Electronics Add-On – Lernpfad

Status: Skeleton. Quelle: electronics.md. Voraussetzung: CoreBox.

Das Electronics Add-On bringt Bewegung und programmierbare Beleuchtung in das CoreBox-System: ein ESP32-basiertes Board, eine motorisierte Z-Stage (NEMA 11, < 1 µm) und ein LED-Array für digitale Kontrasttechniken.

Lernpfad

Inbetriebnahme ESP32 ─► Motor-Z-Stage manuell ─► PS4-Controller / Joystick
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                           LED-Array Beleuchtung ─► Software (ImSwitch / Python) ─► Autofokus

Experimente

1. Inbetriebnahme der Elektronik

Einstieg / Phänomen

• Was passiert, wenn du den ESP32 per USB anschließt – welche LEDs leuchten, was erscheint im seriellen Monitor?
• Welche Sicherheitsregeln (12 V Netzteil, Kurzschluss, ESD) solltest du kennen, bevor du anfängst?

Aufbau

• Wie verbindest du ESP32-Board, TMC2209-Treiber und LED-Array im Cube-System?
• Welche Kabel und Stecker brauchst du (USB-C, JST, Netzteil-Buchse)?

Firmware flashen

• Wie flashst du die UC2-eSP-Firmware über PlatformIO oder den UC2-Installer?
• Wie überprüfst du die Firmware-Version im seriellen Monitor?

Messung / Diagnose

• Welchen HTTP-Endpunkt (z. B. /motors) oder seriellen Befehl nutzt du, um den Motor und die LEDs zu testen?
• Wie erkennst du im seriellen Log einen fehlerhaften Treiber vs. falsches Kabel?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn der Rechner den ESP32 nicht erkennt (Treiber, COM-Port, Kabel-Typ)?
• Wie reagierst du auf einen Motor, der zuckt aber nicht dreht (Strom zu niedrig, Schrittmodus falsch)?

Erweiterung

• Wie öffnest du die ImSwitch-Oberfläche und bindest das Board als UC2-REST-Gerät ein?

• → experiments/01_inbetriebnahme.md

2. Motorisierte Z-Stage – erste Bewegungen

Einstieg / Phänomen

• Wie viele Schritte braucht die Stage, um 1 mm zu fahren – und was hörst du dabei?
• Was siehst du im Live-Bild, wenn du die Stage zu schnell verfahrst (Vibrations-Blur)?

Aufbau

• Wie montierst du NEMA-11-Motor, Spindel und Gleiter in den Z-Stage-Cube?
• Wie schließt du die Motorkabel sicher an den TMC2209-Slot an?

Messung / Quantifizierung

• Wie viele Mikrometer pro Schritt ergibt sich aus Spindelsteigung (z. B. 1 mm/U) und Microstepping (1/16)?
• Miss die tatsächliche Verfahrstrecke mit einem Messschieber und vergleiche mit dem Sollwert.

Variation

• Wie ändert sich das Geräusch, wenn du von 1/4 auf 1/16 Microstepping wechselst?
• Was passiert mit Bildschärfe und Geräusch, wenn du den Strom am Treiber erhöhst oder senkst?

Fehleranalyse

• Woran erkennst du Backlash (Loses Spiel in der Spindel), und wie kompensierst du ihn in Software?
• Was tun, wenn die Stage an den Endlagen schleift – gibt es einen Software-Endschalter?

Physikalischer Hintergrund

• Wie funktioniert ein Schrittmotor (Magnetpole, Spulensequenz), und was ist der Unterschied zwischen Vollschritt und Microstepping?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Wo werden Schrittmotoren mit Sub-Mikrometer-Präzision eingesetzt (Halbleiterfertigung, MRT-Bett, 3D-Drucker)?

• → experiments/02_zstage_motorisiert.md

3. Steuerung per PS4-Controller

Einstieg / Phänomen

• Was passiert, wenn du den Joystick des Controllers leicht neigst vs. ganz durchdrückst – ändert sich die Geschwindigkeit?
• Welchen Vorteil hat haptisches Feedback (Vibration) beim Fokussieren im Unterricht?

Aufbau / Pairing

• Wie koppelst du den PS4-Controller per Bluetooth mit dem Rechner oder dem ESP32?
• Welche Software (ImSwitch, eigenes Skript) nimmt Joystick-Events entgegen?

