Verity Instrument SD1024G光谱仪简单拆解与测试
qiuzheru2022/01/16拆机鉴赏 IP:瑞士

最近想买一个覆盖可见光范围的光谱仪,在ebay上淘了一个USB4000。继续逛ebay的时候偶然间发现有人卖Verity Instrument的光谱仪,感觉莫名眼熟。近来因研究需求,经常在某微纳加工中心做样品。查了查发现这个系列的光谱仪就是该中心的几台SPTS与TEL公司的反应离子刻蚀(RIE)设备所安装的终点检测(OES EPD)探头。看到某韩国佬卖的SD1024G还送光纤,就立即下单了。说是没测试过,但是大家都知道这种设备经常开机十多年除非事故基本不关,某设备检修手册上对这部分的maintenance也极为简单,对可靠性还是比较有信心的。

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24V通过一个DB9插座供电,67脚+89脚-。通过LAN或者RNDIS通讯。Verity型号不带L的仪器输入光纤都是这种定制的光纤束连接器,带L型号的是标准的SMA905。

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狭缝

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接头与SMA对比

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光纤束是圆形光斑转线形的,一端贴合狭缝形状,另一端组合成一个较大的有效孔径。

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随手拍摄几张内部图

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探测器是TEC制冷CCD,Hamamatsu的定制型号,QE曲线和S7031相近,128x1024 面阵当线阵用。这个设备的缺点也很显著,前面板上两个风扇,还有一个用来冷却TEC制冷CCD,工作时噪声就像隔壁在用吸尘器。。。

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因种种原因很想把固件dump下来,看ebay上老型号(F系列)数字板,处理器是x86,跑OnTime RTOS,从CF卡引导,拔下卡应该就可以读出。现代型号换成了这个blackfin和SPI Flash,可惜破lab连个杜邦线都没有,只好作罢。从PM2 EPD的标签看,前世估计是在某个cluster tool上。

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ADC是个AD7612

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光学组件在这个方形铝盒子内,就不拆了。

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用于锁紧光纤接头的六角螺柱

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某在用设备中的同款,另配FL2100闪光氙灯,可用白光干涉(IEP)或OES两种方法做终点检测

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这公司符合半导体行业厂商的一贯作风,别想找到任何详细的公开资料,网上找了一圈也只有几个标着Confidential的datasheet。配套的SpectraView软件当然也无法找到,只好尝试特殊手段。软件带OEM水印,安装过程锁定磁盘序列号,Applied Materials和TEL的还是不通用的定制型号,麻烦得很,对只想拿来做其他用途的爱好者极不友好。如果有其他人需要软件,请留言,可以视情况提供一定帮助。

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克服困难之后,终于看到了光谱

Untitled.png

不幸CCD有一个white spot

由于刻蚀过程中的等离子体发光往往不强,虽然激励功率巨大,但是反应腔体积也大,亮度(Radiance)可能很小,而此类设备往往需要有较好的探测实时性。所以这类设备都是按尽可能大的孔径/throughput/etendue和尽可能灵敏的探测设计的。而作为一个光栅光谱仪,如果不希望分辨率严重劣化,需要一个不宽的入射狭缝。为达到1.33 nm nominal 的分辨率,印象中按海洋光学那种设计,需要大概10 um还是25 um的狭缝,这个设备的光学部分体积也只有这么点大,焦距应该量级上是对的。这也是为什么使用光纤束作为输入,这样可以在维持一定的狭缝宽的条件下,增加光纤的有效孔径,增大etendue。

为什么这个throughput很重要呢,先举个例子: Ocean Optics USB4000 (25um slit)的throughput/etendue比Yokogawa的AQ6373显著更大,比例不好估计,目前认为至少100倍。导致的结果是Yokogawa AQ6373这种OSA基本上只有对像激光一样亮的东西才能得到可观的SNR,用这个就算设置成large core fiber, 2 nm resolution, HIGH3 sensitivity也不容易测到屏幕发光这个量级的亮度的谱线。

注意这个指标和灵敏度或者动态范围并不直接相关,如果有一束M^2不大的激光,同样功率同样grating efficiency同样探测器噪声,SNR应该基本相当。而USB4000用的辣鸡CCD没有可变增益实现的高动态范围,常温下暗电流也高得可怕,用来测激光显然没有Yokogawa OSA好用。这里重要的不是功率,而是一个类似耦合效率的因素。

这里有些不错的讨论

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/article/high-resolution-spectroscopy/

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/int/technology/spectroscopy/spectrometers-and-monochromators/spectrometer-throughput-and-etendue/

