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Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem zur Positionierung eines Objekts relativ zu einem Mikroskop, mit einer Objektträgervorrichtung zur Aufnahme des zu positionierenden Objekts und einer Positioniervorrichtung zur Positionierung der Objektträgervorrichtung.
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Positioniersysteme zur Positionierung von Objekten, welche in zwei Achsen bewegbar sind, sind hinlänglich bekannt, und werden regelmäßig auch als Kreuztisch oder XY-Tisch bezeichnet. Ein Kreuztisch weist zwei in einem rechten Winkel zueinander angeordnete Führungen auf, die eine zur Aufnahme eines zu positionierenden Objektes vorgesehene Objektträgervorrichtung mit einer Positioniervorrichtung verbinden. So werden Kreuztische unter anderem auch in der Mikroskopie und bei Messsystemen eingesetzt, wobei hier besonders hohe Anforderungen an eine Genauigkeit gestellt werden. Ein Objekt bzw. ein Probenträger mit einer Probe wird dann gegenüber einem Mikroskopobjektiv oder einem Messfühler mittels des Kreuztisches zur Beobachtung bzw. Messung in eine oder mehrere Positionen bewegt. Um den hohen Genauigkeitsanforderungen gerecht zu werden, verfügen die aus dem Stand der Technik bekannten Kreuztische regelmäßig über mechanische Stellantriebe, die beispielsweise als ein Spindeltrieb, als Zahnstange mit einem Ritzel, als Seilzug oder als Zahnriementrieb ausgebildet sind. Um eine Automatisierung der Positionieraufgaben zu ermöglichen, ist es auch bekannt diese Antriebe mit einem Elektromotor in Art eines Rotationsmotors auszustatten. Darüber hinaus sind auch elektromotorische Antriebe bekannt, die als Linearmotor ausgebildet sind und eine direkte Umsetzung einer Motorbewegung in eine translatorische Bewegung ermöglichen.
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Neben der Bewegung des zu positionierenden Objekts ist eine Bestimmung dessen tatsächlicher Position besonders wichtig, insbesondere wenn Messungen durchgeführt oder wiederholt bestimmte Positionen eingestellt werden sollen. Üblicherweise werden daher die vorbeschriebenen Positioniersysteme mit ergänzenden Messeinrichtungen ausgestattet die eine vergleichsweise genaue Positionsbestimmung erlauben. Die Messeinrichtungen sind jedoch regelmäßig als inkrementelle Messeinrichtung ausgebildet, das heißt, in der Regel nach dem Einschalten der Messanlage muss ein Nullpunkt des Messsystems bzw. eines Koordinatensystems des Kreuztisches zur Referenzierung der Messeinrichtung angefahren bzw. definiert werden. Ausgehend vom Nullpunkt erfolgt dann eine Zählung von Skaleneinheiten zur Bestimmung einer Position bzw. Länge.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Positioniersystemen ist es nachteilig, dass die Antriebseinrichtungen als ein Anbauteil am Kreuztisch angeordnet sind. Insbesondere ein Gewicht von im Bereich einer Außenkante des Kreuztisches angeordneten Elektromotoren bewirkt eine einseitige Gewichtsbelastung, welche zu einer Gewichtsschwerpunkts verlagerung des Kreuztisches führt. Eine Halterung des Positioniersystems wird so mit einem unerwünschten Drehmoment belastet, welches eine Messgenauigkeit des Positioniersystems nachteilig beeinflusst. Dies ist besonders dann der Fall, wenn Rotationsmotore zum Einsatz kommen, den Kreuztisch seitlich überragen oder auch unterhalb des Kreuztisches an diesem angeflanscht sind. Rotationsmotore weisen darüber hinaus den Nachteil auf, dass durch eine notwendige Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung mechanische Bauteile Geräusche und Vibrationen erzeugen, die sich ebenfalls nachteilig auf ein Messergebnis auswirken können.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Positioniersystems zusammen mit einem Mikroskop ist es wichtig, dass eine Bauhöhe des Positioniersystems möglichst niedrig ist, da das Positioniersystem anhandelsüblichen Mikroskopen verwendbar sein soll, welche aufgrund Ihres Aufbaus nur wenig Raum für die Anordnung eines Positioniersystems zulassen. Insbesondere bei der Durchlichtmikroskopie müssen optische Komponenten des Mikroskops an ein Objekt von beiden Seiten sehr nah heranbewegt werden können. Daher ist es wünschenswert einen Kreuztisch möglichst dünn auszubilden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Kreuztische erreichen dies dadurch, dass die Antriebseinrichtung und/oder die Messeinrichtung am Rande einer flächigen, und vergleichsweise dünnen Objektträgervorrichtung angeordnet ist. Jedoch führt diese Anordnung zu dem zuvor beschriebenen Nachteil der Gewichtsverteilung mit dem entsprechenden negativen Einfluss auf die Messergebnisse.