Mapping

• Wie konfigurierst du, welcher Stick oder welche Taste welche Stage-Achse und welche Geschwindigkeit steuert?
• Wie sicherst du, dass ein versehentlicher Knopfdruck nicht in die Endlage fährt?

Variation

• Wie änderst du die Empfindlichkeit (µm/Joystick-Einheit)?
• Kannst du zusätzlich die LED-Array-Helligkeit per Trigger steuern?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn der Controller verbunden scheint, aber die Stage sich nicht bewegt (Treiber, Port-Konflikte)?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Wie werden Gamepad-Controller in der Robotik (Fernerkundung, Chirurgie-Roboter) eingesetzt?

• Sek II / Vertiefung: Schreibe einen eigenen Joystick-Handler in Python (pygame oder evdev).

• → experiments/03_joystick_steuerung.md

4. LED-Array & Hellfeld-/Dunkelfeld-Beleuchtung

Einstieg / Phänomen

• Was siehst du im Bild, wenn nur die äußersten LEDs leuchten – und was, wenn nur die zentralen?
• Welche Probe profitiert von Dunkelfeld-Beleuchtung (z. B. transparente Diatomeen)?

Aufbau

• Wie setzt du das LED-Array so ein, dass es auf die hintere Brennebene des Objektivs abbildet?
• Welchen Abstand braucht das Array zum Objekt, um Kohler-ähnliche Beleuchtung zu erzielen?

Messung / Quantifizierung

• Wie misst du den Kontrast im Hellfeld- vs. Dunkelfeld-Bild (normierte Graustufendifferenz)?
• Wie hängt der Dunkelfeld-Ring-Radius mit der NA des Objektivs zusammen?

Variation

• Welche Muster (obere Halbkreis, untere Halbkreis, Diagonal) erzeugst du für DPC?
• Wie ändert sich der Kontrast transparenter Proben mit dem Beleuchtungsmuster?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn einzelne LEDs nicht leuchten (Adressierungsfehler, I²C-Timeout)?

Physikalischer Hintergrund

• Wie erklärt die Fourier-Optik, dass axiale Beleuchtung Strukturen anders betont als schiefe Beleuchtung?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Welche Prinzipien des LED-Arrays findet man in Licht-Feld-Kameras und Computational Photography?

• → experiments/04_led_array.md

5. Differential Phase Contrast (DPC)

Einstieg / Phänomen

• Warum erscheinen transparente, ungefärbte Proben im Hellfeld fast unsichtbar – und wie hilft DPC?
• Was zeigt ein DPC-Bild im Vergleich zu einem normalen Hellfeldbild an denselben Zellen?

Aufbau / Software

• Welche vier Halbkreis-Muster (links, rechts, oben, unten) musst du nacheinander aufnehmen?
• Wie berechnest du das DPC-Bild: $\text{DPC}_\text{LR} = (I_L - I_R)/(I_L + I_R)$?

Messung / Quantifizierung

• Wie quantifizierst du das Phasengradient-Signal im Vergleich zum Hellfeldkontrast?
• Welche Ortsfrequenzen werden durch DPC besonders betont?

Variation

• Wie kombinierst du LR und TB-DPC zu einem Phasenbild?
• Was verändert sich bei unterschiedlichen Beleuchtungs-NAs?

Fehleranalyse

• Was tust du, wenn die vier Bilder nicht gleich hell sind (LED-Intensitätsungleichmäßigkeit)?
• Warum entstehen Artefakte an Probenkanten, und wie minimierst du sie?

Physikalischer Hintergrund

• Wie beschreibt die optische Transfer-Funktion (OTF) den Übergang von Phasenobjekt zu DPC-Bild?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Welche Rolle spielt DPC in der computergestützten Pathologie und in Smartphone-Mikroskopen?

• → experiments/05_dpc.md

6. Autofokus über Kontrastkurve

Einstieg / Phänomen

• Wie sieht die Kontrastkurve über einen Z-Scan aus – hat sie eine klare Spitze oder ein breites Plateau?
• Warum funktioniert Kontrastautofokus nicht bei einer gleichmäßig grauen Probe?

