Program FOCON Zadaniem programu FOCON jest sterowanie opisaną powyżej aparaturą stanowiska pomiarowego, pomiar prądu i napięcia fotodetektora dla różnych długości fali świetlnej monochromatora, obliczanie względnej prądowej czułości widmowej oraz archiwizacja otrzymanych wyników. Zarówno prąd fotodetektora jak i jego względna czułość widmowa są obrazowane na wykresach. Formularze programu Formularz główny Formularz główny stanowi trzon łączący i synchronizujący wszystkie elementy programu. Znajduje się na nim menu główne, z którego możemy określać typ widoku wykresu, sterować pomiarem, zapisywać i odczytywać wyniki pomiarów oraz aranżować otwarte okna wykresów. Niektóre jego elementy dostępne są także z paska narzędziowego oraz z menu kontekstowego. Jeżeli formularz główny zostanie zminimalizowany, a pomiar fotoprzewodnictwa jest w toku, na przycisku aplikacji na pasku zadań Windows pojawi się procentowe zaawansowanie pomiaru oraz nazwa badanego detektora (podana na zakładce Measure formularza Preferences. Rys.1 Wygląd formularza głównego.
Rys.2 Wygląd formularza głównego i formularza wykresu w czasie wykonywania pomiaru. Menu główne W menu File znajdują się następujące opcje: New Measure [Ctrl+N] rozpoczyna nowy pomiar fotoprzewodnictwa. Tworzony jest pusty wykres zależności prądu fotodetektora od padającej długości fali oraz otwarty zostaje formularz z parametrami pomiaru. Open [Ctrl+O] pozwala załadować z pliku wyniki pomiaru. Jeżeli jego parametry są obecnie dostępne, pomiar może zostać powtórzony z tymi samymi ustawieniami (patrz odczyt pliku z wynikami punkt 4.4.3.2). Nie można otworzyć dwóch okien tego samego pliku. Save [Ctrl+S] zapisuje wyniki z aktywnego wykresu. Jeżeli wykres zapisywany jest po raz pierwszy, program pyta o nazwę pliku. Save as zapisuje wyniki z aktywnego wykresu pod podaną nazwą pliku. Quit [Ctrl+Q] zakończenie programu. Menu View służy do wybierania typu wykresu aktywnego okna. Są dostępne dwa: Current Chart wykres prądu fotodetektora - pokazywana jest wielkość prądu fotodetektora (w [ma]) w zależności od długości padającego światła [µm] Sensitivity Chart wykres względnej czułości widmowej pokazywana jest względna czułość widmowa fotodetektora w funkcji długości fali świetlnej.
Opcje z menu Measure sterują przebiegiem procesu pomiarowego. Start/Stop [F9] Start rozpoczyna pomiar fotoprzewodnictwa dla aktywnego okna wykresu. Jeżeli na wykresie znajdowały się już jakieś wyniki, zostaną one utracone. Stop kończy zbieranie danych. Okno wykresu, dla którego były zbierane dane nie musi być aktywne. Pause/Continue [F10] zatrzymuje lub wznawia zbieranie danych. W menu Settings istnieje możliwość otwierania formularzy: Preferences, Detector Adjustment oraz Monochromator Adjustment, na których można dokonać zmiany ustawień odnoszących się do aparatury bądź programu. Opis każdego z tych formularzy znajduje się poniżej. Detector Adjustment otwierane jest okno formularza dostrajania detektora, ( Detector Adjustment ) gdzie można odczytać aktualny prąd i napięcie na fotodetektorze dla wybranej długości fali świetlnej. Służy ono do takiego ustawienia badanego elementu względem szczeliny monochromatora, aby jego prąd był maksymalny. Monochromator Adjustment otwierane jest okno formularza dostrajania monochromatora ( Monochromator Adjustment ) pokazujące aktualną długość fali. Jeżeli jest ona różna od długości fali na skali monochromatora, należy znajdującymi się tam przyciskami zniwelować różnicę. Preferences jeżeli nie jest widoczne żadne okno wykresu, pojawiają się wszystkie dostępne ustawienia programu, czyli zakładki: General, Measure i Card, przy czym na zakładkach Measure i Card pojawiają się ustawienia domyślne. Jeżeli jest widoczne przynajmniej jedno okno wykresu, pojawiają się tylko zakładki Measure i Card z parametrami tego konkretnego wykresu. Jeżeli wykres ten zawiera już jakieś wyniki, część parametrów pojawi się w trybie tylko do odczytu. Menu Window służy do aranżacji okien wykresów. Dostępne są tutaj: Cascade aranżuje okna wykresów jedno za drugim. Horizontal aranżuje okna wykresów sąsiadująco w poziomie. Vertical aranżuje okna wykresów sąsiadująco w pionie. Arange Icons okna, które są zminimalizowane układa nad paskiem stanu. Minimize All minimalizuje wszystkie okna wykresów. Next [F6] ustawia następne okno wykresu aktywnym. Previous [F5] ustawia poprzednie okno wykresu aktywnym.