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Aus der
US 5,760,500 A ist einen Kreuztisch mit zwischen einer Objektträgervorrichtung und einer referenzierenden Basis angeordneten Linearmotoren bekannt, welche eine Bewegung der Objektträgervorrichtung relativ zur referenzierenden Basis ermöglichen. Ebenfalls zwischenliegend der referenzierenden Basis und der Objektträgervorrichtung ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die Messeinheiten mit jeweils drei Sensoreinheiten und einen Maßstab umfasst. Der Maßstab ist durch eine magnetische Spur gebildet, die von den Sensoreinheiten abgetastet werden kann.
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Die
DD 204 553 A1 beschreibt einen Kreutztisch für Mikroskope, wobei an dem Kreutztisch jeweils für eine X- und Y-Führung als ein Antrieb Rotationsmotore und eine aus einem Elektromagneten gebildete Bremse bzw. Fixiereinrichtung vorgesehen ist.
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Die
JP 2005-265996 A offenbart ein Positioniersystem für ein Mikroskop mit einer referenzierenden Basis und einer Objektträgervorrichtung, wobei die Objektträgervorrichtung als ein X-Tisch ausgebildet ist und zwischen der Objektträgervorrichtung und der referenzierenden Basis ein Y-Tisch angeordnet ist. An Seitenkanten des Y-Tisches und der referenzierenden Basis ist jeweils ein Linearantrieb mit einer Messeinrichtung vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positioniersystem für ein Mikroskop vorzuschlagen, mit dem Messwerte schnell und mit hoher Messgenauigkeit ermittelbar sind, ohne eine Bauhöhe des Positioniersystems wesentlich zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Positioniersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Positioniersystem zur Positionierung eines Objekts relativ zu einem Mikroskop, weist eine Objektträgervorrichtung zur Aufnahme des zu positionierenden Objekts und eine Positioniervorrichtung zur Positionierung der Objektträgervorrichtung auf, wobei die Positioniervorrichtung eine Antriebseinrichtung zum Antrieb der Objektträgervorrichtung aufweist, wobei die Antriebseinrichtung zwei Linearmotore aufweist, die so angeordnet sind, dass eine Positionierung der Objektträgervorrichtung in zwei Achsen möglich ist, wobei die Positioniervorrichtung eine Messeinrichtung aufweist, und wobei die Antriebseinrichtung und die Messeinrichtung zwischenliegend einer referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung und der Objektträgervorrichtung angeordnet sind.
