基于人机工程学的光刻机嵌入式控制面板界面设计

蒋 薇，蒲小琼，陈 军，赵立新，胡 松

(1．四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065)

(2．中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209)

(3．成都纺织高等专科学校艺术学院，四川成都 611731)

光刻机是一种典型的微电子设备，集成了光、机、电、算等多个学科领域，主要应用于集成电路、半导体元器件、光电子器件等的研发和制造［1］。光刻机控制面板所传递出的信息能否可靠地被使用者接受并被准确地反馈，直接影响光刻机的工作效率和使用者操作的舒适性。随着机械化、自动化和电子化的高度发展，人的因素在生产中的影响越来越大［2］，设计师们也越来越重视人、机、环境三方的和谐统一，设计适应光刻机使用者思维和行为方式且具有引导功能的光刻机控制面板显得非常重要。

1 光刻机嵌入式控制面板设计目的

控制面板设计的目的是为了减少使用中人的因素引起的差错，发挥人和光刻机各自的优点以提高机器的可靠性，提高系统的整体效能。

光刻机嵌入式控制面板的界面设计，需要注意以下3个问题：

a．要保证控制面板向使用者传达信息的可靠性。

b．要保证控制、操纵系统安全可靠，便于识别和操作，避免误操作。

c．操作界面要尽量符合使用者的生理、心理需求，减少引起疲劳、干扰操作的因素。

2 光刻机嵌入式控制面板的设计

使用者通过显示器所显示的信息，决定自己下一步的操作，再通过控制器操作设备。为了提高光刻机的使用效率、安全系数以及使用者的舒适性，在设计时贯彻以人为中心的界面设计理念。

2.1 控制面板整体人机设计

光刻机结构复杂，需要在较小的控制面板上集中多个显示器和控制器。为了便于使用者迅速、准确地认读和操作，获得最佳的人机交流信息，就必须恰当地布置控制面板。

布局设计时，需遵循显示与控制系统人机界面的设计原则，参照人机工程学中视觉特征的识别规律合理安排［2］。控制面板上元件布局设计，应当符合光刻机使用者的思维方式和操作习惯，权衡各组元器件对设备的重要性，按照功能、操作顺序、重要性、使用频率等对元件进行合理编排。液晶触控显示屏对于光刻机来说，是主要的显示界面和操作界面，故将其放置在面板前方，总机开关、掩模吸附开关、真空曝光开关、工件台固定开关等不经常使用的元件放置在面板后方。

色彩设计是控制面板设计中的重要一环，利用色彩提示操作，可以有效缓解使用者的视觉疲劳。嵌入式控制面板色彩的选择和设计大致包括：面板表面色、灯光信号色、按键色彩编码等。

指导光刻机嵌入式控制面板设计的基本原则有：

a．操作顺序原则。

充分考虑显示与控制的逻辑关系，合理安排操作元件。光刻机的操作是按一套固定顺序操作的，因而操作元件也应按同一顺序排列布置，以方便使用者的记忆和操作。排列方向应当与人体活动的自然优势方向一致：横排时从左到右，竖排时从上到下，环形排列时按顺时针方向排列［3］。

b．功能分区原则。

按照光刻机控制器的功能关系安排其位置，将功能相同或相关的操作元件组合在一起。例如，打开汞灯电源开关后，要观察电压表，当电压表指针指到5V时，才可以打开控制开关。故在设计时，需将汞灯电源开关、电压表和控制开关布置在邻近区域。

c．使用频率原则。

将使用频率高的操作元件布置在使用者的最佳操作区内，可提高工作效率;对于只是偶尔使用的操作元件，可布置在次要区域。

d．防止误操作原则。

多个操作元件在同一平面上布置时，要保证适宜的间距。间距太大，会增加使用者不必要的运动量，且未充分利用面板空间;间距太小，极易发生无意触动，造成误操作。例如，操纵器不宜安放在人体胸腹高度的近身水平面上，否则当操作者上身前倾操作时，操纵器容易被肘部无意间误触碰。

e．整体布局美观性原则。

光刻机控制面板的设计不仅要有实质的功能性，还应具有良好的美观性。

2.2 显示器的人机设计

显示装置是控制面板的主要成员之一，使用者通过显示装置了解光刻机的工作状态，进行相应的操作。由于显示器的布局决定了使用者接受信息的速度和准确度，所以优良的显示装置布局是发挥光刻机效能的必要条件之一。