W menu Help znajdują się opcje umożliwiające uzyskanie informacji na temat programu FO- CON. Contents [F1] wyświetlany jest spis treści pliku pomocy lub jego indeks. About krótki opis programu. Pasek narzędzi Za pomocą przycisków na pasku narzędziowym można wywołać niektóre opcje menu głównego. Są to: New Measure, Open, Save, Detector Adjustment, Monochromator Adjustment, Preferences, Help, Start/Stop, Pause/Continue, Current Chart, Sensitivity Chart. Menu kontekstowe Wywołane pojedynczym kliknięciem prawego przycisku myszki pojawia się menu kontekstowe z następującymi opcjami: New Measure, Open, Save, Preferences, Start/Stop, Pause/Continue, Current Chart, Sensitivity Chart Pasek stanu Znajdują się tutaj: Aktualna data i czas. Aktualna długość fali monochromatora (jeżeli jest ona różna od pokazywanej na skali monochromatora należy wykonać dostrajanie monochromatora za pomocą formularza Monochromator Adjustment ). Jeżeli program dokonuje zbierania widma fotoprzewodnictwa, nazwa wykresu na którym jest ono umieszczane pokazywana jest w trzecim okienku paska stanu.
Formularz wykresu Dostępne są dwa typy wykresu, wybierane z menu formularza głównego lub paska narzędziowego albo z menu kontekstowego : prądu fotodetektora (granatowe tło) względnej czułości widmowej fotodetektora (zielone tło). Na obu wykresach na osi X znajduje się długość fali padającego światła w [µm]. Na osi Y znajduje się odpowiednio wielkość prądu płynącego przez detektor w [ma] oraz względna czułość widmowa. Po naciśnięciu lewym przyciskiem myszki na punkcie wykresu pojawią się wartości [x,y] tego punktu Zwalniając ten przycisk wartości te znikną. Klikając dwukrotnie na tym punkcie wartości [x,y] pojawią się na stałe. Klikając prawym przyciskiem myszki wywołujemy menu kontekstowe takie same jak w formularzu głównym. Jeżeli lewym przyciskiem myszki zaznaczony zostanie prostokątny obszar wykresu ale w taki sposób, że kursor przesuwany był w kierunku prawo-dół, zaznaczony obszar wykresu będzie powiększony. Jeżeli zaznaczono fragment wykresu przesuwając kursor w kierunku lewo-góra, wykres powróci do pierwotnego rozmiaru. Na pasku stanu wyświetlana jest nazwa pliku wykresu (łącznie z pełną ścieżką, jeżeli aktualny katalog jest inny niż ten, gdzie znajduje się wyświetlany plik) albo napis New measure 1 (liczba 1 jest zastępowana adekwatnym numerem), jeżeli wykres jeszcze nie był zapisany.
Rys. 3 Widok formularza wykresu prądu fotodetektora. Rys. 4 Widok formularza wykresu względnej czułości widmowej fotodetektora.