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Insbesondere die Verwendung eines Linearmotors als elektromotorischer Antrieb ermöglicht die Ausbildung eines besonders flachen Positioniersystems. Die referenzierende Basis der Positioniervorrichtung ist gegenüber der technischen Einrichtung unbewegt bzw. wird an dieser fest fixiert, wobei mittels der zwei Linearmotore die Objektträgervorrichtung mit dem Objekt in einer X-Achse und einer Y-Achse in Art eines Kreuztisches zueinander bewegbar ist. Da die Antriebseinrichtung und die Messeinrichtung unmittelbar zwischen der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung und der Objektträgervorrichtung angeordnet sind, ergibt sich eine Gewichtsverteilung des Positioniersystems, bei der ein Gewichtsschwerpunkt vergleichsweise nahe, relativ zu einem Flächenschwerpunkt der Objektträgervorrichtung angeordnet ist. Dadurch wird eine erhöhte Messgenauigkeit erzielt, da auf die referenzierende Basis der Positioniervorrichtung bzw. die zwischen der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung und der Objektträgervorrichtung angeordnete Messeinrichtung kein durch Gewichtskräfte ungünstig wirkendes Drehmoment ausgeübt wird. Auch die Anordnung der Messeinrichtung in Schwerpunktsnähe bzw. in Nähe der Verbindung zwischen Objektträgervorrichtung und Positioniervorrichtung begünstigt besonders genaue Messergebnisse, da im Vergleich zu einer an einem Rand einer Objektträgervorrichtung angeordneten Messeinrichtung, drehmomentbedingte Kippbewegungen kaum über einen langen Abstand der Messeinrichtung zu einem Drehmittelpunkt der Objektträgervorrichtung verstärkt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Objektträgervorrichtung einen Mikroskoptisch mit einer Durchgangsöffnung zur Beleuchtung oder Beobachtung einer Probe. So kann das Positioniersystem vorteilhaft an einem Mikroskop eingesetzt werden. Auch Weiter umfasst Erfindungsgemäß die Objektträgervorrichtung einen Probenhalter. So können zu beobachtende oder zu messende Proben bzw. Objekte in einer definierten Position relativ zu dem Mikroskoptisch der Objektträgervorrichtung einfach positioniert werden.
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Erfindungsgemäß ist der Probenhalter unmittelbar an einen Linearmotor der Antriebseinrichtung gekoppelt, wodurch der Probenhalter relativ zum Mikroskoptisch bewegbar ist. Der Probenhalter bzw. das Objekt kann in Richtung einer Achse auf dem Mikroskoptisch bewegt werden. Dies vereinfacht die Ausbildung von Führungen der Positioniervorrichtung.
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Erfindungsgemäß ist mittels der Messeinrichtung ein Absolutwert einer unbestimmten Position der Objektträgervorrichtung relativ zu der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung unmittelbar bestimmbar. Dies hat gegenüber den bekannten, inkrementellen Messeinrichtungen den Vorteil, dass nicht erst ein Nullpunkt von der Objektträgervorrichtung angefahren bzw. ein Referenzpunkt eines Koordinatensystems bestimmt werden muss, bevor durch eine inkrementelle Zählung von Skaleneinheiten ein absoluter Messwert berechenbar ist. So kann das Positioniersystem nach dem Einschalten unmittelbar einen absoluten Messwert einer Position eines Objektes liefern. Insbesondere beim Einsatz des Positioniersystems zur Automatisierung von Abläufen ist eine Zeitersparnis erzielbar, da auf ein Anfahren des Referenzpunktes nach dem Einschalten verzichtet werden kann.
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In einer Ausführungsform kann die Messeinrichtung eine magnetische Messeinrichtung sein. Magnetische Messeinrichtungen können gegenüber optischen Messeinrichtungen bei vergleichbaren Genauigkeitsanforderungen günstiger hergestellt werden, wobei auch eine Bauform der magnetischen Messeinrichtung gegenüber einer optischen Messeinrichtung kleiner ist. Insbesondere eine Verwendung von Glasmaßstäben und Linsen sowie notwendige optische Wege stehen einer Miniaturisierung optischer Messeinrichtungen entgegen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Messeinrichtung zwei Messeinheiten umfassen. So kann eine erste Messeinheit einer X-Achse und eine zweite Messeinheit einer Y-Achse zugeordnet sein. Durch eine Auswertung einer jeweiligen Position der Messeinheit ist dann einfach eine Objektposition bestimmbar.
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Auch kann eine Messeinheit eine Sensoreinheit und einen Maßstab aufweisen, die relativ zueinander bewegbar sind. Dann kann der Maßstab oder alternativ die Sensoreinheit mit der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung verbunden sein, wobei die Sensoreinheit bzw. der Maßstab mit der Objektträgervorrichtung verbunden ist, so dass bei einer Bewegung der Objektträgervorrichtung eine Relativbewegung zwischen Sensoreinheit und Maßstab erfolgen kann. Die Messeinheit kann dann auch besonders einfach zwischen der referenzierenden Basis und der Objektträgervorrichtung angeordnet werden.
