧型手機與行車紀錄器檢知環境游離輻射技術,提供國人簡易環境游離輻射檢知工具。使用方式只需用不透光深色膠帶遮住手機上鏡頭,觸控位於手機螢幕之圖案,耗時約1分鐘就可由手機螢幕之數位指針與顏色變化得知環境中之可能輻射值與狀況,量測範圍大於 2 微西弗/小時以上皆可檢知;台灣環境游離輻射安全規定,背景安全值小於 0.2 微西弗/小時;0.2 微西弗/小時至 20 微西弗/小時為潛在核汙染,需請核安檢驗單位調查分析;因此利用本技術手機檢知游離輻射,超標大於輻射背景安全值,應洽核安檢驗單位協助調查分析處理,以確保居家環境安全;手機也提供利用 GPS 定位記錄,告知輻射存在地點。
石墨烯生物感測器
石墨烯生物感測器係一具有特異性生物分子功能化的氧化石墨烯 (grapheme oxide, GO) 材料,藉由單股DNA核酸適體 (aptamer) 與蛋白質的交互作用能直接在二十分鐘內檢測癌症指標蛋白,無須經過重複清洗繁複步驟。檢測濃度達 1 nM,靈敏度高於奈米碳管檢測系統 10 倍。今年已發表國內外研討會論文兩篇,投稿國際期刊 Current Organic Chemistry 亦已獲接受。
化妝品致病菌檢測儀
本儀器主要功能是檢測化妝品病源菌,運用基因快速放大方式,以電化學模式即時檢測並定量病源體基因濃度。系統搭配高專一性PCR引子,可應用於各類病源菌檢驗診斷。本儀器整合可拋棄式反應晶片、快速溫控裝置及即時電訊號分析處理系統,藉由程式溫控之聚合?鏈鎖反應進行微量樣品快速核酸放大,並結合電化學模式來分析核酸濃度以達成即時核酸檢測與定量的功能,具備成本低,約為競爭產品的1/4,體積小及易攜式等優勢,相當有利市場行銷。重要規格:
尺寸 (L*W*H):35 cm * 27 cm * 14 cm
樣品量 (Sample volume):10-30 µL
溫度控制 (Temp. range):4-99 ºC
升降溫速度 (Temp. gradient):1-1.5 ºC/sec
檢測模組:最低檢測電流 10 nA
模組化螢光顯微組件
本組件為晶片式免疫細胞感測儀之觀測與計數之重要模組,配合免疫螢光法,設計一模組化螢光檢測顯微鏡,提供觀測與計數可行性研究使用。此模組以整合進儀器為首要考慮,因此以 LED 作為光源,尺寸縮小,機構設計也儘可能簡化,後續將搭配其他模組形成完整之儀器。 主要規格:
光源:LED 光源,波長 480 nm,
濾波鏡:入射光 480 nm、螢光 530 nm
物鏡放大倍率:10×、20×
電化學晶片
國內首先開發出適用即時定量電化學 PCR 用反應晶片,本電化學晶片配合 PCR 聚合脢連鎖放大反應,在第五循環放大內即可觀察出放大的效果。本年度利用量產製程技術開發出的電化學晶片在價格與生產速度上具有相當大的優勢,易與未來潛力技轉廠商銜接以製造與銷售。主要規格:
尺寸:5 cm *5 cm
樣品數:一次可檢驗八個樣品
檢測電流訊號:10-2 µA
應用:可應用於生醫、食品與環境快速檢驗。
對稱式電極高靈敏度檢測模組
目前已開發出對稱式電極高靈敏度檢測晶片模組及微型生醫微流體傳輸模組。對稱式電極高靈敏度檢測模組結合奈米沈積之修飾技術可提高電化學檢測晶片之偵測靈敏度,其液體檢測量 2-5 µL,溫度控制範圍25ºC-100ºC。
微型生醫微流體傳輸模組
此模組可客製化提供產、學、研各界從事「微全分析生醫微流體晶片」之設計及製作,此組件係以 PDMS 多層接合技術結合標準化平台之驅動元件設計製作及人機介面撰寫,可適用於複雜的微流體操控,提供進行多樣化之生醫微流體樣本檢測的可行性評估。主要規格:驅動電壓:5 V-12 V,驅動流量 0.5-500 mL/min,平台尺寸4 cm*5 cm。
輻射檢測軟體
此軟體主要著眼點在於裝置不需要高壓的真空管以及特殊的晶體跟光電元件,方法是觀察游離粒子對 CCD (數位像機) 所造成的反應,這可以追溯至操作高劑量的輻射實驗時,房間內的監視器會產生雪花效應,也就是劑量越高螢幕上就會出現越多斑點。這方法的創新之處在於偵測器選用一般數位相機的感光元件,突破傳統採用蓋格管,晶體或塑膠片的方式,這意味著手邊只要有感光元件例如手機,相機,監視器等都可拿來運用,不必侷限於特殊的器材,達成輻射偵測器普及化的目的。