Formularz preferencji Preferences Na tym formularzu możemy dokonywać ustawień preferencji programu oraz zmieniać parametry pomiaru. Dostępne są zakładki General Measure Card Jeżeli jest otwarte jakiekolwiek okno wykresu, widoczne są jedynie zakładki Measure i Card. Jeżeli na wykresie tym znajdują się już wyniki pomiarowe, pola tych zakładek pojawiają się w trybie tylko do odczytu, za wyjątkiem tych, których poprawności program sam nie mógł stwierdzić, tzn. : Person, Searched Object, Voltage Power, jeśli opcja From the Card jest wyłączona, oraz Monochromator Aperture. Pole Sensitivity Level jest w trybie tylko do odczytu, gdy na aktualnym wykresie umieszczane są wyniki pomiarowe. Jeżeli natomiast żadne okno wykresu nie jest otwarte, widoczne są wszystkie trzy zakładki i wszystkie pola mogą być modyfikowane. Pokazywane wartości na zakładkach Measure i Card są wtedy domyślnymi parametrami pomiaru. Zakładka General Widoczna jest jedynie, gdy żadne okno wykresu nie jest otwarte. Znajdują się tu ustawienia plików kalibracyjnych programu oraz kilka ustawień ogólnych: Engine Calibration File należy wpisać tu bądź wskazać położenie pliku kalibracji silnika. Monochromator Calibration File należy wpisać tu bądź wskazać położenie pliku kalibracji monochromatora. Monochromator Initial Lambda długość fali na jaką należy ustawić monochromator przy starcie programu. Jeśli opcja Show Monochromator Adjustment on Startup jest załączona, ta długość fali pojawi się na formularzu dostrajania monochromatora. Show Detector Adjustment on Measure Start Show Monochromator Adjustment on Startup jeśli ta opcja jest włączona po rozpoczęciu pomiaru naciśnięcie przycisku Start pojawi się formularz dostrajania detektora. Pokazuje formularz dostrajania monochromatora przy uruchomieniu programu, gdzie pożądaną długością fali jest Monochromator Initial Lambda.
Rys.5 Wygląd zakładki General formularza preferencji. Zakładka Measure Dostępna jest tu większość parametrów pomiaru (jeżeli nie jest otwarte żadne okno wykresu, są to parametry domyślne): Start Lambda długość fali od jakiej program ma rozpocząć pomiar widma czułości widmowej fotodetektora. End Lambda długość fali do której program ma mierzyć względną czułość widmową. Nie może być większa niż Start Lambda. Jeżeli wartość Start Lambda + wielokrotność Delta Lambda jest mniejsza niż End Lambda, pomiar widma zakończy się na tej wartości. Delta lambda krok z jakim program będzie mierzyć względną czułość widmową (gęstość punktów pomiarowych na wykresie). Nie może być większa niż różnica End Lambda Start Lambda. Delay Time czas jaki program powinien odczekać po ustawieniu monochromatora na konkretną długość fali, zanim wykona pomiar. Pozwala on na ustalenie termicznych warunków w detektorze po zmianie długości światła padającego na niego. Average Measure Count po ustawieniu monochromatora na konkretną długość fali program wykonuje pomiar prądu i napięcia na detektorze tyle razy, ile wynosi wartość tego parametru.
