Ein automatischer Spindeltisch

Zu einer kommerziellen Produktion eines automatischen Spindeltisches hat sich noch kein Hersteller bereitfinden können, es gibt lediglich verschiedene Laborprototvpen. Wesentlich beigetragen zum Bau eines solchen haben Anregungen von Armbruster [1].

Da der Ablauf der Messung mit einem automatischen Tisch prinzipiell mit dem Ablauf der manuellen Messung identisch ist, wird zunächst die Funktion des Spindeltisches wiedergegeben (nach [10]). Anschließend wird das Gesamtgerät mit seinen Einzelkomponenten beschrieben.

Funktionsweise des manuellen Spindeltisches

In Abb. 1 sind die Grundelemente des Spindeltisches dargestellt. Mit Hilfe des Tisches kann die zu untersuchende Probe um zwei Achsen, M(ikroskop)- und S(pindel)-Achse genannt, gedreht werden. Die S-Achse mit der Spindel steht senkrecht zum Lichtstrahl des Mikroskopes. An der S-Achse ist ein Goniometerkopf angebracht, auf dem die Probe befestigt wird. Die Spindel ist auf dem Mikroskoptisch montiert und kann so um die M-Achse gedreht werden. Die Messung erfolgt unter gekreuzten Polarisatoren.

Abb. 1: Der Spindeltisch [10]

Die Abbildung dient dazu. die Lage der M- und der S -Drehachse und deren Zusammenwirken zu demonstrieren. Alle lichtmikroskopischen Details, wie Kondensor, Obiektiv, Okular und sogar die Immersionszelle sind in der Abbildung weggelassen.

Nach einer konkreten Einstellung der S-Achse ]legt eine Schnittellipse der Indikatrix der Probe in der Ebene senkrecht zum Lichtstrahl. Durch eine Drehung um die M-Achse kann diese in eine Auslöschungsstellung gebracht werden. Die Winkel, bei denen die Auslöschungen auftreten, werden erfasst und mit dem Programm EXCALIBR ausgewertet.

Die Probe wird nacheinander in die S-Stellungen S=(0°, 10°, …. 180°)¹ oder für eine genauere Messung in S=(0°, 10°, …, 350°) gebracht (Bloss [10]) und Abb. 39). In jeder Stellung entsteht eine andere Schnittellipse zwischen der optischen Indikatrix des Kristalls und der Ebene senkrecht zur Mikroskopachse. Diese Schnittellipse wird durch eine geeignete Drehung der M-Achse um den Winkel E (Extinkion Angle) in die Auslöschungsstellung gebracht und der Wert für diese wird abgelesen. Aus diesen 19 oder 36 E-Werten, die mit einer möglichst hohen Genauigkeit (etwa ±0,1°sind angestrebt) erfasst werden sollten, kann das Programm EXCALIBR [10] die Lage der optischen Achsen sowie den Achsenwinkel 2V_z bestimmen. Der Kristall befindet sich während dieser Messung in einer Immersionszelle, die mit einer Flüssigkeit, im Allgemeinen einem Öl, gefüllt ist, dessen Brechungsindex mit den Brechungsindizes der Probe möglichst gut übereinstimmen sollte.

Der optische Achsenwinkel des Kristalls ist im Allgemeinen von der Wellenlänge (λ) des Lichtstrahls abhängig, der Brechungsindex des Immersionsöles von dessen Temperatur. So müssen beide Parameter für eine solche Messung eingestellt werden können.

Der automatische Spindeltisch

Der im Rahmen dieser Arbeit gebaute automatische Spindeltisch erlaubt eine vollautomatische Durchführung von Messungen des optischen Achsenwinkels bei wählbaren Wellenlängen a (400 nm bis 740 nm)² und Temperaturen (0°C bis 40°C)³.