这个Verity的光谱仪有着巨大的throughput/etendue,与USB4000做了一些简单的对比,在一个房间里唯一的光源是近10米外的一个灯,把SD1024G和配25um slit的Ocean Optics USB4000的光纤对着白色的墙(作为散射体),两张图分别是接受到的光谱。

SD1024G只用30 ms积分时间10次平均,0.3s就能毫不费力的看出远处的这个灯是个CFL荧光灯

1.png

USB4000截图搞错了,放了一次平均的,但是100ms积分时间,10次平均也还是除了CCD 的坏点之外什么都看不到。

2.png


用疫情期间的西方家庭中最常见的可燃物之一乙醇+IPA点了一小团火,同时将USB4000和SD1024G的光纤并列摆放,对着这团火,均设置300 ms积分10次平均

SD1024G,未扣暗电流,未尝试做Fixed-pattern noise校正,OH, CH, C2(Swan band), Na, K各条发射线加一点黑体辐射背景极为清晰

3.png

USB4000, 只有偶尔能以很低的SNR看见Na, K的发射线

4.png

这款光谱仪还有一个Fast AD模式,可以有500 Hz的采集速率工作,某LED 50Hz闪烁清晰可见

Untitledsp4png__01__01.png

[修改于 2年2个月前 - 2022/04/10 05:03:24]

来自:仪器与装备 / 拆机鉴赏
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~~空空如也
qiuzheru作者
2年4个月前 IP:瑞士
900367

说个题外话,海洋光学USB4000用的TCD1304传感器噪声温度系数相当大 tcd1304.png

因此一直很想找个办法给它加一点制冷。可惜看之前论坛里有人发的拆解图,结构还是比较紧凑的,没什么好办法。

所以干脆从冰箱拿出几坨冻三文鱼贴在铝壳上,降低噪声效果显著。。。

usb4000.png

fit.png

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warmonkey
2年4个月前 IP:广东
900373

请问楼主,光谱仪如何进行幅度校准?

波长校准可以用放电灯。总功率可以用光功率计校准。

问题是怎么校准每个波长的相对灵敏度呢?用已知光谱的光源?除了氘灯、卤钨灯,还有什么更好的选择呢?

海洋光学内置氘灯、卤钨灯的校准源,不确定度有7.5%,我感觉用于色彩校正会不够准确。

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gjgh
2年4个月前 IP:浙江
900374
引用warmonkey发表于2楼的内容
请问楼主,光谱仪如何进行幅度校准?波长校准可以用放电灯。总功率可以用光功率计校准。问题是怎么校准每个...

可能可以用n个激光器和光功率计

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qiuzheru作者
2年4个月前 IP:瑞士
900389
引用gjgh发表于3楼的内容
可能可以用n个激光器和光功率计

可以去Thorlabs看下功率计的指标,其实不确定度也就在+-3%到+-7%。7%是0.3dB,其实在很多领域来说已经足够精确了,我们正在写的某manuscript里得数据能+-0.7dB已经谢天谢地了。AQ6373的指标Level accuracy ±1.0 dB。另外用这种CCD线阵探测的而非扫描式的光谱仪看激光,除了分辨率太低没什么用之外还有一个问题,因为激光相干性好,在各个像素上会有类似speckle的现象,测得的峰形状不稳定。


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RodTech
2年4个月前 IP:英国
900393

这个光纤入口设计如此豪华,简直超过了qe pro,达到了Shamrock之类成像光谱仪的水平,不像qe pro那么简单粗暴的换个传感器了事。


楼主可以试试能不能软件上取消128纵向binning读出,读个2d出来,对好焦就是一个推扫高光谱了。


usb4000每次用之前都要校准,很多年前找牙刷消毒灯厂定制了一批用氩气起弧的微型汞灯,可惜比例不是很好,氩气谱线在汞烧热以后暗得几乎看不见,只有开灯瞬间几秒能够用在uv-nir全段,ocean optics配的塑料壳校准灯也是一样的差,导致每次校准usb4000都费很多事,整个带光路冷冻还是比较坑的。。不如直接重做算了

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qiuzheru作者
2年4个月前 IP:瑞士
900459

用一个错误操作来演示一下AQ6373的极低throughput。电筒标称1500lm, 20W, IMG_20220117_175302.jpg G0001.bmp

Verity这个13ms积分,散射光就能饱和

比一下,但是其实并不知道到底哪个响应更平。。。

IMG_20220117_175302.png

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qiuzheru作者
2年4个月前 IP:瑞士
900711
引用RodTech发表于5楼的内容
这个光纤入口设计如此豪华,简直超过了qe pro,达到了Shamrock之类成像光谱仪的水平,不像q...

用个汞灯试了下,看上去USB4000光机部分温度稳定性确实不行。不如重买。

ooi.png ooi2.png ooi3.png

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橙线Board temp 29.4 degC, 蓝线 4.4 degC

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lczr
1年10个月前 IP:上海
906247

你好?方便提供一下软件吗?