Punkt na wykresie jest średnią z tych pomiarów. Finished on jeżeli proces pomiaru względnej czułości widmowej dobiegł końca, pole to zawiera datę i czas ukończenia pomiarów. Jeśli nie pole to jest puste. Thermal Current niemodyfikowalne pole, którego wartość to średni prąd ciemny pochodzący z formularza pomiaru prądu ciemnego. Person tu można wpisać, kto przeprowadzał pomiar. Pięć różnych ostatnich wpisów jest zapamiętywanych. Searched Object tu można podać krótki opis badanego fotodetektora. Pięć różnych ostatnich wpisów jest zapamiętywanych. Voltage Power napięcie jakim jest polaryzowany detektor podczas pomiarów. From the Card jeśli ta opcja jest włączona, napięcie zasilające fotodetektor jest ustalane napięciem referencyjnym podawanym z karty przycisk Manual na skrzynce pomiarowej jest włączony. Jeżeli opcja ta i przycisk Manual na skrzynce są wyłączone, napięcie fotodetektora jest ustalane potencjometrem na skrzynce pomiarowej i jego wartość, którą można odczytać na formularzu dostrajania detektora, należy wpisać do pola Voltage Current. Monochromator Aperture szerokość na jaką ustawiona jest szczelina monochromatora podczas pomiarów. Wartość tę należy odczytać z monochromatora. Sensitivity Level określa na jaką wartość ustawiony jest stopień czułości detektora na skrzynce pomiarowej. Wskazuje ona na numer rezystora, który jest wpięty w pętlę sprzężenia zwrotnego konwertera prąd-napięcie (patrz układy pomiarowe i zasilające fotodetektor), dzięki czemu otrzymywane napięcie nie przekracza wartości maksymalnej na kanale prądowym karty. Rozwiązanie takie zostało podyktowane tym, że maksymalny prąd fotorezystora różni się czasem o parę rzędów od maksymalnego prądu np. fotodiody. Poprawna wartość tego pola jest bardzo istotna, gdyż według niej przeliczane jest napięcie na kanale prądowym karty na prąd fotodetektora.
Rys.6 Wygląd zakładki Measure formularza preferencji. Zakładka Card Wszystkie dane dla tej zakładki, z pośród których należy dokonać wyboru, program otrzymuje od sterownika karty. Pola zakresów napięcia na kanałach pomiarowych należą do parametrów pomiaru. Dostępne tu pola to: Current Chanel Number numer kanału analogowego wejścia karty, który służy do zbierania danych prądu detektora. Standardowo ma wartość 1. Może być modyfikowany, jeżeli żadne okno wykresu nie jest otwarte. Voltage Current Number numer kanału analogowego wejścia karty, który służy do zbierania danych napięcia na detektorze. Standardowo 0. Może być modyfikowany, jeżeli żadne okno wykresu nie jest otwarte. Current Channel Range zakres dopuszczalnych napięć na kanale prądowym. Standardowo +/-5V. Może być modyfikowany dla każdego pomiaru. Voltage Channel Range zakres dopuszczalnych napięć na kanale prądowym. Standardowo +/-5V. Może być modyfikowany dla każdego pomiaru.
Rys.7 Wygląd zakładki Card formularza preferencji.
Formularz dostrajania detektora Detector Adjustment Formularz ten służy do ustawienia detektora w takiej pozycji względem szczeliny monochromatora, aby przy wybranej długości fali płynący przez fotodetektor prąd był maksymalny. Można obserwować tu aktualne napięcie i prąd fotodetektora. Pokazywana jest także aktualna długość fali monochromatora oraz możliwa jest jej zmiana. Rys. 8 Wygląd formularza dostrajania detektora.
Formularz dostrajania monochromatora Monochromator Adjustment Pojawi się tutaj aktualna długość fali monochromatora przynajmniej taka jaką uważa program. Jeżeli długość fali na skali monochromatora jest inna, należy przyciskami (ciągłe w lewo, jeden krok w lewo, stop, jeden krok w prawo, ciągłe w prawo) ustawić monochromator na długość fali podawaną przez program. Rys. 9 Wygląd formularza dostrajania monochromatora.
Formularz pomiaru prądu ciemnego Można obserwować tu prąd fotodetektora oraz ustalić z ilu pojedynczych pomiarów ma składać się średnia wartość prądu ciemnego (dostępny zakres to 1-500). Przed uruchomieniem pomiaru należy zamknąć szczelinę monochromatora. Po zakończeniu pomiaru pojawi się wartość średnia, maksymalna oraz minimalna prądu ciemnego. Jeżeli otrzymany wynik nie będzie satysfakcjonujący można wykonać kolejną serię pomiarów. Jeśli naciśnięty zostanie przycisk Stop zanim kolejna seria pomiarów dobiegnie końca, jako prąd ciemny fotodetektora zostanie uznana ostatnio otrzymana wartość średnia. Rys. 10 Wygląd formularza pomiaru prądu ciemnego.