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Weist der Maßstab mehrere magnetische Spuren auf, kann jede der Spuren von einem Sensor abgetastet werden, wobei eine der Spuren eine präzise Anordnung von magnetischen Polen zur Bereitstellung von Skaleneinheiten als inkrementeller Maßstab und die eine oder mehrere weitere Spuren gegenüber der ersten Spur phasenverschobene magnetische Pole aufweisen können, die eine Bestimmung einer absoluten Position ermöglichen. Somit kann ohne eine vorherige Nullpunktdefinition eine unmittelbare Berechnung einer Absolutposition erfolgen. Beispielsweise können drei magnetische Spuren ausgebildet sein.
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Da das Positioniersystem aufgrund der Linearführungen und Linearmotoren eine von außen auf das Positioniersystem wirkenden Kraft in Richtung einer Achse keinen großen Widerstand entgegensetzen kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Objektträgervorrichtung mittels einer Fixiereinrichtung der Positioniervorrichtung arretierbar ist. Eine Fixiereinrichtung kann dann im Transportfall oder bei einer Betriebsunterbrechung die Objektträgervorrichtung relativ zur referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung fixieren, so dass unerwünschte Bewegungen der Objektträgervorrichtung und gegebenenfalls eine Beschädigung des Positioniersystems vermieden werden kann. So kann auch nach einer Betriebspause eine Beobachtung bzw. Messung eines Objekts unterbrechungsfrei, ausgehend von der letzten Position, fortgesetzt werden.
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Weiter kann die Fixiereinrichtung einen Elektromagneten aufweisen, der in zwei stabile Endlagen bringbar ist. In einer Endlage kann sich die Objektträgervorrichtung relativ zur referenzierenden Basis in den dafür vorgesehenen Grenzen frei bewegen und in der anderen Endlage können die beweglichen Bauteile der Positioniervorrichtung bzw. der Objektträgervorrichtung kraft- oder formschlüssig fixiert werden. Der Elektromagnet bzw. die Fixiereinrichtung kann bei einem Ausschalten oder Einschalten des Positioniersystems durch beispielsweise einen kurzzeitigen Spannungsimpuls einfach betätigt werden.
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In einer Ausführungsform kann in der Positioniervorrichtung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Positioniervorrichtung integriert sein. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise die Linearmotoren ansteuern und die Messeinrichtung auswerten, wobei die Steuereinrichtung vorzugsweise auf die Kombination der Linearmotoren mit der Messeinrichtung abgestimmt ist. Neben der unmittelbaren Integration der Steuereinrichtung in der Positioniervorrichtung ist auch eine Anordnung der Steuereinrichtung außerhalb der Positioniervorrichtung denkbar, wobei dann de Steuereinrichtung über Mittel zum Austausch von Daten mit der Positioniervorrichtung verbunden sein kann.
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Auch kann es wünschenswert sein, kraftbegrenzt ein Objekt zu positionieren, um Beschädigungen am Objekt, an der technischen Einrichtung oder am Positioniersystem zu vermeiden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine von der Antriebseinrichtung ausgeübte Kraft mittels der Steuereinrichtung begrenzbar ist. Im Fall von Linearmotoren kann dies besonders einfach durch eine Begrenzung eines Motorstroms mittels der Steuereinrichtung erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform können Verbindungskabel der Autriebseinrichtung, der Messeinrichtung und der Steuereinrichtung starr angeordnet sein. Diese Ausführungsform kann insbesondere durch die Integration der Antriebseinrichtung und der Messeinrichtung zwischenliegend der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung und der Objektträgervorrichtung realisiert werden. So müssen keine Kabel flexibel zur Antriebseinrichtung bzw. Messeinrichtung geführt werden und mit einer Objektträgervorrichtung bewegbar verbunden sein. Die Kabel können dann auch nicht durch sich wiederholende Bewegungen beansprucht werden und eine Verfälschung eines Messergebnisses durch in den Kabeln wirkende Kräfte kann vermieden werden.
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Die Positioniervorrichtung kann so ausgebildet sein, dass eine Positionsauswertung durch die Messeinrichtung oder durch die Steuereinrichtung erfolgen kann. So kann eine unmittelbare Bestimmung einer Absolutposition in der Messeinrichtung selbst oder in der Steuereinrichtung, beispielsweise durch eine Software, einfach erfolgen.