Aufbau / Software

• Wie schreibst du einen Z-Scan-Loop: Motor schrittweise fahren, Bild aufnehmen, Metrik berechnen?
• Welche Schärfemetrik nutzt du (Varianz, Laplace-Varianz, Tenengrad), und warum?

Messung / Quantifizierung

• Wie breit ist die Schärfentiefe deines Objektivs in µm, und wie viele Schritte entsprechen ihr?
• Wie schnell ist dein Autofokus (Scans/s) im Vergleich zu einem kommerziellen System?

Variation

• Wie verbessert ein grob-fein-Suchalgorithmus die Geschwindigkeit?
• Wie wirkt sich Rauschen im Bild auf die Metrik und damit auf die Fokusgenauigkeit aus?

Fehleranalyse

• Was tun, wenn der Autofokus konsequent in einer Randzone festhängt (lokales Maximum)?

Physikalischer Hintergrund

• Was ist der Zusammenhang zwischen Schärfentiefe, NA und Wellenlänge: $\text{DOF} \approx \lambda / \text{NA}^2$?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Wie funktioniert der Autofokus einer DSLR oder eines Handy-Kamerasystems (Phasendetektion, Kontrastdetektion)?

• Sek II / Vertiefung: Implementiere einen Hill-Climbing- und einen Golden-Section-Suchalgorithmus und vergleiche.

• → experiments/06_autofokus.md (setzt Infinity-Add-On voraus)

7. Programmierung – Python / JavaScript

Einstieg / Phänomen

• Was passiert, wenn du im Browser http://<ESP32-IP>/motor?steps=100 aufrufst?
• Was ist der Unterschied zwischen HTTP-REST und seriellem JSON-Protokoll?

Aufbau / Entwicklungsumgebung

• Wie installierst du pyserial / requests und testest die Verbindung in einem Jupyter-Notebook?
• Wie ist die UC2-REST-API aufgebaut (Endpunkte für Motor, LED, Kamera)?

Schreibe dein erstes Skript

• Schreibe ein „Hello, Motor"-Skript: Fahre 500 Schritte vor, dann 500 zurück, und messe die Zeit.
• Wie steuerst du die LED-Array-Farbe per RGB-Wert über die REST-API?

Integration in ImSwitch

• Wie registrierst du das UC2-Board als Hardware-Gerät in der ImSwitch-Konfigurationsdatei?
• Wie schreibst du ein einfaches ImSwitch-Plugin, das einen Z-Scan auslöst?

Fehleranalyse

• Was tust du bei HTTP-Timeout-Fehlern – ist das WLAN instabil, oder hat der ESP32 einen Absturz?

Physikalischer Hintergrund / Informatik

• Was ist REST (Representational State Transfer), und warum ist es für IoT-Hardware gut geeignet?

Alltagsbezug / Erweiterung

• Wie automatisierst du einen vollständigen Scan-Workflow: Motor fahren → Bild aufnehmen → Datei speichern?

• Sek II / Vertiefung: Baue einen einfachen Feedback-Loop (Autofokus als geschlossener Regelkreis).

• → experiments/07_programmierung.md

Cube-Module / Komponenten

Modul	Kurzbeschreibung	Datei
Z-Stage NEMA 11 (RMS, 25 mm)	Motorisierte Fokussierung	modules/z_stage_motor.md
LED-Array Cube	Adressierbare Beleuchtung	modules/led_array.md
UC2-Elektronik 2×2 Cube	ESP32-Board mit TMC2209-Slots	modules/esp32_board.md
Objektiv 10× / NA 0.25 (endlich)	Mikroskop-Objektiv	modules/objective_10x.md
Netzteil 12 V	Stromversorgung	modules/psu_12v.md
PS4-Controller (drahtlos)	Manuelle Steuerung	modules/ps4_controller.md

Didaktische Anker

• Brückenschlag zur Informatik (Programmierung, Steuerung).
• Konkrete Erfahrung mit Schrittmotoren, PWM, TTL, USB.
• Übergang vom „Bauen" (CoreBox) zum „Automatisieren" (Electronics).

Offene Fragen / TODO

• Vereinheitlichte Firmware-Versionsangabe.
• Eigene Workshop-Einheit „Mein erstes Python-Mikroskop-Skript".
• Sicherheitshinweise zu 12 V / Motorabwärme.