;-)

Интерфейс программы управления зондовыми микроскопами компании НТ-МДТ

Задача. Спроектировать пользовательский интерфейс программы управления зондовыми микроскопами, одинаково хорошо подходящий для решения научных и технологических, теоретических и практических задач.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) применяется в современной физике, химии, материаловедении, биологии, медицине и на высокотехнологичном производстве. В Студии Лебедева спроектирован интерфейс программы управления зондовыми микроскопами, с помощью которой ученые, инженеры и технологи настраивают эти сложные приборы и получают СЗМ-изображения для решения задач исследования, проектирования, диагностики, контроля качества. Полученные изображения подвергаются дальнейшей обработке в отдельном интерфейсе обработки и анализа, также разработанном в Студии Лебедева.

Принцип работы сканирующего зондового микроскопа

В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальных зондов в виде игл. Рабочее острие таких зондов имеет размеры порядка 10 нм (0,00001 мм). Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах составляет 0,1—10 нм.

В натуральную величину С увеличением С увеличением
Зондовый датчик: слева — примерно в натуральную величину, на левом конце прямоугольного основания можно разглядеть тончайший усик длиной 0,1 мм — это гибкий кантилевер (от англ. cantilever, консоль). На конце кантилевера перпендикулярно к его плоскости расположен острый зонд, невидимый глазу

В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. В самом простом случае острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с исследуемой поверхностью. Зондовый датчик движется вдоль поверхности, при этом регистрируется изменение изгиба кантилевера или других величин, пропорциональных взаимодействию зонда и исследуемого образца.

Дата выпуска: 23.03.2006

В главных ролях:

худрук
арт-директор и проектировщик интерфейса
проектировщик интерфейса
пиктограф
менеджер

Студия Лебедева выражает благодарность Станиславу Леэсменту за помощь в работе над проектом

Все СЗМ-изображения являются собственностью компании НТ-МДТ

Использованы материалы книги В. Л. Миронова «Основы сканирующей микроскопии». РАН, Институт физики микроструктур. Н. Новгород, 2004

Как работает кантилевер
Упрощенная схема работы СЗМ: при движении зонда считывается сигнал. Если зонд обойдет весь участок, то потом программа может построить карту распределения измеряемой величины и, например, воссоздать рельеф сканированной поверхности

Кроме простого сканирования, при котором получается карта распределения величины, существуют и другие методики применения СЗМ. Например, при спектроскопии получают множество зависимостей одной величины от другой в различных точках поверхности. При литографии путем воздействия на образец на его поверхности воссоздается заранее заданный рисунок, например, электрической наносхемы. При наноманипуляциях с помощью зонда можно разрезать живую клетку или передвинуть большую молекулу углеродной нанотрубки на заранее подготовленные контакты, получив нанодиод.

Новый интерфейс

Работа с различными режимами и методиками СЗМ максимально унифицирована. Для этого в интерфейсе разведены два понятия: а) способ воздействия зонда на образец и измерения этого воздействия и б) алгоритм движения зонда. Благодаря этому возможна поддержка существующих методик (построчное сканирование, спектроскопия, векторная и растровая литография), их комбинаций и еще не изобретенных методик. В старой версии программы методики реализованы прямолинейно, для каждой из них фактически разработана отдельная программа.


Главное окно
Главное окно
Индикатор показывает прошедшее и оставшееся время сканирования
На графике одновременно с профилем текущей строки сканирования показываются постепенно бледнеющие профили предыдущих 5-6 строк
Осциллографы позволяют следить за сигналами прибора в реальном времени. В новой версии таблица осциллографов занимает меньше места, зато отображает одновременно несколько сигналов. При желании можно открыть нужный график в отдельном окне большего размера

В программе предусмотрен полноэкранный режим, который можно использовать, чтобы ничего не отвлекало во время сканирования или на презентации прибора.

Все пространство можно плавно масштабировать с помощью ползунка в углу. Чтобы увидеть сразу все изображения, достаточно дернуть ползунок до упора влево. Чтобы быстро приблизить одно из изображений, нужно дважды на нем кликнуть. При масштабировании изменяется толщина линии внутри круглого ползунка.

Настройка движения зонда

Элементы управления движением зонда расположены в верхней части окна. Они позволяют выбрать тип движения (построчное, спиральное, по точкам, по заданным кривым) и указать его направление (например, угол сканирования для построчного сканирования).

Направление и угол при построчном движении задается с помощью специального элемента, состоящего из четырех базовых направлений и кругового элемента, определяющего угол сканирования. Для точной настройки угла также может быть использовано текстовое поле ввода.


Сессия сканирования

Для унификации работы с разными методиками СЗМ в интерфейс было введено понятие сессии сканирования.

Сессия сканирования — это программа, которую должен выполнить прибор. В обычном режиме построчного сканировании в таблице сессии задается список изображений, которые необходимо получить, сканируя заданную область и измеряя различные физические величины. В других режимах сессия может определяться в других терминах:


Таким образом, при установке параметров сканирования пользователь настраивает в первую очередь получаемые изображения, а не узлы прибора.

Было: в старом интерфейсе настройки параметров сканирования аппаратная начинка вынесена на передний план
Для редактирования данных таблицы сессии используется прием edit-in-place

Управление вспомогательным оборудованием

Расположение индикаторов состояния вспомогательного оборудования позволяет сообщать пользователю о проблемах с оборудованием и быстро проводить подстройку систем в процессе сканирования в небольших всплывающих окнах. В старой версии программы настройка производилась в самостоятельных полноэкранных вкладках, что заставляло отвлекаться от процесса сканирования.

Индикаторы состояния вспомогательного оборудования: лазера, генератора, зонда, термостатов, внешних магнитных источников и т. п. При нажатии на индикатор открывается перемещаемое окно, содержащее описание состояния соответствующего узла и инструменты для специальной настройки, например, юстировки лазера. Пока окно открыто, индикатор находится в нажатом состоянии

Настройка резонансной частоты генератора
Настройка резонансной частоты генератора

Конфигурация прибора

Специальное окно конфигурации прибора позволяет добавлять в систему новые аппаратные компоненты в визуальном режиме.


Старая схема прибора имела предопределенный вид и позволяла настраивать только некоторые параметры прибора. Новая схема отражает реальную конфигурацию прибора и позволяет настраивать все его компоненты

Компоненты могут быть соединены между собой напрямую или с помощью коммутаторов. Коммутаторы позволяют переключать связи между компонентами одним кликом.

Коммутатор
Включенные связи между компонентами обозначаются сплошной черной линией, выключенные — серой пунктирной. Вход, к которому ничего не подключено, обозначается пустым квадратиком
Поиск компонентов по названию и параметрам происходит прямо во время ввода

Проект

В 2004 году в Студии Артемия Лебедева начали проектировать пользовательский интерфейс программных продуктов, разрабатываемых в компании НТ-МДТ для управления зондовыми микроскопами и обработки получаемых с их помощью данных.

Интерфейс программы управления зондовыми микроскопами разрабатывался в период с февраля по декабрь 2005 года.

Изображение нашего логотипа, полученное методом растровой литографии на титановой пленке 1×0,3 мкм. Ширина одной полоски штрихкода — порядка ста атомов
НТ-МДТ  Интерфейсы  Наука  Электроника и техника