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In einer Endlage der Objektträgervorrichtung kann ein Objekt von dem Positioniersystem automatisch handhabbar sein. So kann die Objektträgervorrichtung in der Endlage beispielsweise mit dem Objekt automatisch bestückt werden. Dies ist besonders einfach dann realisierbar, wenn in der betreffenden Endlage auf das Anfahren eines Nullpunktes zur inkrementellen Messwertbestimmung verzichtet werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines Positioniersystems in einer Draufsicht;
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2 das Positioniersystem in einer Unteransicht ohne eine Basisplatte;
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3 das Positioniersystem in einer Draufsicht ohne eine Objektträgervorrichtung;
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4 das Positioniersystem in einer perspektivischen Darstellung ohne eine Objektträgervorrichtung;
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5 das Positioniersystem in einer Seitenansicht entlang einer Linie V-V aus 1.
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Eine Zusammenschau der 1 bis 5 zeigt ein Positioniersystem 10 mit einem Probenträger 11 welcher ein hier nicht dargestelltes Objekt bzw. eine Probe zur möglichen Beobachtung bzw. Vermessung mit einem Durchlichtmikroskop aufnimmt. Das Positioniersystem 10 ist aus einer Positioniervorrichtung 12 und einer Objektträgervorrichtung 13 gebildet. Die Objektträgervorrichtung 13 weist einen Mikroskoptisch 14 und einen Probenhalter 15 auf, wobei der Probenhalter 15 in Art einer Zange mit einem beweglichen Schenkel 16 und einem starren Schenkel 17 ausgebildet ist. Zwei Anlageflächen 18 und 19 des Schenkels 17 bilden eine definierte Aufnahme für den Probenträger 11 aus. Der Mikroskoptisch 14 ist entlang einer X-Achse und der Probenhalter 15 entlang einer Y-Achse in einem Winkel von 90° relativ zueinander bewegbar. Weiter ist im Mikroskoptisch 14 eine Durchgangsöffnung 20 vorgesehen, um eine Beleuchtung bzw. Beobachtung der Probe zu ermöglichen.
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Die Positioniervorrichtung 12 umfasst zwei Linearmotore 21 und 22, welche zusammen eine Antriebseinrichtung ausbilden. Weiter ist eine Messeinrichtung 23 vorgesehen, die im Wesentlichen von einem Magnetstreifen 24 und einem Sensorkopf 25 ausgebildet wird. Eine Basisplatte 26 bildet eine referenzierende Basis der Positioniervorrichtung 12 aus, wobei die Basisplatte 26 eine Durchgangsöffnung 27 für Beleuchtungs- bzw. Beobachtungseinrichtungen eines Mikroskops und nicht näher dargestellte Befestigungseinrichtungen zur ortsfesten Montage des Positioniersystems 10 an dem Mikroskop aufweist.
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Weiter sind zwei Linearführungen 28 und 29 zur Verbindung und Längsbewegung des Mikroskoptisches 14 mit der Positioniervorrichtung 12 sowie eine Linearführung 30 zur Verbindung und Längsbewegung des Probenhalters 15 vorgesehen. Eine Bewegung kann mittels der Linearmotore 21 und 22 erfolgen, wobei jeder der Linearmotore 21 und 22 über eine zwischenliegende Spule 35 bzw. 36, eine obere Magnetanordnung 31 bzw. 32 und untere Magnetanordnungen 33 bzw. 34 verfügt. Die von der Messeinrichtung 23 ausgegebenen Messsignale werden in einer Steuereinrichtung 37, welche im Positioniersystem 10 integriert ist, erfasst. Mittels der Steuereinrichtung 37 erfolgt ebenfalls eine Steuerung der Linearmotore 21 und 22 sowie eines bistabilen Elektromagneten 38, welcher zusammen mit einer Bremsstange 39 eine Fixiereinrichtung ausbildet. Insbesondere durch die Integration der Linearmotore 21 und 22 zusammen mit der Messeinrichtung 23 zwischenliegend dem Mikroskoptisch 14 und der Basisplatte 26 wird eine besonders kompakte und flache Ausführungsform des Positioniersystems 10 möglich, bei dem schon alleine durch die Anordnung der Linearmotore 21 und 22 für eine ausgeglichene Gewichtsverteilung, selbst in einer Endlage der Objektträgervorrichtung 13, gesorgt ist.