Die Durchführung mehrerer kompletter Spindeltischmessungen besteht aus den Schritten:

1. Festlegen des Parametersatzes zur Durchführung der Messung und der Eingabe dieser Daten in eine Steuerdatei mit dem Namen "DateiName"³
2. Einbau der Probe ohne Immersionszelle
3. Start des Programms murkS.EXE mit dem Befehl "murkS DateiName"
4. Zentrieren der Probe auf dem Goniometerkopf
5. Einsetzen der Immersionszelle
6. Start der vollautomatischen Durchführung der Messung

Die Datei mit dem Namen “DateiName” ist ein ASCII-File das beispielsweise den folgenden Text enthalten könnte:

Mit dieser Datei werden dann folgende Messungen durchgeführt: Die Solltemperatur der Immersionszelle wird auf 30°C wird eingestellt. Wenn der Regler das Erreichen der Temperatur bestätigt, werden die 36 Auslöschungsstellungen einmal bei 740 nm und einmal bei 760 um gemessen. Die Ergebnisse werden in eine für das Programm EXCALIBR bestimmte Datei mit dem Namen “Messl.Dat” geschrieben. Beide Messungen werden anschließend bei einer Temperatur der Immersionszelle von 32°C wiederholt und deren Ergebnisse in die Datei Mess2.DAT eingetragen⁶.

Die Dateien Messl.Dat oder Mess2.Dat müssen anschließend mit dem Programm EXCALIBR ausgewertet werden. Dies ist in der Lage, neben den Richtungen der Hauptbrechungsindizes und dem optischen Achsenwinkel auch andere kristalloptische Informationen (siehe [10]) zu berechnen. Die Wellenlänge des verwendeten Lichtes wird beim Schreiben der Auswertedatei an der dafür festgelegten Stelle eingetragen, für die Temperatur wurde dagegen kein Informationsfeld in der Auswertedatei vorgesehen (Bloss [10]).

Eine Messung des optischen Achsenwinkels

Größere Probenserien wurden mit diesem Spindeltisch nicht mehr untersucht. Lediglich an einem Sanidinkristall wurde eine Vergleichsmessung durchgeführt. Dazu wurde dieser auf einem Goniometerkopf montiert, und zwar so, dass er den in Bloss [10] genannten Wright-Test erfüllt. Dieser Test zeigt an, dass der Kristall für die mit diesem Tisch durchführbare Achsenwinkelmessung geeignet justiert ist.

Das Messergebnis wird in der Art und Weise protokolliert, Wie es auf den Seiten 210 und 211 in Bloss [10] mit vier Beispielmessungen geschehen ist (Tab. 1). Der gemessene Sanidinkristall hat einen Achsenwinkel von 11.8°+0.28°.

Tab. 1: Das Ergebnis einer Achsenwinkelmessung auf dem automatischen Spindeltisch, ausgewertet mit EXCALIBR. Dargestellt sind in der Spalte S die vorgegebenen Werte der S-Einstellungen und in MS die E-Einstellungen, bei denen der Kristall jeweils auslöscht. Die Spalte MS2 ist eine in Bloss 1101 nicht dokumentierte Angabe. Es gibt die bezüglich des Azimutwinkels korrigierte Auslöschungsstellung an. CES die simulierten (calculated) ES-Werte und ES-CES die Differenzen zwischen den gemessenen und simulierten Auslöschungswinkeln.

Die vier Beispiele in Bloss [10] zeigen im Vergleich mit dem Ergebnis der Tab. 1 etwa um den Faktor 10 größere Werte von “LEAST SQUARES RESIDUAL” und “ERROR MEAN SQUARE”. Die maximalen Beträge der ES-CES-Werte in den vier dort genannten Beispielen betragen 0,82; 0,86; 0.72 und 0.37. Der maximale ES-CES-Wert in der vorgestellten Messung beträgt 0,19. Damit sind die Messungen dieses automatischen Spindeltisches in der Genauigkeit besser als die Messungen, die ein
guter Experimentator an einem manuellen Spindeltisch erhalten hat und für vorzeigbar gehalten hält.

Aufbau des automatischen Spindeltisches

Elektronische Komponenten

Der automatische Spindeltisch wird entsprechend Abb. 40 von einem PC gesteuert. Dieser ist mit drei Erweiterungskarten ausgestattet, einer AD-DA-Wandlerplatine, eine PIO-Karte und einem Videointerface.

Mit der Analog-Digtail bzw. Digtal-Analog-Wandlerkarte kann die Temperatur der Immersionszelle gemessen, und die Heiz- bzw. die Kühlleistung des zur Immersionszelle gehörenden Peltieielementes und die Helligkeit der Mikroskoplampe eingestellt werden.