Pomiar względnej czułości widmowej fotodetektora przy pomocy programu FOCON Zawarty jest tutaj przepis, jak przy pomocy FOCONa wykonać pomiar względnej czułości widmowej fotodetektora. Przed przystąpieniem do pomiaru należy sprawdzić czy jest włączone zasilanie obu skrzynek pomiarowych, monochromatora oraz zasilacza jego lampy. Następnie należy umieścić badany fotodetektor w uchwycie przed szczeliną monochromatora. Po uruchomieniu programu FOCON należy ustawić monochromator na żądaną przez program początkową długość fali. Wszelkie kolejne zmiany długości fali dokonywane przez FOCON będą odnosić się do tej wartości początkowej. Po wybraniu z menu File opcji New Measure należy podać parametry z jakimi będzie wykonywany pomiar. Utworzony zostanie także pusty wykres zależności prądu detektora od padającej na niego długości fali. Następnie wybierając z menu Measure opcji Start rozpoczynamy pomiar. Pojawi się okno pokazujące napięcie i prąd fotodetektora (formularz dostrajania detektora). Należy teraz ustawić tak pozycję badanego elementu względem szczeliny monochromatora, aby pokazywana wartość prądu była maksymalna. Można dokonywać tego przy wybranej długości fali. Kolejnym krokiem jest pomiar prądu ciemnego detektora. Należy zamknąć szczelinę monochromatora, określić ilość pojedynczych pomiarów prądu przypadających na średnią wartość i nacisnąć przycisk Start. Po wykonaniu tej części pomiaru program poinformuje na jaką wartość należy ustawić szczelinę monochromatora, a następnie rozpocznie się zbieranie względnej czułości widmowej fotodetektora Po zakończeniu zbierania widma należy otrzymane wyniki zapisać wybierając opcję Save z menu File.
Plik z wynikami pomiaru Są to pliki tworzone przez program, zawierające parametry i dane pomiarowe. Format Program zapisuje otrzymane wyniki w pliku z rozszerzeniem.dat w następującym formacie: Pierwsza linia pliku mówi o pochodzeniu pliku i wygląda następująco: Results from Focon: Następnie znajduje się sekcja [MeasureParameters], w której znajdują się parametry pomiaru (z zakładek Measure oraz Card formularza Preferences ). Oto przykładowy fragment pliku wynikowego [MeasureParameters] SearchedObject=Fotodioda GaAs DoneBy=Grzegorz Jaśko StartLambda=0.450 EndLambda=2.000 DeltaLambda=0.010 AverageMeasureCount=5 DelayTime=0.0 Aperture=1.500 SensitivityLevel=1 VoltagePower=3.800 VoltageFromCard=0 FinishedOn=2000-06-02 14:53:03 ThermCurrent=0.00133 CurrentChannelRange=+/-5V VoltageChannelRange=+/-5V Kolejna jest sekcja [MeasureData], w której w kolumnach umieszczone są wyniki otrzymane przez program. kolumna pierwsza długość fali w [µm] kolumna druga prąd fotodetektora w [ma] kolumna trzecia napięcie fotodetektora w [V] kolumna czwarta względna czułość widmowa fotodetektora kolumna piąta natężenie światła dla danej długości fali (patrz kalibracja monochromatora). Przykład kilku jej linii zamieszczono poniżej: [MeasureData] <Wave Length [µm]> <Detector Current [ma]> <Detector Voltage [V]> <Detector Sensitivity> <Light Intensity> 0.450 1.35253905318677E-0003 3.79882812500000E+0000 1.37220687463702E-0001 1.49999952316283E-0001 0.460 1.35498051531612E-0003 3.80029296875000E+0000 1.20483312877670E-0001 1.89343122906656E-0001 0.470 1.36718747671693E-0003 3.79882812500000E+0000 1.48929648196170E-0001 2.2802926685029