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qiuzheru1
1年10个月前 IP:瑞士
906264

如果不需要SpectraView软件的全部功能,只想看个光谱的话,Verity老款的SD1024D/F有一个内嵌的基于java的网页界面。虽然现在网页嵌入java早已被现代浏览器淘汰,但是这个applet不仅可以独立运行,还是分析协议的很好的突破口。

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qiuzheru1
1年9个月前 IP:瑞士
906751

对于D/F系列的接口线序,我没有这代产品,所以没法直接帮上忙。建议通过找USB或者网口的相关器件,查找它们的pinout来判断。比如图中看上去有一个Pulse H1081 网络变压器,万用表量对应的引脚连接应该能找出Ethernet TX+-/RX+- .


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Dummer11
1年1个月前 IP:湖北
919715

从上图可以出这个温度对其带宽,能量都存在影响,既然汞灯的发出能量不稳定,对带宽的标定有影响吗


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二娃
1年0个月前 IP:广东
921107

楼主有SD1024XL的资料吗?


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qiuzheru1
1年0个月前 IP:瑞士
921117
引用二娃发表于16楼的内容
楼主有SD1024XL的资料吗?

X系列不需要什么资料了吧,内置Windows计算机,连上即可用

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1211
11个月15天前 修改于 4个月15天前 IP:四川
922001

这篇文章后面的回复,逐渐演变成了大型求资源现场,基本都是注册新号上来求软件,求资料的。求完以后也不表示感谢,纯粹伸手党。同时可以看出许多人并不是爱好者,而是给自己货场里的机器配上软件好拿去卖钱的垃圾佬。这些人需要知道,信息的传播是有价的,就算是中学老师也是领了工资才解答学生的疑问。

为了避免骚扰,对于新号伸手,一律做删除处理。

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Jerry_Li
4个月16天前 IP:广东
928309

楼主您好。我也买到一台老款的SD1024D希望使用。我看到您说这一款可以使用内嵌网页应用,但是我的两台电脑(Mac的Win10虚拟机,winXP)均无法成功下载驱动打开应用。另外,我咨询了Verity的工程师,回复是"The embedded software is only used for processing data within the spectrometer (convert pixels to wavelength, etc.), it is not the applications software",所以这个网页版可能不适用于我的机器,或者过于简单,并没有一些必要功能。因此,还是希望可以用spectraview软件再尝试一下。

作为资源共享,我分享一些我拆解的图片。希望楼主应许,谢谢!

IMG_5355.jpeg IMG_5368.jpeg IMG_5371.jpeg IMG_5372.jpeg IMG_5374.jpeg IMG_5376.jpeg IMG_5377.jpeg IMG_5379.jpeg IMG_5381.jpeg IMG_5383.jpeg IMG_5385.jpeg IMG_5382.jpeg

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qiuzheru1
4个月15天前 IP:瑞士
928320
引用Jerry_Li发表于22楼的内容
楼主您好。我也买到一台老款的SD1024D希望使用。我看到您说这一款可以使用内嵌网页应用,但是我的两...

抱歉,最近听说几例比较可怕的事情,也有一次因版权问题差点惹上麻烦,现在不敢向他人提供SpectraView软件了。请您在网上寻找,或者问各个咸鱼卖家 (尤其是X系列,可能能让搞个镜像,再想办法解决后续) 有没有愿意提供的。另外,您能让verity的支持愿意回复您,我有点吃惊。

另一方面关于那个内嵌的网页应用,可以打开您说的那个无法使用的页面,浏览器里F12查看源码,找到对应的jar,下载到本地。安装java后(确定java在路径里),可以用如下的命令行在本地运行。如果光谱仪是DHCP的,需要网上下载安装一个DHCP服务器小程序。

java -classpath verityapplet.jar -DInHTMLIPAddr="光.谱.仪.的IP" -DWidth="1000" -DHeight="600" -DTab="1" tabpanel.tabbedApplet

当然,这个界面没有显示光谱之外的任何功能。如果觉得这个界面太难用,你也可以用jadx之类的工具反编译这个jar,其实通讯协议非常简单,不难写出一个自己的小程序来。

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Jerry_Li
4个月15天前 IP:广东
928324
引用qiuzheru1发表于23楼的内容
抱歉,最近听说几例比较可怕的事情,也有一次因版权问题差点惹上麻烦,现在不敢向他人提供SpectraV...

谢谢您的回复!版权问题确实需要小心,我回去再试一下网页版这个功能。Verity的客户服务确实很差:三天回复一次,每次也不把问题说清楚。垄断企业。。


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