Die parallele Input-Output-Karte steuert die drei Motoren und damit die Einstellungen der S-Achse und der M-Achse, sowie die des Interferenzfarbfilters (λ).

Das Mikroskop ist mit einer im Fotohandel erhältlichen, normalerweise zur Raumüberwachung eingesetzten CCD-Kamera ausgestattet, deren Signal vom Videointerface eingelesen wird.

Abb. 2: Elektronische Komponenten des automatischen Spindeltisches.

In einem 286-PC mit 640kB-Speicher und VGA-SW-Bildschirm (keine Farbe!) stecken drei Erweiterungskarten. eine AD-DA-\Vandlerkaric I’CL-812PG und eine PIO-Karte A-1210 der Fa. Messcomp sowie eine Videokarte VIDEO 1000/256. Die AD-DA sowie die PIO-Karte sind mit im Hause gebauten Elektroniken, im wesentlichen Leistungsverstärkern, versehen worden.

Meß- und Steuersoftware

Das Steuerprogramm murkS wurde in Turbo-Pascal 5.5 der Firma Borland geschrieben und besteht aus den in Abb. 3 dargestellten Dateien. Diese enthalten jeweils den kompletten Routinensatz. der entweder zur Steuerung einer Hardwarekomponente oder zur Durchführung einer speziellen Aufgabe notwendig ist.

Abb. 3: Übersicht über die zum Programm murkS gehörenden Dateien. Jede der hier genannten Dateien existiert einmal als Quellcode (”.PAS-) und einmal in compilierter Form (”.TPU”) (Ausnahme: MURKS.EXE).

Direkt in das Hauptprogramm (MURKS) eingebunden ist eine kleine Vorspannroutine (VORSPANN), durch die der Anwender in den Gebrauch des Gerätes eingeführt wird. Sie enthält eine Checkliste, die vor jeder Messung sorgfältig beachtet werden sollte, da ansonsten Fehlfunktionen leicht möglich sind.

FONT und DRIVER, einige Vektorzeichensätze und der Bildschirmtreiber für die VGA-Ausgabe sind im wesentlichen aus den zum Turbo-Pascal 5.5 mitgelieferten Dateien übernommen.

Der Propprtional-Integral-Differntial-Regler ist ein Softwareregler nach Best [9] (Datei PID). Das Reglerprogramm wird bei der Ausführung von murkS aktiviert. Der Regelalgorithmus besteht aus dem Einlesen der Temperatur, einer Berechnung der erforderlichen Stellgröße (Heiz- oder Kühlleistung) und der Ausgabe der Größe auf den DA-Wandler. Das PID-Programm wird vom Betriebssystem automatisch jede Sekunde 3,66-mal aufgerufen. Dazu wird jeder 5. Aufruf des BIOS-Softwareinterrupts Sie des PCs benutzt, der 18,3-mal pro Sekunde durch das Betriebssystem ausgeführt wird.

Die Achsen M und S, sowie der Motor zur Verstellung des Interferenzfarbfilters (k) werden mit je einem Vier-Phasen-Schrittmotor gesteuert. Das Hauptprogramm übergibt die gewünschten Winkelwerte in ° (E, S) oder Wellenlängen nm (λ) an das Modul MOTOREN. Von diesem Modul werden die für die Motoren erforderlichen Signalfolgen berechnet. Diese werden über Routinen des Moduls A 1210 ausgegeben.

Die drei Motoren können gleichzeitig bewegt werden. Die Geschwindigkeiten sind unterschiedlich und der mechanisch zu bewegenden Masse angepaßt⁸. Die Motoren bewegen sich so langsam, dass normalerweise keine Schrittverluste (missing steps) auftreten. Auf eine Kontrolle durch Encoder wurde daher verzichtet. An der Spindeltischmechanik sind Markierungen angebracht. Diese müssen vor und nach der Messung übereinstimmen, andernfalls sind Schrittverluste aufgetreten.

Das Modul CCD SERV enthält alle Routinen, die zum Einlesen des kompletten Bildes und zum ersten Verarbeiten der Bildinformationen erforderlich sind. Dazu gehören das Zählen der Pixel für ein Histogramm, das bei einer Auflösung des Analog-Digtalwandlers von 8 Bit eine Länge von 256 Einträgen (=Helligkeitswerten) haben muss und ggf. die Darstellung des Bildes auf dem Monitor.