短波紅外相機 NTSC 模組
短波紅外 CCD 夜視遙測系統,採用低電壓數位類比電路設計。系統最大電壓為 5 V,功率為 326 mA,並同時採用USB 電源接頭,可使用任何商規之行動電源供電。以一般 5000 mAh 的鋰電池行動電源為例,可使用約 15 小時。取像系統採精簡電路化設計,總體積約為 8*4*6 cm3,可方便攜帶。影像以 NTSC 單一 RCA 接頭輸出,可相容於任何商規之監控螢幕,方便直接替換現有之商規監控系統。
海洋環境多光譜儀機載工程體
衛星科學酬載海洋環境照相儀可行性研究的目的在於設計衛星科學酬載海洋環境照相儀,其系統包含感測器電路模組、操作軟體、光學鍍膜、鏡頭設計、光輻射度校正、機構設計等光機電系統整合技術,初期驗證使用飛機空載平台,拍照時接收全球衛星定位系統 (GPS) 與同步接收飛航姿態資料(IMU),方便未來地面影像處理工作進行,其系統採用 CMOS 面型感測器同時擷取光譜資料與海洋空間資料,採用飛機載具測試 (飛行高度為 5000 英尺.飛行速度為60 m/s),規格如下: 波長範圍 (nm):443±20、490±20、550±20、875±40,瞬間視角 (mrad):0.5882,視角 (diagonal):±4.31º,CMOS (pixel number):256*512、256*128 (each band),CMOS (pixel size):50*50 µm,焦長:85 mm,地面解析度 (GSD):0.896 m,刈幅:229 m,影像重疊率:60% (each band),取像率 (Frame rate):1.31 frame/sec。
光子接受器調整模組
此模組為前瞻學術研究實驗專用關鍵零組件,提供光子接收器姿態調整功能,其規格為: Height: ±50 mm、Translation: 300 mm、Tilt: ≥10º
平行光聚焦於狹縫光學模組
此模組為學術實驗專用關鍵零組件,提供5軸自由度調整,將準直光束透過離軸拋物面鏡聚焦於狹縫模組,模組提供一平面反射鏡調整入射光方向,並提供兩軸姿態調整,角度 ±2º,Sensitivity:3.1 arc sec。離軸拋物面鏡面精度< P-V 1/10λ,離軸量 89 mm,有效孔徑 50.8 mm,焦長 625 mm,並提供兩軸姿態調整,角度 ±5º,Sensitivity: 0.5 arc sec
星光轉平行光光學模組
本關鍵組件為特別製作,用於支援前瞻學術研究創意實驗。分為光纖對準模組及離軸拋物面鏡,其功能為將望遠鏡光線聚焦至65 μm的光纖後轉為平行光,其擴散角小於1 mrad,以利後續之光路對準。此模組係運用核心技術提供台大團隊光通訊研究。 本關鍵組件提供5軸自由度調整,將星光訊號透過離軸拋物面鏡轉成平行光,平行光發散角< 0.1º。離軸拋物面鏡面精度 < P-V 1/4λ,離軸量25 mm,有效孔徑 50.8 mm,焦長 444.5 mm。
主軸定位模組
此模組為前瞻學術研究實驗專用關鍵零組件,提供反射鏡主軸角度定位調整,其規格為: Wobble: ± 60 μrad、Sensitivity: 4 arc sec、 Travel range (coarse/fine ): 360º / 4º
HyperRaman 影像儀
目前國際拉曼影像商業系統,大都採濾鏡式,本影像系統為兼顧學界研究與市場應用,系統採開放式及顯微量測,未來可更換不同雷射光波長及光譜儀,目前本系統採用 785 nm 雷射,可克服待測物螢光問題,檢測拉曼光譜範圍 350-3200 cm-1,光譜解析 6 cm-1,本系統可同時擷取影像及其拉曼光譜。
近場光學顯微鏡訊號解調系統
本訊號解調系統分為外差干涉光學系統與鎖相電子系統。外差干涉光學系統適用 532 nm 射光源,AFM 無孔式探針,可用於檢測奈米級微結構的表面近場光學訊號,可同時取得相位與振幅的資訊,奈米結構的橫向空間解析度為 10 nm,近場光學解析度為 50 nm。

更新日期:2014 年 6 月 4 日