Odczyt Podczas odczytu tych plików program kładzie nacisk na poprawność następujących parametrów pomiaru z sekcji [MeasureParameters]: StartLambda EndLambda DeltaLambda W przypadku błędów w którymkolwiek z powyższych parametrów odczyt pliku kończy się porażką. Jeżeli wystąpią błędy w pozostałych parametrach pomiaru program proponuje wartości domyślne. Jeżeli zakresy kanałów prądowego i napięciowego nie są aktualnie dostępne (inne ustawienia zworek na karcie laboratoryjnej), pomiar z tymi parametrami nie będzie mógł być powtórzony. Z sekcji [MeasureData] odczytywane są pierwsze trzy kolumny (długość fali oraz prąd i napięcie fotodetektora). Wartości czwartej kolumny program wylicza na podstawie wzoru (4) za pomocą trzech pierwszych kolumn i pola ThermCurrent (prąd ciemny fotodetektora). Wartości piątej kolumny jest wynikiem kalibracji monochromatora i program jest w stanie wyliczyć jej wartości na podstawie pliku kalibracji monochromatora. Jeżeli linia pliku z tej sekcji zawiera błędy jest ona ignorowana. Jeżeli takich linii jest więcej niż pięć odczyt pliku kończy się porażką. Plik z ostatnimi wynikami Program FOCON po wykonaniu pojedynczego pomiaru (jeden punkt na wykresie) otrzymany wynik dopisuje do pliku lastresults.dat znajdującego się tam gdzie główny plik wykonywalny programu FOCON (zazwyczaj focon.exe). Tak więc przy ewentualnej awarii systemu nie są tracone ostatnie nie zapisane wyniki. Plik lastresulst.dat jest czyszczony przy starcie kolejnego pomiaru. UWAGA: W jego czwartej kolumnie znajduje się czułość widmowa fotodetektora a nie względna czułość, jak w normalnych plikach z wynikami.
Przykładowe wyniki uzyskane przy pomocy programu FOCON Na rysunkach 30, 31 i 32 zamieszczono przykładowe wyniki pomiaru względnych czułości wybranych fotodetektorów uzyskane przy pomocy programu FOCON. Fotodioda germanowa posiada najszersze pasmo (0.45 1.7 µm) zaś fotorezystor charakteryzuje się największą czułością dla pasma 0.5 0.75 µm. Rys. 11 Względna czułość widmowa fotorezystora RPP130. Rys12 Względna czułość widmowa fotodiody germanowej FD3A.
Rys.13. Względna czułość widmowa fototranzystora BPX431.
Inne właściwości programu Znak dziesiętny W programie FOCON jak i w jego plikach znakiem dziesiętnym jest. (kropka), bez względu na aktualne ustawienia systemowe. Spośród szeregu elementów czułych na promieniowanie optyczne do konkretnych zastosowań wybiera się takie fotodetektory, których maksimum czułości odpowiada danemu zastosowaniu. Do wyznaczenia maksimum czułości widmowej fotodetektora służy stanowisko do pomiaru fotoprzewodnictwa. Badany detektor, po spolaryzowaniu go napięciem, oświetlany jest monochromatycznym światłem. Następnie mierzony jest prąd, jaki płynie przez ten fotodetektor. Wykorzystując komputer PC oraz umieszczoną w nim kartę laboratoryjną opisany proces pomiarowy został zautomatyzowany. Za pomocą silnika krokowego połączonego z kartą obracany jest pryzmat monochromatora, dzięki czemu uzyskiwanie określonej długości fali sterowane jest przez komputer. Również pomiar prądu i napięcia fotodetektora za pomocą specjalnie skonstruowanych układów połączonych z kartą laboratoryjną odbywa się automatycznie. Do obsługi tak skomputeryzowanego stanowiska został napisany program FOCON, umożliwiający ustalanie parametrów pomiaru, sterowanie procesem pomiarowym, obserwację otrzymywanych wyników na wykresach oraz archiwizację uzyskanych danych. Program FOCON został napisany w ramach pracy magisterskiej : Komputeryzacja stanowiska pomiarowego do pomiaru fotoprzewodnictwa przez mgr inż. Grzegorza Jaśko