Bei der primären Bildanalyse wird jeder Pixelwert nach dem Zählen im Histogramm durch 16 dividiert und dann als eine der 16 Farben auf einem VGA-Monitor (VGA-Modus:2) dargestellt. Die Farbskala des PCs wird beim Initialisieren neu sortiert, so dass das Bild auf dem SW-Monitor als Graustufenbild erscheint.

Ausgewertet wird das Histogramm dann mit dem Modul MESS. Diese Datei enthält alle Bildauswertungsalgorithmen. Von MESS werden Routinen des Moduls MATH und von NIATH wiederum LINGLS zur Lösung eines linearen Gleichungssystems aufgerufen.

Die Helligkeit der Mikroskoplampe, konkret die Versorgungspannung, kann über den DA-Ausgang Nr.2 der PCL 812-Karte vorgegeben werden (für diese eine Funktion schien keine eigene Datei mit dem Namen LAMPE nötig). Die Datei PCL 812 enthält weiterhin die beiden Routinen zum Einlesen des Temperaturwertes der Immersionszelle und zur Ausgabe der Heiz/Kühlleistung des Peltierelementes.

>Die Meßergebnisse werden mit Routinen der Datei EXCALIBR in die entsprechenden Auswertedateien geschrieben.

Die Datei ERR_HDL enthält alle Befehle, die auszuführen sind, falls bei der Programmausführung ein Fehler auftritt. GR UNIT enthält einige graphische Routinen, z.B. zum Zeichnen der Bildschirmeinteilung und zur Anzeige von Einstellungswerten (z.B. die S- und E-Winkel). Sämtliche Tastenbetätigungen werden über die Routinen von KEYBD bearbeitet. In PAR HDL werden spezielle Parametereinstellungen für den Programmablauf abgefragt und eingestellt und von PROT_HDL wird das Anlegen einer Protokolldatei gesteuert, in die Informationen über den Ablauf der Messung eingetragen werden.

Das Modul ERR_HDL legt eine Datei mit dem Namen ERR.FLE, das Modul PROT_HDL eine mit dem Namen PROT.FLE, an. Beides sind ASCII-Dateien. ERR.FLE wird nach Durchführung einer fehlerfreien Messung gelöscht. Tritt jedoch ein Fehler auf, der zum Abbruch der Messung führt, so enthalten beide Dateien die zur Fehlerdiagnostik nötigen Informationen. ERR.FLE, eine wie ein Stack organisierte Liste, enthält alle programmorientierten Informationen darüber, welche Routinen gerade aktiv waren und in welcher Aufrufverschachtelung der Fehler auftrat. PROT.FLE ist dagegen sequentiell organisiert. In dieser Datei werden alle abgearbeiteten Schritte protokolliert.

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Hinweise

1. In Bloss [8] sind primär nur die Werte S=(0°, 10°. …. 170°) angegeben, dann aber ist eine Angabe des Azimuthwinkels (Abweichung des 0°-Wertes auf der M-Skala von dem physikalischen M=0°-Wert vorgeschrieben, und für diesen Ist eine Messung bei S=180° erforderlich.
2. Die CCD-Kamera hat einige spezielle Bereiche, in denen sie relativ lichtunempfindlich ist. Das angegebene Intervall ist nicht vollständig nutzbar.
3. Einige Immersionsöle sind nicht im gesamten Temperaturbereich einsetzbar.
4. DateiName ist ein Stellvertreter für eine DOS-ASCII-Datei, möglicherweise mit Pfadangaben (z.B. C:\stDat\parm.dat)
5. Der Name steht für (m)otorisierter (u)nd ®echner(k)ontrollierter (S)pindeltisch.
6. Die Maximalzahl der Messungen, die in einer Datei stehen dürfen, ist derzeit bei EXCALIBR auf vier festgelegt. Bei murkS existieren keine Einschränkungen.
7. murkS verfügt über einen Software PID-Regler
8. Die Konstanten dazu stehen in MOTOREN.TPU
9. Zum Beispiel einige Endlagenschalter
10. Zum Beispiel wurde die Leistung der Motoren soweit reduziert, dass diese nur zu Bewegungen der Mechanik, nicht aber zu deren Zerstörung in der Lage sind

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