控制面板上的显示装置包括电流表、电压表、液晶触控显示屏、指示灯。其设计要点除了液晶触控显示屏软件的人机界面外主要是显示装置的空间布局，合理布置多个显示器的空间位置，是保证正确高效利用显示装置的基础，设计时一般应考虑以下因素：

a．操作者视区。

显示装置的显示平面应与人的正常视线尽量接近垂直，以方便读数、减少误读。根据人的视野特性，应将重要程度高的显示装置如液晶触控显示屏放在视野中心3°范围内，一般性显示装置如电流表、电压表放到20°～40°视野范围内，对于80°视野以外的地方，一般不宜放置显示装置。

b．视觉特性。

因为人眼水平运动比垂直运动快且幅度宽，所以显示装置排列的水平范围应大于垂直范围［3］。电流表、电压表、指示灯的排列顺序与方向应符合人眼从左到右、从上到下、顺时针方向扫视的习惯，所有显示装置的排列顺序应与使用者操作顺序一致。此外，排列顺序还需考虑显示装置之间在逻辑上的联系。例如，电流表与电压表空间位置应安排得尽量靠近些，从而提高读数效率，降低误读率。

2.3 控制器的人机设计

相对于显示器而言，控制器比较复杂，与使用者的关系最为密切。显示装置向使用者传达视觉信息，而控制装置向使用者传达触觉、视觉等多方面信息，会影响使用者心理状态，并且控制装置是使用者将信息传给机器的纽带，直接影响光刻机的运行。

控制面板上的控制装置包括电压开关、控制开关、总机开关、掩模吸附开关、真空曝光开关、工件台固定开关和液晶触控显示屏。控制器的设计主要包括控制元件与操作方式类型的选择、控制元件的空间布局、控制器的宜人性几方面。

a．控制元件与操作方式类型的选择。

为了区分不同功能的控制元件，在控制器设计上常使用编码设计。常用的编码方式有形状编码、颜色编码和标识编码。

形状编码是将不同用途的按键设计成不同的形状，以使各按键之间不易混淆［3］，便于使用者从外观上迅速辨认控制元件的功能。控制元件的形状不宜过分复杂，应能在不需仔细观察或戴手套的情况下，凭触觉也能分辨清楚。

利用颜色的差别来区别控制元件的编码方式，称为颜色编码。选用色彩种类不宜过多，否则会增加分辨难度。常用色彩有红、橙、黄、蓝、绿5种。

利用控制面板上的文字、符号、标志等标识来区别控制元件的编码方式，称为标识编码。这种编码用示意性符号对每个控制元件的作用给予直观指示，不需事先记忆每个控制元件的功能和用途，减少了大脑译码的过程，因此效率和准确度都较高。标识放置的位置很重要，不要把标识放在易混淆的位置上。

综合考虑，本文的设计采用文字、标志和色彩来区别控制元件。

b．控制元件的空间布局。

光刻机嵌入式控制面板的控制器应优先布置在使用者肢体活动自如、能产生较大肌力的范围内。对于多个控制元件，可按照操作顺序和功能进行分区并合理布置［4］，以便于使用者辨别与操作。要保证使用者与控制器间的距离，防止使用时产生误操作或受其他因素干扰。

c．控制器的宜人性。

控制器在设计时要考虑控制元件本身需要的控制力、控制方向、控制速度与人体施力特性相适应。此外，控制元件的尺寸、形状应与手的尺寸及生理学、解剖学特征相适应。

通过上述分析，设计出一套光刻机嵌入式控制面板界面，如图1所示;光刻机嵌入式控制器整体设计如图2所示。

图1 光刻机嵌入式控制面板界面设计

3 结束语

图2 光刻机嵌入式控制器整体设计

随着高新技术的不断发展，光刻机的应用领域也在不断拓展，产品的更新速度不断加快，高效、安全、宜人的光刻机才是受欢迎的［5］，为了达到这样的目标就必须考虑人机交互过程中可能出现的各种情况。运用工业设计方法和人机工程学等理论设计光刻机嵌入式控制面板，对追求光刻机在使用时人、机、环境三者的和谐统一，提升光刻机的可靠性，操作的舒适性、准确性、高效性，改善科研工作者的工作环境，提高工作效率都有积极作用。

［1］ 姚汉民，胡松，邢延文．光学投影曝光微纳加工技术［M］．北京：北京工业大学出版社，2006．

［2］ 李余峰，薛艳敏，张晓辉．基于人机工程学的电子设备人机界面设计［J］．包装工程，2011，32(6)：63-66．

［3］ 张峻霞，王新亭．人机工程学与设计应用［M］．北京：国防工业出版社，2010．

［4］ 杨志，李太福，邵艳，等．自动化系统中的图形用户界面设计［J］．仪器仪表学报，2002，23(3)：880-881．

［5］ 苟秉宸，宋明轩，余隋怀，等．三维数字化人机设计与评价系统研究［J］．机械科学与技术，2005，24(10)：1154-1157．